1

Förädling av bioenergi - en lokalresurs att nyttja fullt ut

Ulf-Peter Granö

2013

2

Förädling av bioenergi - en lokalresurs 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 Bio-

Syngasen 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 gasalternativt vidareförädlas till flytande bränsle

6

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

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.

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

Bild 1. Naturligt kretslopp för biomassa och energiproduktion från biomassa ska stäva mot en hållbar utveckling.

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 gasalternativt 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

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

Bild 4. Översiktsbild över flera vägar för användning och förädling av gas från biomassa. Omvandling medvärme - Förgasning och genom det andra alternativet genom en biokemisk omvandling - AnaerobiskFermentering.

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 Biogassom 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 förutsättningarför att sköta den lokala bioenergiförädlingen och värme eller kraftvärmeproduktionen. I Finland finns det

många bra exempel på energikooperativ, energiföretagare, entreprenörer och småföretag som skördar ochförädlar biomassa lokalt.

Bild 10. Genom en samordning eller integrering av förgasning och förbränning i en närvärmeanläggning kanman 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 enCHP 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 trä-

förgasande 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 samordnadråvarupool, 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.

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.

Bild 13. Exempel på olika vägar för förädling av bioenergiråvaror till el och värme genom direktförbränning ochomvandling med värme.

18

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.

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 delarav värmeproduktionen.

19

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)

Bild 15. Från borrhålen i berget överförs värmen till vattnet i rören som gåt till värmepumpen som därefter höjatemperaturen och överför värmen till en värmeväxlare som värmer vattnet i närvärmesystemet eller ihusets värmetank.

20

- som bränsle för gasmotor eller mikroturbin (CHP, värme + el)

- för förädling till Bio-SNG, syntetisk naturgas

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.

Bild 16. En översikt på förgasningsprocessen och vidare förädling mot fordonsbränsle.

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.

Fermentering av Bio-Syngas till biobränsleråvaror

Ett helt nytt alternativ som utvecklats under de senaste åren är att produktgasen eller Bio-

Syngasen 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

Bild 17. Översikt, en övergripande och förenklad bild för tre katalytiska vägar samt också alternativet att genomfermentering förädla Bio-Syngasen till biobränsleprodukter.

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 koncentra-

tionsanläggning 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.