Andra generationens biobränslen
Andra generationens biobränslen , även känd som avancerade biobränslen , är bränslen som kan tillverkas av olika typer av icke- livsmedelsbiomassa . Biomassa betyder i detta sammanhang växtmaterial och animaliskt avfall som särskilt används som bränslekälla.
Första generationens biobränslen tillverkas av råvaror för sockerstärkelse (t.ex. sockerrör och majs ) och råvaror för matolja (t.ex. raps- och sojabönolja ), som i allmänhet omvandlas till bioetanol respektive biodiesel .
Andra generationens biobränslen tillverkas av olika råvaror och kan därför kräva olika teknik för att utvinna användbar energi från dem. Andra generationens råvaror inkluderar lignocellulosahaltig biomassa eller vedartade grödor, jordbruksrester eller avfall, såväl som dedikerade energigrödor för icke-livsmedel som odlas på marginell mark som är olämplig för livsmedelsproduktion.
Termen andra generationens biobränslen används löst för att beskriva både den "avancerade" tekniken som används för att bearbeta råvaror till biobränsle, men även användningen av icke-livsmedelsgrödor, biomassa och avfall som råvaror i "standard" teknik för bearbetning av biobränslen om det är lämpligt. Detta skapar en del stor förvirring. Därför är det viktigt att skilja mellan andra generationens råvaror och andra generationens biobränsleprocessteknik.
Utvecklingen av andra generationens biobränslen har sett en stimulans sedan mat vs. bränsle- dilemmat när det gäller risken att avleda jordbruksmark eller grödor för produktion av biobränslen på bekostnad av livsmedelsförsörjningen . Debatten om biobränsle och livsmedelspris involverar vidsträckta åsikter och är en långvarig, kontroversiell sådan i litteraturen.
Introduktion
Andra generationens biobränsleteknik har utvecklats för att möjliggöra användningen av biobränsleråvaror som inte är avsedda för livsmedel på grund av oro för livsmedelssäkerheten som orsakas av användningen av livsmedelsgrödor för produktion av första generationens biobränslen . Omläggningen av ätbar livsmedelsbiomassa till produktion av biobränslen skulle teoretiskt kunna leda till konkurrens med livsmedel och markanvändning för livsmedelsgrödor.
Första generationens bioetanol framställs genom jäsning av växtbaserade sockerarter till etanol , med en liknande process som den som används vid öl- och vinframställning (se Etanoljäsning ) . Detta kräver användning av mat- och fodergrödor, såsom sockerrör , majs , vete och sockerbetor . Oron är att om dessa livsmedelsgrödor används för produktion av biobränsle kan livsmedelspriserna stiga och brist kan uppstå i vissa länder. Majs, vete och sockerbetor kan också kräva höga från jordbruket i form av gödningsmedel , vilket begränsar de minskningar av växthusgaser som kan uppnås. Biodiesel framställd genom omförestring från rapsolja , palmolja eller andra växtoljor anses också vara ett första generationens biobränsle.
Målet med andra generationens biobränsleprocesser är att utöka mängden biobränsle som kan produceras på ett hållbart sätt genom att använda biomassa som består av resterande icke-livsmedelsdelar av nuvarande grödor, såsom stjälkar , löv och skal som lämnas kvar när maten skördas har utvunnits, såväl som andra grödor som inte används för livsmedelsändamål ( icke-livsmedelsgrödor ), såsom switchgrass , gräs , jatropha , helgröda majs , miscanthus och spannmål som bär lite spannmål, och även industriavfall såsom träflis , skal och fruktkött från fruktpressning m.m.
Problemet som andra generationens biobränsleprocesser tar itu med är att utvinna användbara råvaror från denna trä- eller fibrösa biomassa, som huvudsakligen består av växtcellväggar . I alla kärlväxter är de användbara sockerarterna i cellväggen bundna i de komplexa kolhydraterna ( polymerer av sockermolekyler) hemicellulosa och cellulosa, men görs otillgängliga för direkt användning av den fenoliska polymeren lignin . Lignocellulosaetanol framställs genom att extrahera sockermolekyler från kolhydraterna med hjälp av enzymer , ånguppvärmning eller andra förbehandlingar. Dessa sockerarter kan sedan fermenteras för att producera etanol på samma sätt som första generationens bioetanolproduktion . Biprodukten av denna process är lignin. Lignin kan förbrännas som ett kolneutralt bränsle för att producera värme och kraft till bearbetningsanläggningen och eventuellt för omgivande hem och företag. Termokemiska processer (vätskebildning) i hydrotermiska medier kan producera flytande oljiga produkter från ett brett utbud av råmaterial som har potential att ersätta eller förstärka bränslen. Dessa flytande produkter uppfyller dock inte normerna för diesel eller biodiesel. Uppgradering av flytande produkter genom en eller flera fysikaliska eller kemiska processer kan förbättra egenskaperna för användning som bränsle.
