Sojaprotein, oxiderad majsstärkelse, vetestärkelse & ärtstärkelse som additiv i träpellets

Transkript

1 Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap Miljö- och energisystem Jonny Olofsson Sojaprotein, oxiderad majsstärkelse, vetestärkelse & ärtstärkelse som additiv i träpellets Effekter på pelletsens kvalitet, CO 2 ekv utsläpp & energianvändning Soy protein, oxidized cornstarch, wheat starch & pea starch as additive in wood fuel pellets Effects on pellet quality, CO 2 eq emission & energy consumption Examensarbete 22,5 hp Högskoleingenjörsprogrammet i energi- och miljöteknik Juni 2017 Handledare: Magnus Ståhl Examinator: Lena Bruzell Karlstads universitet Karlstad Tfn Fax Information@kau.se

2

3 Sammanfattning Den nuvarande energianvändningen i världen består endast av 2,8% förnybar energi. EU har som klimatmål att till år 2020 öka andelen förnybar energi till 20%. Förnybar energi är bland annat bioenergi som t.ex. pellets. Pelletsanvändningen har redan ökat markant och flera stora produktionsenheter har byggts de senaste åren. För att få en konkurrenskraftig pellets måste produktionen förbättras avseende kvalité, miljöpåverkan och energianvändning. Att tillsätta additiv kan förbättra pellets hållfasthet, reducera CO2ekv-utsläppen och minska energianvändningen. Syftet är att undersöka hur olika procentsatser additiv påverkar pellets för att få ett mer hållbart och konkurrenskraftigt biobränsle. I kvalitetsanalysen där hållfasthet och hårdhet undersökts visade oxiderad majsstärkelse det bästa resultatet då hållfastheten ökade från 94,8% till 97,86%. Hårdheten varierade mycket från pellets till pellets ur samma prov. På grund av att hårdheten varierade så mycket går det inte att säga vilket prov som fick högst hårdhet. Däremot går det att dra som slutsats att de oxiderade majsstärkelseproverna fick högre hårdhet än nollprovet. I miljödelen undersöktes CO2ekv-utsläppen för pelletsproduktion i Sverige, OECDmedlemsländer och icke OECD-medlemsländer i Europa. I Sverige och i OECDmedlemsländer sänkte inte pelletsproduktionen CO2ekv-utsläppen med något tillsatt additiv. I icke OECD-medlemsländer var vetestärkelse bäst som additiv och sänkte CO2ekv-utsläppen med 2,4%. Energianvändningen i pelletspressen analyserades också och resultatet visade att alla additiv minskade energianvändningen. Det additiv som var bäst i denna undersökning var vetestärkelse som minskade energianvändningen med 3,9%.

4

5 Abstract Currently, only 2.8% of total energy use in the world is renewable energy. As a climate target in 2020, the European Union has set a goal of increasing the renewable energy to 20%. Renewable energy includes biofuel such as pellets. Pellets use has already increased significantly and several large production units have been built in recent years. To achieve a competitive pellet, production must be improved in terms of quality, environmental impact, and electricity consumption. Adding additives can improve pellets strength, reduce CO2eq emissions and reduce energy consumption. The purpose is to investigate how different percentages of additive affect pellets to achieve a more sustainable and competitive biofuel. In the quality analysis where sustainability and hardness were investigated, oxidized corn starch showed the best result where sustainability increased from 94.8% to 97.86%. The hardness varied greatly from pellets to pellets from the same sample. Since the hardness varied so widely, it was impossible to say which sample who had the highest hardness. On the other hand, it is concluded that the oxidized cornstarch samples received higher hardness than the zero sample. In the environmental section, CO2equivalents for pellet production were investigated in Sweden, OECD member countries and non-oecd member countries in Europe. In Sweden and in OECD member countries, pellets production did not reduce the CO2eq emissions with any added additive. In non-oecd member countries, wheat starch was the best additive and reduced CO2eq emissions by 2.4%. The energy consumption in the pellet press was also analyzed and the results showed that all additives reduced energy consumption. The best additive in this study was wheat starch, which reduced electricity consumption by 3.9%.

6 Förord Examensarbetet har omfattat 22,5 högskolepoäng och är en del av högskoleingenjörsutbildningen inom energi- och miljöteknik på Karlstads Universitet. Arbetet har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik och därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete. Jag vill tacka Magnus Ståhl för god vägledning och stöd under projektets gång. Jag vill också tacka Jonas Berghel, Lars Pettersson, Stefan Frodeson, Dunia Norberg och Adam Sönefors som hjälpt till under pelletsproduktionen. Jag vill tacka Stora Enso Timber AB i Grums som bidragit med sågspån.

