Fremtidens bæredygtige transportbrændstoffer

Transkript

1 Fremtidens bæredygtige transportbrændstoffer LASSE ROSENDAHL PROFESSOR AALBORG UNIVERSITET AALBORG BÆREDYGTIGHEDSFESTIVAL 2017

2 AGENDA 2 Præsentation af oplægsholderen Hvad er et bæredygtigt brændstof? Og hvor skal det bruges? Kulstof hvilken rolle spiller det, og hvor får vi det fra? Udvalgte teknologispor fra bio- og organisk materiale til kompatible brændstoffer Bio olie til brændstof med en verdenspremiere! Alkoholer Electrofuels Afslutning

3 Green liquids team AAU Institut for Energiteknik 3 Professors & PostDocs Head Saqib Toor Thomas Pedersen Associate Professor Assistant Professor Daniele Castello PostDoc EU H2020 4REFINERY PostDocs EU Marie Currie Mobility 3xPostDoc EU H2020 HyFlexFuel PostDoc PhDs & Research assistants Lasse Rosendahl Professor Ionela Grigoras PhD Fellow Iulia Sintamarean PhD Fellow Claus Jensen PhD Fellow-Industrial Rodica Stroe PhD Fellow Federica Conti PhD Fellow MSCA ITN ENSYSTRA H2020 HYFLEXFUEL Shawn Feng Nick Høy Hansen Lab staff Students Anne Rasmussen Chem. Engineer +5 mechanical/ general tech staff Karol Michal Michalski TEPE3

4 AAU Bioenergi 4

5 Nuværende brændstofalternativer til benzin, diesel og jet fuel 5 Alkoholer - Ethanol (sprit) iblandes benzin C 2 H 5 -OH laves af majs, korn, sukker (på vej halm, sukkerafffald osv) - Methanol (træsprit) iblandes benzin, kan bruges i modificerede dieselmotorer og brændselsceller CH 3 -OH laves primært af fossile kilder men kan laves af syngas Vegetabilske olier - Biodiesel iblandes diesel FAME fatty acid methyl esther laves af vegetabilske olier eller animalsk fedt indeholder ilt - HVO (hydrogenated vegetable oils) erstatter/iblandes diesel og/eller jet fuel laves af vegetabilske olier, primært palmeolie ren kulbrinte (alkaner)

6 Drop in biofuels 6 IEA Task 39 definition: Drop biofuels are defined as liquid hydro carbons that are functionally equivalent to petroleum fuels and are fully compatible with existing petroleum infrastructure Konsekvenser Ingen blend wall Iblandingspunkt kan vælges ud fra effektivitets og/eller bæredygtigheds kriterier Den eksisterende infrastruktur til flydende brændstoffer kan genbruges Implementeringsperioden og samfundsinvesteringen reduceres væsentligt Indsatsen kan fokuseres på effektiv udnyttelse af biomasseressourcen

7 Hvad består fossil råolie egentlig af? 7 Råolie er geologisk behandlet fortids-biomasse Olien dannes over ~1 mio. år, under bestemte geologiske forhold, der bl.a. afhænger af et maximalt tryk på 17 MPa og en temperatur på >120 C Råoliens hovedkomponenter er kulstof (karbon) (C) og hydrogen (H), men råolie indeholder også små mængder af andre stoffer, som f.eks. svovl (S), nitrogen (N) og oxygen (O) Råolien indeholder hovedsageligt tre typer af kulhydrider, nemlig paraffiner (mættede kul-hydrider), naphtener (cycloalkaner) og aromatiske forbindelser Vægt % af gennemsnitlig råolie Kulstof (C) 83,0 87,0 % Hydrogen (H) 10,0 14,0 % Nitrogen (N) 0,1 2,0 % Oxygen (O) 0,05 1,5 % Svovl (S) 0,05 6,0 % Metaller < 1000 ppm (0,1%) De fossile ressourcer vi i dag henter op af jorden kommer fra biomasse der er akkumuleret over de sidste ~500 mio. år.

8 Bestanddele af fossile brændstoffer få grupper men hundredevis af stoffer 8 Naphtener (cycloalkaner) Paraffiner (mættede karbon-hydrider/alkaner) Aromatiske forbindelser (umættede kulbrinter)

9 Bestanddele af fossile brændstoffer få grupper men hundredevis af stoffer 9 Naphtener (cycloalkaner) Paraffiner (mættede karbon-hydrider/alkaner) Aromatiske forbindelser (umættede kulbrinter) ALS Environmental

10 Distillation kogepunktsseparation af brændstoffer 10 Jet A-1 Kulstof-kædelængder 9-15 (C 12 H 24 ) Jet B Kulstof-kædelængder 5-15 (C 10 H 22 ) Diesel Kulstof-kædelængder 8-21 (C 12 H 23 ) Benzin Kulstof-kædelængder 5-12 (C 8 H 18 )

11 Bæredygtighed og etik for brændstoffer 11

12 Bæredygtighed og etik for brændstoffer 12 SAF Sustainable Aviation Fuel pledge: 1. Jet fuel plant sources should be developed in a manner which is non-competitive with food and where biodiversity impacts are minimized; in addition, the cultivation of those plant sources should not jeopardize drinking water supplies. 2. Total lifecycle greenhouse gas emissions from plant growth, harvesting, processing, and end-use should be significantly reduced compared to those associated with fuels from fossil sources. 3. In developing economies, development projects should include provisions for outcomes that improve socioeconomic conditions for small-scale farmers who rely on agriculture to feed them and their families, and that do not require the involuntary displacement of local populations. Uafhængig certificering: Roundtable on Sustainable Biomaterials 4. High conservation value areas and native eco-systems should not be cleared and converted for jet fuel plant source development.

