Συστήματα παραγωγής ενεργειακών και άλλων προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από δασικές και γεωργικές πηγές

Abstract

The structure of the thesis and the content of each individual chapter are summarized below: Chapter 0: The starting point as well as, the issues and research questions which lead to the idea of carrying out the specific thesis are presented in this chapter. Furthermore, the issues which will be dealt in the thesis are placed in the context of the relevant state of the art literature. Chapter 1: A literature review concerning the prospects of Bio-economy and the role of the supply chain design in its development is presented. A detailed analysis of the specific design and operational characteristics of such production systems is carried out, according to the current literature. Last but not least, the crucial design and optimization parameters of the logistics and supply chain were identified. Chapter 2: A methodological framework for mapping the biomass potential for specific biofuel production technology, under specific geographical boundaries is developed. Under this point of view, the map of potential carbohydrate providing feedstocks in EU, for two-step fermentative biohydrogen generation technology, is provided and an initial assessment of their availability takes place. For this biomass resource assessment, statistical data concerning the land use, agricultural and agro-industrial production in each EU country are used. The carbohydrate recovery potential and specific conversion technology related limitations were also taken into account in order to assess the potentially available biomass resources. Chapter 3: The European countries are grouped according to their dynamics and their expected approach to the bioeconomy challenges, in their way to the integration of such applications into their current socio-economic infrastructure. The identification of the crucial parameters for this integration, when the bio-based energy products are concerned takes place. The current degree of bio-based energy product generation, following the relevant EU directives is reported and the current map of production is assessed for the proposed EU country groups. Chapter 4: The regional dimension and its importance in the integration of bio-economy applications is presented through the example of the two-step fermentative biohydrogen generation technology. For this specific reason two EU regions, one in the South (Thessaly/GR) and another one in the North (wider Rotterdam area/NL) are chosen. Firstly, the regional parameters which are expected to be crucial for each region are identified not only during the start-up phase but also when the technology will be fully established. Secondly, the regional specificities which are expected to affect the development of the under study technology are assessed and their impact on the exploitation of the regional biomass potential for both regions is explored. Finally, a roadmap for Thessaly is prepared, in order to ensure the sustainable integration of biomass-based energy applications into their current agro-industrial and energy production system. Chapter 5: The increased demand on the one side and the socio-environmental concerns on the other, ask for the establisment of a «Best Practice» approach for any newly developed biomass based production system. Only under such a framework the techno-economic feasibility and socio-environmental sustainability of these new applications can be ensured. In this chapter, a “Best Practice” framework, specified for two-step ferementative hydrogen production technology is presented. Under this point of view the most important feasibility and sustainability topics for sugar beet and barley straw, the two out of 4 most suitable feedstocks for the specific technology, are analysed. Chapter 6: The development of feasible and sustainable bio-economy application systems depends not only on their techno-economic perspectives, but also on the way such a complex and multi-stakeholder system, can be wholistically optimized. What is at stake is keeping the key players, which have their own optimization objectives, under a state of satisfaction level, which will be acceptable for them in order to ensure their participation or at least tolerance into this newly developed production system. Furthermore, to track the synergy and competition tendencies among these players. The development of such applications is a longterm process involving multiple sectors and players, at multiple levels of decision making. Therefore, the decision making and strategy development process, should involve all the major players into the process, just from the beginning, and taking into consideration the longterm perspectives of the whole project. Given that the “failure stories” of the sector are quite often due to the lack of this participatory process, a methodological framework which aims at handling the above mentioned complexity is developed. The outcomes of the pilot “run” of the proposed participatory decision making methodology, for three successive semesters in the NTUA Master Programme “Energy Production and Management”, are presented in the current chapter. Chapter 7: Concluding the results and outcomes of the previous chapters, and the overall assessment of the contribution of the thesis in the development of the knowledge concerning the sector, takes place in the current chapter. Furthermore, issues and topics for further research, which may facilitate the development of Bio-economy are summarized.

