Vi skal lave kemikalier - ikke bio-brændstof
Hvordan udnytter vi bedst biomassen: Fremstilling af brændstof eller kemikalier? Her kommer er klart bud fra en forsker på DTU.

Filmen, der beskytter planterne på billedet, er også lavet af en PLA blanding.
(Foto: <a href="http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mulch_Film_made_of_PLA-Blend_Bio-... F. Kesselring, FKuR Willich</a>)

 

Det er en kendsgerning, at olie er en begrænset ressource.  De fleste ved, at det er et problem, fordi det er olie, der giver os brændstof til biler og flyvemaskiner. Hvad færre er opmærksomme på, er, hvor mange andre moderne bekvemmeligheder, der er baseret på fossil olie.

Langt de fleste produkter, du anvender i løbet af en helt almindelig dag, kommer nemlig også fra olie. Det gælder din tandbørste, gummisko, skummadras og nylonstrømper, legoklodser, margretheskåle, bilsæder, cykeldæk, medicin, emballage – listen er uendelig. De er alle fremstillet af syntetiske materialer der laves af kemikalier, og over 95 % af kemikalierne kommer fra olie og naturgas.

En oplagt løsning er at anvende biomasse som råstof til at fremstille både bio-brændstof og bio-baserede kemikalier. Problemet er bare, at der slet ikke kan produceres nok biomasse på hele jorden til at dække behovet. For selvom biomasse er en vedvarende ressource er den alligevel begrænset – især hvis den skal dyrkes på en forsvarlig måde.

Derfor er det vigtigt at overveje, hvordan vi får mest ud af den biomasse, vi har til rådighed.

Fossile brændstoffer er mere effektive

Fossile brændstoffer er en effektiv energikilde. De har en høj energidensitet, hvilket vil sige, at der er lagret meget energi per volumen brændstof.  Biomasse på den anden side har en meget lavere energidensitet, og er derfor en dårligere energikilde.

For at kunne bruge biomassen som brændstof, omdanner man den til ethanol ved hjælp af fermentering. I processen dannes der rundt regnet lige dele ethanol og CO2. Det betyder, at for hver 100 kg biomasse, man omsætter, laver man højst 51 kg ethanol. De sidste 49 kg er spild, og det er ikke en særlig effektiv anvendelse af råstoffet.

Samtidig er energidensiteten af ethanol kun omkring to tredjedele af energidensiteten for benzin. Det betyder f.eks. at en bil kan køre omkring 30 % længere på benzin.

Olie har defineret kemikalieindustrien

Den konventionelle kemikalieindustri er også baseret på olie. Den rå olie behandles ved destillation i raffinaderier, og nogle af fraktionerne fra destillationen anvendes direkte som brændstof. Andre fraktioner omdannes via en række enkle processer til de basis-kemikalier, man for eksempel bruger til fremstilling af plastik.

Fakta

Amanda Sølvhøj er postdoc på DTU Chemistry. Hun vinder med denne artikel Erhvervsphd-foreningens formidlingspris 2015.

Plastindustrien anvender netop disse kemikalier, fordi de er lette at fremstille fra olie, og det gør dem både billige og tilgængelige i store mængder.

Mange af kemikalierne kan i princippet fremstilles fra biomasse i stedet, men ofte er de biobaserede kemikalier meget dyrere, end de oliebaserede.

I dag udgør mængden af bio-baserede kemikalier derfor kun nogle få procent af det samlede kemikaliemarked. Der er en stigende efterspørgsel, både i industrien og hos forbrugerne, men selvom mange forbrugere ønsker at købe 'grønne' produkter, er de sjældent villige til at betale mere for dem.

Vi skal udnytte atomerne i råstoffet

Skal man konkurrere på pris med konventionelt fremstillede kemikalier, kræver det en målrettet forskningsindsats. Man må først og fremmest overveje nøje, hvilke kemikalier det giver mening at fremstille. Dels skal man have en effektiv fremstillingsmetode og et billigt udgangsstof – og vigtigst af alt skal man udnytte en stor procentdel af udgangsstoffet.