Andra generationens teknik
Följande underavsnitt beskriver de viktigaste andra generationens rutter som för närvarande är under utveckling.
Termokemiska vägar
Kolbaserade material kan värmas upp vid höga temperaturer i frånvaro (pyrolys) eller närvaro av syre, luft och/eller ånga (förgasning).
Dessa termokemiska processer ger en blandning av gaser inklusive väte, kolmonoxid, koldioxid, metan och andra kolväten och vatten. Pyrolys ger också en fast kol. Gasen kan fermenteras eller syntetiseras kemiskt till en rad olika bränslen, inklusive etanol, syntetisk diesel, syntetisk bensin eller flygbränsle.
Det finns också processer med lägre temperaturer i området 150–374 °C, som producerar sockerarter genom att bryta ner biomassan i vatten med eller utan tillsatser.
Förgasning
Förgasningsteknik är väletablerad för konventionella råvaror som kol och råolja. Andra generationens förgasningsteknik inkluderar förgasning av skogs- och jordbruksrester, avfallsträ, energigrödor och svartlut . Utgången är normalt syngas för vidare syntes till t.ex. Fischer-Tropsch- produkter inklusive dieselbränsle, biometanol , BioDME ( dimetyleter ), bensin via katalytisk omvandling av dimetyleter eller biometan ( syntetisk naturgas ). Syngas kan även användas i värmeproduktion och för generering av mekanisk och elektrisk kraft via gasmotorer eller gasturbiner .
Pyrolys
Pyrolys är en väletablerad teknik för nedbrytning av organiskt material vid förhöjda temperaturer i frånvaro av syre . I andra generationens biobränsletillämpningar kan skogs- och jordbruksrester, träavfall och energigrödor användas som råvara för att producera t.ex. bioolja för brännoljeapplikationer. Bioolja kräver typiskt betydande ytterligare behandling för att göra den lämplig som raffinaderiråvara för att ersätta råolja.
Torfaktion
Torfaktion är en form av pyrolys vid temperaturer som vanligtvis sträcker sig mellan 200–320 °C. Råmaterial och produktion är desamma som för pyrolys .
Hydrotermisk kondensering
Hydrotermisk kondensering är en process som liknar pyrolys som kan bearbeta våta material. Processen är vanligtvis vid måttliga temperaturer upp till 400 °C och högre än atmosfärstryck. Förmågan att hantera ett brett spektrum av material gör hydrotermisk kondensering genomförbar för att producera bränsle och kemisk produktionsråvara.
Biokemiska vägar
Kemiska och biologiska processer som idag används i andra applikationer anpassas för andra generationens biobränslen. Biokemiska processer använder vanligtvis förbehandling för att påskynda hydrolysprocessen, som separerar ut lignin, hemicellulosa och cellulosa. När dessa ingredienser väl är separerade kan cellulosafraktionerna jäsas till alkoholer.
Råmaterial är energigrödor, jordbruks- och skogsrester, livsmedelsindustri och kommunalt bioavfall och annan biomassa innehållande sockerarter . Produkterna inkluderar alkoholer (som etanol och butanol ) och andra kolväten för transportbruk.
Typer av biobränsle
Följande andra generationens biobränslen är under utveckling, även om de flesta eller alla av dessa biobränslen syntetiseras från mellanprodukter såsom syngas med metoder som är identiska i processer som involverar konventionella råvaror, första generationens och andra generationens biobränslen. Det utmärkande är tekniken som är involverad i framställningen av mellanprodukten, snarare än det ultimata avtaget.
En process som producerar flytande bränslen från gas (normalt syngas) kallas en gas-till-vätska- process (GtL). När biomassa är källan till gasproduktionen kallas processen också för biomassa-till-vätskor ( BTL).
Från syngas med katalys
- Biometanol kan användas i metanolmotorer eller blandas med bensin upp till 10–20 % utan några förändringar i infrastrukturen.
- BioDME kan framställas från biometanol med katalytisk dehydrering eller så kan den framställas direkt från syngas med direkt DME-syntes. DME kan användas i motorn med kompressionständning .
- Bioderiverad bensin kan framställas från DME via katalytisk högtryckskondensationsreaktion . Biobaserad bensin är kemiskt omöjlig att skilja från petroleumbaserad bensin och kan därför blandas in i bensinpoolen.
- Bioväte kan användas i bränsleceller för att producera el.
