Slutrapport Stiftelsen Lantbruksforskning

Transkript

1 Slutrapport Stiftelsen Lantbruksforskning Verifiering och utveckling av produktionsteknik för bioetanol med svagsyraprocessen Projekt Dnr 032/04, projektnr Projekttid: Författare: Gunnar Fransson Torbjörn Lindgren Jan Lindstedt Etek Etanolteknik AB Etek Etanolteknik AB Etek Etanolteknik AB 1

2 Innehållsförteckning 1 Summary Sammanfattning Bakgrund Utveckling i omvärlden Projektbeskrivning med syfte, mål och målgrupp Syfte Mål Målgrupp Teknik Svagsyrateknik Enzymteknik Beskrivning av etanolpiloten Verksamhetsbeskrivning Utvecklingsarbetet Hydrolysreaktorn Detoxifiering och fermentering Övriga processer och projekt Examensarbeten Måluppfyllelse Kostnader Lokala samhällseffekter Nya/skapade arbetstillfällen och nya företag Projektets övriga påverkan Projektets påverkan på horisontella kriterier Jämställdhetsinsatser Internationalisering IT-projekt Kopplingar till andra projekt Övrigt

3 1 Summary The aim of this project is to establish the foundation for a successful Swedish biofuel industry. The ethanol pilot plant in Örnsköldsvik is currently developing processes and production technology for bioethanol from lignocellulose that are leading the field internationally. The interest for renewable fuels for the transportation sector is increasing because of the diminishing supply of fossil fuels. The primary aim of bioethanol is to diminish the environmental impact from carbon dioxide and secure future availability of transportation fuels. Planning and building of the pilot plant started in 2002 by Etek Etanolteknik AB on commission by the owner of the plant, Etanol Pilot I Sverige AB. The research and development work started at the plant in the beginning of There were several issues and questions regarding the chemical process that were brought up during the feasibility study of the pilot plant such as the choice of equipment in the various process steps, energy balances, and construction material. Many of these issues are currently being explored and can only be answered by tests in the pilot plant that are conducted while the plant is in continuous operation over a long period. A scientific board has participated during the entire planning and constructing phase as well as the ongoing research and development work. A close collaboration exists between the pilot plant and a number of universities in Sweden. Collaboration agreements have been signed with the participating universities. Collaborations also exist with the US National Renewable Energy Laboratory (NREL) and with 20 other participants in an ongoing EU project. Etek is responsible for the operation of the pilot plant but the work is carried out by staff from Svensk Etanolkemi AB, Sekab. Currently, Etek has six employees, five of them have PhDs and one has a Master. A developed contact network exists with researchers and nearby companies such as Sekab, MoRe, Processum and Domsjöfabriker. The evaluation of various alternative processes is an important part of the development of techniques for producing ethanol from lignocellulose. Different raw materials demand different conditions and therefore, the development work is extensive and spans over several years. Since the inauguration in May 2004, all of the process steps have been in operation, from the intake of raw materials to distillation and evaporation. The start up was successful but required several adjustments and modifications of the equipment, which is expected with a new plant and new technology. Most of these modifications were made to the reactor system for continuous transformation of cellulose to sugar, so called hydrolysis. The reactor has been modified numerous times under the first year of operation to improve its performance. Both stages of the hydrolysis reactor have been in operation, the horizontal step and the vertical step. To date, a yield of 55% has been reached, which is calculated as the ratio between free sugars in the hydrolysate and incoming carbohydrates. The remaining issues with the reactor are further operational difficulties and stable, continuous operation. Therefore, the process technology will now be changed from 3

4 counter current to co-current. Counter current technology means that the biomass and the sugar solution move in opposite directions in the reactor. The lignin residue has been removed from the formed sugar solution through filtration and the remaining solution has been ph adjusted before fermentation. After fermentation, the formed ethanol has been distilled. Within the project various smaller projects have been carried out such as: a study of the influence of calcium in the process; a material study in order to find a suitable construction material for the reactor system; a study to evaluate various yeast strains for optimal fermentation and growth of yeast; an environmental study; and, modelling of the process. A feasibility study is currently being carried out to evaluate future demonstration plants in production scale based on the knowledge and experiences from the pilot plant. If Sweden is to continue being a leading nation in lignocellulose ethanol, it is of great importance that we are involved and responsibility for further development. This project was financed by the Swedish Energy Agency, Strukturfonden Mål Södra Skogslänen, The County Administration Board in Västernorrland and Västerbotten, Sekab and The Federation of Swedish Farmers LRF. This project has created 20 new job opportunities in the Northern part of Sweden. Moreover, a number of people are also involved in maintenance and service companies. This project has aroused a lot of interest, both nationally and internationally and consequently, there have been a number of inquiries to participate in conferences. 2 Sammanfattning Syftet med projektet är att lägga grunden till en framgångsrik svensk industriutveckling. Den pilotanläggningen som uppförts i Örnsköldsvik ger Sverige och Regionen en unik möjlighet att utveckla en internationellt ledande kompetens och industristruktur för processer och produktionsteknik för bioetanol från cellulosa. Förnybara drivmedel till transportsektorn efterfrågas allt mera och målet med bioetanol är dels att minska på miljöbelastning från fossil koldioxid och dels att långsiktigt säkra tillgången på drivmedel. Projektering och uppförande av pilotanläggningen påbörjades år 2002 av Etek Etanolteknik AB på uppdrag av anläggningens huvudman Etanol Pilot i Sverige AB. I början av år 2004 kunde utvecklingsarbetet komma igång.. Inför förstudien av pilotanläggningen fanns en mångfald frågeställningar vad gällde processutformning, val av apparatur i olika delsteg, energibalanser, materialval mm. Många av dessa frågeställningar har endast kunnat besvaras genom tester i pilotanläggningen där kontinuerlig drift kan upprätthållas under längre tid. I utvecklingsarbetet för att producera etanol ur cellulosa ingår att utvärdera olika alternativa processer. Olika råvaror medför olika förutsättningar. Utvecklingsarbetet är därför omfattande och sträcker sig över ett antal år. Sedan invigningen i maj 2004 har samtliga delsteg tagits i drift, från spåninmatning till destillation och indunstning. Idrifttagningen har gått bra, men som alltid med en ny anläggning med en ny teknik har ett antal justeringar och modifieringar av apparaturen genomförts. De flesta av dessa modifieringar är gjorda på en reaktor( eg ett reaktorsystem) för kontinuerlig omvandling av cellulosa till socker s.k. hydrolys. 4