7 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Additiv och Trä Syfte och Mål Metod Material Produktionsanläggning Beräkning av rätt frekvens för olika additiv Process och produktionsförhållanden Analyser Hållfasthet Hårdhet Bulkvikt Miljöpåverkan Kostnadanalys Resultat Hållfasthet Hårdhet Bulkvikt Miljöpåverkan Energianvändning Kostnad Diskussion Slutsats Fortsatta studier Referenser... 17

8 1. Inledning 1.1 Bakgrund Den nuvarande energianvändningen i världen består endast av 2,8% förnybar energi (Holmström 2016). Europeiska Unionen har som klimatmål att till år 2020 höja andelen förnybar energi till 20 %. Förnybar energi är bland annat bioenergi som t.ex. pellets, vind och vatten. Som ett resultat av detta klimatmål kommer troligtvis pelletsanvändningen öka fram till år 2020 (EU-upplysningen 2016). För att få en mer hållbar värld är det gynnsamt att använda förnybara resurser enligt ett bioekonomiskt synsätt. Under de senaste deceniet har konceptet bioekonomi utvecklats globalt särskilt inom biobränsleodlingen för bioenergiproduktion (Ståhl et al. 2016). Bioekonomi omfattar effektiv användning av råvaror istället för att förbruka jordens ändliga resurser. Förnybara råvaror som kommer från skogen, havet och jorden ska hellre utnyttjas än fossila bränslen och andra liknande material i ett bioekonomiskt samhälle. Att använda sig av biomassa som energikälla är ett sätt att minska koldioxidutsläppen vilket leder till att de globala växthusgaserna minskar. Men det är även viktigt att råvarorna förbrukas på ett hållbart sätt (Larsson 2017). Under de senaste åren har pelletsanvändningen ökat markant och det växer fram fler stora produktionsenheter i USA, Ryssland och Sverige. Råmaterial är den största kostnaden för pellets och på grund av den ökade användningen av biomaterial har kostanden för pellets ökat. Det finns ungefär 630 pelletsfabriker runt om i världen med en produktionskapacitet på 30 miljoner ton/år och genom att hitta en liten faktor som minskar elanvändningen kan det i det stora hela bli en betydelsefull kostnadsminskning för tillverkningen (Ståhl et al. 2012). Konkurrensen är hård på pelletsmarknaden och därför är det viktigt att pelletsen håller hög kvalitet. Hållfastheten och hårdheten är mått på pelletsens kvalitet. Hållfastheten beskriver hur mycket smul och finfraktioner som bildas efter tumlingsmaskinen som visas i figur 3. Enligt den svenska standarden (SS-EN 15210) ska hållfastheten vara 95-97,5%. Standarden har funnits sedan 2010 och är den bestämda mekaniska hållfastheten pelletsen bör ha. Om hållfastheten är över 97,5% kan pelletsen Svanenmärkas. Under transport kan pelletsen smulas sönder om hållfastheten är låg vilket orsakar spill för hushållsägaren (Engelbrektson 2007). Hårdheten beskriver det tryck som krävs för att krossa pelletsen. En pellets som är hårt pressad brinner längre vilket leder till att askhalten blir mindre och ger mer värme (SMP 2017). Bulkvikten säger inget om kvaliteten på pelletsen men däremot är bulkvikten viktig för hushållsanvändarna. Utrustningen som används vid förbränning av pellets är oftast inställda på ett visst volymflöde. Bulkvikten har en betydelse för hur energirik pelletsen blir vid förbränningen. Detta betyder att om leverantörer levererar pellets med hög bulkvikt kommer detta att ge mer energi per volymenhet än pellets med låg bulkvikt. Däremot är det inte helt sant att högst bulkvikt ger mest energi eftersom även fukthalt, additiv och andel aska som bildas vid förbränning är parametrar som måste räknas med (Löfgren 2004). För att följa svensk standardklass SS-EN 15103: 2010 bör bulkvikten ligga mellan kg/m 3. 1

