1 Förädling av bioenergi - en lokal resurs att nyttja fullt ut Ulf-Peter Granö 2013
2 Förädling av bioenergi - en lokal resurs att nyttja fullt ut I den nära framtiden finns alla förutsättningar för att också lokalt utlokaliserade mindre anläggningar ska kunna göra den första vidareförädlingen av BioSyngasen till koncentrat för bränsleråvaror, efter att biomassan förgasats. Ulf-Peter Granö Karleby/Kokkola 2013
3 Innehållsförteckning Sida Inledning 5 Gas från Biomassa kan delvis ersätta och komplettera fossil gas alternativt vidareförädlas till flytande bränsle Skillnaden mellan fossil gas och Gas från Biomassa 6 Fossil gas 7 Gas från biomassa 7 Skillnaden mellan Förgasning och Fermentering 7 Förgasning 8 Anaerob Fermentering 8 Förnyelsebar energi Grön energi 9 Fasta och gasformiga bränslen 9 Fasta, flytande och gasformiga bränslen 9 Förädling av biomassa genom värme 11 Grön Kemi 12 Bio-raffinaderi 12 Från Trägas till flytande bränsle 13 Mindre enheter för raffineringen 13 Närvärme och CHP 13 Närvärme från biomassa 13 Minska stoftutsläppen 15 CHP enheter (CHP=Combined Heat and Power) 15 Integrerade enheter 16 Kombinera biogas och trägas 16 Eltariffer för grön elenergi är nödvändiga 17 6
4 Sida Solpaneler kan väl kombineras till en värmeanläggning 17 Integrering med Geoenergi 18 Många möjligheter är öppna 18 Förgasning av biomassa till bränsle 19 Gasformiga eller flytande bränslen 19 Gasformigt bränsle 19 Flytande bränsle 20 Speciella bränsleprodukter 20 Olika katalytiska vägar 20 Fermentering av Bio-Syngas till biobränsleråvaror 21 Lokala förädlare 22 References 22
5 Förädling av bioenergi - en lokal resurs att nyttja fullt ut Inledning Det finns stora mängder outnyttjade råvaror i form av skoglig biomassa i våra skogar, dessa råvaror kan effektivt nyttjas genom en utlokaliserad energiproduktion. Genom småskaliga lösningar kommer man i en nära framtid svara för en betydande del av energiproduktionen. Skörd, hantering och förädling lokalt, av lokala energiråvaror för lokala och regionala förbrukare, är hållbar utveckling. Bild 1. Naturligt kretslopp för biomassa och energiproduktion från biomassa ska stäva mot en hållbar utveckling. Förädling av energiråvarorna för olika typer av bränsleråvaror till fasta eller flytande bränslen eller slutprodukter som el och värme. Samordning via energiterminaler i hanteringen kan ge synergifördelar vid en integrerad produktion där man nyttjar lokala resurser. Genom en lämplig
6 kombination och rätta tillämpningar kan man nå en högre nyttjandegrad i förädlingen. Då kan avfall och outnyttjade sidoprodukter samtidigt minska på miljöbelastningen. Gas från Biomassa kan delvis ersätta och komplettera fossil gas alternativt vidareförädlas till flytande bränsle En syntetisk gas från biomassa (Bio-Syngas) eller biogas från en rätt fermenteringsprocess, kan efter en riktig reningsprocess i en nära framtid ersätta och komplettera fossila gaser som t.ex. naturgas (NG). Genom rätt kemisk process kan den syntetiska gasen bli, syntetisk naturgas SNG, eller om vi vill kalla den Bio-SNG. Den trägas eller s.k. produktgas som fås vid förgasning av biomassa, renas och kyls och filtreras. Denna Bio-Syngas är en viktig råvara för framtida bio drivmedel. Skillnaden mellan fossil gas och Gas från Biomassa Bild 2. En jämförelse mellan fossila gaser och gaser från biomassa.