- Blandade alkoholer (dvs blandning av mestadels etanol , propanol och butanol , med lite pentanol , hexanol , heptanol och oktanol ). Blandade alkoholer framställs av syngas med flera klasser av katalysatorer. Vissa har använt katalysatorer liknande de som används för metanol. Molybdensulfidkatalysatorer upptäcktes vid Dow Chemical och har fått stor uppmärksamhet. Tillsats av koboltsulfid till katalysatorformuleringen visade sig förbättra prestandan. Molybdensulfidkatalysatorer har studerats väl men har ännu inte hittat någon utbredd användning. Dessa katalysatorer har varit i fokus för ansträngningarna vid det amerikanska energidepartementets biomassaprogram i den termokemiska plattformen. Ädelmetallkatalysatorer har också visat sig producera blandade alkoholer. Det mesta av FoU inom detta område är koncentrerat till att producera mestadels etanol. Vissa bränslen marknadsförs dock som blandade alkoholer (se Ecalene och E4 Envirolene) Blandade alkoholer är överlägsna ren metanol eller etanol, eftersom de högre alkoholerna har högre energiinnehåll. Vid blandning ökar dessutom de högre alkoholerna kompatibiliteten mellan bensin och etanol, vilket ökar vattentoleransen och minskar avdunstningsutsläppen. Dessutom har högre alkoholer också lägre förångningsvärme än etanol, vilket är viktigt för kallstarter. (För en annan metod för att framställa blandade alkoholer från biomassa, se biokonvertering av biomassa till blandade alkoholbränslen )
- Biometan (eller Bio-SNG ) via Sabatier-reaktionen
Från syngas med Fischer-Tropsch
Fischer -Tropsch-processen (FT) är en gas-till-vätska-process (GtL). När biomassa är källan till gasproduktionen kallas processen också för biomassa-till-vätskor (BTL). En nackdel med denna process är den höga energiinvesteringen för FT-syntesen och följaktligen är processen ännu inte ekonomisk.
- FT-diesel kan blandas med fossil diesel i valfri procentandel utan behov av infrastrukturförändring och dessutom kan syntetisk fotogen produceras
Biokatalys
- Bioväte kan åstadkommas med vissa organismer som producerar väte direkt under vissa förhållanden. Bioväte kan användas i bränsleceller för att producera el.
- Butanol och isobutanol via rekombinanta vägar uttryckta i värdar såsom E. coli och jäst , butanol och isobutanol kan vara betydande fermenteringsprodukter med användning av glukos som kol- och energikälla.
- DMF (2,5-dimetylfuran). De senaste framstegen i att producera DMF från fruktos och glukos med användning av katalytisk biomassa-till-vätska-process har ökat dess attraktivitet.
Andra processer
- HTU (Hydro Thermal Upgrading) diesel tillverkas av våt biomassa. Den kan blandas med fossil diesel i valfri procent utan behov av infrastruktur.
- Trädiesel . Ett nytt biobränsle utvecklades av University of Georgia från träflis . Oljan extraheras och tillsätts sedan till omodifierade dieselmotorer. Antingen används nya växter eller planteras för att ersätta de gamla växterna. Träkolsbiprodukten sätts tillbaka i jorden som gödningsmedel. Enligt regissören Tom Adams eftersom kol sätts tillbaka i jorden, kan detta biobränsle faktiskt vara koldioxidnegativt , inte bara koldioxidneutralt. Kolnegativa minskar koldioxiden i luften och vänder på växthuseffekten inte bara minskar den. [ citat behövs ]
Andra generationens råmaterial
För att kvalificera sig som andra generationens råvara får en källa inte vara lämplig som livsmedel. Andra generationens biobränsleråvaror inkluderar specifikt odlade oätliga energigrödor, odlade oätliga oljor, jordbruks- och kommunalt avfall, spilloljor och alger. Ändå används spannmåls- och sockergrödor också som råvara för andra generationens bearbetningstekniker. Markanvändning, befintlig biomassaindustri och relevant omvandlingsteknik måste beaktas när man utvärderar lämpligheten av att utveckla biomassa som råvara för energi.
Energigrödor
Växter tillverkas av lignin , hemicellulosa och cellulosa ; andra generationens teknologi använder en, två eller alla dessa komponenter. Vanliga lignocellulosaenergigrödor inkluderar vetehalm , Arundo donax , Miscanthus spp., kortroterande vallpoppel och pil . Men var och en erbjuder olika möjligheter och ingen gröda kan anses vara "bäst" eller "sämsta".
Kommunalt fast avfall
Kommunalt fast avfall består av ett mycket stort materialutbud och det totala avfallet som uppstår ökar. I Storbritannien minskar återvinningsinitiativ andelen avfall som går direkt till kassering, och återvinningsnivån ökar varje år. Det finns dock fortfarande betydande möjligheter att omvandla detta avfall till bränsle via förgasning eller pyrolys.
