Biomassa BJ90A1000 Luonnonvarat ja niiden prosessointi kemian- ja energiateollisuudessa Kimmo Klemola 27.04.2011 Teknillisen kemian laboratorio Lappeenrannan teknillinen yliopisto 1 Aluksi Former president of American Institute of Chemical Engineers (AIChE) Jeffrey R. Siirola at AIChE annual meeting in San Fransisco, November 2006: Sustainability and alternative energy will be major themes for the next generation of chemical engineers. 2 1
Perustavaalaatuisia olevia kysymyksiä Onko bio aina eko? Voimmeko lisätä biomassan käyttöä merkittävästi? Voimmeko tehdä sen kestävästi? Mihin rajalliset biomassavarat kannattaa käyttää? Onko aina ympäristöystävällistä korvata fossiilisia polttoaineita biopolttoaineilla? Voisiko tilanne olla joissain tapauksissa päinvastainen? Eli biopolttoaineita kannattaisi korvata fossiilisilla polttoaineilla? 3 Valaanrasvalamppuöljy Raakaöljyn ensimmäinen sovellus oli lamppuöljyn valmistukseen käytetyn valaanrasvan korvaaminen. 4 2
Puuhiilen valmistus Metallisulatot ja tiilenvalmistus tarvitsivat puuhiiltä, jonka valmistus aiheutti laajaa metsätuhoa. Kivihiili korvasi puuhiilen. 5 KESTÄVYYS 6 3
Kestävä kehitys Kestävyydestä Tämän sukupolven tarpeiden täyttäminen ei saa vaarantaa kykyä täyttää tulevien sukupolvien tarpeita. (Brundtlandin raportti 1987) 7 Kestävyydestä Vladimir Ivanovich Vernadsky, Biosfera, (1926) : Ihminen, yksin ihminen, rikkoo vakiintuneen järjestyksen. 8 4
Kestävyydestä Roger Revelle ja Hans Suess (1957) : Ihmiskunta toteuttaa maapallolla valtavaa koetta, jota ei olisi aiemmin voitu tehdä ja jota ei voi enää tulevaisuudessa toistaa. Muutaman vuosisadan aikana me siirrämme maaperästä ilmakehään ja meriin hiiltä, joka on sinne kertynyt satojen miljoonien vuosien aikana. 9 Kestävyydestä George Perkins Marsh, "Destructiveness of Man" (1864) : Ihminen on jo kauan sitten unohtanut, että hänelle annettiin vain käyttöoikeus maapalloon. Sitä ei annettu hänelle kuluttamiseen ja vielä vähemmän tuhlailevaan haaskaukseen. 10 5
Kestävyydestä Kestävyyden tulisi tarkoittaa toimintatapoja, joita voidaan jatkaa ikuisesti. Fossiili- ja ydinenergia eivät ole siis kestäviä. 80 90 % ihmiskunnan energiantarpeesta tulee näistä energianlähteistä. Sivilisaatiomme on siis 80 90-% kestämätön. (Professori Tad Patzek, Berkeleyn yliopisto, USA) Tämän vuosisadan lopussa fossiilienergiavarat alkavat olla loppuun poltettu. Sen seurauksena planeettamme saattaa olla lähes asuinkelvoton. (päätoimittaja Rudy M. Baum, Chemical & Engineering News, American Chemical Society) 11 Kestävyydestä Yhteiskunnan energiantarpeiden (myös liikenne) täyttämiseksi kestävästi: Kaiken energian tulee olla kestävää uusiutuvaa. Energia on siirrettävä ja käytettävä mahdollisimman tehokkaasti! 12 6
Kestävyydestä Väestönkasvu maapallolla tarkoittaa jokaiselle ihmiselle entistä pienempää kakun palaa. Rikkaat maat käyttävät luonnonvaroja luksukseen, köyhät maat hengissä selviämiseen. 13 Kestävyydestä Manuel Holopainen, Paraguayn viidakko (Ulkosuomalaisen tarina, Yle, 2004): Pitäisi löytää kultainen keskitie. Toisilla on liian vähän, toisilla liikaa. 14 7
Nobelisti Norman E. Borlaug: "Maailman ruoantuotannon tulee kaksinkertaistua seuraavan 50 vuoden aikana, jotta lisäsuut saadaan ruokituksi." 15 Lester Brown (1994) : On ironista, että pyrkiessämme tuottamaan itsellemme yhä enemmän vähennämme samalla maapallon kykyä pitää yllä elämää, myös ihmiselämää. Ympäristön sietokyvyn rajat ovat näkyvissä kaikkialla. 16 8