Η διάρθρωση της διατριβής και το περιεχόμενο των Κεφαλαίων συνοψίζονται παρακάτω: Κεφάλαιο 0: Δίνεται μία συνοπτική περιγραφή του σημείου εκκίνησης της συγκεκριμένης διατριβής, των προβλημάτων κι ερευνητικών ερωτημάτων που οδήγησαν στην εκπόνησή της, καθώς και του γενικότερου πλαισίου των στόχων της όπως αυτοί τοποθετούνται στα δεδομένα της σύγχρονης σχετικής βιβλιογραφίας. Κεφάλαιο 1: Παρουσιάζεται μία συνοπτική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας αναφορικά με τις προοπτικές ανάπτυξης της Βιο-οικονομίας και τον ρόλο του σχεδιασμού της εφοδιαστικής αλυσίδας σε αυτήν. Γίνεται μία εκτενής περιγραφή των ιδιαιτεροτήτων των συγκεκριμένων εφαρμογών, καθώς και του τρόπου που σχεδιάζεται και λειτουργεί ένα τέτοιο σύστημα διαχείρισης και τροφοδοσίας βιόμαζας με βάση την πιο πρόσφατη βιβλιογραφία. Τέλος, εντοπίζονται τα κρίσιμα σημεία, ως προς τον τρόπο επιλογής και βελτιστοποίησης της εφοδιαστικής αλυσίδας. Κεφάλαιο 2: Γίνεται μία προσπάθεια δημιουργίας ενός πλαισίου και γενικών αρχών για την χαρτογράφηση του θεωρητικού δυναμικού βιόμαζας για βιοκαύσιμα μέσω συγκεκριμένης τεχνολογικής διαδρομής, εντός συγκεκριμένων γεωγραφικών ορίων. Υπό αυτό το πρίσμα δημιουργείται ο χάρτης πρώτων υλών που θα μπορούσαν να παρέχουν υδατάνθρακες για τη ζυμωτική παραγωγή βιο-υδρογόνου στις χώρες της Ε.Ε., και αξιολογείται η δυνατότητα αξιοποίησής τους. Για την χαρτογράφηση αυτή γίνεται επεξεργασία στοιχείων χρήσης γης, αγροτικής και αγροβιομηχανικής παραγωγής σε επίπεδο χωρών της Ε.Ε.. Η ανακτησιμότητα των υδατανθράκων, και οι όποιοι σχετικοί περιορισμοί που θα οφείλονται στο επιλεχθέν τεχνολογικό μονοπάτι που θα μελετηθεί, αποτέλεσαν περαιτέρω ζητήματα που εξετάστηκαν προκειμένου να αξιολογηθούν οι πρώτες ύλες. Κεφάλαιο 3: Γίνεται χαρτογράφηση κι ομαδοποίηση των Ευρωπαϊκών χωρών, όσον αφορά στη δυναμική και στον εν δυνάμει τρόπο αξιοποίησης των διαθέσιμων βιολογικών πόρων τους, για την εισαγωγή εφαρμογών Βιο-οικονομίας. Προσδιορίζονται οι κρίσιμοι παράγοντες που θα επηρεάσουν την εισαγωγή τεχνολογιών αξιοποίησης βιόμαζας για την παραγωγή ενεργειακών προϊόντων και τον τρόπο που αυτή θα λάβει χώρα. Αποτιμάται η εξέλιξη του χώρου μετά από την δημοσίευση της πρώτης Ευρωπαϊκής οδηγίας (2003) για τα Βιοκαύσιμα, και τον τρόπο που η εξέλιξη αυτή συνάδει με την προτεινόμενη ομαδοποίηση των Ευρωπαϊκών χωρών. Κεφάλαιο 4: Αναδεικνύεται η σημασία της περιφερειακής διάστασης στην ανάπτυξη εφαρμογών βιο-οικονομίας, μέσα από το συγκεκριμένο παράδειγμα της ανάπτυξης εφαρμογών βιο-υδρογόνου. Για το σκοπό αυτό επιλέχθηκαν δύο Ευρωπαϊκές περιφέρειες, αυτή της Θεσσαλίας και του Ρότερνταμ στην Ολλανδία. Σε πρώτη φάση γίνεται ταυτοποίηση των παραμέτρων που αναμένεται να παίξουν σημαντικό ρόλο τόσο κατά την αρχική φάση ανάπτυξης της τεχνολογίας, όσο κι όταν αυτή