9 Pelletspressens kapacitet är begränsad efter den maximala effektförbrukningen i pelletspressen (Ståhl et al. 2012). Att hitta en parameter som till exempel additiv som reducerar effektförbrukningen i pelleteringsprocessen kan leda till att processen får en kostnadsminskning, ökad kapacitet eller både och. Det är viktigt att tillsättning av additiv i pelletsen inte ökar energianvändningen eftersom det leder till att produktionskapaciteten minskar och att underhållskostnaden ökar. Detta minskar argumenten för att använda additivet ute på marknaden. Den totala energianvändningen i tillverkningsprocessen av pellets domineras av torkningsprocessen följt av pelletspressen. Energianvändningen i pelletspressen ligger i fokus i detta arbete eftersom den använder en stor mängd el. Energianvändningen bidrar till CO2ekv-utsläpp och hur mycket den släpper ut beror på hur elen har producerats. I de länder där elproduktionen domineras av vind- och vattenkraft är CO2ekv-utsläppen låga i jämförelse med länder som domineras av fossila bränslen för elproduktion (Ståhl et al. 2016). 1.2 Additiv och trä Vid pelletstillverkning är energianvändning en viktig del för produktionskostnaden. Detta innebär att om additiv kan minska energianvändningen och/eller öka hållfastheten kan additiv ha en stor roll om hur kostnaden för pelletsen blir. Oftast är additiven dyrare än råmaterialet och måste därför ge fördelar i pelletsproduktionen och inte heller några problem för hushållsanvändare. Additivet måste även vara förnybart och procentsatsen additiv i pelletsen får maximalt vara 2 viktprocent av den pressade massan (SS-EN ). Additiv som uppfyller kriteriet till förnybar energikälla är sojaprotein, oxiderad majsstärkelse, vetestärkelse och ärtstärkelse. Naturlig stärkelse finns i spannmål. Spannmål är även uppbyggda av protein och fibrer (Ståhl et al. 2012). Naturlig stärkelse och oxiderad stärkelse används som lim, bindningmedel, gelatinering, fukthållare, filmbildning och förtjockningsmedel. Att använda oxiderad stärkelse i pelletsproduktion är redan något som utförs och har positiva effekter på både driftkostnad och nötningstålighet (Ståhl et al. 2012). I industrin används vanligtvis natriumhypoklorit för att tillverka oxiderad stärkelse. När natriumhypokrit och stärkelsen reagerar med varandra i processen depolymeriserar stärkelsemolekylerna och bildar carboxyl- och carbonylgrupper. Det är däremot inte carboxyl- carbonylgrupperna som ökar förmånerna utan depolymeriseringen. När stärkelsen bryts ner och gelatiniseras förändras granulernas egenskaper i stärkelsen och ökar dess limegenskaper. Den oxiderade stärkelsen har inte samma gelatinbeteende som naturlig stärkelse. I jämförelse med den naturliga stärkelsens granuler som sväller upp som en stor bit så delar sig granulerna sig i små bitar under gelatiniseringen i den oxiderade stärkelsen (Ståhl et al. 2012). Stärkelse innehåller linjär amylos och grenad amylopectin. Amylospektin har höga expanderande egenskaper medan amylos inte har lika höga expanderande egenskaper, men däremot ökar styrkan och bibehåller formen (Gimeno et al. 2004). Majs med hög amylos kan ha en procenthalt av 50 85% amylos och 15 50% amylospektin. Vete har 25% amylos och 85% amylospektin. När stärkelsen gelatiniseras ökar stärkelsens viskositet (Nilsson 2011). Sojaprotein används i stor utsträckning som näringskomponent men har även använts utanför livsmedelcirkeln som lim, bindemedel och i tillverkningen av plast. Sojaprotein har visat bra vidhäftningsförmåga för cellulosa och andra material (Wang 2006). Sojaprotein och andra vegetabiliska proteiner har även en vattenhållande förmåga (Rosén 2012). Vatten fungerar i viss mån som bindemedel och kan stärka hållfastheten (Ståhl et al. 2012). 2

10 Trä består kemiskt av 40 50% cellulosa, 20 35% hemicellulosa och 15 35% lignin. Det finns också en liten mängd harts och fetter i trä (Holmgren 2002) 1.3 Syfte och Mål Syftet är att undersöka hur olika procentsatser additiv påverkar pellets för att få ett mer hållbart och konkurrenskraftigt biobränsle. Målet är att få fram vilket pelletsprov som har högst hållfasthet (%), lägst miljöpåverkan i gco2-ekvivalenter samt lägst energianvändning i kj/kg TS pellets. 3

11 2. Metod 2.1 Material Sågspånet som användes bestod av 80 90% gran och 10 20% tall och hämtades från Stora Ensos pelletsfabrik i Grums. Sågspånet hade en fukthalt på 10,5% och torkades med luft vid en temperatur av 75 C på en Stela bandtork. 2.2 Produktionsanläggning Pelletsen producerades på Karlstads Universitet av en maskin som består av en diagonal blandare, transportskruv, skruvmixer, inmatningsskruv, pelletspress och en trattformad doserare som additiv kan tillsättas i. Innuti doseraren finns en omrörare som roterar horisontellt för att förhindra överbryggning och hålla ett konstant flöde ut. Pelletspressen är en Amandus Kahl C med en maximal produktion på 300kg/h. Planmatris i pelletspressen har 52 hål på 9 rader vilket totalt blir 468 hål. Hålraden är 8mm, arbetsbredden 75mm, kompressionslängd 30mm, tjockleken är 50mm och inloppsdiametern är 10,2mm. Utanför produktionsenheten finns det en luftkylare där den producerade pelletsen kan kylas. Figur 1. Pelletsanläggningen vid Karlstads Universitet som användes vid produktion. 2.3 Beräkning av rätt frekvens Utmatarens doseringsfrekvensen beräknades för att få rätt mängd additiv till sågspånet. Desto högre frekvens desto mer matar doseraren ut. En blandning av 50% additiv och 50% spån gjordes och rördes om så de var jämnt fördelade. För beräkning av hur mycket av vardera additiven som skulle matas ut för att få rätt mängd i pelletsen beräknades en funktion av frekvensen hos skruven. Genom att väga det utgående flödet av additiv från doseraren vid olika frekvenser under 1 min kunde en rät linje bildas där lutningen blev den utgående mängd additiv vid satt frekvens. 4