Energia ja talous Vain hullu tai ekonomisti voi uskoa jatkuvaan kasvuun rajallisella maapallolla. (Kenneth Boulding) 17 Professori Vaclav Smil (Kanada): Ihmiskeskeinen raakaainevarojen arvostaminen on varsin itsekästä. Katsomme olevamme maapallon herroja ja omistavamme sen eliökunnan ja biomassa- ja mineraalivarat. 18 9
Professori Vaclav Smil (Kanada): Sivilisaatioita on tuhoutunut aikojen saatossa ihmisen aiheuttamien ympäristömuutosten takia. Nyt teemme tällaista koetta koko maailman sivilisaatiolle. Mahdollisia asioita, jotka voisivat pahentaa ihmiskunnan tulevaisuuden näkymiä vielä nykyistä enemmän, ovat: Maailmanlaajuinen tarttuvan taudin epidemia. Geneettisesti muunnellun haitallisen organismin leviäminen. Ydinsota. 19 Tohtori Ted Trainer (Australia) : Nykyisenlaista kulutusta ei voida ylläpitää uusiutuvalla energialla. Kestävän kehityksen mukainen tulevaisuus ei ole mahdollista ilman, että materialistisesta kulutuksesta tingitään. Fossiilienergia tulisi korvata lähes täysin uusiutuvalla energialla, ja mikäli siihen ei kyetä, kestävän yhteiskunnan tulee vähentää energian käyttöään dramaattisesti. 20 10
Kestävä mies Lasse Nordlund (s. 1965) eli vuodet 1992 2004 Rautavaaralla omavaraistaloudessa. 21 Mahatma Gandhi The world has enough for everyone s need, but not enough for everyone s greed. 22 11
METSÄT 23 Suomalainen metsä 24 12
Sademetsä 25 Sademetsä 26 13
Trooppiset maatyypit 27 Mammuttipetäjä 28 14
Mammuttipetäjä 29 5-vuotias akasiametsikkö valmiina hakattavaksi 30 15
Akasiatukki 31 Eukalyptusmetsikkö Papua-Uudessa- Guineassa 32 16
Metsän raivausta ja kaskeamista 33 Metsien lannoitusta 34 17
Puupellettejä 35 Hakkuutähteet 36 18
Puuhiili ja metallivalimot koituivat monen metsän tuhoksi 37 PELLOT 38 19
FAO 39 FAO 40 20
Riisi 41 Vehnä 42 21
Maissi 43 Sokeriruoko 44 22
Rypsi 45 Palmuöljy 46 23
Palmuöljyplantaaseja 47 Varas palmuöljyplantaasilla 48 24
Neste Oilin palmuöljybiodiesellaitos Porvoossa 49 Biodiesellaitos, perinteinen vaihtoesteröinti 50 25
Etanolitehdas 51 Jatropha 52 26
Jatropha 53 MERI JA VESI 54 27
Leväöljy 55 Leväöljy ja leväöljybiodiesel 56 28
BIOMASSAN ERI KÄYTTÖKOHTEET 57 Etanoli elinkaaren CO 2 -päästöt 300.00 250.00 g CO2/km 200.00 150.00 100.00 Auton huolto Auton valmistus Polttoaine 50.00 0.00 Raakaöljystä bensiiniä Raakaöljystä dieseliä Puusta etanolia Maissista etanolia 58 29
Biodiesel elinkaaren CO 2 -päästöt 600.00 500.00 g CO2/km 400.00 300.00 200.00 Auton huolto Auton valmistus Polttoaine 100.00 0.00 Raakaöljystä bensiiniä Raakaöljystä dieseliä Puusta FTbiodieseliä Turpeesta FT-dieseliä Palmuöljystä NExBTLbiodieseliä Palmuöljystä VOMEbiodieseliä 59 Maakaasu/biokaasu elinkaaren CO 2 - päästöt 300.00 250.00 g CO2/km 200.00 150.00 100.00 Auton huolto Auton valmistus Polttoaine 50.00 0.00 Raakaöljystä bensiiniä Raakaöljystä dieseliä Paineistettu maakaasu, CNG Karjanlannasta biokaasua, CBG 60 30
Biokaasu Biokaasu lannasta tai yhdyskuntajätteistä tuotettuna on järkevä vaihtoehto. Mikäli tavoitellaan maksimaalista hyötyä hiilidioksidipäästöjen ja öljyn korvaavuuden kannalta, biokaasu kannattaa käyttää lämmitykseen tai sähköntuotantoon. 61 Biokaasu raakaöljynkulutuksen vähennys, miljoonaa L 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 Biokaasu lämmitysöljyn korvaajana Biokaasu hiilisähkön korvaajana *) prosessisähkö biokaasusta Biokaasu Biokaasu tieliikenteessä tieliikenteessä dieselin korvaajana dieselin korvaajana* 62 31
