Rapport. Förbehandlingsmetoder för biobränslen

Transkript

1 Rapport Förbehandlingsmetoder för biobränslen

2 Förord Projektet NV Eko (Norrbottens och Västerbottens energi- och klimatoffensiv) var ett näringslivsinriktat samverkansprojekt med fokus på miljödriven affärsutveckling. Projektet pågick Direkt målgrupp var små- och medelstora företag och näringslivets organisationer i Norrbotten och Västerbotten. Indirekt målgrupp var kommuner i Norrbotten och Västerbotten (eftersom kommunerna har en unik och viktig roll för hållbar näringslivsutveckling). Projektet finansierades av Europeiska regionala utvecklingsfonden, Energimyndigheten, Norrbottens läns landsting, Länsstyrelsen i Norrbotten, Länsstyrelsen i Västerbotten och Region Västerbotten. En av aktiviteterna i projektet var att genomföra kommunseminarier och rundabordssamtal i Norrbottens och Västerbottens kommuner. Vi genomförde totalt 21 seminarier i lika många kommuner. På kommunseminarierna presenterades bl a kommunens specifika förutsättningar för att satsa på förnybar energi, nuvarande energianvändning och energitillförsel uppdelad på sektorer. Vi byggde också två olika scenarier, ett BAU och ett grönt scenario. Mer information om innehållet i seminarierna finns på Vid rundabordssamtalen kom olika förslag fram på hur den egna kommunen och det lokala näringslivet skulle kunna vara med och bidra till hållbar, grön affärsutveckling. Ett ämne som ofta dök upp vid dessa samtal var vidareförädling av biomassa. Därför har vi bett Joakim Lundgren, docent vid avdelningen för Energiteknik på Luleå Tekniska Universitet, skriva en sammanfattning om vilka möjligheter som finns för kommuner att se till att mer pengar stannar kvar lokalt genom att satsa på vidareförädling. Teknikerna som beskrivs är under utveckling, eller redan kommersialiserade och det är de mest intressanta! För ytterligare information eller diskussion kring teknikerna, kontakta Joakim Lundgren, LTU eller Fred Nordström, Nenet,

3 3 Innehåll 1 Inledning Torrefiering Pyrolys Karbonisering Hetvattenextraktion Referenser...8

4 4 1 Inledning Förnybara råvaror från skogs- och jordbruk förväntas genom forskning och utveckling kunna medverka till att lösa angelägna globala utmaningar som den förstärkta växthuseffekten samt minska vårt stora beroende av fossila bränslen. Att utveckla processer för att på ett och samma ställe förädla biomassa för flera ändamål är nödvändigt för utvecklingen mot ett hållbart samhälle där fossila bränslen ersätts (Regeringens proposition, 2008). Idag pågår intensiv forskning rörande förädling av biobränslen i både liten och stor skala både via termokemisk och biokemisk omvandling av skogsråvara. Obehandlad biomassa har hög bulkvolym, högt vatteninnehåll och relativt lågt värmevärde, vilket innebär nackdelar bland annat vid transporter av bränslet. Det finns dock ett antal metoder under utveckling eller till och med kommersiella, för att förbehandla biobränslet innan transport och användning. Nedan följer en kort teknisk sammanfattning av de mest intressanta metoderna. 2 Torrefiering Torrefiering är en sorts termokemisk förbehandlingsmetod som närmast kan liknas vid rostning som producerar ett grönt kol. Bränslet värms upp i atmosfärstryck till C i en syrefri miljö. Vatten och flyktiga ämnen avgår under processen, vilket avsevärt förbättrar bränslets egenskaper. Ca 20 % av biobränslets massa försvinner, men bara ca 10 % av energiinnehållet vilket gör att energidensiteten ökar efter behandlingen. Normalt uppgår energidensiteten i torrefierat material till MJ per kg. Obehandlad träflis har ett värmevärde av ca MJ per kg. Därmed minskar också transportkostnaderna med ungefär 10 % då varje lass bränsle innehåller en större energimängd. Dessutom är torrefierat material lättare att mala och är mer hydrofobt, det vill säga att det få en sämre förmåga att absorbera fukt och vatten från omgivningen. Det sistnämnda gör att hantering och lagring underlättas vilket därmed innebär minskade kostnader. Figur 1 visar en bilder och karaktäristik på obehandlat och torrefierat biobränsle. Figur 1. Egenskaper hos obehandlat och torrefierat biobränsle (Umeå Universitet, 2012) Ett stort antal torrefieringsatsningar pågår just nu runt om i världen med Europa och Nordamerika i framkant. Nyligen har ett forskningsprojekt (Sector) beviljats 69 miljoner kronor av EU:s Sjunde ramprogram, varav nästan 10 miljoner tilldelas en forskargrupp vid Umeå universitet. Stödet ska användas till utveckling av torrefieringstekniker och introduktion av torrefierade produkter på marknaden. (Umeå Universitet, 2012). Själva tekniken närmar sig en kommersialisering, men

