Sukker, bioethanol og biomasse Den store udfordring for planteavlen! Claus Felby Center for Skov & Landskab, Afd. For Skovdrift of Træprodukter Den Kongelige Veterinær og Landbohøjskole
Solfangeren set fra oven
Fra biomasse til energi
Jordbruget står overfor en af de største ændringer i mere end 100 år Land og skovbrug vil igen for alvor blive en strategisk ressource Nye produkter energi og materialer Nye dyrkningsmetoder Nye priser bedre afsætning Nye sorter og nye afgrøder
3 udfordringer for KVL! Effektive bæredygtige dyrkningssystemer Logistik og forsyningssikkerhed Højtydende energiafgrøder Effektiv processering af plantebiomasse til sukker
Hvad kan vi med teknologien i dag? Årligt forbrug i DK 2,5 mia l benzin og 2,5 mia l diesel Scenarie for fuld erstatning af benzin med bioethanol 5000 l EtOH pr. ha Mere effektive motorer 1:1 substitution af benzin og ethanol Brutto arelabehov = 500,000 ha Netto arealbehov = 310,000 ha eller 16% af landbrugsarealet CO 2 neutral produktion
September 26 2005. Benzin og ethanolpriser ved benzinstanderen i Danmark, -ingen afgiftsfritagelser 12 10 DKK 8 6 4 Market price Pump price 2 0 Gasoline EU EtOH US EtOH
Ikke bare en fiks ide Bioenergi er allerede en etableret teknologi. Markedet er etableret og vokser kraftigt! Energi fra biomasse: Varme, elektricitet, benzin- og diesel-erstatninger. F.eks: USA 4% af benzin er ethanol (målet er 20% i 2020). DK: 50% af alt træ og 25% af alt halm bruges til CHP Vores fremtidige energiforsyning vil dækkes af flere forskellige teknologier. Indenfor de næste 10-20 år vil 15-30% af vores energiforsyning være baseret på biomasse. Sukkerfabrikken bliver afløst af det meget større bioraffinaderi.
Hvad er relevant biomasse Tilgængelig biomasse er: Træ og træaffald Landbrugsprodukter eller affald herfra Industri og husholdningsaffald Biomasse er fornybart kan produceres lokalt Biomasse baseret energi kan reducere CO 2 udledning 130 millarder tons produceres årligt fra solens energi
Biomasse som energikilde Biomass Lignocellulose Træ, halm Stivelse/ sukker baseret kerner, sukkerrør kartofler, roer Olie Raps, solsikke Hel Biomasse Afbrændning Gæring Esterificering Pyrolyse Varme og elektricitet Flydende brændsel (ethanol) Flydende brændsel (diesel) Flydende brænsel (diesel)
Næsten det hele er sukker! Planter lagrer solenergi i form af sukker Godt 75% af planterne består af sukker C6 stivelse og cellulose. C5 hemicellulose Sukker kan sammen med planteolier 100% erstatte råolie til energi, materialer og smøremidler. MEN hvor skal sukkeret kommer fra?
Glukose enkelt sukker C6 Sukkerkilderne Gær Ethanol + CO 2 Lignocellulose Cellulose Hemicellulose Lignin Stivelse Amylose Amylopectin Cellulose Amylopectin
Faste biobrændsler Kraft og varme -Combined heat and power (CHP) Strå Træ Husholdningsaffald Privat opvamning Brænde Træpiller Halm Industriaffald f.eks olivenkerner
Flydende biobrændsler Benzin erstatning. Omdannelse af biomasse til sukker efterfulgt af gæring til ethanol (sprit) Diesel erstatning Omdannelse af planteolier (raps olie) til diesel Pyrolyse af hele biomassen
Ethanol som transportbrændsel Ethanol kan blandes med op til 10% i benzin for alle biler. Bruge eksisterende forsyningsnet og biler det kan gennemføres nu! Flexible fuel biler (FFV) kan køre på alle blandinger af ethanol og benzin up til 85 % ethanol Ethanol i benzin forbedrer forbrændingen og erstatter de MEGET giftige forbindelser I blyfri benzin. Ethanol kan baseres på enten kerner (stivelse) eller strå (lignocellulose)
Grundlæggende Ethanol Proces Forbehandling (frigørelse af sukre) Enzymer Hydrolyse (nedbrydning til små forgærbare sukre) Gær Gæring CO 2 Vinasse Distillers grain (foder) Destillering Ethanol
Nedbrydning af biomasse til sukker Enzymatisk hydrolyse naturens egen metode Stivelse Glukose Cellulose Glukose Hemicellulose Xylose Arabinose
Ethanolproduktion idag Der er allerede en ethanol proces baseret på stivelse i kernerne. MEN det er ikke godt nok!