Biokaasu CO 2 -päästövähennys, miljoonaa tonnia 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 Biokaasu lämmitysöljyn korvaajana Biokaasu hiilisähkön korvaajana Biokaasu tieliikenteessä dieselin korvaajana Biokaasu tieliikenteessä dieselin korvaajana* *) prosessisähkö biokaasusta 63 Biomassavisiot kunnianhimoisia US Department of Energy (DOE) on asettanut seuraavat bioenergiatavoitteet vuodelle 2030: Biomassalla tuotetaan 5 % USA:n sähköstä. Biomassasta tuotetaan 20 % USA:n liikennepolttoaineista. Biomassasta tuotetaan 25 % USA:n kemikaaleista. Yllä oleva DOE:n tavoite on erittäin kunnianhimoinen, koska se vastaa noin 30 % nykyisestä Yhdysvaltojen öljynkulutuksesta ja merkitsisi biomassan nykyisen käytön viisinkertaistamista noin miljardiin kuivatonniin vuodessa. EU:lla samansuuntaisia tavoitteita. 64 32
Biomassa Biomassassa on fotosynteesin avulla valjastettua aurinkoenergiaa. Biomassassa on hiiltä, joka kiertää maapallon ekosysteemissä. Elolliseen aineeseen hiili lienee alun perin tullut tulivuorenpurkauksista. Hiilikierron lisäksi biomassan kasvun kannalta on tärkeä typpikierto, nitraattikierto. Typpeä tarvitaan mm. aminohappojen, elämän rakennuspalikoiden, valmistamiseen. Teollinen maatalous perustuu keinotekoiseen nitraattisyklin kiihdyttämiseen (NPK-lannoitteet), jonka mahdollisti saksalaisen kemian nobelisti Fritz Haberin vuonna 1909 kehittämä ammoniakkisynteesi. Ihminen käyttää maapallon biomassasta noin puolet. 30 miljoonaa muuta eliölajia loput. 65 Biomassan määrästä ja hiilikierrosta Puuta hakataan maailman metsistä 3,3 miljardia m 3 /vuosi. Maailman metsien kasvustossa on 359 GtC (miljardia tonnia hiiltä), josta vuosittain korjataan 1,12 GtC. Puutuotteisiin (valmisteisiin) on sitoutuneena 2 8 GtC ja hiilidioksidina ilmakehään vapautuu 0,98 GtC/vuosi. Puutuotteisiin siis akkumuloituu 0,14 GtC/vuosi. Metsämaahan on sitoutuneena 787 GtC. Metsänkorjuun jälkeinen metsänkasvu on 0,9 GtC, mutta maankäytön muutokset, kuten sademetsien hakkuut laidunmaiksi ja kaupungistuminen, lisäävät hiilidioksidin määrää ilmakehässä 0,9 GtC/vuosi. Fossiilisten polttoaineiden käyttö lisää hiilidioksidin määrää 6,3 GtC/vuosi. Fossiilisten polttoaineiden jäljellä oleva määrä on noin 20 000 GtC. Valtameriin sitoutuu 1,7 GtC/vuosi. Valtamerten pohjissa arvioidaan olevan suurin osa maailman ekosysteemin hiilestä, 40 000 GtC. Ilmakehässä on hiilidioksidia 780 GtC ja määrä kasvaa 3,38 GtC/vuosi, joka vastaa noin 1,5 ppm:n CO 2 -pitoisuuden nousua vuodessa. Edellä olevat hiilivirrat ovat mitattavissa tai laskettavissa. Tästä taseesta jää jäljelle 2,2 GtC/vuosi, jonka lasketaan sitoutuvan metsiin ja metsämaahan. 66 33
Biomassan määrästä ja hiilikierrosta (GtC) 67 Nitraattisyklin keinotekoinen kiihdyttäminen 1909 saksalainen kemisti Fritz Haber kehitti menetelmän ilman typen sitomiseksi ammoniakiksi fossiilisista polttoaineista saatavan typen avulla. Ammoniakista valmistetaan typpihappoa ja edelleen nitraatteja ja typpilannoitteita. Teolliset lannoitteet mahdollistivat teollisen maanviljelyn ja ruoantuotannon ja näin myös maapallon väestöräjähdyksen. Luontoon tuotu ylimääräinen nitraatti päätyy pilaamaan vesistöjä. Teollinen maatalous vastaa noin 70 % maapallon makeanveden käytöstä ja on syynä pohjavesivarojen hupenemiseen. 68 34
Lignoselluloosabiomassa Sisältää runsaasti selluloosaa, glukoosipolymeeriä, joka on vaikeasti hajotettavissa glukoosiksi, sekä hemiselluloosaa, joka on selluloosaa monimutkaisempi mm. glukoosia, ksyloosia ja arabinoosia sisältävä polymeeri. Näiden kahden sokeripolymeerin sitojana on ligniini, joka ei sisällä sokereita. Lignoselluloosabiomassaa on noin 50 % maailman biomassasta. Lignoselluloosabiomassan vuosituotanto on noin 10 50x10 12 kg. Lignoselluloosa- (tai puu)biomassa sisältää selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin lisäksi uuteaineita, suoloja, mineraaleja ja happoja. Puubiomassa sisältää: 15 25 % ligniiniä 23 32 % hemiselluloosaa 38 50 % selluloosaa 69 Biomassan vaihtoehtoiset käyttökohteet 70 35
