Systems integrations for the olistic design of second generation biorefineries

Abstract

Η ανάπτυξη σύγχρονων βιοδιυλιστηρίων αποτελεί σύνθετο σχεδιαστικό πρόβλημα καθώς, εκτός από τη συμβατική ανάπτυξη και την ολοκλήρωση των επιλεγμένων διεργασιών, απαιτείται η ταυτόχρονη ανάπτυξη χαρτοφυλακίων προϊόντων με επιλογές ανάμεσα σε διεργασίες με διαφορετικά επίπεδα ωριμότητας. Η πολυπλοκότητα και το μέγεθος του συνδυαστικού προβλήματος καθιστούν ανέφικτη την ανάπτυξη ενός ενιαίου μοντέλου βελτιστοποίησης. Εν τούτοις, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει ένα συστημικό μεθοδολογικό πλαίσιο αποικοδόμησης που είναι κατάλληλο για το γενικευμένο πρόβλημα των βιοδιυλιστηρίων δεύτερης γενιάς. Η μεθοδολογία συνδυάζει εναλλακτικές σχεδιαστικές κλίμακες και εργαλεία προτυποποίησης που αφορούν στην αναπαράσταση και στη σύνθεση των επιμέρους βιο-διεργασιών. Η συστημική προσέγγιση στοχεύει στην ταυτόχρονη μείωση κόστους, στον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και στην καλύτερη διαχείριση βοηθητικών παροχών. Συστημικές προκλήσεις περιλαμβάνουν (i) τη διαχείριση δεδομένων που προέρχονται από διαφορετικές πηγές (βιβλιογραφία ή πειράματα), σε κάθε περίπτωση με διαφορετική ακρίβεια λόγω διαφορετικής πειραματικής προέλευσης και τεχνολογικής ωριμότητας (πιλοτική εγκατάσταση, εργαστήριο, θεωρητικό στάδιο), (ii) τη συστηματική σύγκριση εναλλακτικών επιλογών επεξεργασίας, λαμβάνοντας υπόψη τεχνολογικά χαρακτηριστικά, (iii) την επίδραση των σχεδιαστικών επιλογών στην κατανάλωση βοηθητικών παροχών (ενέργειας και μάζας), (iv) τις ενδογενείς συμβιωτικές επιλογές κατά την αναβάθμιση υφιστάμενων μονάδων με νέες τεχνολογίες και (v) την ολοκληρωμένη διαχείριση αποβλήτων.Η μελέτη των διεργασιών βασίζεται στη χρήση υπολογιστικών προτύπων υποκατάστασης (surrogate models) που εναρμονίζουν δεδομένα από διαφορετικές πηγές και συμβάλλουν στην διαμόρφωση υπολογιστικών εργαλείων γενικότερης χρήσης. Τα πρότυπα υποκατάστασης (surrogates) εξομαλύνουν αποκλίσεις σε υπολογισμούς, γενικεύουν τη χρήση πειραματικών δεδομένων και λειτουργούν με βαθμούς ελευθερίας που περιλαμβάνουν σχεδιαστικές και θερμοδυναμικές παραμέτρους (διεργασίες, ρεύματα). Η χρήση τους παρουσιάζεται στη σύνθεση διεργασιών με υπερδομές και στην ανάπτυξη δικτύων ολοκλήρωσης ανάμεσα σε ρεύματα-πηγές (sources) και ρεύματα-αποδέκτες (sinks). Τα προβλήματα σύνθεσης μελετήθηκαν για 21 εναλλακτικές διεργασίες, ο σχεδιασμός των οποίων μελετήθηκε τόσο μεμονωμένα όσο και στο πλαίσιο της ολοκλήρωσής τους με τις υπόλοιπες διεργασίες. Η μελέτη οδήγησε σε μαθηματικό πρότυπο για την ταυτόχρονη βελτιστοποίηση βοηθητικών παροχών στη βιομηχανική μονάδα (ενέργειας και μάζας) καθώς και στην περαιτέρω ολοκλήρωσή της με σχεδιαστικές επιλογές. Η προσέγγιση εφαρμόζεται τόσο στη διαμόρφωση νέων μονάδων (grassroots design) όσο και σε προβλήματα επανασχεδιασμού (retrofitting). Το μεθοδολογικό πλαίσιο περιλαμβάνει, τέλος, την ολοκληρωμένη διαχείριση και επεξεργασία των αποβλήτων. Για το σκοπό αυτό προτάθηκαν δέντρα αποφάσεων που συσχετίζουν ρεύματα αποβλήτων με κριτήρια που σχετίζονται με τη φυσική τους κατάσταση (υγρά, στερεά και αέρια) και με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των συστατικών τους. Η ανάλυση οδήγησε σε μαθηματικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που επιλύθηκε με τεχνικές μεικτού ακέραιου μη-γραμμικού προγραμματισμού. Η βελτιστοποίηση βασίζεται σε οικονομικούς και περιβαλλοντικούς όρους, ενώ οι βαθμοί ελευθερίας περιλαμβάνουν το πλαίσιο ολοκλήρωσης και τις τεχνολογίες επεξεργασίας.Τα πρότυπα υποκατάστασης κατέδειξαν σημαντικές βελτιώσεις και, υποβοηθούμενα από προσομοιώσεις, οδήγησαν σε επιλογές που πιστοποιήθηκαν σε βιομηχανική κλίμακα. Στη σύνθεση, λύσεις προερχόμενες από την ονομαστική διαλογή απορρίφθηκαν λόγω ποιοτικών χαρακτηριστικών των ρευμάτων και των τεχνολογικών περιορισμών. Η ταυτόχρονη ολοκλήρωση πολλαπλών βοηθητικών παροχών και των σχεδιαστικών επιλογών οδήγησε σε σημαντική μείωση κόστους, περιορίζοντας την κατανάλωση ενέργειας και προτείνοντας αποδοτικότερα πλαίσια ανακύκλωσης και αναγέννησης παροχών. Η προτεινόμενη λύση του προβλήματος επανασχεδιασμού διατηρεί οριακή προτίμηση στην παραγωγή βιοαιθανόλης (εν μέρει και λόγω της ωριμότητας της τεχνολογίας) αλλά με συμπαραγωγή εξειδικευμένων προϊόντων και την ενσωμάτωση νέων τεχνολογιών. Η ολοκληρωμένη διαχείριση αποβλήτων αποφέρει σημαντική μείωση κόστους και προτρέπει σε αποκεντρωμένες μονάδες επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την τεράστια σημασία του ολοκληρωμένου σχεδιασμού, αποδεικνύοντας πως χωρίς ικανή ολοκλήρωση η βιομηχανική μονάδα αδυνατεί να ανταγωνιστεί με τις συμβατικές μονάδες παραγωγής προϊόντων αντίστοιχων με εκείνων του βιοδιυλιστηρίου.Η έρευνα της παρούσας διατριβής οδήγησε στην προώθηση σε βιομηχανική κλίμακα τεχνολογιών εργαστηρίων και πιλοτικών εγκαταστάσεων που αρχικά αναπτύχθηκαν στη Γαλλία.