5 Reaktorn har modifierats vid ett flertal tillfällen under det första året för att förbättra driften. Reaktorn har körts i två steg, ett horisontellt steg och ett vertikalt steg. Hittills har en nedbrytning på ca 55% av ingående kolhydrater till fritt socker uppnåtts. För reaktorn återstår att lösa ytterligare driftproblem för att nå en stabilt kontinuerlig drift. Efter detta projekt planeras därför en ändring av processtekniken, från motström till medström. Med motströmsteknik menas att biomassan och sockerlösningen går i motsatt riktning i reaktorn. Den bildade sockerlösningen i reaktorn har behandlats så att det återstående ligninet har filtrerats av och lösningen har ph-justerats och därefter fermenterats. Efter fermenteringen har den bildade etanolen destillerats av. I projektet har olika mindre delprojekt genomförts såsom studie av inverkan av kalcium i processen, materialstudier för att klara ut val av material i reaktorsystemet, undersökning av olika jäststammar för optimal jäsning, framställning av jäst, miljöstudie, processmodellering, m fl. Baserat på de kunskaper och erfarenheter som har erhållits har en förstudie av kommande demonstrationsanläggningar i produktionsskala inletts. Ska Sverige fortsätta att vara en ledande nation på lignocellulosabaserad etanol är det av största vikt att själva föra utvecklingen framåt. Projektet har finansierats av Energimyndigheten, Strukturfonden Mål 1 Södra Skogslänen, Länsstyrelserna i AC och Y län, Svensk Etanolkemi AB och Stiftelsen Lantbruksforskning. Projektet har skapat 20 nya arbetstillfällen. Därutöver sysselsätts ett antal personer i service- och underhållsföretag Projektet har väckt mycket stort intresse både nationellt och internationellt. Antalet förfrågningar om att delta i konferenser är stort. Vid alla tillfällen framgår att Energimyndigheten är huvudfinansiär av projektet. 3 Bakgrund Miljöbelastningen, främst genom den ökande växthuseffekten orsakad av de fossila koldioxidutsläppen samt försörjningssäkerheten, genom oljans totala dominans inom transportsektorn, är två starka drivkrafter till en förändrad attityd när det gäller ersättning av bensin och diesel. Detta har lett till krav på en snabb utveckling av förnybara alternativ. Cellulosabaserad etanol utgör en grundbult i att trovärdigt utveckla Sverige som ett föredöme och pilotland när det gäller användande av etanol inom transportsektorn. Genom en nationellt samordnad satsning kan Sverige och svenskt näringsliv ges en ledande ställning inom detta mycket expansiva område. Detta leder till krav på en snabb utveckling av förnybara alternativ. Cellulosabaserad etanol utgör en grundbult i att trovärdigt utveckla Sverige som ett föredöme och pilotland när det gäller användande av etanol inom transportsektorn. Genom en nationellt samordnad satsning kan Sverige och svenskt näringsliv ges en ledande ställning inom detta mycket expansiva område. Utvecklingen av förnybar energi har nu tagit riktig fart, inte minst för transportsektorn som idag är till ca 97 % är beroende av oljeprodukter. Inom politiska kretsar diskuteras och förankras en målsättning att Sverige skall bli fossilfritt till år Oljekommissionen 5

6 under ledning av Statsminister Göran Persson har genomfört ett antal hearings som även sänts i TV. Svenska regeringens initiativ till debatt om hur Sverige skall bli oberoende av fossil energi om ca 15 år har väckt stor internationell uppmärksamhet inte minst inom transportsektorn. När diskussionerna mynnar ut i en aktionsplan bör det innebära stora satsningar på forskning och utveckling inte minst i våra pilotanläggningar. Det är också viktigt att inte glömma den forskning som sker inom Universiteten, som stöder utvecklingen och kommer med nya idéer. 3.1 Utveckling i omvärlden Marknadens efterfrågan på biodrivmedel har redan ökat och den svenska spannmålsbaserade etanolen, biodieseln och biogasen byggs ut. Sverige liksom Tyskland, klarade det mål som finns i EUs biodrivmedelsdirektiv att 2 % av den fossila energin inom transportsektorn skulle vara ersatt med biodrivmedel till utgången av För att klara efterfrågan behöver vi dock under ett överskådligt antal år importera biodrivmedel innan en inhemsk cellulosabaserad produktion har byggts ut. BEST-projektet (BioEthanol for Sustainable Transport) är ett EU projekt inom 6:e ramprogrammet som omsätter ca 220 miljoner kronor under Målsättningen är att de svenska erfarenheterna skall implementeras på 7 orter i Europa samt i Nanjang i Kina och Sao Paolo i Brasilien. På de ställen där man idag inte har några fordon skall projektet etablera försöksflottor som kan stå som goda exempel i respektive land. Det är bussar, Flexifuelbilar, låginblandning i bensin och diesel och spridning av kunskap som projekt inriktas på. I Sverige och Brasilien, där fordonen finns etablerade, skall projektet stimulera fullt marknads genombrott. Flexifuelbilarna är på god väg med över fordon på vägarna i Sverige vid årsskiftet och i Brasilien är 74 % av nybilsmarknaden nu flexifuel. De goda Svenska erfarenheterna av etanolbussar skall delges bland annat Brasilien och Kina, där Scania ser en mycket stor marknad. Ett riktigt trendbrott i Europa är att VAG tillsammans med Shell och Iogen skall göra en förstudie på att bygga en halmbaserad etanolanläggning i Tyskland. VAG som har många modeller med flexifuel för etanol i Brasilien, har varit mycket kallsinniga till etanol i Europa, både vad gäller flexifuel och låginblandning. Ett engagemang i andra generationens etanolproduktion kan ge legitimitet för VAG att släppa flexifuel bilar även i Europa. Det direktiv som Europeiska kommissionen antog i maj 2003 för att främja användningen av biodrivmedel för transportändamål har haft en enorm påverkan på utvecklingen. Enligt direktivet skall andelen biodrivmedel vara 2 % till 2005 för att sedan årligen öka med 0,75 %. Nivån kommer då att vara nästan 6 % av de bränslen som säljs 2010 och man arbetar nu vidare med mål för 2015 och % biodrivmedel motsvarar ca 150 miljoner m3 etanol per år att jämföra med den nuvarande produktionen av m3 som går till drivmedel. Det finns således ett stort behov av att expandera produktionen av etanol inom Europa, först med spannmål och sedan med cellulosa som råvara när den tekniken är utvecklad. Sedan pilotanläggningen uppförts och forsknings och utvecklingsverksamheten har kommit i gång har intresset varit mycket stort från företag och andra organisationer både i Sverige och internationellt. Trots EU stöd och fleråriga diskussioner har ingen utvecklingsanläggning för halmbaserad cellulosaetanol byggts i Europa. Resultaten från IOGENs anläggning i Canada hålls mycket hemliga. 6

