Bioenergi på frammarsch

av Mikko Hupa Forum 2010-10, sida 32-34, 28.10.2010

Taggar: Teman: bioenergi

El FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK NR 18 2810

Bioenergi p frammarsch

IH Bioenergi. Användningen av bioenergi kommer att öka kraftigt men det är ännu oklart vilka produktionsmetoder och råvaror som kommer att dominera. Professor Mikko Hupa analyserar här utsikterna för olika alternativ inom bioenergi.

MIKKO HUPA TEXT

X Europeiska unionen har fattat två tuffa beslut som kraftigt kommer att påverka energibranschen i hela Europa. Det första är att höja andelen förnybar energi av all energi inom EU från dagens 6-7 procent till 20 procent. Det andra beslutet är att börja introducera biokomponenter i trafikbränslen upp till en andel på 10 procent. Bägge målen ska nås senast år 2020.

För Finlands del är andelen förnybar energi av all energi redan i dag cirka 25 procent, alltså tydligt över EU:s genomsnittliga målnivå. Men enligt en överenskommelse med EU har Finland åtagit sig att fram till 2020 höja denna andel till 38 procent. Största delen av denna höjning ska ske genom ökad användning av bioenergi.

Följaktligen har intresset för olika former av bioenergi vuxit dramatiskt. Diskussionen går het och otaliga processer och produkter presenteras för ökad användning av bioenergi. Tekniska termer som biodiesel, biogas, bioetanol, pyrolysolja, biometan, biomassaförgasning och Fischer-Tropsch-syntes har börjat dyka upp till och med i dagspressen. Det är följaktligen svårt att få en tydlig överblick av dagens bioenergibusiness.

Olika former av bioenergi

Biomassa > Förbrännin > Pyrolys

Förgasning + syntes 5> > Rötning 5>

Fermenterin

I tabellen invid presenteras de mest intressanta formerna av bioenergi, det vill säga energi som kan erhållas från biomassor genom olika typer av omvandlingsprocesser. Med biomassa avser man i detta sammanhang växande organiska material, såsom trä, bark, skogsavfall, cellulosaindustrins avlutar (restprodukter från massaframställning), men också ettåriga växter och åkerbiomassa. Olika organiska avfall eller biprodukter har också blivit högintressanta som utgångsmaterial för bioenergi.

Värme, elektricite > Pyrolysolja

Biodiesel, metanol, DME > Biogas, biometa > Bioetanol

Nedan diskuteras några av processerna närmare.

Förbränning av trä - det kan vi väl? Det enklaste sättet att utnyttja bioenergi är att bränna biomassor mer eller mindre som de är i en ugn eller panna för att erhålla värme eller el. Översta pilen i tabellen illustrerar sådan direkt förbränning av biomassan.

I Finland erhålls praktiskt taget all bioenergiidag genom direkt förbränning av träbaserade biomassor. Dels sker förbränning i

För att framställa större mängder fordonsbränsle av biomassa krävs sådana mängder biomassaråvara som knappast finns att tillgå i Europa.

BEGRÄNSAD RÅVARA.

industrins eller städers stora pannor som samproducerar el och värme. Dels bränner man träbiomassor i mindre ugnar och pannor och producerar värme till fastigheter. Finland har med åren blivit världsledande inom förbränningsteknik av biobränslen. Företagen i Finland dominerar världsmarknaden av sodapannor och pannor med fluidiserad bädd. Båda är storskaliga anläggningar för förbränning av biomassa.

Förbränning av andra biomassor än trä är högaktuellt, men ur teknisk synvinkel inte alltid trivialt. Halm, vass eller olika bioavfall innehåller förutom brännbart organiskt material också en hel del mineralämnen, exempelvis fosfor, kalium och klor. Dessa mineralämnen kan vara skadliga i förbränningsprocessen. De kan förorsaka korrosion eller nedsmutsning av anläggningens värmeytor. De kan också ge upphov till oönskade rökgasemissioner.

Problemen har varit överraskande och oväntat svåra då man velat bränna bland ningar av olika sorters biomassor i samma anläggning. Härav följer att pannor som bränner dylika mer krävande biomassor eller avfall har en lägre tillgänglighet och verknings grad än pannor som bränner konventionella bränslen. Mycket forskning och utveckling pågår — inte minst vid Åbo Akademi.