12 2.4 Process och produktionsförhållanden Pelletsmaskinen fick arbeta tills stationära förhållanden erhölls innan prover togs. Vid varje provtagning fick processen rulla på i 5 min för att försäkra att rätt mängd additiv var i flödet och att stationära förhållanden hölls. Parametrar som var konstanta var matristempraturen på grader, presstryck bar, materialflöde 84-85kg TS/h, fukthalten på sågspånet 10,5% och frekvenserna på skruvarna (se tabell 1). Tabell 1. Frekvens för skruvarna under körning Frekvens Typ av skruv [Hz] Transportskruv 16 Mixerskruv 40 Inmatningsskruv 50 I denna studie användes fyra olika råvaror vilka var sojaprotein med fukthalt 6,5%, oxiderad majsstärkelse på 11,8%, vetestärkelse på 9,9% och ärtstärkelse på 8,9%. Tillsatsen av råvarorna ökade från 0,0 % till 1,5% beroende på additiv genom den volymetriska mataren vilket visas i tabell 2. Tre prover för sojaprotein valdes ut, två för den oxiderade majsstärkelsen, två för vetestärkelsen och två för ärtstärkelsen, Var tionde sekund under hela testperioden registrerades strömförbrukningen, matristemperaturen, frekvensen på blandarskruven och presstrycket. Tabell 2. Mängd additiv vid olika testscenarion. Test Mängd additiv [%] , ,5 Vid varje körning som varade i 5 minuter mättes fukthalten och vikten på den nyproducerade varma pelletsen. Fukthalten på den varma pelletsen hade ett snitt på 8,2%. Den resterade pelletsen från körningen kyldes ner av den externa kylmaskinen. Därefter togs en bägare med kall pellets och placerades i ugnen. Den kalla mängden pelletsen vägdes, siktades, vägdes igen och fick stå kvar i rumstemperatur. Snittfukthalten på den kalla pelletsen var 7,3%. Var femtonde minut togs även fuktprover på sågspånet. Sågspånets fukthalt efter mixern hade ett snitt på 12,8% men varierade kraftigt. Bägarna med sågspånet och pelletsen placerades i en ugn med en temperatur på 105 C under ca ett dygn. Efter 24 timmar vägdes proverna igen för att få ut fukthalten och följdes enligt SS-EN ISO :

13 Figur 2. Extern kylmaskin Tabell 3. Fukthalt vid pelletsproduktion vid olika tillfällen. Additiv (%) fukthalt spån mixer (%) fukthalt i kalla pelletsen (%) Nollprov (0,0) 12,75 7,28 Sojaprotein (0,5) 12,67 7,46 Sojaprotein (1,0) 12,71 7,20 Sojaprotein (1,5) 9,42 7,76 Ox. Majsstärkelse. (0,5) 12,15 7,19 Ox. Majsstärkelse. (1,0) 12,13 7,19 Vetestärkelse (0,5) 23,25 7,25 Vetestärkelse (1,0) 12,33 7,28 Ärtstärkelse (0,5) 11,89 7,42 Ärtstärkelse (1,0) 8,80 7, Analyser Pelletsen lagrades i rumstemperatur i ett dygn innan analyser gjordes. Dessa analyser var hållfasthet, hårdhet, bulkvikt, CO2ekv utsläpp, energianvändning och kostnad Hållfasthet I hållfasthetstestet följdes metoden i SS-EN Där silades pelletsen och två prover med vikten 500g +/- 10g valdes ut. Efteråt hälldes pelletsen i tumlingsmaskinen som sedan sattes 6

14 igång och snurrade runt pelletsen i 10 minuter. När maskinen hade stannat siktades provet och vägdes åter igen. Figur 3. Tumlingsmaskin som användes för hållfasthetprover Hårdhet Hårdhetstestet innebar att 10 stycken pellets slumpmässigt togs från respektive prov och sedan pressades i en Amandus kahl V DC. Pressmaskinen utgav ett tryck på pelletsens långsidor som sedan avlästes. När alla tester var klara beräknades ett medelvärde av trycken som visade ett medelvärde på hårdheten Bulkvikt Tillvägagångssättet för att få fram bulkvikten för pelletsen var att fylla upp två stycken 5 liters bägare med den kylda pelletsen och sedan följdes processen enligt SS-EN 15103: Miljöpåverkan Växthusgasutsläppen för pelletsproduktionen analyserades efter tre olika elmixar. Den ena var Sveriges elmix (låga utsläpp), den andra var OECD medlemsländers elmix i Europa (medelutsläpp) och den tredje var icke OECD medlemsländers elmix i Europa (höga utsläpp). För att beräkna gco2ekv/kwh för vardera elmix summerades gco2/kwh, gch4/kwh och gn2o/kwh vilket presenteras i tabell 4. 1 för CO2, 23 för CH4 och 296 för N2O togs från Ståhl et al. (2016) och användes för beräkning av CO2ekvel från ekvation [1]. [1] 7