Biomassan vaihtoehtoiset käyttökohteet Prioriteettijärjestys (subjektiivinen) ihmisen olemassaolon kannalta: ruoka, lämpö, paperi (tms) Koska paperia toistaiseksi tarvitaan ja siitä saadaan parempi hinta ja lämpöä saadaan vielä muualtakin, voidaan prioriteettilistalla paperi siirtää ennen energiaa. Tilanne voi tulevaisuudessa muuttua sekä muiden energialähteiden saatavuuden että paperin ja energian hinnan suhteen. Mihin kohtaan liikenteen biopolttoaineet tulisi sijoittaa? 71 Tieliikenteen polttoaineet ja biopolttoaineet Nestemäiset Bensiini Diesel Etanoli (1G/2G) Biodiesel (1G/2G) Metanoli (biometanoli (2G)) Biobutanoli (1G/2G) Kaasumaiset Metaani (maakaasu, biokaasu (2G), SNG, SNG (=synthetic natural gas, 2G)) Dimetyylieetteri (biodimetyylieetteri (2G)) LPG (liquid petroleum gas, öljynjalostuksen nestekaasu) Vety (biovety (2G)) Ilma (www.theaircar.com) Muut Sähkö (biosähkö (2G)) Häkäpönttöauto Toisen sukupolven biopolttoaineet tehdään biomassasta, joka ei kilpaile suoraan ruoantuotannon kanssa. 1G = ensimmäisen sukupolven, 2G = toisen sukupolven biopolttoaine. 72 36
Biopolttoaineiden kriteerit Teknistaloudellinen järkevyys Maatalouspolitiikka Työllisyys Energiahuoltovarmuus ja öljyriippuvuus, bioriippuvuus? Kasvihuonekaasujen päästöjen vähentäminen Ympäristöasiat: tehoviljelyn haitat, luonnon monimuotoisuus jne Eettiset kysymykset 73 Biopolttoaineiden etiikka VAI 74 37
75 76 38
77 Ensimmäisen sukupolven biopolttoaineet tehdään ruoasta Tällä hetkellä käytännössä kaikki liikenteen biopolttoaineet maailmassa tehdään ruoasta: Etanoli USA:ssa maissista Brasiliassa sokeriruo osta Euroopassa vehnästä, ohrasta ja sokerijuurikkaasta Biodiesel Kasviöljyistä rypsi-, rapsi-, soija- ja palmuöljy 78 39
Jos kaikki maailman ruoka, viini, viina ja olut autojen polttoaineiksi: Production quantity (1000 tonnes) Ethanol Biodiesel Ethanol Biodiesel L/ton L/ton Billion L Billion L Wheat 559973 357.7 200.29 Rice (Milled Equivalent) 389137 317.6 123.59 Barley 141335 387.5 54.76 Maize 640871 384.6 246.49 Rye 14662 317.6 4.66 Oats 26415 317.6 8.39 Millet 33248 100.0 3.32 Sorghum 59621 86.0 5.13 Cereals, Other 20800 300.0 6.24 Cassava 190185 100.0 19.02 Potatoes 315287 116.8 36.83 Sweet Potatoes 129533 125.0 16.19 Yams 39553 100.0 3.96 Roots, Other 17886 100.0 1.79 Sugar Cane 1349476 70.0 94.46 Sugar Beet 230355 86.7 19.97 Vegetable Oils 106983 117.92 Fruits - Excluding Wine 488531 117.00 57.16 Wine 27181 112.09 3.05 Beer 139633 50.42 7.04 Beverages, Fermented 27269 50.42 1.37 Beverages, Alcoholic 20671 350.41 7.24 Total ethanol, billion L 920.95 Total biodiesel, billion L 117.92 79 Kaikki maailman ruoka, viini, viina ja olut autojen polttoaineiksi: 40,3 % maailman autojen polttoaineenkulutuksesta Kaikki maailmassa käytetty puu autojen polttoaineiksi (selluetanoli): 16,7 % maailman autojen polttoaineenkulutuksesta Kaikki maailmassa tuotettu ruoka, viini, viina, olut ja puu autojen polttoaineiksi: 57 % maailman autojen polttoaineenkulutuksesta 80 40
Maailman polttoainetuotanto Bensiini 1059 Mt (miljoonaa tonnia) (2006) Diesel 814 Mt (2006) Etanoli 36,2 Mt (2005) Brasilia 35 % USA 35 % Muut 30 % Biodiesel 2,3 Mt (2005) Ranska 44 % Saksa 22 % Italia 17 % Muut 17 % Etanolin ja biodieselin tuotanto on kasvanut voimakkaasti vuoden 2005 jälkeen ja kasvun ennustetaan jatkuvan. 