13 Hvad er problemet egentlig? 11 Peakoilbarrel.com WWF World Wildlife Foundation Peak oil diskussionen produktion vs nye reserver? Global opvarmning?

14 Hvad er problemet egentlig? 12 Global opvarmning?

15 Første spørgsmål: hvor skal kulstoffet komme fra? Små C-molekyler: CO2 Store C-molekyler: biomasse og organisk materiale 14 Justering Carbon Capture and Use opbygning af kulstofkæder og fjernelse af ilt Nedbrydning af kulstofkæder og fjernelse af ilt Brændstof: 5-21 C & H eller alkohol

16 Biomasse giver uudtømmelige muligheder potentiale eller forbandelse?? 15 Drop in biofuels CORE-Jetfuel Deliverable D4.4 Oct 2016

17 LAR8 Den store udfordring: drop in brændstof indeholder ikke ilt men det gør biomasse! 16 Hemicellulose Cellulose Lignin Lipids Proteins H/C H 2O C IEA Task 39

18 Tekno økonomi hvilke bio fuels er værd at satse på? 17 HTL is - Most feedstock efficient - Least CAPEX intensive - Least maintenance intensive De Jong (2015), BIOFPR

19 HTL HydroThermal Liquefaction: effektiv bioråolie produktion 18 Vand i væskefase HTL: Hydrothermal liquefaction regime Critical o C, 220 bar Supercritical Region SuperCritical Water Gasification (SCWG) Hydrothermal Gasification (HTG) - Sammenlignelige dannelsesbetingelser med fossil olie - Bortset fra tiden: 100 s mill år vs 15 minutter Hot Compressed Water Processes Vand i dampfase + H 2 O + catalyst CO 2, CH 4, H 2, CO

20 HTL HydroThermal Liquefaction Øget bæredygtighed 19 Biomass slurry prep. FEEDSTOCK PREPARATION WATER BIOMASS CATALYST BIOMASS-TO-BIOCRUDE CONVERSION Pressurizing and pumping ~300 bar Rapid heating ~400 C HTL conversion Upgrading BIOCRUDE UPGRADING BIOCRUDE SEPARATION Water Solids Gas WSO Biocrude Gas product (CO 2, H 2, CH 4 ) HTL reactor ~ 15 min Drop-in biofuels Biocrude Centrifuge Pressure reduction

21 Nær kommercielle HTL data 20

22 Opgradering og drop in perspektiver for HTL bioolie fra træaffald 21 Jensen et al (2016), Chapel Hill, USA 700 H 2 Temperature ( C) Recovery (%) Preliminary results of Hydrofaction yields 400L of upgraded oil per 1 ton wood Of these >200L is diesel equivalent (IBP basis) 21

23 Den anden rute fra CO2 til fuels 22 C3U Cryogenic Carbon Capture and Use MeOH CH 3 OH Kulbrinter

24 Hvor dyrt bliver det? 23 Markedsværdi af bæredygtigt, 2G brændstof USD/ton MeOH 2G HTL fuels Fossile kulbrinter handles til ca USD/ton Fossil MeOH handles til ca 400 USD/ton (lavere energiindhold) Pedersen et al (2017), BIOFPR, in review

25 Og hvor bæredygtigt? 24 Ligesom for økonomi er der stor følsomhed indtil teknologier er modne Stor detaljeringsgrad nødvendig for at give et realistisk interval - Placering - Lokale forhold - Valg af biomasse - Elektricitetsmix - Adgang til brint - Procesdesign - Tal for HTL-brændstof fra resttræ indikerer ca 80-85% reduktion af CO2 udledning sammenlignet med fossil brændstof

26 Synergi kombinerede biofuels electrofuel løsninger? 25 Example: integrated HTL on any feedstock with FT- SPK/A on nearly pure CO 2 stream /gasification

27 Bæredygtighed i transportsektoren nogle pointer 26 Der findes bæredygtige teknologier til at lave brændstoffer både fra biomasse og CO2 det er et spørgsmål om politisk og finansiel vilje Store omkostninger til greenfield plants valley of death vs first mover advantage Man skal være på mærkerne når nogen siger at noget er bæredygtigt eller billigt Elektrificering af persontransport (biler, tog, nærdriftsfærger) er ikke en modsætning, men en forudsætning for biofuels/alternative fuels (men husk også her det er ikke CO 2 -frit at køre el eller elhybridbil!) Bæredygtige brændstoffer skal målrettes kritiske dele af transportsektoren hvor der ikke findes reelle alternativer Luftfart Skibsfart Tung landtrafik Danmark har gode teknologiløsninger på flere fronter ikke kun til Danmark, men til global implementering.

28 Biojetmap 27

29 AAU BIOMASS TO VALIDATED FUEL PLATFORM ANALYSIS Product separation Biomass pretreatment Continuous HTL 1/3 bpd Continuous hydrotreatment (2 stage) End use validation jet or ICE engine platform Renewable oil well Existing & adapted infrastructure TAK FOR OPMÆRKSOMHEDEN Bidragsydere og partnere: Grant # Grant # B AAU HTL team: Thomas H. Pedersen, Saqib S. Toor, Anne V.K. Rasmussen, Federica Conti, Daniele Castello, Claus U. Jensen, Nick Høy Hansen, Karol Michal Michalski, Shaung Feng