15 Tabell 4. Utsläpp per kwh för olika elmixar för tre olika länder/regioner. Land/ Region gco2/kwh gch4/kwh gn2o/kwh gco2ekv/kwh Sverige 23,034 0, , ,08 OECD medlemmar i Europa 451,706 0, , ,4 Icke OECD medlemmar i Europa 1111,01 0, , ,02 Miljöpåverkan som blev för vardera livscykelanalys var 2400 CO2ekv/kg (Braun et al. 2016) för sojaprotein, 1200 CO2ekv/kg (Ståhl et al. 2016) för majsstärkelse, 443 CO2ekv/kg (Cederberg 2009) för vetestärkelse och 490 CO2ekv/kg (Nette 2016) för ärtstärkelse. I beräkningen av total gco2ekv för pelletsproduktionen inkluderades energianvändningen för pelletspressen, additivens CO2ekv/kg och även additivens förmåga att minska smulor. Miljöpåverkan från produktionen för sågspånet var försumbar och räknades inte med. Ekvationen som användes var [2] P som är elkonsumtionen för pelletspressen beräknades genom ekvation [3] och presenteras i tabell 5 (Ståhl et al 2008). [2] Strömlastens standardavvikelse som visas i tabell 5 innebar ett medelvärde av 30 mätpunkter som togs ut med jämna mellanrum från produktionsdata. Tabell 5. Produktionsdata för nollprov och fyra additiv Testkörning Mängd additiv Strömlast Hållfasthet Materialflöde Energianvändning Mängd smulor [%] [A] [%] [kg TS/min] [kj/kg TS] [%] Nollprov 0 21,4±0,40 94,80±0,07 2,33 422,36 5,2 Sojaprotein 0,5 22,07±0,57 96,19±0,07 2,4 415,73 3,81 Oxiderad majsstärkelse Vetestärkelse Ärtstärkelse 1 22,31±0,59 96,42±0,10 2,4 416,12 3,58 1,5 22,03±0,47 96,69±0,02 2,42 414,34 3,31 0,5 21,86±0,58 97,03±0,07 2,39 412,68 2, ,75±1,44 97,86±0,03 2,4 408,97 2,14 0,5 22,07±0,54 96,41±0,03 2,43 420,9 3, ,78±0,51 96,48±0,08 2,46 405,81 3,52 0,5 22,11±0,48 96,78±0,02 2,38 419,69 3, ,12±0,54 97,28±0,10 2,43 409,26 2,72 [3] 8

16 2.5.5 Kostnadsanalys För en enkel kostnadsanalys jämfördes priser för additiven eftersom att det var den största kostnaden i pelletsen. Träflis har ett pris på 45 euro/ton (Ståhl et al. 2016), sojaproteinpulver 99000kr/ton (Svensktkosttillskott 2017), vetestärkelse euro/ton (Solam GmbH), oxiderad majsstärkelse euro/ton (Solam GmbH) och ärtstärkelse USD/ton (Alibaba 2017). 9

17 3. Resultat 3.1 Hållfasthet Figur 4. visar hållfastheten för olika procentsatser additiv och en ökad mängd additiv visar en högre hållfasthet. Mängden smulor och finpartiklar var som lägst då oxiderad majsstärkelse tillsattes. Skillnaden på smul från nollprovet och majsstärkelseprovets 1,0% prov skiljer sig med 3,06 procentenheter. De svarta markeringarna visar avvikelserna för varje test. Procentsatserna i pelletsen vid de olika testerna presenteras i tabell 2. Figur 4. Hållfasthet för olika procentsatser additiv 3.2 Hårdhet Tabell 6 visar hur hårdheten förändras vid ökad tillsättning av additiv. Den oxiderade majsstärkelsen hade högst medelvärdeshårdhet av alla proverna på ett medelvärde av 21 kg tryck. Hårdheten varierade mycket från pellets till pellets ur samma prov. Tabell 6. Hårdhet för olika procentsatser additiv Testkörning Mängd additiv Hårdhet [%] [Kg tryck] Nollprov 0 10,7±1,95 Sojaprotein 0,5 15,9±3,57 Oxiderad majsstärkelse Vetestärkelse Ärtstärkelse 1 15,6±6,9 1,5 14,7±5,25 0,5 18,5±4, ±5,37 0,5 14,5±2, ,6±5,06 0,5 15,3±4, ,6±5,87 10