Grönt avfall
Grönt avfall som skogsrester eller trädgårds- eller parkavfall kan användas för att producera biobränsle via olika vägar. Exempel inkluderar biogas som fångas upp från biologiskt nedbrytbart grönt avfall och förgasning eller hydrolys till syngas för vidare bearbetning till biobränslen via katalytiska processer.
Svart sprit
Svartlut, den använda kokluten från kraftprocessen som innehåller koncentrerat lignin och hemicellulosa , kan förgasas med mycket hög omvandlingseffektivitet och växthusgasreduktionspotential för att producera syngas för vidare syntes till t.ex. biometanol eller BioDME .
Utbytet av råtallolja från processen ligger i intervallet 30 – 50 kg/ton massa.
Växthusgasutsläpp
Lignocellulosahaltiga biobränslen minskar utsläppen av växthusgaser med 60–90 % jämfört med fossil petroleum (Börjesson.P. et al. 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrivmedel), vilket är i paritet med det bättre av dagens biobränslen av första generationen, där typiska bästa värden är för närvarande 60–80 %. År 2010 var den genomsnittliga besparingen av biobränslen som används inom EU 60 % (Hamelinck.C. et al. 2013 Renewable energy progress and biofuels sustainability, Report for the European Commission). 2013 minskade 70 % av de biodrivmedel som används i Sverige utsläppen med 66 % eller högre. (Energimyndigheten 2014. Hållbara biodrivmedel och flytande biobränslen 2013).
Kommersiell utveckling
En anläggning för produktion av lignocellulosaetanol ligger i Kanada, som drivs av Iogen Corporation . Anläggningen i demonstrationsskala producerar cirka 700 000 liter bioetanol varje år. En kommersiell anläggning är under uppbyggnad. Många ytterligare lignocellulosaetanolanläggningar har föreslagits i Nordamerika och runt om i världen.
Det svenska specialcellulosabruket Domsjö Fabriker i Örnsköldsvik utvecklar ett bioraffinaderi med Chemrecs svartlutsförgasningsteknik . _ _ _ Vid driftsättning 2015 kommer bioraffinaderiet att producera 140 000 ton biometanol eller 100 000 ton BioDME per år, vilket ersätter 2% av Sveriges import av dieselbränsle för transportändamål. I maj 2012 avslöjades att Domsjö drog sig ur projektet, vilket i praktiken dödade ansträngningen.
I Storbritannien utvecklar företag som INEOS Bio och British Airways avancerade biobränsleraffinaderier, som ska byggas 2013 respektive 2014. Under gynnsamma ekonomiska förhållanden och kraftiga förbättringar av politiskt stöd, tyder NNFCC:s prognoser på att avancerade biobränslen skulle kunna täcka upp till 4,3 procent av Storbritanniens transportbränsle till 2020 och spara 3,2 miljoner ton CO 2 varje år, vilket motsvarar att ta bort nästan en miljon bilar. väg.
Helsingfors, Finland, 1 februari 2012 – UPM ska investera i ett bioraffinaderi som producerar biobränslen från råtallolja i Villmanstrand, Finland. Investeringen i industriell skala är den första i sitt slag globalt. Bioraffinaderiet kommer årligen att producera cirka 100 000 ton avancerad andra generationens biodiesel för transport. Bygget av bioraffinaderiet kommer att påbörjas sommaren 2012 vid UPM:s bruksplats i Kaukas och vara klart 2014. UPM:s totala investering kommer att uppgå till cirka 150 miljoner euro.
Calgary, Alberta, 30 april 2012 – Iogen Energy Corporation har gått med på en ny plan med sina gemensamma ägare Royal Dutch Shell och Iogen Corporation för att omfokusera sin strategi och verksamhet. Shell fortsätter att utforska flera vägar för att hitta en kommersiell lösning för produktion av avancerade biobränslen i industriell skala, men företaget kommer INTE att fortsätta det projekt som det har haft under utveckling för att bygga en större cellulosaetanolanläggning i södra Manitoba.
I Indien har indiska oljebolag gått med på att bygga sju andra generationens raffinaderier över hela landet. De företag som kommer att delta i byggandet av 2G-biobränsleanläggningar är Indian Oil Corporation (IOCL), HPCL och BPCL. I maj 2018 presenterade Indiens regering en biobränslepolicy där en summa på 5 000 crores INR tilldelades för att sätta upp 2G-bioraffinaderier. Indiska oljemarknadsföretag var i en process med att bygga 12 raffinaderier med en capex på 10 000 crores INR.
Se även
- Algbränsle
- Kommersialisering av cellulosaetanol
- Mat vs bränsle
- IEA Bioenergi
- Jatropha
- Standard för förnybart bränsle