81 Biopolttoaineet Suomessa Altia on päättänyt rakentaa Suomeen ohrasta polttoaine-etanolia valmistavan tehtaan. Tuotannon kaavaillaan menevän Neste Oilin tehtaille, jossa siitä valmistetaan bensiinioksygenaatti etyylitertbutyylieetteriä eli ETBE:ä. Toinen ohraetanolitehdas on suunnitteilla Punkaharjun seudulle. Sokerijuurikasetanolitehtaita on suunnitteilla Huoltamoketju ST1 on rakentanut pieniä esimerkiksi elintarviketeollisuuden jätteitä hyödyntäviä etanoliyksiköitä Suomeen. Suomessa etanolia on käytetty 98-oktaanisen bensiinin lisänä kokeiluluonteisesti vuosina 2002 2004. Nykyään bensiinissä voi olla 5 % etanolia, joka on todennäköisesti brasilialaista sokeriruokoetanolia tai ST1:ltä tankattaessa voi olla myös kotimaista. Biodieseliä valmistetaan pienimuotoisesti kasviöljyistä. Isompiakin kotimaista raaka-ainetta hyödyntäviä tehtaita on suunnitteilla. Neste Oil on rakentanut Porvooseen yhden suuren ja rakentaa toista biodieseltehdasta. Pääraaka-aine on palmuöljy. UPM ja Stora Enso/Neste Oil ovat ilmoittaneet aloittavansa toisen sukupolven biodieselin valmistamisen puuperäisestä biomassasta. VAPO suunnittelee turvebiodieselin valmistusta. UPM ja Lassila&Tikanoja suunnittelevat etanolin valmistamista jäteraakaaineista. 82 41
Etanolia viljakasveista Vuonna 2011 käytännössä kaikki maailmassa valmistettava liikenteen bioetanoli tehdään vielä ruoasta: viljasta, maissista ja sokeriruo osta. Etanolin tuotanto maissista sisältää seuraavat vaiheet: maissinjyvät tärkkelys glukoosi etanoli Glukoosin fermentoinnissa 49 % kuivamassasta poistuu hiilidioksidina. Sokeri- ja tärkkelyskasvien fermentointiprosessit ovat kehittyneitä. Näillä kasveilla on kuitenkin myös ravintoarvoa. Peltobiopolttoaineiden laajamittainen tuotanto aiheuttaisi kilpailutilanteen ruoan ja energian välille, mikä nostaisi ruoan hintaa. Ruoan polttaminen etanolina autojen tankeissa on myös hankala poliittinen ja eettinen kysymys. Viljapohjainen etanoli ei vähennä hiilidioksidipäästöjä ja fossiilienergian käyttöä. Paljon riippuu selluloosapohjaisesta etanolista, jonka tuotantoprosessit eivät ole kuitenkaan vielä kypsiä laajamittaiseen tuotantoon. 83 Etanolia viljakasveista Ruoka ja autot: 1 kg ohraa (ihmisten ruoka) tuottaa 0,25 kg etanolia (autojen ruoka) 0,25 kg rehua (eläinten ruoka) 0,5 kg CO2 Ruoka ja autot: Maailma tuotti vuonna 2001 viljaa 2000 miljoonaa tonnia. 330 kg ihmistä kohti. Vilja tuotti 80 % ihmisten ravinnon tarpeesta. Keskiverto suomalaisauto, joka toimii etanolilla, tarvitsisi vuosittain viljaa 4800 kg. Keskiverto USA:n auto tarvitsisi 8200 kg viljaa vuodessa. 84 42
Viljan käyttö energiaksi raakaöljyn korvaavuus Raakaöljyn käyttö vähenee, litraa/1000 kg ohraa 600 500 400 300 200 100 0 Ohra korvaa lämmitysöljyä Ohraetanoli korvaa bensiiniä 85 Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Selluloosaetanoli (tai lignoselluloosaetanoli tai selluetanoli) on ns. toisen sukupolven biopolttoaine eli se valmistetaan biomassasta, joka ei ole ruokaa tai kilpaile suoraan ruoantuotannon kanssa. Selluloosaetanolin raaka-aineita voivat olla maatalousjätteet, puu ja puunkorjuutähteet, heinäkasvit sekä yhdyskuntajäte. Raaka-aine on edullista, mutta tuotantokustannukset ovat este laajamittaiselle selluloosaetanolituotannolle. Teknologia alalla menee kuitenkin vauhdilla eteenpäin. Ensimmäinen teollinen puuetanoliprosessi oli Yhdysvalloissa 1910-luvulla. Tonnista kuivaa puuta saatiin 65 85 kg eli 82 108 litraa etanolia. Tonnista kuivaa puuta arvioidaan saatavan nykyään noin 250 litraa etanolia. Tuotantoteknologia on haastava mm. hydrolyysivaiheessa syntyvien etanolikäymistä hidastavien sivutuotteiden takia. Lignoselluloosabiomassalle parempaakin käyttöä(?): Paperi Sähkö, lämpö Kemikaalit Jättää luontoon tai peltoon (luonnon monimuotoisuus, eroosion välttäminen) 86 43
Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Tonni kuivaa biomassaa tuottaa teoreettisesti pelkästä heksoosifraktiosta (C6-sokerit) 410 L etanolia, ja jos kaikki sokerit (myös pentoosit eli C5-sokerit) otetaan mukaan teoreettinen etanolisaanto on 455 L. Monomeerisokerien tuottaminen lignoselluloosasta on huomattavan hankalaa verrattuna sokerien tuottamiseen sokeri- ja tärkkelyspitoisista viljelykasveista kuten sokeriruo osta tai maissista. Vaikka lignoselluloosabiomassaa on huomattavasti edullisempi tuottaa kuin sokeri- tai viljelyskasveja, ei sokerien tuottaminen etanoliprosessia varten toistaiseksi ole ollut taloudellisesti järkevää. Selluloosabiomassan muuntaminen etanoliksi vaatii neljä pääprosessivaihetta: esikäsittely (biomassasta polymeerisiä sokereita) hydrolyysi (monomeerisokereita) fermentointi (etanoli) puhdistus (puhdas etanoli, tislaus, molekyyliseulat) 87 Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Esikäsittely Ennen varsinaista hydrolyysiä biomassa täytyy esikäsitellä, jotta happo tai entsyymit pääsisivät tehokkaammin vaikuttaman selluloosaan. Esikäsittely voi olla joko termistä tai kemiallista. Esikäsittelyssä suurin osa hemiselluloosasta hydrolysoituu liukoisiksi sokereiksi ja jäykkä ligniinin ja selluloosan rakenne avautuu helpottaen näin hydrolyysiä. 88 44
Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Hydrolyysivaihtoehdot (selluloosasta sokereita): Laimeahappohydrolyysi Väkevähappohydrolyysi Entsymaattinen hydrolyysi 89 Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä 90 45
Laimeahappohydrolyysi Laimeahappohydrolyysi on vanhin menetelmä etanolin valmistamiseksi lignoselluloosabiomassasta. lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Hydrolyysi laimealla hapolla hemiselluloosan hydrolysaatti Neutralointi etanoli Tislaus Fermentointi 91 Laimeahappohydrolyysi Vuonna 1898 Saksassa kehitettiin laimeahappohydrolyysiin perustuva prosessi, jossa etanolin saanto oli 76 litraa puubiomassatonnia kohti. Varsin pian saksalaiset olivat jo kehittäneet prosessin, jossa etanolin saanto oli 189 litraa puubiomassatonnia kohti. Laimeahappohydrolyysiprosessista saatava sokeripitoinen liuos fermentoidaan etanoliksi. Ligniini joko poltetaan prosessihöyryn tuottamiseksi tai siitä tuotetaan erikoiskemikaaleja kuten dispergointiaineita, rehun sideaineita, sementin lisäaineita ja maan stabilointiaineita 92 46
Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Väkevähappohydrolyysi Tunnettu jo vuodesta 1883. Ollut teollisessa käytössä vain Neuvostoliitossa ja Japanissa ja niissäkin se oli kilpailukykyinen ainoastaan kriisiaikoina. Selluloosaa käsitellään ensin väkevällä hapolla (esimerkiksi rikkihappo), jolloin vetysidokset hajoavat ja selluloosasta tulee amorfista ja geelimäistä. Selluloosa on tällöin helppo hydrolysoida sokereiksi laimealla hapolla. Sokerien saanto on käytännössä täydellinen. Happo täytyy erottaa sokereista, ottaa talteen ja väkevöidä. Nämä prosessivaiheet ovat taloudellisuuden kannalta kriittisiä. Merkittävä kehitysaskel on ollut sokerien ja hapon kromatografinen erotus, joka saattaa mahdollistaa taloudellisen prosessin tulevaisuudessa. Lignoselluloosan väkevähappohydrolyysissä syntyy sokerien ja rikkihapon seos, josta rikkihappo on erotettava ennen fermentointia etanoliksi. Tämä vaihe on prosessin taloudellisuuden kannalta pullonkaula. Rikkihappo on jouduttu erottamaan kalkilla (Ca(OH) 2 ) kipsiksi (CaSO 4 ) saostamalla. Tämä menetelmä on sekä happoa että kalkkia tuhlaava ja synnyttää jätteenä kipsikasoja. Jäljelle jääneet sokerit voidaan fermentoida etanoliksi. 93 Väkevähappohydrolyysi väkevä happo laimea happo lignoselluloosa Esikäsittely Selluloosan liuotus Hydrolyysi kiintoaine hemiselluloosan hydrolysaatti Neutralointi etanoli Tislaus Fermentointi 94 47
