Techno-economic evaluation of integrated lignocellulosic ethanol production

Abstract: Popular Abstract in Swedish Syftet med studierna som presenteras i denna avhandling har varit att undersöka om fordonsetanol kan framställas på ett lönsamt och energieffektivt sätt från restprodukter från jord- och skogsbruk enligt svenska förhållanden. Mycket av den forskning som rör andra-generationens etanolproduktion går ut på att förfina och förbättra de separata delstegen i framställningsprocessen. Mitt bidrag har varit att sätta de experimentella resultaten från de separata delstegen i ett större sammanhang genom att undersöka hela framställningsprocessen. Dessutom har utsikterna att integrera det med omgivande industrier och samhälle och den möjliga tillgången på råvara och avsättning för biprodukter utvärderats. Människan har under lång tid kunna framställa etanol i form av vin och sprit från olika växter, så som druvor, vete och sockerrör. Redan de gamla grekerna och egyptierna kände till den ädla konsten att omvandla frukt till vin genom att låta fruktens socker få fermentera till etanol med hjälp av jäst. Så tidigt som 4000 före Kristus finns det indikationer på att alkohol avsiktligt framställts i nuvarande Armenien och Syrien. Etanol som fordonsbränsle introducerades bland annat av Henry Ford och Nicholas Otto som konstruerade motorer som kunde drivas på etanol. Henry Ford utnämnde etanol till framtidens bränsle och introducerade 1908 T-Forden som en av de första bilarna i världen som kunde drivas med olika bränsleblandningar –dåtidens flexi-fuelbilar. Mycket har hänt sedan dess i och med oljans storskaliga inträde och idag är det framförallt Brasilien och USA som producerar etanol som bilbränsle från sockerrör, majs och vete. Att producera etanol från grödor som kan användas för matproduktion ifrågasätts dock starkt, speciellt det faktum att åkermark som skulle kunna utnyttjas för matproduktion används för att producera energigrödor på. Frågan är då om det finns andra produkter än mat som kan användas till att framställa etanol? Ved och halm, så kallat lignocellulosamaterial (cellulosa, hemicellulosa och lignin), innehåller också socker. Därför skulle restprodukter från jord- och skogsbruk kunna utnyttjas till etanolframställning i syfte att ersätta fossilt bränsle utan att ta mer mark i anspråk. Detta skulle i så fall kunna leda till att restprodukter omvandlas till högvärdiga produkter, samtidigt som det bidrar till att minska växthuseffekten utan att tävla med dagens matproduktion. Ett biobränsle i vätskeform är även av stor vikt då det än så länge är ofördelaktigt för tunga transportfordon som skall färdas långa sträckor, så som flygplan och tankfartyg, att drivas med el från batterier. Skillnaden mellan att använda lignocellulosamaterial, ofta refererat till som andra generationens material (2G), och t.ex. majs och sockerrör (1G material) är att 1G material innehåller socker i form av sackaros och stärkelse, medan 2G material innehåller socker i form av cellulosa och hemicellulosa. I jämförelses med exempel stärkelse är cellulosa svårare att utvinna och bryta ner från växterna då det är mer bundet och skyddat av växtens lignin. Människor kan exempelvis lätt bryta ner frukt genom matsmältningsprocessen och omvandla fruktsockret till energi i kroppen; däremot kan en människa inte tillgodogöra sig socker från t.ex. grenar genom samma process. För att utvinna sockret från 2G material krävs därför mer förbehandling av materialet än för 1G material. För att frigöra cellulosan och hydrolysera det till enkla glukosmolekyler som sedan kan jäsas till sprit med vanlig bagerijäst behövs något som kan knäcka bindningarna mellan cellulosan, hemicellulosan och ligninet. Detta kan exempelvis göras genom att behandla material vid höga temperaturer, eventuellt i kombination med syra, och efterföljande enzymer för att hydrolysera sockret. Etanolen kan även framställas från sockret i hemicellulosan som dock framförallt innehåller sockermolekyler bestående av fem kolatomer (pentoser) till skillnad från glukosen som innehåller sex kolatomer (hexoser). Pentoserna kan normalt inte jäsas till etanol med vanlig bagerijäst; därför behövs en annan jäst för detta. Den producerade etanolen behöver sedan koncentreras, vilket görs genom destillation för att bortföra vatten som finns i lösningen. Mängden socker i form av hexoser i 2G material är ofta lägre än i 1G material vilket gör att en mer utspädd etanollösning erhålles i destillationen för 2G material, vilket kan leda till en ökad energiåtgång för att bortföra vattnet. Eftersom 2G materialet även innehåller lignin och hemicellulosa är det viktigt att dessa beståndsdelar också utnyttjas. Ligninet kan utnyttjas som bränsle för att skapa värme och el i processen och eventuellt överskott kan säljas som fast bränsle. Hemicellulosan kan eventuellt också fermenteras med en modifierad jäst eller användas för biogasproduktion för att användas som energi inom processen eller säljas. Förbehandling av material och de lägre etanolkoncentrationerna efter fermenteringen gör att produktionskostnaderna ökar för bland annat material och energi för en 2G process i jämförelse med en 1G process. Det är därför viktigt att hushålla med både råvara och energi för att minska kostnaderna i processen. Ju mer energieffektiv processen är desto mer av bioprodukterna (biogas, fastbränsle, fjärrvärme och el) som genereras i processen kan säljas och skapa ytterligare inkomster. Genom att kartlägga energiåtgången i processen och undersöka vilka strömmar som kan värmeväxlas med varandra kan energiåtgången minska i processen. Överskottsenergi från processen kan även användas till att generera fjärrvärme som kan integreras med befintligt fjärrvärmenät. Studier av optimering av processen genom exempelvis högre materialutnyttjande och tillgången av råvara har också undersökts för att undersöka om processen är ekonomiskt och miljömässigt försvarbar. Genom att studera och kartlägga 2G-processen kan olika koncept undersökas innan de realiseras i full skala. Koncepten kan variera beroende på tillgång på råvara och efterfrågan på biprodukter. Olika koncept kan därför vara olika lönsamma beroende på lokalisering, rådande marknad och även variera beroende på beräknad ekonomisk livslängd. Studierna kan därför fungera som indikationer på vilka koncept som är lönsamma, men även som återkoppling till de experimentella studierna, vari vissa steg kan visa sig vara allt för kostsamma och i behov av att ersättas med alternativa lösningar