www.risoe.dk Afgrøder til bioethanol Henrik Hauggaard-Nielsen, Risø henrik.hauggaard-nielsen@risoe.dk 4677 4113
Fremtid og marked Øget interesse for at bruge biomasse til energiformål klimaforandringer, oliepris og forsyningssikkerhed Transportsektoren er ansvarlig for 21% af EU s drivhusgasudslip fokus på flydende biobrændstoffer; bioethanol (og biodiesel) CO 2 neutral og vedvarende Mtoe 140 120 100 80 60 40 20 0 EU biomass potential 2003 2010 2020 2030 Træ 2.generation Afgrøder kilde: http://dataservice.eea.europa.eu
Dagens program Hvordan fremstilles bioethanol; dansk scenario 1. generation; 2 generation Integration og valg af samfundet NABOSNAK OG TAVLE valg af enårige afgrøder til energiformål Konvertering og nuværende praksis Afgrøde rangering: miljø, energi, landskab PLENUM OG TAVLE kriterier og prioritering Konklusion RISØ indsatsområder
Teknologi og Danmark Bioethanol kan få stor betydning som alternativ til benzin i transportsektoren kan benyttes i eksisterende vognpark hurtig implementering DK er førende indenfor udvikling af bioethanol teknologier især 2 generation halm til ethanol (ex. www.bioethanol.info) Den teknologiske udfordringer er at åbne biomassen og gøre sukkermolekylerne tilgængelig for enzymatisk hydrolyse og mikrobiel forgæring En stor andel af afgrøders biomasse er sukkerarter/polysakkarider
C6-sukre amylase cellulase xylanase C5-sukre Mikroorganisme
1. generation: Bioethanol fra kerner 320 kg EtOH per tons kerner Amylase Gær C6 Hydrolyse Forgæring Destillation
2. generation: Bioethanol fra halm Lignocellulose råvarer Xylanase Mikroorganisme? C5 Forbehandling Cellulase Gær 200 kg EtOH per tons halm Hemicellulose Cellulose C6 Lignin Hydrolyse Forgæring Destillation
Kerne og halm til bioethanol Fødevarer Total udbytte Anden udnyttelse Kerne Halm Stivelse (C6) Lignocellulose Cellulose (C6) Hemicellulose (C5)
Regneeksempel med ethanol mængder Forudsætninger: Vinterrug 7.5 tons kerne og 7.5 tons halm per ha 320 kg kerne ethanol og 200 kg halm ethanol per tons biomasse Brændstofforbrug i transportsektoren 3.5 mill. tons benzin og diesel 1 kg bioethanol erstatter 0.63 kg benzin eller diesel EU forventer at 5.75% af fossil brændstofforbrug er erstattet 2010 Scenario Biomasse Kg ethanol per ha 1 kerne til ethanol 2400 EU 2010 ha % af dyrket areal halm til ethanol 1500 81909 3 2 50% kerne til ethanol 1200 50% halm til ethanol 750 163818 6 3 kerne til fødevarer 0 50% halm til ethanol 750 425926 16
Valg af afgrøde prioritering af areal Fødevarer Miljø kriterier Forøget udbytte Frigivet Brak
Snak med din nabo - hvad skal vi vælge (2-5 minutter) Overordnet: Prioriter en afgrøde/et dyrkningssystem relevant til bioethanol Den skal indgå i det øvrige omdriftsareal Det skal være praktisk muligt mht. maskineri og fremtidigt marked på det kortere sigt Kriterier A. udvalgt ud fra økonomiske overvejelser B. udvalgt ud fra miljømæssige overvejelser
Kvalitet i råvaren Råvarer Saccaroscellulose Stivelse Cellulose Hemi- Teoretisk Reference udbytte** g/100gts kg/ton TS Hvedekerne 70 393 Olsen 2005 Byg kerne 64 359 Olsen 2005 Rug kerne 65 365 Olsen 2005 Hvedehalm 40 30 524 Bjerre 1996 Roe 68 6 6 475 - Roetop 50 28 561 - Majskerne 73 410 Davis 2001 Majskolbe 34 39 581 Rivas 2004 (uden kerner) Majshalm 50 28 561 Varga 2003 Kløvergræs 40 35 574 Hvelplund 2003 **det er altså ikke de aktuelle niveauer! Det kræver forbedringer i eksisterende teknologier
Kemisk kvalitet og egnethed Et er kvalitet, andre parametre er nok så vigtige at indregne: Traditioner/kultur Eksisterende viden og erfaring Logistik Integration af afgrøder i eksisterende praksis foderbehov gødningsproduktion dyrkningsbetingelser; jordbundsforhold, sædskifter, lokale afsætningsmuligheder, særligt miljøføsomme arealer mv.