Väkevähappohydrolyysi 95 Etanolia biomassasta: puusta, oljista, heinistä ja jätteestä Entsymaattinen hydrolyysi Biomassan entsymaattisessa hydrolyysissä entsyymit korvaavat hapon selluloosan hydrolyysivaiheessa. Tämä parantaa prosessin energiataloudellisuutta. Edistyneimmissä prosesseissa entsymaattinen hydrolyysi ja syntyneiden lukuisten erilaisten sokerien fermentointi on yhdistetty käytännössä yhdeksi prosessiksi. Kun hydrolaasientsyymit tuottavat sokereita, käymisen aikaansaavat organismit alkavat välittömästi fermentoida sokereita etanoliksi. Sellulaasientsyymin kehitys sai alkunsa, ironista kyllä, tarpeesta estää entsymaattinen hydrolyysi. Toisen maailmansodan aikana Yhdysvaltain armeijalla oli viidakoissa ongelmia, kun sotilaiden vaatetus ja kaluston luonnonmateriaaleista tehdyt osat alkoivat hajota. Hajonneista materiaaleista eristettiin nykyisten selluloosaentsyymien esiäiti. Entsymaattisessa hydrolyysissä on ongelmana mm. entsyymien kalleus ja se, ettei entsyymejä saada talteen prosessissa. Entsyymien hinta on laskenut viime vuosina huomattavasti. Itse teknologia on jo varsin pitkällä. Tunnetuin alan toimija on kanadalainen Iogen. 96 48
Entsymaattinen hydrolyysi erillinen hydrolyysi ja fermentointi Entsyymien tuotanto lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Selluloosan entsymaattnen hydrolyysi kiintoaine hemiselluloosan hydrolysaatti selluloosan hydrolysaatti Fermentointi Etanolin talteenotto 97 Entsymaattinen hydrolyysi yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi lignoselluloosa Esikäsittely laimealla hapolla Entsyymien tuotanto Kiintoaineen käsittely hemiselluloosan hydrolysaatti Yhdistetty hydrolyysi ja fermentointi (SSF) Etanolin talteenotto 98 49
Etanolia synteesikaasusta fermentoimalla tai katalyyttisesti Coskatan prosessi 99 Coal Natural gas Oil Heavy oils Waste biomass Woody biomass Black liquor Peat Waste (e.g. tyres) SYNTHESIS GAS Diesel Gasoline Methanol Ethanol Hydrogen Dimethyl ether Chemicals SNG Electricity 100 50
Fischer Tropsch-biodiesel Kaasutetaan biomassa hiilimonoksidiksi ja vedyksi, jotka reagoivat Fischer Tropsch-katalyyttien läsnä ollessa hiilivedyiksi. Halutuin hiilivetyfraktion on dieselfraktio. Ongelma on, että syntyy myös naftaa, kerosiinia, kevyitä hiilivetyjä ja vahoja. Prosessin kehittivät saksalaiskemistit Franz Fischer ja Hans Tropsch 1920-luvulla. Saksan polttoaineesta 1940-luvulla osa valmistettiin Fischer Tropschsynteesillä kivihiilestä. Etelä-Afrikka valmisti apartheidin aikana polttoaineensa Fischer Tropschsynteesin avulla kivihiilestä. Saksalainen Choren on johtava Fischer Tropsch-biodieselprosessin kehittäjä. VTT kehittää Fischer Tropsch-synteesiin perustuvaa biodieselprosessia. Syksyllä 2006 UPM Kymmene ilmoitti rakentavansa sellutehtaiden yhteyteen Fischer Tropsch-biodiesellaitoksia. Maaliskuussa 2007 Stora Enso ja Neste Oil ilmoittivat yhteistyöstä Fischer Tropsch-biodiesellaitoksien rakentamisessa. Vapon turvediesel hanke perustuu myös Fischer Tropsch-synteesiin. 101 Synteesikaasu lämmöksi -prosessi Amerikkalainen kemisti-insinööri Robert Rapier kertoo kehittäneensä mullistavan synteesikaasureaktioon perustuvan prosessin: Muodostunut synteesikaasu (CO + H 2 ), toisin kuin muissa synteesikaasuprosesseissa, reagoi välittömästi hapen kanssa. Prosessi on huomattavan tehokas eli jopa 95 % verrattuna muiden prosessien noin 50 % tehokkuuteen. Prosessi vähentää hiilidioksidipäästöjä ja öljynkulutusta huomattavasti muita prosesseja enemmän. Prosessin investointi- ja käyttökulut ovat huomattavan matalat. Pääreaktorin hinta on jopa alle 300 euroa. Ohessa pääreaktorin kuva: 102 51