18 3.3 Bulkvikt Figur 5 visar hur bulkvikten förändras vid ökad procentsats additiv av sojaprotein, oxiderad majsstärkelse, vetestärkelse och ärtstärkelse. Figur 5. Bulkvikt för olika procentsatser additiv 11

19 3.4 Miljöpåverkan Tabell 7 visar hur CO2ekv förändras vid ökad tillsättning av additiv. Det prov med lägst miljöpåverkan är nollprovet på 2,86 gco2ekv/kg för svensk elmix respektive 56,11 gco2ekv/kg för OECD medlemmars elmix i Europa. För icke OECD medlemmar i Europa hade vetestärkelse lägst CO2ekv utsläpp på 134,82 gco2ekv/kg pellets. Tabell 7. Resultat från beräkningen av CO 2ekv utsläpp per kg pellets för fyra olika additiv och olika länder/regioner. CO 2ekv CO utsläpp av CO 2ekv Mängd 2ekv totalt från Additiv mängden utsläpp för Additiv Land/Region Additiv pelletsproduktion (CO 2ekv/kg) additiv som pellets press (vt.%) tillsätts (g/kg) (g/kg) (g/kg) 0 0 2,86 2,86 Sojaprotein Oxiderad Majsstärkelse Vetestärkelse Ärtstärkelse Sverige OECD medlemmar i Europa Icke OECD medlemmar i Europa Sverige OECD medlemmar i Europa Icke OECD medlemmar i Europa Sverige OECD medlemmar i Europa Icke OECD medlemmar i Europa Sverige OECD medlemmar i Europa Icke OECD medlemmar i Europa 0,5 12 2,77 14, ,77 26,77 1,5 36 2,75 38, ,11 56, , ,43 66, ,35 78,35 1, ,97 89, ,12 138,12 0, ,98 145, ,79 157,79 1, ,84 168,84 0,5 6 2,73 8, ,68 14, ,5 6 53,57 59, ,63 64,63 0, ,85 137, ,56 141,56 0,5 2,22 2,8 5,02 1 4,43 2,70 7, ,5 2,22 54,98 57,2 1 4,43 52,97 57,4 0,5 2,22 135,33 137,55 1 4,43 130,39 134,82 0,5 2,45 2,78 5,23 1 4,9 2,7 7, ,5 2,45 54,62 57,07 1 4,9 52,99 57,89 0,5 2,45 134,44 136,89 1 4,9 130,42 135,32 12

20 3.5 Energianvändning Tabell 8 visar hur energianvändningen förändras vid tillsättning av additiv. Energianvändningen blir som lägst då 1% vetestärkelse tillsätts i pelletsen. Tabell 8. Energianvändning för olika procentsatser additiv. Testkörning Mängd additiv Energianvändning [%] [kj/kg TS] Nollprov 0 422,36 Sojaprotein 0,5 415,73 Oxiderad majsstärkelse Vetestärkelse Ärtstärkelse 1 416,12 1,5 414,34 0,5 412, ,97 0,5 420, ,81 0,5 419, , Kostnad Pellets med ärtstärkelse som additiv är den billigaste pelletsen eftersom ärtstärkelse är det billigaste additivet på USD/ton (Alibaba 2017). 13