Hvorfor en ny ethanolproces? Ved at anvende kerner til fremstilling af ethanol via den allerede eksisterende process, -kan vi maksimalt dække op 15-20% af vores benzinforbrug med ethanol. Substitutionen af fossilt brændsel vil ligge mellem 30-50%. Ved også at inddrage halm sammen med kerner kan vi i første omgang erstatte 30-40% af benzinen, og på sigt op til 80%. Substitutionen af fossilt brændsel vil være op til 100%. MEN vi skal passe på vore dyrknings- og økosystemer. KVL har en central rolle i form af viden og teknologi
Det er ikke nemt! Cellulose er i modsætning til stivelse krystallinsk Almindeligt gær kan ikke fermentere C5 sukker
Amorf phenolpolymer - Lignin Cellevæggens struktur Strukturelle polymerer Cellevæggens byggesten Microfibriller af krystallinsk cellulose Hemicellulose, binder cellulose og lignin Kemiske (kovalente) bindinger mellem lignin og hemicellulose, LCC Binding mellem cellouose og hemicellulose sker ved hjælp af hydrogenbindinger Fysiske kendetegn Cellevæggens struktur Plantens struktur Blad og stængel Defraktionering
Cellulaser på cellulose
KVL opfindelse gør biomassen flydende! Enzymes: Celluclast and Novozym 188 (5:1) Mindre vand, mindre energi = lavere pris
Halm til ethanol der sker noget i Danmark Verdens største forsøgsanlæg til omdannelse af halm til ethanol står på Fynsværket Samarbejde mellem Elsam, KVL og Risø. Finansieret af EU.
Afgrøder & Dyrknigssystemer
Energiafgrøder hvilke krav stilles? Flydende biobrændsler: Højt sukkerindhold Nemt at udvinde forgærbart sukker Lagerfast og lave transportomkostninger (lavt vandindhold) Højt udbytte men også lavt energiforbrug og miljøbelastning Faste biobrændsler Lavt indhold af salte (aske) Gerne højt ligninindhold Højt udbytte men også lavt energiforbrug og miljøbelastning
Energiafgrøder 0-10 år Flydende biobrændsler Hvede Byg Rug En mindre men dog stigende andel af halm Helsæd Faste biobrændsler Halm Træ (fra skov)
Energiafgrøder 10-25 år Flydende biobrændsler Flerårige kornafgrøder Halm Helsæd Græsser f.eks Elefantgræs Faste biobrændsler Træ (fra skov) Energipil (fra mark) Græsser f.eks elefantgræs Sandsynligvis vil der komme krav om lavt energiforbrug (-kunstgødning) og reduceret anvendelse af sprøjtemidler
Ny kornart for biomasse processer Sorten Gasolina Højt stivelsesindhold +70% Høj andel af strå Lukker godt for ukrudt Mindre lignin i strået max 14% Ændring af hemicellulosen, substitution af C5 xylose med C6 mannose Reduceret proteinindhold max. 4% Ændret proteinsammensætning til en god madpakke for fermenterende organismer 20-40% højere C6 sukker og ethanol udbytte
Dyrkningssystemer 0-10 år Eksisterende systemer Helsæd 10-25 år Nye afgrøder Fokus på energiudbytte -lavt energiforbrug, pløjefri dyrkning? Helt nye dyrkningssystemer såsom CFE (combined food and energy). Samdrift af korn til foder, fødevarer og energi med elefantfræs og energipil Vi ved at vi allerede nu kan hæve energiudbyttet pr. ha med en faktor 3 ved at skifte til CFE systemer.
Bioenergi er isbryderen Bakteriel plastic polyhydroxyalkanoates
Biomasse lige midt i KVL Sustainability & Eco-system management CO2 inventory Multiple farming systems Biomass for Energy & Materials Policies & Economy of land utilisaton Major byproduct: Animal feed New energy crops (Planter på nye opgaver) Primary production of plant biomass
Biobrændsler i DK hvornår? Nu! ingen tekniske eller økonomiske hindringer. Det er et spørgsmål om politisk vilje.
Bioenergi kommer direkte fra solen
Ethanol fra stivelse Whole corn Hammer mill Slurry tank Jet Cooker Liguef action Enzymes Mash cooling CO 2 5% Gasoline Fresh water & 4 recycled water sources Yeast Propag ator Yeast Fermentation 200 proof Denatured ethanol DDG Syrup 200 proof ethanol Drum dryer Evaporators Molecular sieves Thin stillage Wet grain Centrifuge 190 Proof Ethanol Whole stillage Beer Three column distillation system Condensate
Biodiesel som transportbrændsel Ren Biodiesel (B100) or blandet med mineralsk diesel (B20, BXX). Rudolf Diesel brugte jordnødde oile. Få eller ingen ændringer af motorer Eksisterende leveringsnet kan bruges. Tilgændeligt nu Potentiale max. 10-15% af Europas forbrug