θα έχει εδραιωθεί. Στη συνέχεια διερευνώνται οι τοπικές ιδιαιτερότητες οι οποίες θα επιδράσουν στην ανάπτυξη της τεχνολογίας αυτής και πως αυτές θα επηρεάσουν τον τρόπο αξιοποίησης του δυναμικού βιόμαζας στις δυο περιοχές. Τέλος, για την περίπτωση της Θεσσαλίας, παρουσιάζεται κι ένας «οδικός χάρτης» για την διασφάλιση της αειφορίας κατά την ανάπτυξη εφαρμογών Βιοκαυσίμων. Κεφάλαιο 5: Η αυξημένη ζήτηση από την μια και οι κοινωνικο-περιβαλλοντικές ανησυχίες από την άλλη απαιτούν τη δημιουργία ενός πλαισίου «Βέλτιστων Πρακτικών», για οποιαδήποτε νέα εφαρμογή θα εισέρχεται στο σύστημα και θα στοχεύει στην αξιοποίηση των βιολογικών πόρων, προκειμένου να διασφαλίζεται η τεχνο-οικονομική της βιωσιμότητα και κοινωνικο-περιβαλλοντική της αειφορία. Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται ένα τέτοιο πλαίσιο, εξειδικευμένο και πάλι για την περίπτωση παραγωγής βιο-υδρογόνου. Υπό αυτό το πρίσμα, ένας οδηγός «Βέλτιστων Πρακτικών» δημιουργήθηκε για καθεμιά από τις 4 προεπιλεγμένες κατάλληλες πρώτες ύλες, δηλαδή το τεύτλο, τους φλοιούς πατάτας, το άχυρο κιθαριού και το πίτουρο σιταριού. Τα σημαντικότερα σημεία αυτού του οδηγού για δύο από αυτές, το τεύτλο και το άχυρο κριθαριού, παρουσιάζονται στο παρόν κεφάλαιο. Κεφάλαιο 6: Η δημιουργία βιώσιμων και αειφόρων συστημάτων βιο-οικονομικών εφαρμογών απαιτεί, πέρα των τεχνο-οικονομικών δυνατοτήτων, και τη διαχείριση ενός πολύπλοκου συστήματος, με πολλούς εμπλεκόμενους φορείς, με διαφορετικούς στόχους βελτιστοποίησης. H ανάπτυξη τέτοιων εφαρμογών είναι μια μακρόχρονη διαδικασία, που εμπλέκει πολλαπλούς τομείς και κλάδους, σε πολλαπλά επίπεδα λήψης αποφάσεων. Ως εκ τούτου η λήψη αποφάσεων και η χάραξη της κατάλληλης στρατηγικής θα πρέπει να λαμβάνει χώρα με την άμεση συμμετοχή όλων αυτών των εμπλεκόμενων «παικτών», εξαρχής, και λαμβάνοντας υπόψιν τις μακρόχρονες προοπτικές του σχετικού εγχειρήματος. Εκτιμώντας ότι αρκετά συχνά, οι «ιστορίες αποτυχίας» του κλάδου οφείλονται στην έλλειψη ακριβώς αυτής της συμμετοχικής διαδικασίας, στο παρόν κεφάλαιο θα δοθεί ένα πλαίσιο μεθοδολογίας για τον τρόπο διαχείρισης αυτής της πολυπλοκότητας. Θα παρουσιαστούν και θα αναλυθούν τα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προκύπτουν από αυτήν, μέσα από την πιλοτική προσομοίωση, για σειρά ετών, της προτεινόμενης μεθοδολογίας στο πλαίσιο του μαθήματος «ΒΙΟΜΑΖΑ» του ΔΠΜΣ «Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας» του ΕΜΠ. Κεφάλαιο 7: Συνοψίζονται τα συμπεράσματα από τα προηγούμενα Κεφάλαια και γίνεται μία συνολική αποτίμηση της προσφοράς της εργασίας αυτής στη στάθμη των γνώσεων για την περαιτέρω ανάπτυξη του χώρου στην Ελλάδα. Προκρίνοται επίσης ζητήματα που απαιτούν μεγαλύτερη εμβάθυνση, κι εφαρμογή για να επιτευχθούν οι στόχοι που έχουν τεθεί για την ανάπτυξη της Βιο-οικονομίας.