7 4 Projektbeskrivning med syfte, mål och målgrupp 4.1 Syfte Syftet med projektet är att lägga grunden till en framgångsrik svensk industriutveckling. Pilotanläggningen ger Sverige och regionen en unik möjlighet att utveckla en internationellt ledande kompetens och industristruktur för processer och produktionsteknik för Bioetanol från cellulosa. Förnybara drivmedel till transportsektorn efterfrågas allt mera och målet med bioetanol är dels att minska på miljöbelastning från fossil koldioxid och dels att långsiktigt säkra tillgången på drivmedel. 4.2 Mål Huvudmålet för verksamheten är att visa att cellulosabaserad etanoltillverkning tekniskt går att genomföra till konkurrenskraftig kostnad och att bidra med tekniskt och ekonomiskt underlag för en storskalig produktionsanläggning. - Ett delmål är att få delsystemen i anläggningen att fungera för sin avsedda funktion - Ett andra delmål är att kunna köra hela processkedjan från råvaruintag till destillerad produkt och uttag av lignin. - Ett tredje, kvantitativt delmål är att under minst en 24-timmars period uppnå en etanolproduktion på 250 liter. - Ett fjärde delmål är att verka för att flera industriella parter engageras att medverka i och stödja pilotverksamheten. 4.3 Målgrupp Verksamheten har förväntats skapa permanenta arbetstillfällen som efterhand byggs ut med forskningsverksamhet i universitet/högskolor och avknoppning i andra företag samt även kunna bli ett forskningscentrum för etanolutveckling i Europa En stor målgrupp har varit BioFuel Region med 16 kommuner, två länsstyrelser, ett landsting, företag samt Vägverket och Nutek Idag är ca 20 personer heltidsarbetande i anläggningen och därtill kommer serviceoch underhållstjänster. Pilotanläggningen har kommit att spela en central roll i ett pågående EU-projekt för utveckling av etanol ur biomassa. Efter hand har intresset från olika forskargrupper ökat även för den ligninprodukt som erhålles vid etanolproduktionen. 4.4 Teknik Svagsyrateknik Tekniken baseras på att cellulosan hydrolyseras med en svag syralösning och lämpar sig för alla typer av råvara t.ex. färsk spån eller grenar och toppar från skogsavverkningar. Denna metod har tidigare kallats CASH-metoden (Canada America Sweden Hydrolysis) då den utvecklats i samarbete med forskare i USA och Kanada. Efter utvecklandet av en ny reaktorteknik används oftast uttrycket svagsyrametoden. (Diluted acid). 7

8 Testkörningar av svagsyrametoden CASH genomfördes under i USA och Kanada. Dessa försök har sedan funnits med i de underlag för processdesign i de förstudier och förprojekteringar som har gjorts. Utbyten över 20 % är realistiska att nå genom att utföra hydrolysen i två steg som också ligger som grund för processutformningen i pilotanläggningen Enzymteknik En metod som under de senaste åren har ansetts som mest lovande för framtiden är enzymprocessen som utvecklas av LTH i Lund, IOGEN i Kanada och SWAN- Biomass i samarbete med NREL i USA m fl. Processen är mycket lik svagsyraprocessen varför den passar bra in i utvecklingen av tekniken i pilotanläggningen. I konceptet med enzymprocess har också jästsvampar som kan jäsa både femvärda och sexvärda sockerarter utvecklats. Med pentosjäsning ökas utbytet av etanol med ca 6-7 % på årsgrödor och lövved till ca 25 %. Utbytet för barrved kan bli ca 23 %. Enzymtekniken är under utveckling främst för halm och lövved. För barrved är bedömningen att den kommer att utvecklas för kommersiella anläggningar ett antal år efter svagsyratekniken. Etek deltar i ett projekt inom EUs 6:e ramprogram för att utveckla enzymer och testa enzymmetoden med två stegs svagsyra förbehandling. Alla processteg är lika förutom ett tillägg med tredje stegets hydrolys. En variant på enzymtekniken är att både hydrolys och jäsning genomförs i samma reaktor. För en tidig anläggning som byggs med tvåstegs svagsyra blir en övergång till enzym möjlig i ett senare skede med måttliga investeringskostnader. Energibalanser blir dock annorlunda varför påverkan på den totala ekonomin måste studeras inför ett sådant val. 8

9 4.4.3 Beskrivning av etanolpiloten Råvara Basning Hydrolysreaktor Steg 1 Steg 2 Enzymer Avvattning Lignin Jästseparation Fermentering Detoxifiering Destillering Etanol Indunstning Figur 1. En schematisk bild av etanolpilotanläggningen i Örnsköldsvik. Hydrolysreaktorn är uppdelad i två steg med möjlighet till ett tredje hydrolyssteg med enzymer. Enzymsteget kan även utföras med jäst närvarande, så kallad simultan hydrolys och fermentering, SSF. Etanolpiloten är en komplett anläggning med kontinuerlig drift och med möjlighet att recirkulera procesströmmar, se Figur 1. Det första processteget i anläggningen är basningen. Där förbehandlas spånet med ånga vilket ger en bra förutsättning för en god impregnering av syra i hydrolysreaktorn. Själva hydrolysreaktorn är en vidareutveckling av en modell från NREL, USA, och består av två reaktorsteg; en horisontell del där hemicellulosan i veden bryts ned till socker och en vertikal del där cellulosan bryts ned till socker. Temperaturen och trycket i det första reaktorsteget är lägre jämfört med det andra reaktorsteget, ca 180ºC och 10 bar jämfört med över 200ºC och 20 bar. I båda reaktorerna tillsätts svavelsyra. Hydrolysreaktorn är byggt för att vara flexibel. Det andra reaktorsteget kan med viss ombyggnation vinklas och möjlighet finns att variera syrainloppet så att hydrolysen även kan ske i medström. Mellan reaktorerna sker en urtvättning av sockret från den första reaktorn. Urtvättningen sker vid samma tryck och temperatur som i första reaktorn. Anledningen till att socker tvättas ur mellan stegen är att det utlösta sockret från steg ett inte ska utsättas för den höga temperaturen och syran i steg två där det riskerar att brytas ned och förstöras. Pluggskruvar används för att transportera och avvattna biomassan. De fungerar även som tryckbarriärer mellan de olika reaktorstegen. 9