5 fortfarande råder osäkerheter i bland annat produktkvaliteten. När det gäller ekonomin för en torrefieringsanläggning så blir den starkt beroende av marginalpriset mellan råvaran och färdiga produkten. 5 3 Pyrolys Pyrolys är också en termokemisk behandlingsmetod liknande torrdestillation, där biobränslet hettas upp till C i en syrefri miljö för att inte materialet ska förbrännas. Resultatet av processen är att biobränslet separeras till olika komplexa beståndsdelar i fast, flytande och gasform. Gaserna som avgår består i huvudsak av vattenånga, kolmonoxid, koldioxid, metan och såväl lätta som tunga kolväteföreningar. De sistnämnda kan kondenseras till tjära eller en råolja genom snabb kylning. Vätskans lägre värmevärde uppgår normalt till ca MJ per kg, knappt hälften av energiinnehållet i fossil eldningsolja. Återstoden av bränslet är en form av koks som kan användas som bränsle i förbränningsprocesser eller som ersättning av fossilt kol i metallurgiska processer. Oljan kan ersätta fossil eldningsolja eller diesel i pannor, ugnar, motorer och gasturbiner. Det finns också möjlighet att extraheras en mängd olika dyrbara kemikalier som aromer, hartser och gödselmedel. En uppgradering av biooljan till drivmedel är också möjlig, men är förnärvarande inte ekonomiskt gångbart. Olika typer av pyrolysanläggningar demonstreras just nu i många länder. En demonstrationsanläggning för produktion av bio-olja finns i Italien och har en kapacitet av 500 kg per timme. Det finns också planer för mindre kommersiella enheter i Italien, Spanien och Grekland. Det finns flera demonstrationsanläggningar för pyrolys av avloppsslam i drift i Tyskland med kapaciteter upp till 2 ton per timme. Ett antal demonstrationsanläggningar för snabb-pyrolys finns i Nordamerika med kapaciteter upp till 25 kg per timme. Anläggningar finns också i Kanada och Australien. I Finland har Metso, UPM, Fortum och VTT utvecklat världens första integrerade anläggning för biooljeproduktion. Pilotanläggningen är integrerad i en konventionell kraftvärmeanläggning och mer än 100 ton bio-olja har framställts av sågspån och skogsavfall. Omkring 40 ton bio-olja har eldats i en av Fortums mindre fjärrvärmeanläggningar (1.5 MW) med goda resultat. Det kan därmed konstateras att pyrolys för produktion av flytande och fast biobränsle ämnat för förbränning i pannor för värme och elproduktion mycket snart kan vara kommersiell teknik. Däremot kommer det att kräva betydligt mer forskning och utveckling för att kunna använda oljan för uppgradering till fordonsbränsle. Produktionskostnaderna för bio-olja från pyrolys är fortfarande höga, och kan i vissa fall uppgå till dubbla priset av fossil olja. (IEA Energy Task 34, 2012) I framtiden skulle det kunna tänkas att mindre pyrolysanläggningar lokaliseras nära råvaran och producerar en råolja som sedan transporteras till ett större raffinaderi för uppgradering till fordonsbränslen. Den återstående koksen används kan sedan användas som bränsle för fjärrvärmeproduktion. Figur 2 illusterar hur en sådan lösning skulle kunna utformas.