7 En övergripande översikt över olika former av gas som kan fungera som drivmedel eller som råvara för vidare förädling. Med hjälp av några schematiska bilder visas skillnaden mellan de olika gaserna. Fossil gas Förutom naturgas framställs syntetisk naturgas (SNG) från stenkol och från olja. Förgasning av stenkol sker ofta genom att det krossade stenkolet slammas upp, prepareras och injiceras i en så kallad Entrained flow förgasare. Gas från biomassa Som förnyelsebar energi räknas gas som producerats av biomassa. Som motsats till fossil gas kan vi använda benämningen Grön gas. Gasen från biomassan kan enklast användas genom förbränning. När gasen ska användas som bränsle för en gas- eller turbinmotor i en CHP anläggning ställs krav på en viss rening. Speciellt gas som innehåller tjära kan ställa till stora problem. Skillnaden mellan Förgasning och Fermentering Bild 3. De två huvudvägarna för gas från biomassa, förgasning och anaerob fermentering.
8 Produktion av gas från biomassa kan ske enligt två principer, Förgasning och Anaerob Fermentering. Som tumregel har varit att en träfiber baserad biomassa främst används till förgasning. Förgasning Förgasning är en termo-kemisk omvandling av biomassa genom upphettning och begränsad syretillförsel till temperaturer så biomassan omvandlas till gas form. Förgasningen brukar indelas i en låg- och en hög förgasningsprocess, där emellan finns en medelhög temperatur zon. - Förgasning med låg temperatur, 800-1000ºC - Förgasning med medelhög temperatur, 1000-1200ºC - Förgasning med hög temperatur, 1200-1400ºC I engelskspråkig litteratur brukar man ofta kalla den producerade gasen för Produkt gas från förgasning under 1000ºC. Medan gas från reaktorer med temperaturer över 1200ºC kallas för Bio-Syngas. För att gasen vid dessa temperaturer så gott som helt består av H2 (väte) och CO (kolmonoxid), förutom CO2 (koldioxid) och H2O (vatten). Anaerob Fermentering Genom att låta bakterier i en syrefri miljö spjälka biomassan bildas biogas (se bilden på nästa sida). Olika typer av bakterier används, beroende på temperaturnivån i reaktorn. Bakterierna är känsliga för temperaturvariationer och kan bara verka inom ett begränsat temperaturområde. Man brukar skilja mellan att använda en normal Mesofil miljö i reaktorn eller en högre Termofil bakteriemiljö. Temperaturområden i biogasreaktorn, - Psykofil, 15-30ºC - Mesofil, 35-40ºC - Termofil, 55-65ºC I samband med biogasproduktion används en hygienisering (t.ex. 70 grader under en timme) för att sterilisera råvaran och förhindra smittospridning.
9 Bild 4. Översiktsbild över flera vägar för användning och förädling av gas från biomassa. Omvandling med värme - Förgasning och genom det andra alternativet genom en biokemisk omvandling - Anaerobisk Fermentering. Förnyelsebar energi Grön energi Fasta och gasformiga biobränslen Man kan indela biobränslen som fås från första steget i förädling av biomassa i tre grupper, - Fast bränsle - Flytand bränsle - Gasformigt bränsle Fasta, flytande och gasformiga bränslen o De fasta biobränslen från skogen är, ved, träflis, träpellets samt GROT och stubbar o Gasformiga biobränslen kan tas fram genom, - Förgasning, genom värme - Anaerob bakterieprocess
10 Bild 5. Bioråvaror från skogen kan förädlas till olika fasta, gasformiga eller flytande biobränslen Bild 6. Indelningen fasta och gasformiga biobränslen för förbränning eller vidareförädling.
11 o Flytande biobränslen är avancerade och fås fram på olika sätt, t.ex. genom en vidareförädling efter en; - Trä-förgasning - Alkoholfermentering - Anaerob nedbrytning - Förvätskning (Pyrolysolja) Förädling av biomassa genom värme Målsättningen med förädling genom omvandling med värme (pyrolys) har varit olika under åren, och ofta har användningen varit knuten till tillgången på fossila bränslen. Tre vägar vid pyrolys; o Förgasning (trä-förgasningen utvecklades först under kriget för gengasdrift) o Förvätskning ger pyrolysolja o Pyrolys karbonisering, används för träkolsframställning Bild 7. Förädling av biomassa genom värme; träförgasning, förvätskning och karbonisering.