10 Etanolpilotanläggningen är också förberedd för att kunna hantera enzymer, där såväl SHF som SSF-tekniken kan användas. I avvattningen skiljs ligninresten från hydrolysatet. I dagsläget används en membran-filterpress, men även annan typ av utrustning ska testas. Efter avvattningen pumpas hydrolysatet via ett detoxifieringssteg, där möjlighet finns att förbehandla sockerlösningen innan fermentering. Syftet med detoxifieringen är att minimera mängden processfrämmande kemikalier, s.k. inhibitorer som stör jäsningsprocessen. I fermenteringen jäses sockret i hydrolysatet till etanol. Jäsningen kan ske satsvis, fed-batch eller kontinuerligt. Till fermentering kan näringsämnen, skumdämpare samt syra och bas tillsättas. I anslutning till fermenteringen finns en ympjästodling för uppodling av jäst. I anläggningen återvinns jästen med hjälp av en jästseparator innan destilleringen. I destilleringen avskiljs etanolen från det utjästa hydrolysatet och den kvarstående lösningen, den så kallade dranken, koncentreras slutligen i en indunstare. Från indunstningen finns det möjligheter att recirkulera kondensatet tillbaka till hydrolysreaktorn. Anläggningen drivs sedan i augusti 2004 på skift med två operatörer per skift. Ytterligare två forskare har anställts eller knutits till projektet med delvis annan finansiering som grund. Den utvecklingsingenjör med forskarbakgrund som har anställts som ansvarig för den löpande verksamheten i pilotanläggningen, började sin anställning i januari Verksamhetsbeskrivning Utvecklingsarbetet Under hela projekteringen, uppförandefasen och det genomförda forsknings- och utvecklingsarbetet har ett Vetenskapligt Råd medverkat. Ett nära samarbete finns med ett antal universitet inom Sverige. Ett samarbetsavtal har träffats med de medverkande universiteten. Samarbete finns även med NREL i USA samt med 20 parter inom ett pågående EUprojekt. Piloten drivs operativt med personal från Sekab men utvecklingsarbetet leds från Etek. I Etek finns idag en grupp på sex anställda varav fyra med doktorsexamen, en med lic examen och en civ.ing. Ett utvecklat nätverk finns med forskare och företag bl.a Sekab, MoRe, Processum och Domsjöfabriker som alla finns på samma fabriksområde Hydrolysreaktorn Pilotanläggningen invigdes i maj 2004 och efter den följande sommaren togs anläggningen i drift. Inledningsvis matades basningsutrustningen och hydrolysreaktorn endast med rått spån och det var mycket arbete med justeringar, åtgärder och rengöringar innan spåntransporten fungerade väl. Nästa steg i idrifttagningen var att testa ut svagsyraprocessen. Ånga och syra såväl som spån matades in i hydrolysreaktorn under kontinuerlig drift. Även här blev det stora driftsproblem, framförallt var det besvärligt med syraläckage och igensättningar av biomassa. Beläggningarna satte igen rör, skruvar och kärl vilket ledde till att reaktorn fick köras ned. 10

11 Under våren 2005 gjordes ett antal justeringar på hydrolysreaktorn för att förbättra driften. Ett antal av pluggskruvarna byggdes om och syrahanteringen förbättrades väsentligt vilket ledde till färre syraläckage. Under våren togs också ett strategiskt beslut att endast bryta ned biomassa i första reaktorn, den andra reaktorn användes endast som en transportskruv. Även kapaciteten i anläggningen sänktes, från 100 kg/h spån till 50 kg/h. Anledningen till att kapaciteten sänktes var att pluggskruven efter det första reaktorsteget var underdimensionerad. Kombinationen av de här åtgärderna gjorde att driftstiden per uppstart förbättrades markant under våren och sommaren En sammanställning över tillgängligheten i anläggningen bifogas, se Figur 2. Som en naturlig följd av att endast en reaktordel användes skedde inte en total nedbrytning av de ingående kolhydraterna till fritt socker. Ett utbyte på strax under 40% uppnåddes, räknat som kvoten mellan socker i hydrolysatet och socker i den ingående biomassan. Under sommarperioden 2005 kunde tester köras i anläggningen med oavbruten kontinuerlig drift i flera veckor. Därigenom kunde planerade försök genomföras för att hitta de parameterfönster där första reaktordelen fungerade bra Antal driftsdygn per månad Driftsdygn per uppstart jan-05 feb-05 mar-05 apr-05 maj-05 jun-05 jul-05 aug-05 sep-05 okt-05 nov-05 dec-05 Dygn Figur 2. Drifttillgängligheten vid etanolpilotanläggningen under I mitten av september började arbetet med det andra steget i hydrolysreaktorn; den vertikala motströmsreaktorn. Idrifttagningen av vertikala reaktorn gick metodiskt till och inledningsvis såg det lovande ut. Tyvärr visade det sig dock svårt att få motströmsprincipen att fungera, framförallt var det silplåten i botten av vertikala reaktorn som satte igen och förhindrade utflödet av syrablandningen. Silplåten byggdes om och även grövre råvara användes i hopp om bättre dräneringsegenskaper, men inget hjälpte. Gravitationen gör att biomassa sjunker nedåt så idén att mata biomassan uppåt, mot gravitationen, är att arbeta mot naturlagarna. Att arbeta i motström innebär dessutom att det är svårt att erhålla rimliga vedvätskekvoter. Höga utbyten kan möjligtvis uppnås, men sockerlösningen blir lätt mycket utspädd vilket leder till en dålig totalekonomi i anläggningen. I slutet av året frångicks därför alla försök att upprätthålla ett motströmsförfarande i andra steget. Det andra steget användes istället som ett steg i medström. 11