21 4. Diskussion Hållfasthet Hållfastheten blev bättre vid ökad tillsättning av additiv vilket kan ses i figur 4. Proverna visar att den oxiderade majsstärkelsen hade högst hållfasthet. Enligt standardklass ska hållfastheten ligga mellan 95 97,5% och det gjorde alla tester då additiv tillsattes. Däremot klarade inte 0- provet standarden på sina 94,8%. När 1% oxiderad majsstärkelse tillsattes var pelletsen över Sveriges standardklass på 97,86% och håller då hållfasthetskriteriet för att Svanenmärkas. Att oxiderad majsstärkelse hade det bästa provet beror troligtvis på den oxiderade stärkelsens gelatiniserande egenskaper. För företag som är intresserade av att använda additiv i pellets för att öka hållfastheten skulle 1 % oxiderad majsstärkelse rekommenderas eftersom det gav högst hållfasthetsresultat, vilket kan ses i figur 4. Hårdhet Hårdheten hade en ökande medelvärdestrend vid ökad procent additiv i pelletsen vilket kan ses i figur 5. Den oxiderade majsstärkelsen fick högst medelvärdeshårdhet på 21 kg tryck och därefter kom ärtstärkelse på 17,6 kg tryck vid 1% additiv. Även 0,5% provet för den oxiderade majsstärkelsen hade högre medelvärdeshårdhet än ärtstärkelsens. Hårdheten varierade mycket från pellets till pellets ur samma prov. På grund av att hårdheten varierade så mycket går det inte att säga vilket prov som fick högst hårdhet. Däremot går det att dra som slutsats att de oxiderade majsstärkelseproverna fick högre hårdhet än nollprovet. Under hårdhetundersökningen undveks tryck mitt på synliga sprickor men det finns även sprickor i pelletsen som är svårare att undvika. Det som kunde ses under körning var att utmatningen av additiv i doseraren inte hade ett konstant flöde, utan additivet kom som klumpar. Detta kan leda till en ojämn fördelning av additiv i pelletsen. Bulkvikt När additiv tillsättes ökade bulkvikten vid alla prover vilket kan ses i figur 5. Det går inte få fram en slutsats som säger vilket additiv som gav högst bulkvikt. Alla prover klarade av standarden gällande bulkvikt. Något som kan ses i figur 5 är att vetestärkelseproverna hade lägst bulkvikt. Detta kan bero på att vetestärkelse innehåller 75% amylopektin och fick lägst bulkvikt av 1%-proverna vilket stämmer bra överens med amylopektinets expanderande egenskaper (Nilsson 2011). En felkälla gällande bulkvikten är att sågspånet som hämtades inte var jämnt fördelad utan bestod av 80 90% gran och 10 20% tall. I resultatet verkar hållfastheten, hårdheten och bulkvikten ha en gemensam trendrelation. När hållfastheten blir bättre ökar hårdheten och bulkvikten. CO2ekv-utsläpp i Sverige, OECD och icke OECD medlemsländer i Europa Sveriges elproduktion består i största del av vattenkraft och kärnkraft vilket ger låga CO2ekvutsläpp. I OECD medlemsländer i Europa består elproduktionen i stora drag av olja och kol och desto mer i icke OECD medlemsländer i Europa. Additiven som tillsätts i pelletsproduktionen påverkar både energianvändningen och CO2ekv-utsläppen. En minskad energianvändning leder till minskade CO2ekv-utsläpp. Men om additiv implementeras i produktionen måste även additivets miljöpåverkan räknas med. I ett globalt uppvärmningsperspektiv är det inte eftersträvat att tillsätta additiv med höga CO2ekv-utsläpp vilket kan ses i tabell 7. I Sverige och i OECD medlemsländer i Europa skulle CO2ekvutsläppen öka vid ökad tillsättning av additiv. Trots att energianvändningen minskades vid tillsättning av additiv blev den totala miljöpåverkan högre. Detta beror på att Sveriges och OECD medlemsländernas elmix har lägre CO2ekv-utsläpp än vad additiven har för effekt på 14

22 pelletsproduktionen. Stärkelserna och proteinet som tillsattes kan inte motiveras att användas i pelletsproduktionen eftersom växthusgaserna ökade. Däremot i icke OECD medlemsländer i Europa skulle majsstärkelse, vetestärkelse och ärtstärkelsen som additiv minska CO2ekvutsläppen i pelletsproduktionen. Dessa additiv skulle dessutom minska den totala energianvändningen. Stärkelserna påverkar positivt på CO2ekv-utsläppen och kan motiveras i ett globalt uppvärmningsperspektiv. Sojaprotein som additiv minskade energianvändningen men ökade CO2ekv-utsläppen i icke OECD medlemsländer i Europa. Sojaprotein kan inte motiveras i ett globalt uppvärmningsperspektiv eftersom CO2ekv-utsläppen ökade. Variationer av CO2ekv-utsläpp för de olika additiven beror på hur livscykelanalysen har gjorts. Alla additiv som undersöktes i denna rapport hade olika källor gällande livscykelanalysen. För att det skulle bli en mer rättvis analys skulle det varit bättre om informationen undersöktes från samma källa. Pellets med vetestärkelse som additiv fick lägst CO2ekv-utsläpp av alla proverna. Det beror på att livscykelanalysen för vetestärkelsen hade lägst CO2ekv-utsläpp av additiven. Om det finns intresse av att tillsätta additiv i pellets för att minska CO2ekv-utsläppen och energianvändningen i icke OECD medlemsländer skulle en tillsättning av 1% vetestärkelse rekommenderas. Energianvändning och kostnad Alla additiv i detta arbete minskade energianvändningen. Det kan bero på att additiven hade smörjande egenskaper vilket gör det enklare för sågspånet att färdas genom hålen i matrisen. Vetestärkelses 1% prov minskade energianvändningen mest av proverna. Mellan nollprovet och vetestärkelseprovet minskade energianvändningen från 422,36 kj/kg torrsubstans till 405,81 kj/kg torrsubstans. Även om vetestärkelsens 1% prov hade lägst energianvändning så sker den största energireduceringen i 0,5% proverna. Även hållfastheten och hårdheten ökade som mest vid 0,5% additiv för alla prover. Det betyder att det är som lönsammast att ha 0,5% additiv i pelletsen i jämförelse med 1,0% för att det inte är en lika stor energiminskning. Sojaprotein är en dyr råvara i jämförelse med majsstärkelse, vetestärkelse och ärtstärkelse. Det var dessutom det enda additivet i arbetet som inte reducerade CO2ekv-utsläppen i icke OECD medlemsländer. Majsstärkelse är något dyrare än vetestärkelse och ärtstärkelse är billigast. Om additiv används för att producera pellets blir produktionskostnaden högre. Den minskade energianvändningen blir inte lönsam eftersom additiven har en hög kostnad. Fördelarna med att använda additiv är reducerad energianvändning i pelletspressen, förbättrad kvalitet på pelletsen och minskat fabrikssmul. Om det finns ett ekonomiskt intresse av dessa fördelar skulle ärtstärkelse vara det rekommenderade additivet. Ärtstärkelse rekommenderas eftersom det inte är stora resultatmarginaler mellan additiven och ärtstärkelse är det billigaste additivet av de som jämfördes i arbetet. 15

