Σε μια συνέντευξή του στο Life Magazine ο Αμερικανός φιλόσοφος, θεωρητικός συστημάτων, αρχιτέκτονας και εφευρέτης Richard Buckminster Fuller, είχε πει χαρακτηριστικά πως: «Η ρύπανση δεν είναι τίποτα άλλο από τους πόρους που δεν συλλέγουμε. Τους αφήνουμε να διασκορπιστούν επειδή αγνοούμε την αξία τους!»
Και κάπως έτσι ξεκινάμε τη συζήτηση για την εκμετάλλευση της βιομάζας στην παραγωγή βιοκαυσίμων με τον πρόεδρο του Τμήματος Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, κ. Χρήστο Μαραβέλια, ο οποίος είναι ο πλέον ειδικός στον προγραμματισμό, σχεδιασμό και βελτιστοποίηση της εφοδιαστικής αλυσίδας παραγωγής χημικών, καθώς και στη μοντελοποίηση ενεργειακών συστημάτων με έμφαση στις τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Τι σημαίνει αυτό πρακτικά; Μπορεί να σχεδιάσει για παράδειγμα, τα βιοδιυλιστήρια του μέλλοντος που θα λειτουργούν με μικρότερο κόστος και με χαμηλότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
«Η έρευνα στο εργαστήριο μας είναι υπολογιστική. ‘Χτίζουμε’ μοντέλα βελτιστοποίησης για τον σχεδιασμό και την ανάλυση διαφόρων χημικών διεργασιών. Τα μοντέλα αυτά μας επιτρέπουν να καταλάβουμε πώς θα συμπεριφερθεί το όλο σύστημα αν χρησιμοποιήσουμε διαφορετικές τεχνολογίες. Για παράδειγμα, μπορούμε να υπολογίσουμε το κόστος και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα εξαιτίας αλλαγών στον τρόπο παραγωγής διαφόρων υλικών», μού εξηγεί ο ίδιος μέσα από την οθόνη του υπολογιστή.
Συνδυάζοντας τη χημική μηχανική με τη βελτιστοποίηση
Ο καθηγητής Μαραβέλιας, από μικρός ήξερε ότι ήθελε να γίνει μηχανικός. Μετά την ολοκλήρωση των σπουδών του στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, έκανε μεταπτυχιακό στην επιχειρησιακή έρευνα στο The London School of Economics and Political Science. Εκεί ανακάλυψε το ενδιαφέρον του για τη βελτιστοποίηση και αναζήτησε ένα διδακτορικό που θα συνδύαζε τη χημική μηχανική με τη βελτιστοποίηση. Το βρήκε και το εκπόνησε στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon και συγκεκριμένα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Ignacio Grossmann. Το φθινόπωρο του 2004 προσλήφθηκε στην σχολή του Τμήματος Χημικών και Βιολογικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison ως βοηθός καθηγητή και μετά από περισσότερα από 15 χρόνια, ο κ. Μαραβέλιας μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, στο Νιου Τζέρσεϊ όπου έγινε και πρόεδρος του Τμήματος Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής.
Ο Έλληνας χημικός μηχανικός με καταγωγή από τη Λακωνία ανήκει στην ομάδα των επιστημόνων που το 2017 «τάραξαν» τα νερά στο ερευνητικό πεδίο τους προτείνοντας μια νέα μέθοδο για τη μετατροπή ξύλων και άλλων μη εδώδιμων τύπων βιομάζας σε βιοκαύσιμα και σε χημικά τα οποία θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τα αντίστοιχα προϊόντα που προέρχονται από το πετρέλαιο.
Η καινοτόμα αυτή μέθοδος, που δημοσιεύτηκε στο Science και στο Science Advances, μετατρέπει έως και το 80% της λεγόμενης λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας των φυτών όχι μόνο σε 1 αλλά σε 3 προϊόντα ταυτόχρονα, τα οποία είναι κατάλληλα για την αγορά, και συγκεκριμένα σε λιγνίνη για ανόδους μπαταριών, ανθρακονήματα, αφρό άνθρακα, σε διαλυτό πολτό κυτταρίνης για υφαντικές ίνες και σε ημικυτταρίνη που αποτελεί τη βάση για πλαστικά, πολυμερή και καύσιμα, ανοίγοντας δρόμο σε νέες δυνατότητες αξιοποίησής τους στην αγορά.