12 Grön Kemi Genom en kemisk förädling av syngasen eller produktgasen, kan en mängd olika råvaror och olika produkter tas fram. De största förväntningarna finns i anslutning till fordonsbränsle som ersättning till de fossila bränslena. När biomassa från skogen är råvara konkurrerar inte denna med de åkergrödor som passar för livsmedelsproduktion. Genom att utveckla den Gröna Kemin kan man minska beroendet av de fossila oljeprodukterna, de lokala bioenergiresurserna kan nyttjas bättre, vilket kan öka sysselsättningen och självförsörjningsgraden i regionen. Bio-raffinaderi Intresset för en längre förädling av förnyelsebara råvaror som biomassa har fått ett enormt intresse efter att de fossila bränslena stigit kraftigt i pris. Men det är tjäran i trägasen som är bland det största problemet de flesta företag brottats med för att rena från gasen. Att rena produktgasen från tjäran har varit invecklat och svårt. Tjärfria reaktorer är under utveckling. Bild 8. Framtida förädlingsanläggningar för syntetiska bränslen kan tänkas nyttja både Bio-Syngas och Biogas som råvaror
13 Från Trägas till flytande bränsle Produktgasen från träråvaror kan idag genom ett par olika processer fungera som råvara för tillverkning av flytande bränsle. Den mest kända processen är FT eller Fischer-Tropsch. FT utvecklades redan under kriget i Tyskland. I dag har tekniken förfinats och man pratar om en andra och tredje generationens processer. Mindre enheter för raffineringen Ett bra alternativ är att förgasningen och raffineringen ordnas i närheten av en CHP anläggning, då kan man effektivt nyttja värmen från förgasningsprocessen och uppgraderingen av produktgasen. På så sätt kan man både säkra att lågvärdig gas och värmen som produceras i anläggningen kan nyttjas i CHP anläggningen och dess fjärrvärmenät. Mindre anläggningar som förgasar biomassa passar främst för produktion av el och värme i anslutning till lokala CHP anläggningar. Speciellt om man har tillgång till en av de framtida förgasningsreaktorerna som kan använda fuktigt eller torrt biobränsle och samtidigt producera en trägas utan tjärpartiklar. För CHP enheter med förgasning av biomassa som kräver torkning av bränslet samt också måste ha en effektiv rening från tjära, måste vara en tillräckligt stor anläggning för att få lönsamhet i gasproduktionen. Närvärme och CHP Småskaliga lösningar för att förädla biomassan från närområdet för förbrukarna i den närliggande regionen har inte fått de utvecklingsresurser som varit önskvärda. Myndigheter och beslutsfattare har inte haft intresse eller förmåga att se den verkligt stora potential som finns i småskaliga lösningar för t.ex. Kraftvärmeproduktion (CHP). Närvärme från biomassa Med s.k. närvärme eller lokalvärme avses värme till flera fastigheter, bostadshus eller företag som distribueras från en gemensam värmeenhet. I kommun eller tätortscentrum kan det också finnas någon större förbrukare som en skola, vårdcenter, ålderdomshem, kyrka, mm som är ansluten till närvärmenätet.
14 Bild 9. Lokala energientreprenörer och energiföretagare i samarbete med energikooperativ skapar förutsättningar för att sköta den lokala bioenergiförädlingen och värme eller kraftvärmeproduktionen. I Finland finns det många bra exempel på energikooperativ, energiföretagare, entreprenörer och småföretag som skördar och förädlar biomassa lokalt. Bild 10. Genom en samordning eller integrering av förgasning och förbränning i en närvärmeanläggning kan man minska på stoftutsläppen från anläggningen.
15 I Finland finns i många kommuner energikooperativ (energiandelslag) som ansvarar för produktionen av värmen i rören till dessa närvärmenät. Minska stoftutsläppen I många av de mindre värmeenheterna har man inte haft krav eller resurser för att ha effektiva system för rökgasrening. Ett nytt alternativ för mindre värmeenheter som använder träflis som bränsle kan vara att först förgasa biomassan och därefter bränna trägasen i värmepannan. Genom rätt teknik för förgasning avlägsnas stoftrester från trägasen (produktgasen) i samband med den primära gasreningen. CHP enheter (CHP=Combined Heat and Power) Mindre kraftvärmeenheter, eller såkallade CHP enheter, producerar också el. förutom värme. Det finns många olika alternativ och principer för hur en småskalig elproduktion i anslutning till en närvärmeenhet kan ordnas. De vanligaste två huvudgrupperna kan vara genom, o Omvandling från värmeenergi till el och värme o Förgasning Bild 11. Med rätt rening och kylning kan produktgasen nyttjas som gasbränsle i en kolv- eller turbinmotor, i en CHP enhet (kraftvärme enhet).