12 Ytterliggare en komplikation med det andra steget var utmatningen av slurryn. Det gick bra så länge det andra steget endast fyllde en funktion som transportskruv vid låga tryck, men när trycket ökade fungerade utmatningen dåligt. Efter det andra steget används en pluggskruv som tryckavgränsare. Det var svårt att få en bra funktion av pluggskruven med den ligninrika slurryn, vilket ledde till kraftiga trycksvängningar i hela hydrolysreaktorn. I slutet av året användes inte pluggfunktionen i den tryckavgränsande skruven vilket gjorde att det höga trycket och temperaturen fortplantade sig vidare till ett uppehållskärl. Trycket över reaktordelarna blev mycket jämnare med detta körsätt, men uppehållskärlet efter hydrolysreaktorn kom att fungera som en tredje reaktor. Följden blev att hydrolysen blev så kraftfull att mycket av det bildade sockret bröts ned till andra produkter. Med anledning av dåliga erfarenheterna av att skruva biomassa uppåt och problemen att få en bra plugg med en ligninrik slurry planeras en större ombyggnad i början av mars Data i Figur 2 understryker driftproblemen som uppstod när det andra reaktorsteget togs i drift. Driftstiden per uppstart nästan halverades under hösten 2005 jämfört med sommaren samma år. Anledning till att den totala driftstiden ökar under fjärde kvartalet är att driftsstoppen blir kortare ju mer erfarenhet vi får av reparationer och underhåll och fler uppstarter kan därför göras. I november byttes en pluggskruv mot en avvattnarskruv, vilket gjorde att en flaskhals byggdes bort. Efter den ombyggnationen kunde vi gå tillbaka till en kapacitet av 100 kg/h spån. Råmaterialet byttes också under hösten, från sågspån av gran till flis av gran. Flisen har en längd mellan 10 till 20 mm och specialbeställs från ett sågverk i området. Under hösten kunde det även konstateras att den totala driftstiden av hydrolysreaktor började ta ut sin rätt. Ett antal haverier på tätningar, pumpar och lager konstaterades vara rena förslitningsskador. Glädjande var att korrosionen i själva hydrolysreaktorn var låg, en värdefull erfarenhet att ta med sig för kommande produktionsanläggningar. Sammanfattningsvis kan konstateras att åtgärderna av mekaniska brister har varit mer omfattande än vad vi hade antagit i planeringen varför tiden som anläggningen kunnat köras kontinuerligt har varit kortare än planerat. När bägge stegen i hydrolysreaktorn har varit i drift har vi som bäst uppnått ett sockerutbyte på 55 %, räknat som kvoten mellan socker i hydrolysatet och socker i den ingående biomassan. Utbytet är lovande, men det återstår en hel del arbete innan ett högt utbyte kombinerat med en bra vätskebalans kan uppnås. Den kommande ombyggnationen under våren 2006 är ett led i det arbetet. Enzymprocessen är ej testad inom projekttiden men planering pågår för tester under Orsaken till förseningen är de många åtgärder som krävts i apparaturen och att en bra förbehandling krävs innan enzymsteget. En del förberedande arbete har dock gjorts inför de kommande enzymkörningarna. Det första steget i hydrolysreaktorn fungerar bra som förbehandling inför ett enzymatiskt steg och kan dessutom en bra drift uppnås i det andra steget blir förbehandlingen ännu bättre. Under året byggdes även en SO2-hantering för en optimal förbehandling innan enzymatisk hydrolys. I mitten av augusti 2006 är det planerat att börja med enzymer i pilotanläggningen. Enzymerna kommer att erhållas via NILE-projektet. 12

13 4.5.3 Detoxifiering och fermentering. Strategiskt fokuserades det framförallt på hydrolysreaktorn under 2005 eftersom det är det tekniskt mest komplicerade processteget och en god drift är dessutom en förutsättning för de efterföljande stegen i processen. I slutet av januari togs fermenteringen i drift. Den första alkoholen producerades inofficiellt den 3:e februari, då hade den första fermentorn jäst ut och alkoholhalten låg på 0.9 vol%. I ett satsvis förfarande fermenterades ej detoxifierat hydrolysat med vanlig bagerijäst. Jäsningen gick bra trots att hydrolysatet inte var detoxifierat. Det berodde delvis på att endast det första reaktorsteget var i drift vilket ledde till en mild hydrolys med förhållandevis låg bildning av inhibitorer. Dessutom var hydrolysatet mycket utspätt. Även vid häftig hydrolys som under slutet av året 2005 gick det bra att jäsa hydrolysatet utan detoxifiering, troligtvis för att även det hydrolysatet var utspätt. Experiment utförda av Etek på laboratorium visar dock att fermenteringshastigheten ökar med detoxifiering och att det dessutom kan bli omöjligt att fermentera ett koncentrerat hydrolysat utan att det först detoxifieras. I arbetet med kommande produktionsanläggningar är därför detoxifiering en mycket viktig fråga att arbeta vidare med. Efter den första fermenteringen skulle det dröja ytterliggare en månad innan de nödvändiga tillstånden att tillverka och hantera destillerad etanol hade beviljats av Folkhälsoinstitutet, Läkemedelsverket och Skattemyndigheten. Kort efter alla tillstånden var klara togs destilleringen i drift och de första etanoldropparna producerades officiellt. Strax efter destilleringen tagits i drift startades även indunstningen upp. Eftersom de första fermenteringsförsöken gick bra och destilleringen och indunstningen måste ses som välkända tekniker frångicks arbetet med dessa steg. Istället fokuserades alla resurser på hydrolysreaktorn men fortfarande återstod frågor kring fermenteringen och långtidseffekter i indunstningen. Det skulle dröja tills november 2005 innan nästa fermentering gjordes. Eftersom intresset är stort för alternativa och förnybara drivmedel samtidigt som konkurrensen hårdnar togs det ett beslut efter sommaren att utvecklingsarbete måste bedrivas i hela anläggningen och därför projektanställdes en person i sex månader med start i november 2005 att specifikt arbeta med detoxifieringen och fermenteringen. Även en MISTRA-ansökan lämnades in för ett projekt att arbeta med samspelet mellan hydrolysreaktorn och de efterföljande processtegen. Ansökan har nu beviljats för projektet som löper under de tre åren Under hösten tog arbetet med detoxifiering och fermentering rejält med fart. Dels började ett examensarbete på den svåra uppgiften att odla jäst på cellulosabaserat hydrolysat och dels kom fermenteringen igång igen ute i etanolpilotanläggningen. Nytt för hösten var att hydrolysatet kom från bägge reaktorstegen och att fermenteringen gjordes i fed-batch. Hydrolysatet höll en sockerkoncentration strax över 20 g/l, vilket gav en etanolkoncentration strax över 1 vol%. Under slutet av året gjordes försök med kontinuerlig detoxifiering och fermentering av Etek på Lundbergs Laboratorium i Göteborg. Dessutom engagerades ytterliggare 13