23 5. Slutsats Högst hållfasthet erhölls då oxiderad majsstärkelse tillsattes i pelletsen. Det går inte att dra någon slutsats om vilket additiv som gav högst hårdhet eftersom avvikelserna mellan proverna var så stora. CO2ekv-utsläppen ökade i Sverige och i OECD medlemsländer i Europa vid tillsättning av additiv. Däremot i icke OECD medlemsländer som använder sig av mycket fossila bränslen minskade oxiderad majsstärkelse, vetestärkelse och ärtstärkelse CO2ekv-utsläppen. Att tillsätta 1% vetestärkelse i pelletsen gav lägst CO2ekv-utsläpp i icke OECD medlemsländer. Alla additiv i detta arbete minskade energianvändningen i pelletspressen. Det prov som gav lägst energianvändning var vetestärkelsens 1% prov. Pellets med ärtstärkelse som additiv är den billigaste pelletsen eftersom ärtstärkelse är det billigaste additivet. 6. Fortsatta studier Det som har undersökts i denna rapport var hur de enskilda additiven påverkade kvaliteten, bulkvikten, CO2ekv-utsläppen och energianvändning. Men för fortsatta studier kan det vara intressant att få fram: Den optimala procentsatsen additiv Blandningar av olika additiv Förbränningsegenskaper 16

24 6. Referenser Alibaba (2017). potato/cassava/corn/sweet potato/pea starch production line. Available: [ ]. Braun, M., Muñoz, I., Schmidt, J. & Thrane, M. (2016). Sustainability of Soy Protein from Life Cycle Assessment. Available: [ ]. Cederberg, C. (2009). Utsläpp av växthusgaser i foderproduktionen, Insitutet för Livsmedel och Bioteknik AB, Stockholm. Engelbrektson, L. 2007, last update, Pellets 07. Available: [ ]. Eriksson, K. (2016). Harts & terpener som additiv i träbränslepellets, Karlstads Universitet, Karlstad. EU-upplysningen (2016). Klimatmål för att stoppa global uppvärmning. Available: [ ]. Fritsche, U. & Iriarte, L. (2014). Sustainability Criteria and Indicators for the Bio-Based Economy in Europe: State of Discussion and Way Forward, International Institute for Sustainability Analysis and Strategy, Madrid. Gimeno, E., Moraru, C. & Kokini, J. (2004). Effect of Xanthan Gum and CMC on the Structure and Texture of Corn Flour Pellets Expanded by Microwave Heating, Cornell University, Cornell. Holmgren, P. (2002). Vad består trä kemiskt av? [ ] Holmström, C. (2016). Energitillförsel - internationellt. Available: [2017, 02/10]. Larsson, M. (2017). Vad är bioekonomi. Available: [ ] Löfgren, B. (2004). Pelletskvaliteten varierar stort. [ ] Nette, A., Wolf, P., Schlüter, O. & Meyer-Aurich, A. (2016). A Comparison of Carbon Footprint and Production Cost of Different Pasta Products Based on Whole Egg and Pea Flour, Leibniz-Institute, Basel. Nilsson, L. (2011). Mat, myter och molekyler, Luleås tekniska högskola, Luleå. 17

25 Rosén, A. (2012). Aktuella trender inom nötköttsproduktionen, Sveriges lantbruksuniversitet, Uppsala SMP (2017). Vad är pellets. Available: [ ]. Ståhl, M., Berghel, J., Frodeson, S., Granstro m, K. & Renstro m, R. (2012). Effects on Pellet Properties and Energy Use When Starch Is Added in the Wood-Fuel Pelletizing Process, Karlstads Universitet, Karlstad. Ståhl, M., Berghel, J. & Williams, H. (2016). Energy efficiency, greenhouse gas emissions and durability when using additives in the wood fuel pellet chain, Karstads Universitet, Karlstad. Svensktkosttillskott (2017). core soy protein. Available: [ ] Wang, Y., Sun, X. & Wang, D. (2006). PERFORMANCE OF SOY PROTEIN ADHESIVE ENHANCED BY ESTERIFICATION, Kansas State University, Kansas. 18