Fordeling af afgrøder i DK (høstet areal 2005) Korn Raps Bælgplante Frø Rodfrugter Græs og grønfoder
Høstede arealer (2005); A tusind hektar 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Korn Rodfrugter Vinterraps Frø Græsoggrøntfoder Brak 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 År kilde: www.statistikbanken.dk
Høstede arealer (2005); B 500 450 400 Rodfrugter Vinterraps tusind hektar 350 300 250 200 150 Frø Græsoggrøntfoder Brak 100 50 0 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 År 1996 1998 2000 2002 2004 kilde: www.statistikbanken.dk
Udnyttelse af halm til bioethanol? mio tons 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Til fyring Til foder Til strøelse m.v. Ikke bjerget 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 År kilde: www.statistikbanken.dk
Forbrug af fossile brændstoffer som kriterium Diesel N i handelsgødning P,K,S i handelsgødning Herbicider Fungicider Insekticider Vækstregulatorer Vanding 1 kg handelsgødnings N 45 MJ det svarer til 0.7 m 3 naturgas eller 1 l diesel olie DK 2005 handelsgødning forbrug 206 million kg 2004-05 80 kg N ha -1 Global N produktion: 83 million tons per år
Eksempel på valg af afgrøde og energiforbrug Energi forbrug (MJ/ha) 20,000 15,000 10,000 5,000 Atm. N 2 -fixering N gødning Frø Herbicider P gødning Mekanisering 0 Ært Hvede kilde: Source ITCF- UNIP (1999)
Vækstperiode som kriterium?
Komplementaritet og bedre ressource udnyttelse Komplementaritet kan indbygges i dyrkningssystemet når afgrøder/sorter udnytter forskellige ressourcer Tilgængelighed (%) 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 Tid eller rum Resource Afgrøde A Afgrøde B Afgrøde C
Miljø rangering af bioenergi afgrøder ( enårige ) 10. Majs 9. Kartofler 8. Sukkerroe 7. Raps 6. Hvede 5. Hamp 4. Kløver/lucerne 3. Græs i rotation 2. Andre cerealier 1. Dobbelt kulturer Erosion A A A A A/B A B C C C Jordpakning A A A/B A/B A A A C C B Næringsstof udvaskning A A B B A A B/C B B C Pesticid udvaskning A A A A A A C B B C Gårdniveau biodiversitet B B A A/B B B/C B/C B B/C B/C Afgrødediversitet A B A A B C A/B B A/B B/C A = lav risiko; B = medium risiko; C = høj risiko kilde: EEA report. No. 7/2006
Plenum hvordan skal vi prioritere 1. Ud fra de mange forhold som kan indregnes i valg af afgrøder skal de valgte nabo-afgrøder prioriteres 2. Har vi glemt nogen? Energi Negativt Positivt Miljø
Konklusion Dyrkning af biomasse til energiformål vil ændre jordbrugets eksisterende valg af afgrøder og dyrkningspraksis. Jordbruget har nu et ekstra kort at spille med: i) husdyrfoder; ii) human konsum; iii) energi Produktion af bioethanol beror på en fleksibel teknologi, med mange potentielle råvarer: Omsættelighed i relevante konverteringsproccesser i ethanol industrien er en af flere nøgleparametre reduceret energiforbrug ved processering reduceret enzym mængde
RISØ og indsatsområder 1. Øget brug af afgrødediversitet (sorter og/eller arter) et lavt input af indsatsfaktorer (handelsgødning og pesticider) andre økosystemydelser fx grundvandsbeskyttelse, biodiversitet 2. Konvertering og bioraffinaderier opskalering af kendt teknologi (ex. IBUS) teknologi med lavt energiforbrug integration med andre energiformer (gas og brint) og materialer 3. Tilbageførsel af restprodukter til jorden recirkulering bæredygtighed