14 två stycken examensarbetare samt en doktorand för att ytterliggare arbeta med detoxifiering, fermentering och jästodling. Under 2005 gjordes en total rengörning av apparaturen för detoxifieringen och fermenteringen, en så kallad Cleaning In Place, CIP. Under rengöringen pumpas varma tvättvätskor runt i systemet och sekvensen avslutas med ångsterilisering. CIP-sekvensen är inlagd i kontrollsystemet och styrs från kontrollrummet. Det tar ungefär fyra dagar att utföra en total CIPning med en efterföljande sterilisering Övriga processer och projekt Under sommaren togs det nya kontrollrummet i drift. Vid planeringen av pilotanläggningens verksamhet antogs att det skulle gå att samordna pilotens och Sekabs kontrollrum och att Sekabs kontrollrumsoperatör skulle vara ett stöd i driften av piloten. På grund av Sekabs utökade egen verksamhet har det inte varit möjligt att samordna kontrollrummen samt att arbetsinsatserna i piloten har varit betydligt större än beräknat varför det har krävts två operatörer på plats per skift. I december 2005 påbörjades en större utvärdering av indunstaranläggningen. Syftet med arbetet är att få erfarenhet av driftssvårigheter och få information om indunstningsrestens och kondensatens sammansättningar och egenskaper. De första erfarenheterna pekar på att en skumdämpare måste tillsättas till destillationsdranken och att det även i indunstningsanläggningen kan bli problem med igensättningar och beläggningar. En torrhalt på ungefär 50% uppnåddes genom indunstning och de första resultaten av indunstningsresten visade på en hög halt av oorganiskt material. Askhalt var kring 60% och värmevärdet kring 12 MJ/kg för helt torr ligninrest. Under hösten påbörjades ett examensarbete där miljöpåverkan mot luft och vatten studerades. I det arbetet uppmärksammades att kondensatet innehöll en hög halt av organiskt material. Det arbetet pekade dessutom på att direkt rening av destillationsdranken, utan indunstning, kunde vara en möjlighet. Under våren 2006 kommer därför arbetet att fortsätta med att utvärdera indunstningen och möjligheterna att direkt rena destillationsdranken. Skulle det visa sig att ingen indunstning behövs i en kommande produktionsanläggning är det mycket pengar som sparas, dels i investeringskostnad men framförallt i driftskostnad. Till operativsystemet köptes en modul för recepthantering. Syftet med recepthanteringen är att det ska underlätta för operatörerna samt borga för reproducerbarhet och en hög kvalité i utvärderingsarbetet. Med hjälp av recepten används alltid samma inställningar för varje parameter från test till test. Under hösten har arbetet kommit igång att bygga upp standardiserade metoder för vissa processteg. Först började fermenteringen att standardiseras. Reaktorn i etanolpiloten är byggt i Hastelloy C-276 som är en nickel-krommolybdenlegeringen med en extremt hög korrosionsbeständighet. Tyvärr är materialet också mycket dyrt och stora besparingar skulle därför göras om ett enklare stål skulle kunna användas i kommande produktionsanläggningar. I samarbete med Korrosionsinstitutet och besiktningsorganet Det Norska Veritas, DNV, påbörjades därför en korrosionsstudie under sommaren Studien ska pågå under ett år och de praktiska momenten ska utföras såväl i autoklav på Korrosionsinstitutet som i pilotanläggningen under drift. Upplägget för försöken bestämdes i samråd med Korrosionsinstitutet och DNV. Det sågs som viktigt att ett oberoende besiktningsorgan fick vara med och utforma upplägget eftersom förhoppningen är att resultatet från studien kommer att bli 14

15 allmänt accepterade av andra besiktningsorgan, vilket borgar för acceptabla besiktningsintervaller i kommande produktionsanläggningar. Tio stycken material studeras, från ett enklare rostfritt stål till Hastelloy C-276. Det första autoklavförsöket syftade till att selektera bort de material av de tio kandidaterna som inte är aktuella. I autoklavförsöken användes hydrolysat från pilotanläggningen som cirkulerades runt provbitarna. Temperaturen var konstant 210ºC och uppehållstiden var tre veckor. Provbitarna var monterade så att även spänningskorrosion kunde studeras. När den första studien i autoklav är utförd kommer provbitar av de intressanta materialen att monteras in i hydrolysreaktorn i pilotanläggningen. De provbitarna kommer att ge information av kombinationen erosion och korrosion. En andra autoklavstudie kommer också att utföras där uppehållstiden är längre för att ge ett säkrare resultat. Ett annat projekt som delvis löper i etanolpiloten, men även med hjälp av anlitad expertis är en kalciumstudie. Med hjälp av MoRe Research i Örnsköldsvik ska ett parameterfönster hittas där problem med kalciumutfällningar är så lågt som möjligt. Etanolpiloten visade under våren 2005 att kalciumsulfat kan vara ett problem för framtida anläggningar och därför måste det hittas driftsparametrar där hydrolysen fungerar med så låga kalciumutfällningarna som möjligt. Utfallet kommer att delvis styra kvalitén på den råvara som kan användas i framtida produktionsanläggningar. För att minimera problemet med Ca som antogs komma från bark byttes det blandspån med viss barkhalt som hade använts till rent granspån. Studier gjorda vid olika universitet har visat att det blir svårare att avvattna ligninresten ju mindre fiberstruktur som finns kvar i materialet. Avvattningen av ligninresten i etanolpilotanläggningen har dock gått bra, till och med under slutet av 2005 när hydrolysen drevs mycket hårt. Vid de körningarna var det nästan ingen cellulosa kvar i ligninresten. Det har dock observerats att ligninresten blir svår att avvattna om den kallnar ned. Urtvättningen av socker från ligninkakan har inte fungerat bra, där fortsätter arbetet med att optimera funktionen på membranfilterpressen. Under våren 2006 kommer ett antal leverantörer av annan typ av avvattningsutrustning att bjudas in till pilotanläggningen för att testa sin utrustning på plats. Tillsammans med Processum AB arbetar Etek med frågor rörande produktutveckling av ligninresten. I det arbetet har en amerikansk forskare och expert på ligninfrågor engagerats, Associate Professor Robert Northy. Arbetet befinner sig fortfarande i sin linda, men kommer att intensifieras under För tillfället diskuteras fyra stycken alternativ: förbränning, förgasning, jordförbättring samt utfyllnadsmaterial. Processum AB arbetar aktivt för att fler personer ska engageras i projektet. Under hösten 2005 fick Etek tillgång till Aspen Plus och arbetet att modellera etanolpilotanläggningen påbörjades. I takt med att driftstiden ökar för hydrolysreaktorn kommer viktiga processparametrar att erhållas, vilka ska användas för att förbättra modellen. Under 2006 planeras det för en realtidsuppkoppling till pilotanläggningen så att moderna optimeringsprogram baserade på multivariat analys kan användas. Under projektettiden och med verksamheten i pilotreaktorn som grund har ett samverkande projekt genomförts. Projektet har finansierats av Mistra och titel är Matematisk modellering av flöde och kinetik i en motströmsreaktor för hydrolys av 15