Pyrolysolja - återgång till tjärbränning. Ett problem med användningen av biomassor är massornas stora volym per energienhet. Det är inte ekonomiskt att transportera biomassor långa vägar. Man söker därför enkla sätt omvandla biomassorna så att deras energitäthet ökar. Genom pyrolys kan man producera olja från biomassan (andra pilen i tabellen). Oljan har ett väsentligt högre energiinnehåll per volym. I en pyrolysprocess upphettar man biomassan till en temperatur på cirka 500 grader C i en syrefri miljö. Vid dessa förhållanden sönderfaller biomassan termiskt och det bildas organisa ångor, som sedan vid nedkylningen kondenserar ut som en oljig vätska, pyrolysolja.

Pyrolysoljeproduktionen som process är de facto besläktad med den urgamla tjärbränningen, även om den moderna processapparaturen inte har mycket gemensamt med de gamla tjärmilorna.

Ipyrolysprocessen bildas förutom oljan en fast kolhaltig rest, koks, och vissa icke-kon denserbara brännbara gaser. Hur väl man hit tar användning för dessa biprodukter avgör delvis hur lönsamt hela pyrolysoljekonceptet blir.

Pyrolysolja används i dag inte i någon större omfattning, men en hel del seriösa test har nyligen gjorts bland andra av METSO och ForTUMi Finland. Pyrolysoljan kan mycket väl hitta sin tillämpning som komprimerat, tämligen rent biomassabaserat bränsle i värmeproduktion i små och medelstora anläggningar.

Pyrolysoljan innehåller organiska syrehaltiga föreningar och kan vara svår att lagra långa tider. Som sådan duger den inte heller till motorförbränning. Det finns en hel del forskning på gång för förädling eller ”uppgradering” av pyrolysoljan. Uppgraderingen kan ske genom en katalytisk konversionsprocess där pyrolysoljans höga syrehalt minskas. Ett dylikt processteg blir dock en kännbar extra kostnad och endast tiden kan utvisa om pyrolysoljan någonsin blir intressant som råvara också för biobränsle i trafiken.

Dieselolja genom förgasning. Förgasning är precis som pyrolys en termisk process som

OLOHAMIOLSI

EN FORUM FÖR EKONOMI OCH TEKNIK

NR 18 201 ”Om man önskar framställa större mängder fordonsbränsle av biomassor kommer det att kräva jättelika investeringar i produktionsanläggningar och enorma mängder biomassaråvara. omvandlar biomassan till gaser. Till skillnad från pyrolysprocessen används vid förgasning luft eller syre för att delvis oxidera biomassan. Syretillsatsen är dock liten, i vanliga fallbara 30-40 procent av den syremängd som behövs för fullständig förbränning. Förgasningen sker också vid en högre temperatur än pyrolysen, minst vid cirka 800 grader C.

Förgasningen resulterar i en mer eller mindre fullständig omvandling av biomassan till en enkel gasblandning, som närmast består av kolmonoxid, väte, koldioxid och vatten. En dylik gasblandning kan brännas direkt som ett gasformigt bränsle. Förgasningen kan alltså vara ett intressant sätt att omvandla den ibland ganska svårhanterliga biomassan till ett enklare gasformigt bränsle. Vi talar här egentligen om samma process som under krigstiden försåg bilar med bränsle i gengasaggregat, välkänt i Finland med namnet ”häkäpönttö”.

Metoden är känd sedan länge tillbaka men används i dag bara i några specialtillämpningar. Några cellulosafabriker förgasar sitt barkeriavfall och bränner gasen i en mesaugn (ugn i kemikalieåtervinningsprocessen). I Lahtis har man en intressant tillämpning. Man förgasar biomassor i en större fluidiserad bädd-förgasare, och bränner förgasningens produktgas som tilläggsbränsle i stadens stora koleldade värmepanna. Mycket forskning och utveckling pågår för att hitta andra tillämpningar att utnyttja produktgas som ett gasformigt biobränsle.