Τα πειράματα έδειξαν ότι πάνω από τα ¾ σχεδόν κάθε είδους ξύλου μπορούν να μετατραπούν σε χρήσιμα προϊόντα, που θα μπορούσαν να εισαχθούν σε διάφορες αγορές. Για παράδειγμα, πολλές βιομηχανίες όπως χάρτου, υφασμάτων, αυτοκινήτου, ηλεκτρονικών κ.α., θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη νέα αυτή τεχνολογία.
Ο Έλληνας επιστήμονας εκτιμά πως αν και η ζήτηση για βενζίνη στον ανεπτυγμένο κόσμο αναμένεται να μειωθεί τα επόμενα χρόνια, η ζήτηση για ντίζελ και κηροζίνη θα παραμείνει υψηλή. Τα βιοκαύσιμα επόμενης γενιάς δείχνουν να είναι το πιο βιώσιμο υποκατάστατο του ντίζελ και της κηροζίνης. Αν υποβληθούν στη σωστή διαχείριση, θα μπορούσαν να αφαιρέσουν περισσότερα αέρια θερμοκηπίου από την ατμόσφαιρα από όσα εκπέμπουν κατά τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους.
Σε αντίθεση με τα συμβατικά ή πρώτης γενιάς βιοκαύσιμα, τα οποία προέρχονται από καλλιέργειες όπως το καλαμπόκι και το ζαχαροκάλαμο, που θα μπορούσαν διαφορετικά να χρησιμοποιηθούν για τρόφιμα, τα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς παράγονται από γεωργικά απόβλητα ή από μη εδώδιμες καλλιέργειες που αναπτύσσονται σε περιοχές με χαμηλή δυνατότητα παραγωγής ή σε πρόσφατα εγκαταλελειμμένες εκτάσεις. Υπάρχουν βέβαια, και τα βιοκαύσιμα τρίτης γενιάς που παράγονται από μικροοργανισμούς, όπως τα φύκια.
Ωστόσο, ως μια ακόμα εκκολαπτόμενη τεχνολογία, αυτά τα καύσιμα επόμενης γενιάς εμπεριέχουν σημαντική αβεβαιότητα σχετικά με τον ρόλο τους σε ένα ενεργειακό μέλλον χαμηλών εκπομπών άνθρακα.
Στρώνοντας τον δρόμο στην επόμενη γενιά βιοκαυσίμων
Σε μια πρόσφατη μελέτη που εμφανίστηκε στο Nature Energy, οι επιστήμονες στο εργαστήριο του Έλληνα καθηγητή μοντελοποίησαν μια αλυσίδα εφοδιασμού βιοκαυσίμων δεύτερης γενιάς στις μεσοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες.
«Προηγούμενες μελέτες για τα βιοκαύσιμα εστιάζουν μονομερώς είτε στο «βιο-», ενσωματώνοντας δεδομένα για την ανάπτυξη των καλλιεργειών, την παραγωγικότητα και τη χρήση γης χωρίς να εξετάζεται λεπτομερώς η αλυσίδα εφοδιασμού, είτε στα «καύσιμα» χαρτογραφώντας μια αλυσίδα εφοδιασμού και σχεδιάζοντας ένα βιοδιυλιστήριο χρησιμοποιώντας υπερβολικά απλοϊκά δεδομένα γης και καλλιεργειών», λέει ο κ. Μαραβέλιας.
Η έρευνα του καθηγητή ενώνει τις δύο προοπτικές στη μελέτη των βιοκαυσίμων για να παράσχει μια πιο ολοκληρωμένη πρόβλεψη μιας αλυσίδας εφοδιασμού για βιοκαύσιμα σε μια περιοχή οκτώ πολιτειών στα Μεσοδυτικά των ΗΠΑ, βασισμένη σε εξαιρετικά λεπτομερή δεδομένα.
Ο ίδιος εξηγεί πως οι αλυσίδες εφοδιασμού για βιοκαύσιμα είναι πολύπλοκες. Οι πρώτες ύλες πρέπει να καλλιεργούνται και να συγκομίζονται από ένα κατακερματισμένο δίκτυο γης και στη συνέχεια να μεταφέρονται σε διυλιστήριο που βρίσκεται σε κεντρική τοποθεσία. Στο διυλιστήριο, πολλές διαφορετικές τεχνολογίες θα μπορούσαν να μετατρέψουν τη φυτική ύλη σε υγρό βιοκαύσιμο και τυχόν εκπομπές άνθρακα που παράγονται κατά τη διαδικασία αυτής της μετατροπής μπορούν να δεσμευτούν και στη συνέχεια να απομονωθούν εκτός του χώρου.
Κατά συνέπεια, από την καλλιέργεια που επιλέγεται ως πρώτη ύλη μέχρι την κάλυψη της απόστασης μεταξύ χωραφιού και διυλιστηρίου και την τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της ύλης σε βιοκαύσιμα, οι αποφάσεις που λαμβάνονται σε κάθε σημείο της αλυσίδας εφοδιασμού θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε συστήματα με ευρέως αποκλίνοντα κόστη και εκπομπές άνθρακα.
Ωστόσο, οι ερευνητές προειδοποιούν ότι το μοντέλο τους δεν αποτελεί ένα εργαλείο λήψης αποφάσεων, αλλά παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τις οικονομικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις μιας μελλοντικής βιοοικονομίας. Και δεδομένου ότι τα βιοκαύσιμα δεύτερης γενιάς δεν έχουν ακόμη εισχωρήσει στην αγορά, η προληπτική έρευνα μπορεί να διασφαλίσει την ουσιαστική χρήση τους στο ενεργειακό σύστημα του μέλλοντος.
«Το μοντέλο αντιπροσωπεύει όλα τα στοιχεία του συστήματος, επομένως μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να απαντήσουμε σε πολλούς διαφορετικούς τύπους ερωτήσεων», λέει ο κ. Μαραβέλιας και συνεχίζει: «Μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να προσδιορίσουμε τον βέλτιστο τρόπο παραγωγής μιας συγκεκριμένης ποσότητας βιοκαυσίμων ελαχιστοποιώντας το οικονομικό κόστος ή το σύστημα που παράγει την ίδια ποσότητα καυσίμου ελαχιστοποιώντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ή θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε για το σχεδιασμό ενός συστήματος που εξισορροπεί αυτά τα δύο».
Χρησιμοποιώντας το μοντέλο της, η ερευνητική ομάδα θα μπορούσε επίσης να διερευνήσει τον ρόλο των κινήτρων πολιτικής στη διαμόρφωση των προτιμώμενων τεχνολογιών και των επιπτώσεων των εκπομπών μιας αλυσίδας εφοδιασμού βιοκαυσίμων. Και ενώ τα τρέχοντα κίνητρα αποδίδουν μόνο μια χρηματική αξία για τον άνθρακα που δεσμεύεται στο ίδιο το διυλιστήριο, οι ερευνητές μοντελοποίησαν επίσης εναλλακτικά σενάρια που ελαχιστοποιούν τις εκπομπές από ολόκληρη την αλυσίδα εφοδιασμού, συμπεριλαμβανομένων τόσο των άμεσων εκπομπών από τις μεταφορές όσο και των έμμεσων εκπομπών που ενσωματώνονται στη χρησιμοποιούμενη ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει το σύστημα.
Οι ερευνητές χάραξαν ακόμη και μονοπάτια που μετριάζουν τις εκπομπές άνθρακα πέρα από οικονομικά κίνητρα, χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες δυνατότητες δέσμευσης άνθρακα στο έδαφος και αποφάσεις διαχείρισης, όπως π.χ. εάν θα λιπαίνονται τα χωράφια για να αποδώσουν μεγαλύτερα συνολικά περιβαλλοντικά οφέλη.
Τα βιοκαύσιμα είναι ακριβά
Αξίζει να σημειωθεί ότι οι ΗΠΑ παράγουν σχεδόν 1,5 δισεκατομμύριο τόνους βιομάζας κάθε χρόνο που θα μπορούσαν να διατεθούν για βιοκαύσιμα. Αυτό ενεργειακά ισοδυναμεί με 4 δισεκατομμύρια βαρέλια πετρελαίου, και δεδομένου ότι η Αμερική χρησιμοποιεί 6 δισεκατομμύρια βαρέλια ετησίως, τα βιοκαύσιμα θα μπορούσαν να επιφέρουν μια τεράστια μείωση στην κατανάλωσή του.