Biomasse har en væsentligt anderledes sammensætning af atomer end olie. Hvor olie består primært af kulstof og brint, har biomasse et meget højt iltindhold. Kemikalier som har et tilsvarende højt indhold af ilt, som f.eks. ethylen glycol, eddikesyre og akrylsyre, vil derfor med fordel kunne fremstilles fra biomasse.

Skal man fremstille kemikalier med et højt iltindhold fra olie, skal iltatomerne tilføjes under forarbejdningen. Ved at fremstille disse kemikalier fra biomasse i stedet, udnytter man de iltatomer som allerede findes i biomassen. På den måde kan man forkorte processen og skabe et både grønnere og billigere alternativ. 

Men der produceres også mange andre kemikalier fra olie, som det ikke kan betale sig at fremstille fra biomasse. F.eks. stor-skala kemikalierne ethylen og propylen, der slet ikke indeholder nogen iltatomer. Skal man fremstille dem fra biomasse, kræver det at man fjerner alle iltatomerne fra biomassen. Det er spild af atomer, og det er med til at gøre produktet dyrt.

Ethylen og propylen bruges primært til at lave PE(Poly Ethylen)- og PP(Poly Propylen)-plast af. Det er nogle af de plast-typer der fremstilles allermest af. Udfordringen ligger i at finde bio-baserede alternativer med tilsvarende egenskaber, som erstatning for disse populære plasttyper.

Man kan lave plastik fra sukker

Plasttypen PLA (Poly Lactic Acid) laves af mælkesyre og er på mange punkter overlegen sammenlignet med mere konventionelle plasttyper. F.eks. har det et lavt smeltepunkt, der gør det velegnet til bl.a. 3D-printere. Plastikkrusene her, er lavet at PLA og er biologisk nedbrydelige.
(Foto: <a>Ildar Sagdejev</a> )

Et eksempel på sådan et alternativ er plasttypen PLA (Poly Lactic Acid), som laves af mælkesyre. PLA-plast har på mange punkter overlegne egenskaber sammenlignet med mere konventionelle plasttyper. F.eks. har det et lavt smeltepunkt, så det kræver kun en lav energitilførsel at smelte det til støbning.

Det gør det bl.a. velegnet til 3D-printere. Og så er det biologisk nedbrydeligt. Men selvom det er en af de mest anvendte bio-baserede plasttyper i verden, udgør PLA-plast mindre end en promille af den samlede mængde plast der produceres på verdensplan.

Det skyldes i høj grad den forholdsvis høje pris. Det meste mælkesyre fremstilles i dag ved gæring af stivelse fra f.eks. majs eller sukkerrør, og det er en proces, der er afhængig af kortlivede og dyre enzymer.

Ny forskning har vist at mælkesyre også kan fremstilles katalytisk fra forskellige sukkerarter. Det åbner muligheden for at kunne fremstille PLA-plast som kan konkurrere på pris med nogle af de mest anvendte plasttyper.

 

Vi kan ikke lave kemikalier med vindmøller

Om en proces er konkurrencedygtig eller ej, afhænger naturligvis også af den aktuelle pris på råolie.

I tider med høje oliepriser vil forholdsvis dyre processer til fremstilling af biobaserede kemikalier, bedre kunne konkurrere med de konventionelle produktionsmetoder. Olie er en begrænset ressource, og når den slipper op, vil vi ikke have andet valg end at bruge vedvarende råstoffer til fremstilling af både bio-kemikalier og bio-brændstoffer.

Hvad angår bio-brændstoffer, findes der andre alternativer til at skaffe energi. Vedvarende energiformer og energibesparende tiltag er i rivende udvikling. Men byggeklodser til at fremstille materialer med kan vi ikke på samme måde hive ud af den blå luft.

Det er derfor uhensigtsmæssigt at anvende jordens biomasse til transport og opvarmning, når vi kan udnytte den til at lave værdifulde kemikalier.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud