Klimaet har det hårdt. Og trods adskillige klimaaftaler er det stadig ikke lykkedes at knække kurven og få vores forbrug af fossile brændstoffer til at falde frem for at stige.
En af 'synderne' er vores transport.
I Europa bidrager forbrænding af fossile brændstoffer til transport 20 procent af vores samlede udledning af drivhusgasser – for USA er det 26 procent (OECD data 2005 til 2015).
Da vi næppe stopper med at transportere os selv og vores varer, er der et åbenlyst behov for at finde bæredygtige og CO2-neutrale løsninger til at dække dette energibehov.
En del af løsningen bliver fortsat elektrificering af jernbaner og let persontransport, mens skibs- og luftfart samt tung godstransport på vejene formentlig fortsat vil skulle bruge flydende brændstoffer.
Biomasse, for eksempel sukkerrør, træ eller halm, er en fornybar ressource, der har potentiale til at dække en del af dette behov. Problemet er bare, at det p.t. ikke er en særlig effektiv energikilde.
Det problem har vi på DTU Kemiteknik heldigvis en løsning på.
God og dårlig biobrændsel
Når biomasse som majs, sukkerrør eller vegetabilske olier, altså potentiel menneskeføde, anvendes til fremstilling af biobrændsler, kaldes det 1. generations biobrændsel.
Udover de etiske problemer ved at omdanne mad til brændstof har disse også et begrænset potentiale, da udbyttet per landbrugsareal er begrænset.
Den mere klimavenlige version af biobrændsel er 2. generation. Her anvender man ikke-spiselige biomasser som træ, halm og andre landbrugsrester.
Disse biomasser består af cellulose (vigtig bestanddel af planters cellevægge), hemicellulose (kulhydrater hos planter) og lignin (stof i frøplanter og bregner), der tilsammen giver planterne struktur og styrke.
Enzymatiske- og gæringsprocesser kan omdanne cellulose og hemicellulose til alkoholer som ethanol og butanol. De kan blandes i fossile brændstoffer, for eksempel benzin, eller videreforarbejdes til kulbrinter, som kan bruges til jet-fuel.
Ineffektiv proces fra biomasse til brændstof
De biologiske processer, der omdanner biomassen til alkoholer, har et relativt lavt energiudbytte på omkring 35 procent af den potentielle energi i biomassen.
Vi udnytter altså langt fra biomassen optimalt.
Det lave energiudbytte skyldes, at enzymerne ikke kan omdanne lignin (udgør typisk 25-35 procent af den potentielle energi) til alkohol.
Det kræver meget energi at nedbryde den beskyttende struktur af lignin så enzymerne kan omdanne cellulose, og det primære gæringsprodukt er en tynd, vandig opløsning af alkohol, med alkoholkoncentration omtrent som øl.
\ Book et gratis foredrag
Artiklens forfatter, Martin Høj, er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen - en del af Forskningens Døgn - og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen.
Foredragets titel er: ’Fremtidens bio-brændstoffer til lands, til vands og i luften' Book ham her.
Opløsningen skal siden hen destilleres til ren alkohol, en proces, der også kræver megen energi.
Det er altså en energikrævende og ikke altid optimal proces at omdanne biomasse til brugbart brændstof.
Fremstilling af biobrændsler ved lynopvarmning
Lynopvarmning, kaldet konventionel pyrolyse, er en proces, hvor biomasse hurtigt opvarmes til 500-550 °C i en oxygenfri atmosfære.
Derved nedbrydes hele biomassen til en bio-olie. Samtidig dannes der gas- og koksrester. Koks er kulstof fra organisk materiale, et hverdagseksempel på koks er kul til havegrillen.
Bio-olie fra konventionel pyrolyse har et højt indhold af vand og organiske molekyler der indeholder oxygen.
Sådanne molekyler er for eksempel sukkerstoffer, carboxylsyrer, ketoner, aldehyder og phenoler.
Disse molekyler er ikke særligt stabile og er med til at fremme dannelsen af fast koks ved opvarmning. Den ’rå’ bio-olie er derfor ikke et optimalt produkt at lagre som ’flydende energi’.
Derfor behandles bio-olien i endnu en proces.
Ved reaktion med hydrogen kan bio-olien omdannes til en blanding af benzin og diesel ved at fraskille oxygen som vand.
Dette gøres under højt tryk (op til 100 bar), moderat temperatur (250 til 350 °C) og ved brug af en katalysator kendt fra olieraffinaderier.
Desværre har dette vist sig meget svært at udføre i praksis over længere tid.
Det skyldes, at den meget reaktive olie danner koks, når den opvarmes, hvilket deaktiverer katalysatoren og tilstopper reaktoren – maskinen, hvori hydrogen-reaktionen foregår.
DTU’s ’to i en-metode’
Så hvad gør man så?
Vi har to metoder, der hver især har potentiale, men hvor ingen af dem formår at gøre biomasse til biobrændsel på effektiv vis.
På DTU Kemiteknik kombinerer vi lynopvarmningen (pyrolysen) og den katalytiske reaktion med hydrogen i ét trin kaldet katalytisk hydropyrolyse.
Det sker ved, at reaktoren fodres med fast biomasse, mens en katalysator er i konstant bevægelse.
Hydrogen sendes ind fra bunden af reaktoren og løfter biomassens dele, så de bevæger sig rundt.
Det gør, at de mest reaktive molekyler fra biomassen reagerer med hydrogen, så snart de dannes.
På den måde gør man molekylerne ude af stand til at danne koks, og man undgår at deaktivere katalysatoren. Herved fjernes omkring 95 procent af oxygen i bio-olien.
\ Læs mere
De resterende, mindre reaktive molekyler (svarende til fem procent) kan fjernes ved at sende olien gennem en traditionel reaktor, hvor katalysatoren ligger stille.
Den traditionelle reaktor minder om dem, der bruges til at fjerne svovl fra fossil olie; en proces man normalt bruger på olieraffinaderier for at undgå svovl i benzin og diesel og dermed undgå svovlholdige gasser i bilers udstødning.
Reaktionerne mellem hydrogen og biomasse udvikler varme, så der er ikke behov for energitilførsel til processen.
Destillationen sker helt automatisk
Produkterne af den katalytiske hydropyrolyse er olie og vand.
Vand og olie er som bekendt ikke glade for at blande sig sammen, derfor separeres olien og vandet automatisk.
Og det er vigtigt, fordi derved sparer man den energitunge destillation, der normalt bruges til at separere alkohol og vand.
I processen dannes der ud over vand og olie lette gasser og en mindre koksrest. De lette gasser består blandt andet af metan, etan og propan samt betydelige mængder CO og CO2.
Ved brug af en yderligere reaktor kan CO og CO2 reagere med hydrogen og danne metan, der sammen med gassens øvrige lette kulbrinter kan anvendes som bio-naturgas. Derved går der endnu mindre biomasse til spilde.
Energien kan lagres
Katalytisk hydropyrolyse kan kobles med andre vedvarende energiteknologier såsom vindenergi eller solenergi ved at fremstille den hydrogen, der bruges i processen via elektrolyse af vand.
Man sætter populært sagt strøm til vand, så det spaltes i hydrogen og oxygen. Dette vil være særligt nyttigt, når der er overskud af vedvarende elektricitet.
Den hydrogen, der skal bruges i processen, kan alternativt fremstilles af de lette gasser, hvorved der ikke dannes bio-naturgas som biprodukt.
Det gør katalytisk hydropyrolyse til en fleksibel teknologi, som enten kan bruges til at lagre overskydende elektricitet i flydende og gasformige brændstoffer.
Alternativt kan man udelukkende benytte biomasse og kun fremstille flydende brændsler.
Markant bedre udbytte af biomassen
\ ForskerZonen
Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.
Så hvor godt fungerer vores metode?
De bedste resultater opnået på DTU Kemiteknik er at få ca. 58 procent af den potentielle energi i bøgetræ ud som potentiel energi i olie.
Det er væsentligt højere end ved de biologiske processer, der som nævnt udnytter omkring 35 procent af energien fra biomasse.
En computersimulering, vi har lavet, viser, at der kan opnås en udnyttelse af energien på op mod 87 procent, når elektricitet og biomasse omdannes til olie og bio-naturgas.
Selvom biomasse er fornybar, er det stadig en begrænset ressource.
Derfor er det vigtigt, at omdannelsen til biobrændsler er så effektiv som muligt.
Og netop derfor er katalystisk hydropyrolyse en vigtig teknik til bedre udnyttelse af fremtidens biobrændsel.