Όμως ο Έλληνας επιστήμονας παραδέχεται πως τα βιοκαύσιμα δεν είναι μια φθηνή λύση. Κοστίζουν. Και μάλιστα κοστίζουν πολύ: «Υπάρχουν αρκετές μελέτες που υπολογίζουν το κόστος του βιοκαυσίμου σε διπλάσιο ή τριπλάσιο του κόστους του πετρελαίου και υπάρχουν και άλλες, με αισιόδοξες υποθέσεις, που το υπολογίζουν περίπου στο ίδιο. Σίγουρα αν σταθούμε μόνο στο οικονομικό κομμάτι, τα βιοκαύσιμα δεν είναι βιώσιμα. Ωστόσο, κάποια στιγμή θα πρέπει να σκεφτούμε, γενικότερα, πέρα από το τι μπορούμε να πληρώνουμε, τι θα πρέπει να πληρώνουμε για τη χρήση ενέργειας, ηλεκτρισμού και καυσίμων, γιατί αντιμετωπίζουμε πια ένα τεράστιο πρόβλημα βιωσιμότητας ως πλανήτης. Θεωρώ πως με κίνητρα που μπορούν να δοθούν από τις εκάστοτε κυβερνήσεις η χρήση των βιοκαυσίμων μπορεί να γίνει πιο ελκυστική».
Ο καθηγητής παραδέχεται πως υπάρχουν προβλήματα στη χρήση βιοκαυσίμων. Για παράδειγμα, η εκμετάλλευση καλλιεργειών για καύσιμο, όπως του καλαμποκιού αυξάνει το κόστος των τροφίμων. Από την άλλη, η βιοαιθανόλη απορροφά το νερό και μπορεί να προκαλέσει βλάβη στους κινητήρες, ενώ ένα γαλόνι βιοαιθανόλης φτάνει για λίγο περισσότερο από τον μισό δρόμο που θα έκανε κάποιος με την ίδια ποσότητα αερίου.
Ωστόσο, στην Αμερική το ενδιαφέρον για τα βιοκαύσιμα παραμένει σταθερό, παρά το κόστος, και μπορεί και να αυξάνεται. Όπως λέει και ο Έλληνας χημικός μηχανικός, ειδικοί εκτιμούν πως ακόμη και αν είναι ακριβά τα βιοκαύσιμα, σε ορισμένες περιοχές ίσως οδηγήσουν και σε ανάπτυξη. Στην Ευρώπη αντίθετα, ο ίδιος παρατηρεί μειωμένο ενδιαφέρον για τα βιοκαύσιμα. Υπήρξε μια κινητικότητα γύρω στο 2010, η οποία φαίνεται να ατονεί.
Το ερευνητικό ενδιαφέρον του κ. Μαραβέλια δεν περιορίζεται στα βιοκαύσιμα. Η ομάδα στο εργαστήριό του αναζητά τρόπους χρήσης της ηλιακής ενέργειας ή των αποβλήτων για την απευθείας παραγωγή καυσίμων ή τρόπους εξόρυξης πολύτιμων συστατικών από απόβλητα. Στα ερευνητικά του ενδιαφέροντα είναι επίσης το Electrification (στα ελληνικά ηλέκτριση) που σημαίνει παραγωγή διαφόρων υλικών και χημικών με τη χρήση ηλεκτρισμού που προέρχεται αποκλειστικά από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
Αξίζει να σημειωθεί ότι ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας, έχει υπάρξει μέχρι στιγμής αποδέκτηςς πολλών βραβείων συμπεριλαμβανομένων των National Science Foundation CAREER Award και Production and Operations Management Society Applied Research Challenge Award.
Ο κ. Μαραβέλιας είναι επίσης ο συγγραφέας του βιβλίου με τίτλο: “Chemical Production Scheduling: Mixed-Integer Programming Models and Methods”, μέσα στο οποίο παρουσιάζει μια ταξινόμηση προβλημάτων σχεδίασης παραγωγής και μεθόδους μοντελοποίησης και βελτιστοποίησης διαδικασιών σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας, και το οποίο χρησιμοποιείται ως πανεπιστημιακό σύγγραμμα.