16 Integrerade enheter För att kunna använda trägasen eller den s.k. produktgasen i en motor krävs att gasen är i det närmaste fri från tjära och tjärpartiklar. I de mindre förgasarna kan man lättare styra och hålla en stabil temperatur i förgasningsprocessen. Vid temperaturer på 1.000 C eller högre sker också en viss krackning av tjäran. Den råa gasen, produktgasen, behöver renas och kylas. Reningen kan ske med vatten- eller/och med olja renande enheter, s.k. skrubbers. Den renade gasen är en s.k. Bio-Syngas, - en syntetisk gas från biomassa. Kombinera biogas och trägas På landsbygden kan det vara skäl att ta med i planeringen möjligheten att kombinera en träförgasande enhet med en biogasanläggning. Speciellt när gaserna ska användas till el- och värmeproduktion och kopplas till ett fjärrvärmenät. Framtida utlokaliserade CHP enheter kommer i vissa områden att kunna dra fördel av en samordnad råvarupool, som kan beså av råvaror för biogas och skoglig biomassa för förgasning för trägas och Bio-Syngas. Båda gaserna kan nyttjas till en kolv- eller turbinmotor i en CHP enhet. Bild 12. Framtida utlokaliserade CHP enheter kommer i vissa områden att kunna dra fördel av en samordnad råvarupool, som kan beså av råvaror för biogas och skoglig biomassa för förgasning för trägas
17 Eltariffer för grön elenergi är nödvändiga För att skapa ekonomiska förutsättningar för småskaliga CHP enheter krävs att politiker och myndigheter inser behovet av eltariffer. Det är främst fråga om småskaliga CHP enheter som använder förnyelsebar energiråvaror från skog och lantbruk. Mindre enheter som producerar el av biomassa genom förgasning, direkt förbränning eller via biogas, har en enorm potential för en lokal råvaruförädling, sysselsättning, miljöhänsyn och den lokala självförsörjningen av el och värme. Bild 13. Exempel på olika vägar för förädling av bioenergiråvaror till el och värme genom direktförbränning och omvandling med värme. Solpaneler kan väl kombineras till en värmeanläggning En intressant lösning är att också kombinera den lokala värmeanläggningen med solpaneler, för att nyttja den tillsatsvärme man kan få från solen. Speciellt under vår och höst kan värmen från solpaneler på ett effektivt sätt komplettera värmeanläggningen.
18 Bild 14. Vissa synergieffekter kan nås genom att kombinera solpaneler till en värmeanläggning för närvärme. Speciellt under sommarmånaderna vid lågt värmebehov kan solpanelerna ofta svara för vissa delar av värmeproduktionen. Integrering med Geoenergi Värmeenergin från berggrunden kan vara ett utmärkt komplement till vissa lokala värmeenheter. Beroende på mängden värme som man vill ta ut från berggrunden borras det antal borrhål på 100-200 meter djup som man beräknat att behövs. För att lyckas med planeringen måste man anlita de företag och organisationer med tillräckligt med sakkunskaper redan i ett tidigt skede. Med geoenergi avses; bergvärme, sjövärme och markvärme, som alternativt kan användas för uppvärmning eller också kombineras för kylning. Många möjligheter är öppna Möjligheterna att integrera på olika sätt finns, nu är det de enskilda energikooperativen eller entreprenörerna som får försöka välja de mest intressanta delarna till sin terminal- och förädlingspalett för den lokala hanteringen av den lokala biomassa råvaran som finns.