103 700 Puun käyttö energiaksi raakaöljyn korvaavuus Öljynkorvaavuus, litraa/tonni kuivaa puuta 600 500 400 300 200 100 0 Puuetanoli korvaa bensiiniä Fischer- Tropschpuubiodiesel korvaa dieseliä Puupelletti korvaa öljylämmitystä Hake korvaa öljylämmitystä Kotitarvehalot korvaavat öljylämmitystä 104 52
Häkäpönttöautot 105 Häkäpönttöautot elinkaaren CO2päästöt 600.00 400.00 Auton huolto Auton valmistus Polttoaine 300.00 200.00 100.00 Turpeesta "puukaasua" Puusta puukaasua Raakaöljystä dieseliä 0.00 Raakaöljystä bensiiniä g CO2/km 500.00 106 53
Suomen maa-ala ja bio varat Peltoa 2,2 miljoona hehtaaria Metsää 22,93 miljoona hehtaaria Puuta 2190 miljoonaa m 3 Vuotuinen kasvu 97,1 miljoonaa m 3 Vuotuinen kestävä hakkuumäärä 71,0 miljoonaa m 3 Hakkuutähteitä voidaan käyttää lisäksi 7,7 miljoonaa m 3 Puuta käytetään Suomessa nykyisin: 60 miljoonaa m 3 kotimaista 20 miljoonaa m 3 tuotua kokonaiskäyttö ylittää kestävän kasvun Suota 8,92 miljoona hehtaaria 4800 Mt C hiiltä Suomen soissa (423 Mt puustossa) 4 Mt C/vuosi hiiltä sitoutuu Suomen soihin ( Vapo ) (19,5 Mt C puustoon) 1,7 Mt C/vuosi turvekäyttö (16 Mt C puun) 107 Suomen suot Suomessa on kuivatettu suota metsätalouskäyttöön 5,4 miljoonaa hehtaaria kuivatettu suota maatalouskäyttöön 0,7 miljoonaa hehtaaria [1] Luonnontilaista suota on 4 miljoonaa hehtaaria.[2] Suomen soiden hiilitase (Mt C/vuosi) [3] [2]: Turpeen poltto 2,54 Kuivatetun suon päästöt 2,48 Luonnontilaisiin soihin sitoutuu 0,42 Summa summarum suot aiheuttavat 4,60 Mt C/vuosi päästön. [1] Laine Jukka, Savolainen Ilkka, Kirkinen Johanna, Uutta tietoa energiaturpeen tuotannon suuntaamiseen, Bioenergia, 04.04., No. 2, 2008. [2] Minkkinen Kari, Laine Jukka, Turpeen käytön kasvihuonevaikutusten lisätutkimuskartoitus, raportti, kauppa- ja teollisuusministeriö, Helsinki, 2001. [3] Tilastokeskus. 108 54
Biojalostamot Biomassaa voidaan käsitellä öljynjalostamoiden tapaan biojalostamoissa, jotka tuottavat liikennepolttoaineita, kemikaaleja sekä lämpöä ja sähköä. Biojalostamo voi olla lignoselluloosabiomassasta etanolia, sähköä ja kemikaaleja valmistava laitos, mutta se voi olla myös Fischer Tropsch-polttoaineita, sähköä ja kemikaaleja valmistava laitos. Fischer Tropsch-prosessissa kemikaalit olisivat tyypillisiä synteesikaasusta valmistettavia bulkkikemikaaleja, kuten metanoli ja ammoniakki. Etanolivaihtoehdossa kemikaalit olisivat erikoiskemikaaleja. 109 Biojalostamot USA:n Department of Energy (DOE) ja. National Renewable Energy Laboratory (NREL) ovat listanneet selluloosaetanolibiojalostamon 12 lupaavinta kemikaalia: meripihkahappo 2,5-furaanidikarboksyylihappo 3-hydroksipropionihappo asparagiinihappo glukaarihappo glutamiinihappo itakonihappo levuliinihappo 3-hydroksibutyrolaktoni glyseroli sorbitoli ksylitoli Osaa näistä valmistetaan jo teollisesti biomassasta. Esimerkiksi ksylitoli on ollut Suomessa jo pitkään tuotannossa. 110 55
Biojalostamot Tulevaisuuden biojalostamossa lignoselluloosaraakaaineesta (puu, olki jne.) jalostetaan polttoaineita ja kemikaaleja. Etanolin tuottaminen biomassasta tullee olemaan biojalostamon ydin. Konsepteja on monia, joista mainittakoon lignosellulloosapohjaiseen etanolin tuotantoon perustuva ja koko maissi- tai vehnäkasvia hyväksi käyttävä biojalostamo. Ligniinin mahdollisia korkeamman jalostusarvon tuotteita voisivat olla esimerkiksi antioksidantit ligniinipohjaiset hartsit bensiinin oktaania kohottavat lisäaineet. 111 56