Bränslen för trafiken. Av största intresse idag är dock användningen av biomassaförgasningens produktgas i syntes av motorbränslen, det vill säga för att framställa biodiesel och andra flytande biobränslen för trafiken (tredje pilen i tabellen). Processen har ännu inte förverkligats någonstans, men intensiv forskning och utveckling pågår runtom i världen. Finland har utmärkta chanser att bli en ledande utvecklare och tillämpare av dylika processer. Två större projekt har av finländska industrikonsortier nyligen startats för test och kommersialisering av biodieselframställning genom förgasning av biomassa, följd av kolvätesyntes. Förgasningen i en biodieselprocess kom mer att ske med tillsats av rent syre - inte med luft som i en traditionell träförgasare. Hela förgasningsprocessen sker vid ett högt tryck, flera tiotal atmosfärer. Produktgasen - som i detta sammanhang ofta kallas för syntesgas eller syngas — ska därefter noggrant renas från partikelföroreningar innan den leds i den trycksatta katalytiska syntesreaktorn. I katalysreaktorn omvandlas kolmonoxiden och vätet till en blandning av kolväten. Kolväteblandningen, ibland kallad för Fischer-Tropsch-vax, kan sedan vidare modifieras till dieselolja.

En liknande process har tidigare tillämpats för att omvandla stenkol till flytande bränslen. Stora anläggningar för stenkolförgasningidetta syfte finnsi Sydafrika. Men att få motsvarande process att fungera för biomassor är en stor utmaning. Biomassornabeter sig mycket olika i en förgasningsprocess jämfört med kol och biomassornas många föroreningar har stor inverkan på både förgasnings- och syntesprocessen.

Det är klart att biobränsleproduktionen enligt denna nyateknik inte väsentligt hinner bidra till trafikbränslekonsumtionen i Europa före år 2020.

Biogas - naturgas från biomassa, Rötning är också ett sätt att omvandla biomassa till gas formigt bränsle. Rötning innebär biologisk nedbrytning av biomassan i en syrefri miljö, och processen resulterar i en gasblandning bestående närmast av metan och koldioxid. Dylik gasblandning, “biogas; kan utvinnas i reningsverk, på soptippar och på andra platser där biologiskt nedbrytbart material finns. I dag finns det ett stort intresse att framställa biogas från olika jordbruksavfall och också i Finland finns det ett antal nya företag som producerar biogas.

Biogas kan brännas direkt eller också kan man uppgradera den till så kallad biometan genom att avlägsna koldioxiden från gasblandningen. Biometan har börjat utnyttjas som biobaserad naturgas bland andra som fordonsgas i gasmotordrivna bilar i Sverige. Biogasen kommer med säkerhet att spela en viss roll i den framtida bioenergihushållningen, men hur den klarar sig i konkurrensen med de övriga formerna av bioenergi är svårt att förutspå.

Bioetanol konkurrerar om råvaran. Det mest kända biobränslet för bilar är bioetanol. Bioetanol produceras från sockerhaltiga växter genom enkel fermentering. Brasilien är den ledande producenten av bioetanol. I dag kör redan mer än hälften av de brasilianska personbilarna med bioetanol, som producerats av sockerrör. I Sverige har bioetanolanvändningen spritt sig snabbt under de senaste åren i form av produkten E85, en bränsleblandning med 85 procent etanol. Det verkar dock osannolikt att bioetanolensam skulle kunna fylla en väsentlig del av EU:s mål på 10 procent biokomponenter i trafikbränslen. Etanolframställningen kritiseras mest på grund av att den anses kunna bli en konkurrent om samma råvara som matproduktionen. Av den orsaken pågår en hel del forskning med målsättningen att göra det möjligt att producera etanol ekonomiskt också från träbaserade biomassor. Hur en sådan träbaserad etanolprocess klarar sig i konkurrensen med den ovan beskrivna syntetiska biodieselprocessen får tiden utvisa.

Räcker råvaran? I dag härstammar den överlägset största delen av bioenergin från förbränning av träbaserad biomassa. Energin utvinns som värme eller el. Användningen av bioenergi kommer att öka kraftigt i både Finland och Europa under de närmaste 10-15 åren.

Ett antal nya former av bioenergi är på väg ut på marknaden. Det gäller dock att observera att många av de alternativa bioenergiformerna man i dag diskuterar är under utveckling och kräver en hel del forskning och beprövning innan de kan börja användas i dagligt bruk.

Den stora framtidsfrågan gäller tillgången på biomassaråvara. De bioenergiprocesser som kan utnyttja lågvärdiga biomassor eller biomassaavfall av olika slag som råvara kommer att vara vinnare redan på kortare sikt. Om man önskar framställa större mängder fordonsbränsle av biomassor kommer det att kräva jättelika investeringar i produktionsanläggningar och enorma mängder biomassaråvara; mängder som knappast finns att tillgå i Europa.

Skribenten Mikko Hupa är professor i oorganisk kemi på Åbo Akademi.