19 Bild 15. Från borrhålen i berget överförs värmen till vattnet i rören som gåt till värmepumpen som därefter höja temperaturen och överför värmen till en värmeväxlare som värmer vattnet i närvärmesystemet eller i husets värmetank. Förgasning av biomassa till bränsle Genom förgasning av biomassa öppnas många intressanta möjligheter för vidareförädling av trägasen. Efter en första kylning och rening av trägasen eller rågasen, får man en s.k. produktgas. Efter en bättre filtrering och rening som avlägsnar partiklar och tjära har man en så kallad Bio-Syngas. Gasformiga eller flytande bränslen Vid förgasning av biomassa kan man ha olika målsättningar med användningen av produktgasen eller Bio-Syngasen. Det enklaste steget är att använda produktgasen för en direkt förbränning i en värmepanna. För vidareförädling till gasformiga eller flytande bränsleråvaror kan följande exempel på en grov indelning användas. Indelningen utgår från mot vilket mål förädlingen avser, o Gasformigt bränsle, - för direkt förbränning av produktgasen Bio-Syngasen (värme alt. värme + el)
20 - som bränsle för gasmotor eller mikroturbin (CHP, värme + el) - för förädling till Bio-SNG, syntetisk naturgas Bild 16. En översikt på förgasningsprocessen och vidare förädling mot fordonsbränsle. o Flytande bränsle, - förädling genom FT syntes för bensin eller dieselråvaror - genom en Metanol syntes förädling för dieselråvaror eller bensin- tillsatser - i en Blandad Alkoholsyntes ta fram Etanol eller Butanol o Speciella bränsleprodukter, - t.ex. separering av väte (H) från Bio-Syngasen (till vätgas H2) Olika katalytiska vägar Man brukar indela de katalytiska processerna i tre alternativa vägar eller typer av syntes, o FT syntes (Fischer-Tropsch) o Metanol syntes o Blandad Alkohol syntes Katalysatorer som används i de olika synteserna är nyckeln till hur effektivt processen fungerar för omvandlingen av Bio-Syngasen till flytande bränsleråvaror.
21 En katalysator kan vara uppbyggd av flera aktiva delar som fästs till en bärare. Katalysatorn kan ha en eller flera aktiva delar, de kan t.ex. vara Fe (järn,) Co (kobolt), Ru (rutenium), Cu (koppar), mm. Hur katalysatorn är preparerad, och vilka aktiva delar som ingår är avgörande för dess funktion. Som tumregel gäller det att få en maximal stor yta på de aktiva delarna och i rätt förhållande till varandra. Katalysatorns aktiva utformning är helt beroende på vilket resultat man önskar. Dessutom krävs att temperatur och gastryck måste kunna hållas inom bestämda gränser, för att kunna få en viss typ av slutprodukt. Bild 17. Översikt, en övergripande och förenklad bild för tre katalytiska vägar samt också alternativet att genom fermentering förädla Bio-Syngasen till biobränsleprodukter. Fermentering av Bio-Syngas till biobränsleråvaror Ett helt nytt alternativ som utvecklats under de senaste åren är att produktgasen eller BioSyngasen förädlas av mikroorganismer i en fermenteringsprocess. Helt beroende på vilken eller vilka typer av mikroorganismer som används i processen kan man få fram Etanol- eller Butanolråvaror. Fermentering av Bio-syngas kräver anpassade och effektiva mikroorganismer
22 Lokala förädlare I den nära framtiden finns alla förutsättningar för att också lokalt utlokaliserade mindre anläggningar ska kunna göra den första vidareförädlingen av Bio-Syngasen till koncentrat för bränsleråvaror, efter att biomassan förgasats. De flytande råvarorna eller bränslekoncentraten kan därefter transporteras till en koncentrationsanläggning och raffinaderi där råvarorna kan vidareförädlas och det slutliga bränslet produceras. References Craig K., Mann M., Cost and Performance Analysis of Three Integrated Biomass Combined Cycle Power Systems, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, 2002. Datar Rohit P., Shenkman Rustin M., Fermentation of Biomass-Generated Producer Gas to Ethanol, Biotechnology and bioengineering 86, 587-594, 2004. Evans R.J., Milne T.A., Chemistry of Tar Formation and Maturation in the Thermochemical Conversion of Biomass. Developments in Thermochemical Biomass Conversion, Vol. 2, 1997. Granö U-P., Utlokaliserad energiproduktion, Förgasning av biomassa, Scribd.com 2010. Granö U-P., CHP - Grön Kemi - Bioenergi från skogen, Scribd.com 2010 Granö U-P., Nyttja bioenergin från skogen, Scribd.com 2008. H.A.M. Knoef, Handbook on Biomass Gasification, BTG biomass technology group B.V. Enschede, The Netherlands, 2005 Johansson T. B., Kelly H., Reddy A. K. N., Williams R. H.. Renewable Energy, Sources for fuels and electricity. ISBN 1-55963-139-2 Lampinen Ari, Uusiutuva liikenne-energian tiekartta, Pohjois-Karjalan ammattikorkeakoulun julkaisuja B:17, Joensuu, Finland 2009, 439p Uil H., Mozafarrian, M., et. al, New and Advanced Processes for Biomass Gasification. Netherlands Energy Research Foundation (ECN), (2000) USDOE, Fuel Cell Handbook, 5th edition, 2000.