6 6 Figur 2. Distribuerade pyrolysanläggningar med central raffinering 4 Karbonisering Karbonisering, eller rättare sagt, Flash-carbonization är en typ av pyrolysprocess där biobränslet snabbt hettas upp till ca 500 C under tryck (1.2 MPa), och omvandlas till biokol (träkol, i princip rent kol, jmf eng. carbon ). Biokolet har ett lägre värmevärde i spannet MJ per kg. Processen är utvecklad av Hawaiian National Energy Institute (HNEI) där en demonstrationsreaktor med en maximal kapacitet av 5 ton biokol per dag (antaget en drift om 8 timmar) finns. (Grønli, 2011). Idag pågår arbete med att skala upp processen för kommersiell verksamhet då marknaden för biokol är kraftigt växande. Råvaror som framgångsrikt har utnyttjats i processen inkluderar vissa tropiska trädslag, restprodukter från skog och jordbruk samt avloppsslam. Biokolet kan sedan pelleteras eller briketteras eller användas som ersättning av injektionskol i exempelvis masugnar. Kontaktperson är Professor Michael J. Antal, Jr, som har patent på Flash-carbonization processen. Ett annat exempel på träkolsproducenter i Europa är SunCoal Industries i Tyskland som kommersialiserar en liknande teknik. (SunCoal, 2012) 5 Hetvattenextraktion Hetvattenextraktion är en självkatalytisk hydrolysprocess där endast hett och trycksatt vatten används (ca 8 bar och 160 C). I processen frigörs ättiksyra som fungerar som katalysator för hydrolysreaktioner, vilket innebär att inga kemikalietillsatser är nödvändiga. Vattenströmmen får sedan genomgå en enzymatisk eller syrabaserad hydrolys, där vedens polymera sockerkedjor genomgår hydrolys till monomera socker. Detta socker kan sedan användas i en fermenteringsprocess för produktion av flytande biobränslen och biologiskt nedbrytbara kemikalier, exempelvis etanol, butanol och bärnstensyra (Hahn-Hägerdal et al., 2007; Huang et al., 2007; Werpy et al., 2004, 2006). Restprodukten från extraktionsprocessen består av helt intakt, men tvättad träflis. Se Figur 3. Denna restprodukt kan exempelvis användas som bränsle i en mindre kraftvärmeanläggning för produktion av

7 el och fjärrvärme, där en del av den producerade värmen skulle kunna användas i själva extraktionsprocessen. (Lundgren och Helmerius, 2009). 7 Figur 3. Björkflis till vänster och extraherad björkflis till höger Den tvättade flisen är ett ypperligt biobränsle som inte bara har ett något högre värmevärde utan som också innehåller betydligt mindre askämnen (alkalimetaller). Det lägre värmevärdet av extraherad björkflis har rapporterats till MJ per kg. (Lundgren och Helmerius, 2009). Det senare har stor betydelse för bland annat beläggningar och korrosion i pannor och på värmeväxlarytor. Hetvattenextraktion utförs idag i bänkskala och studier där processen integreras i pappers- och massabruk har utförts bland annat vid Luleå tekniska universitet. En eventuell kommersialisering av processen för enbart förbehandling av biobränsle ligger förmodligen långt fram i tiden.

8 8 6 Referenser Grønli M Pyrolysis and charcoal. Presentation Biokarboniseringsseminarium International Energy Agency (IEA) Task 34 Pyrolysis, Hahn-Hägerdal, B., Karhumaa, K., Fonseca, C., Spencer-Martins, I., Gorwa-Grauslund, M.F., Towards industrial pentose-fermenting yeast strains. Applied microbiology and biotechnology 74, Huang, H-J., Ramaswamy, S., Tschirner, U.W., Ramarao, B.V., A review of separation technologies in current and future biorefineries. Separation and Purification Technology 62, Lundgren J., Helmerius J Integration of a hemicellulose extraction process into a biomass based heat and power plant. Proceedings of the 22nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization Simulation and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS), Aug 31 Sept 3, Foz do Iguaçu, Paraná, Brazil. Regeringens Proposition Ett lyft för forskning och innovation. Prop. 2008/09:50, Stockholm, 2008 SunCoal SunCoal hemsida. Umeå Universitet Torrefiering. Werpy, T., Petersen, G., Top Value Added Chemicals from Biomass. USDOE: Washington, D.C. Werpy, T.A., Frye, J.G., Holladay, J.E., 2006.Succinic Acid-A Model Building Block for Chemical Production from Renewable Resources. Biorefineries - Industrial Processes and Products 2,