16 trä. Första årets arbete har avrapporterats till Mistra. Projektet har nu omformulerats och löper vidare under tre år. Parallellt med arbetet i etanolpilotanläggningen drivs ett projekt som syftar till att få en bättre förståelse för sockernedbrytning vid höga temperaturer och sura betingelser. Vid dessa temperaturer finns det förvånansvärt lite forskning gjord i modern tid med moderna mätmetoder. Det gäller även svagsyrahydrolysen av råvaran och ligninets kemi och beskaffenhet. Här finns det ett uppenbart behov av ytterliggare forskning som syftar till förståelse som senare kan leda fram till optimering av processbetingelserna Examensarbeten Under projekttiden har två stycken examensarbeten utförts, två stycken har påbörjats och tre stycken planeras komma igång under januari Dessutom pågår i landet ett antal examensarbeten med nära anknytning till cellulosabaserad etanol där Etek inte är direkt inblandad, men bistår som extern rådgivare. Av de två avklarade exmensarbeten, både utförda vid etanolpiloten i Örnsköldsvik, syftade ett till att utveckla en metod för att snabbt avgöra ett hydrolysats jäsbarhet och ett syftade till att odla jäst på cellulosabaserat hydrolysat. I det senare examensarbetet användes dels vanlig bagerijäst, men även jäst från det närliggande massabruket Domsjö. Det är en tålig jäst som under en längre tid anpassat sig till inhibitorer i cellulosabaserat hydrolysat och ses som en intressant kandidat för kommande produktionsanläggningar. Det visade sig vara mycket svårt att odla jäst på hydrolysat i de volymer som det rör sig om i etanolpilotanläggningen. Det krävs mycket kunskap och erfarenhet för att lyckas och projektet med att odla jäst fortsätter även om examensarbetet slutfördes i december Under hösten 2005 påbörjades två stycken examensarbeten som båda avslutades i början av Ena arbetet utfördes i direkt anslutning till etanolpiloten och syftade till att studera miljöpåverkan på luft och vatten från etanolpilotanläggningen. Arbetet kommer att ligga som grund till miljöstudien som görs inom ramen av förstudien av en demonstrationsanläggning i produktionsskala. Det andra arbetet är ett modelleringsarbete i Aspen Plus där man tittade på symbiosen mellan ett kraftvärmeverk och en produktionsanläggning för cellulosabaserad etanol. Under hösten planerades ytterliggare tre stycken examensarbeten, alla med början våren Ett projekt ska utföras vid etanolpilotanläggningen och syftar till att studera jäsbarheten på förindunstat hydrolysat. Genom att förindunsta hydrolysatet innan detoxifiering och fermentering kan sockerkoncentrationen ökas, vilket leder till en rad förbättringar för totalekonomin. Tyvärr koncentreras även inhibitorerna, därför är det viktigt att studera jäsbarheten för de förindunstade hydrolysaten. Det andra planerade examensarbetet är att studera näringsbehovet vid en kontinuerlig fermentering. Som näringsämnen ska kommersiellt gångbara ämnen användas. Det tredje arbetet är en del av ett doktorandprojekt där två olika stammar av Domsjöjästen ska studeras. 16

17 4.6 Måluppfyllelse Huvudmålet kan delas upp i två mål, dels att visa att cellulosabaserad etanoltillverkning tekniskt går att genomföra till konkurrenskraftig kostnad och dels att bidra med tekniskt och ekonomiskt underlag för en storskalig produktionsanläggning. Det första målet om etanolproduktion till konkurrenskraftig kostnad har inte uppfyllts tillfullo. Några av svårigheterna har varit att steget i uppskalningen till produktionsnivå fortfarande är stort, att rektorn behöver ytterligare modifieringar samt att kostnadsnivån också beror på den möjliga integrering i biokombinat som krävs. Det andra målet, att bidra med tekniskt och ekonomiskt underlag för en storskalig produktionsanläggning, är i stora delar uppfyllt. Det underlag som har tagits fram används nu i den förstudie av produktionsanläggningar som pågår. - Ett delmål är att få delsystemen i anläggningen att fungera för sin avsedda funktion. Hydrolysreaktorn byggdes om och förbättrades fler än tio gånger under Fortfarande återstår emellertid frågor som måste lösas. För att få en helt fungerande hydrolysreaktor ska det andra steget byggas om under våren Med tanke på att det är en helt ny industri som utvecklas och mycket lite erfarenhet fanns att tillgå när anläggningen designades måste driften ändå ses som en framgång. För massaindustrin tog det över hundra år att komma till den nivå den befinner sig på idag. Delar av den teknologin kan implementeras direkt i en cellulosabaserad etanolanläggning, men mycket måste utvecklas från grunden. Det är den kunskapen som ska utvecklas i etanolpilotanläggningen och svårigheten att utveckla tekniken kan i sig vara en fördel då kunskapen kommer att vara av en sådan teknisk och vetenskaplig höjd att det blir svårt för konkurrenter att enkelt slå sig in på marknaden. - Ett andra delmål är att kunna köra hela processkedjan från råvaruintag till destillerad produkt och uttag av lignin. Delmålet har delvis uppfyllts då anläggningen kan köras kontinuerligt under ett antal dygn, men med återkommande problem i andra delen av reaktorsystemet. - Ett tredje, kvantitativt delmål är att under minst en 24-timmars period uppnå en etanolproduktion på 250 liter. Delmålet har uppnåtts till ca 50% då en volym upp till ca 125 liter har erhållits. Anledningen till att delmålet endast är uppfyllt till hälften beror främst på den bristfälliga funktionen i andra steget av hydrolysreaktorn. Under stora delar av året 2005 användes endast det första steget, vilket ledde till en låg nedbrytning av råvaran, en låg sockerkoncentration och en låg produktion av etanol. Under hösten 2005 användes det andra reaktorsteget, men driftfunktionen var dålig. När väl motströmsprincipen frångicks tvingades hydrolysreaktorn att arbeta med en hög temperatur och tryck även i efterföljande uppehållskärlet. Det körsättet ledde till en kraftfull hydrolys, men tyvärr bröts även det bildade sockret ned så sockerkoncentrationen var återigen låg. - Ett fjärde delmål är att verka för att flera industriella parter engageras att medverka i och stödja pilotverksamheten. Detta delmål har uppnåtts vad gäller medverkan. Under projekttiden har över 30 företag medverkat i första hand för apparatutveckling. Det nybildade etanolkonsortiet där Etek och Sekab ingår kommer att bidra med ett finansiellt stöd på 12 MSEK under utvecklingsperioden tom år

18 Konsortiet går också in med finansiellt stöd i den förstudie av produktionsanläggningar som pågår under år Kostnader Kostnaderna under projekttiden uppgår till 28,9 MSEK. Projektet har finansierats av Energimyndigheten med 21 MSEK i två beslut, Mål 1 Södra Skogslänen med 3 MSEK, Länsstyrelserna i AC och Y län med 1,7 MSEK vardera samt Stiftelsen Lantbruksforskning med 1 MSEK. Ekonomisk rapport enligt bilaga. Bilaga 1 Projektkostnaderna omfattar främst kostnader för personal som deltagit i utvecklingen och projektadministrationen men även kostnader för kemikalier, råvaror och material som förbrukats och förslitits ingår. Samtidigt med att anläggningen startades och intrimningen påbörjades, pågick det under tiden ett visst slutmontage av främst rör och isolering av utrustning, samt ändringsarbete på basis av erfarenheter från de körningar som genomfördes. Anläggningen har drivits på skift sedan i augusti På grund av arbetsbelastningen utökades skiftlaget med en operatör per skift i slutet av En utvecklingsingenjör med forskarbakgrund anställdes i början av 2005 som ansvarig för den löpande verksamheten i pilotanläggningen och ytterligare två forskare har anställts eller knutits till projektet med delvis annan finansiering som grund. 6 Lokala samhällseffekter 6.1 Nya/skapade arbetstillfällen och nya företag I följande sammanställning framgår de effekter som projektet har medfört på arbetstillfällen. Typ av indicator Uppskattad kvantitet vid projektslut Totalt Män Kv. Nya företag 1 Innovationer 1 Nya arbetstillfällen Tillämpad forskning, antal projekt 5 Deltagande företag 30 Därutöver köps tjänster från deltagande företag för service och underhåll i anläggningen. Projektet har starkt bidragit till det etanolkonsortium som har bildats i Örnsköldsvik. I samband därmed bildades nya bolag det med den tydligaste anknytningen till Etek och pilotanläggningen är BioFuel Industries AB. 18

19 6.2 Projektets övriga påverkan Projektet har varit en mycket bidragande anledning till att bilda BioFuel Region inom AC och Y län. Intresset för projektet har varit och är mycket stort och drar till sig många besökare och intressenter från många länder. Som medel över projekttiden har ca 2 personer per dag besökt anläggningen. Därigenom har informationen om utvecklingen och den satsning som projektets finansiärer står för fått en bred spridning. Informationen om utvecklingen i skolor har medfört att många elever har valt att göra projektarbeten inom området för biobränslen. 7 Projektets påverkan på horisontella kriterier 7.1 Jämställdhetsinsatser I projektet har olika tjänster upphandlats enligt lagen om offentlig upphandling. Fördelning av anställda har styrts av intresseanmälningar och av dessa har flertalet inlämnats av män. Några speciella insatser att rekrytera kvinnor har inte gjorts. 7.2 Internationalisering Projektet har uppmärksammats internationellt. Vid invigningen av pilotanläggningen var 10 länder representerade. Utvecklingen av teknik att producera etanol från lignocellulosa pågår på många olika håll i världen men ännu finns ingen motsvarande pilotanläggning. Detta innebär att kontakter ofta tas med projektledningen för att få utbyta kunskap om projektet. En ständig ström av inbjudningar till att hålla föredrag på konferenser kommer till projektledningen. Allt detta innebär att regionen kommer i blickpunkten. Marknaden för etanol som drivmedel växer snabbt. Efter hand som projektet har blivit alltmera känt i omvärlden har förfrågningar om licenser för tekniken ökat i antal. 7.3 IT-projekt Pilotanläggningen är utrustad med ett mycket modernt och kompetent styrsystem som möjliggör att forskare i realtid kan följa processen nästan oavsett var de befinner sig. Forskarna kan också få tillgång till historik eller lägga in önskemål på parametrar som de speciellt vill följa. Systemet är också helt uppkopplat via buss vilket innebär att anläggningen innehåller mycket få ledningar och har väckt stort intresse. 8 Kopplingar till andra projekt Projektet är en följd av det investeringsprojekt som beviljades år 2002 samt de förstudier som föregick. Förstudierna hade rubrikerna Svagsyrahydrolys av cellulosa i pilot- och fullskala, Enzymatisk hydrolys i etanolpilotanläggning och Demoanläggning i Hedensbyn, Skellefteå. I alla dessa arbeten har Energimyndigheten varit huvudfinansiär. Projektet har medfört att pilotanläggningen har fått en betydelsefull roll i det EUprojekt som har beviljats och startade 1 okt Projektet med rubriken New Improvements for Lignocellulosic Ethanol eller förkortat NILE. 19