Syntetisk diesel vil si diesel som er kunstig produsert fra andre råstoffer. Konvensjonell diesel er fremstilt ved raffinering av råolje, dvs. at de ønskede fraksjoner av råoljen, i dette tilfellet diesel, blir utskilt i en raffineringskolonne. Syntetisk diesel må til forskjell produseres, og byggesteinene er karbonmonoksid og hydrogen. Disse komponentene reagerer i en reaktor kalt Fischer-Tropsch-reaktor (FT-reaktor), hvor en katalysator sørger for at hydrokarboner produseres. Det produseres i dag syntesegass fra både kull og naturgass som videre danner diesel i en FT-reaktor. I dag er det også mulig med trevirke som inngangsmaterialet, men også andre typer biomasse kan gassifiseres til CO og H2.
Søppel som inneholder hydrokarboner (noe som er tilfelle med det meste av søppelet vårt) er også mulig å gassifisere til syntesegass som reagerer i en FT-reaktor og danner diesel. Til forskjell fra biodiesel basert på raps eller andre energirike frø, er det mulig å basere syntetisk biodiesel på avfallsprodukter og trevirke, ressurser som har mye lavere kostnad enn for eksempel raps. Arealbruken konkurrerer ikke med jordbruksprodukter, og er også mer effektiv siden hele veksten utnyttes og ikke bare frøene.
Les mer om biomasse og biodrivstoff (på engelsk)
Hvorfor syntetisk biodiesel?
Syntetisk diesel kan fremstilles av naturgass, kull eller av biomasse. Biomasse dvs. biologisk materiale som inngår i det naturlige karbonkretsløpet bidrar ikke til økte utslipp av CO2. Dette kan eksemplifiseres ved bruk av trevirke. Forbrenning av tremasse fører til CO2-utslipp, men siden dette karbonet ble tatt ut av atmosfæren da treet vokste (ved fotosyntese), blir bidraget av CO2 til atmosfæren neglisjerbart.
Syntetisk diesel produsert av biomasse er derfor et viktig bidrag for å redusere de menneskeskapte klimagassutslippene. En fabrikk for produksjon av syntetisk diesel i Norge vil derfor bidra betydelig til at Norge kan nå Kyoto-målene. Syntetisk biodiesel er en fornybar ressurs som er tilgjengelig i dag. Syntetisk biodiesel kan benyttes i dag i alle dieselmotorer og kan behandles som vanlig konvensjonell diesel mht. til transport og tankanlegg. Den syntetiske dieselen er langt renere enn konvensjonell diesel, og slipper derfor ut mindre sot, partikler NOx og støv. I større byer som ofte har problemer med luftkvaliteten er dette en viktig fordel.
Syntetisk diesel kan produseres fra trevirke og derigjennom utnytte de ubrukte skogressursene som finnes i Norge. En syntetisk biodiesel fabrikk i Norge vil øke den norske kompetansen på området betraktelig, noe som vil være en viktig eksportvare i tiden som kommer, med mer fokus på biodrivstoff. Mange anlegg må bli bygd i EU, hvis målet på 5,75 % innen 2010 skal bli nådd. Norskprodusert syntetisk biodiesel kan derfor også bli en viktig eksportvare både som kompetanse og produkt. Med et mettet marked for papirprodukter i Norge er biodrivstoff en mulig alternativ anvendelse av trevirke, som gir økt sysselsetting i skogbruket i distriktene, reduserte klimagassutslipp, bedre luftkvalitet og bidrar til at Norge kan nå kyotoforpliktelsene.
Potensiale
Det er i dag en tilvekst i norske skoger på tre ganger så mye trevirke som det som utvinnes. Mye av denne skogen er ikke tilgjengelig til kommersiell bruk, men det er mye skog som råtner på rot, og som kunne ha blitt utnyttet. NVE hevder i en rapport at det er tilgjengelig et teknisk og økologisk potensial på 22 TWh i økt årlig utnyttelse av trebasert biomasse. Med en virkningsgrad på 40 % gir dette potensialet 880 millioner liter diesel, en tredjedel av det årlige salget av diesel. Papirfabrikken i Skien, Union, mottok 600 000 kubikk med tremasse hvert år, noe som tilsvarer om lag 1,3 TWh tremasse og kan dekke om lag en 2,5 % av dieselforbruket her i landet. Potensialet for syntetisk biodiesel er derfor stort og bør utnyttes. Regjeringen har sagt at de vil legge seg på samme linje som EU, og har derfor et mål om 5,75 % biodrivstoff innen 2010. For å nå dette målet må aktivitet iverksettes snarest. Choren, et tysk biodieselfirma, har trolig det konseptet som er nærmest en kommersialisering, og planelegger fem kommersielle anlegg i Tyskland med hver en produksjon på 200 000 tonn diesel i året.
Les mer om biomassepotensial og tremassens egenskaper (på engelsk)
Teknologi
Produksjon av syntetisk biodiesel skjer hovedsakelig i tre trinn; gassifisering, gassrensing og hydrokarbonproduksjon i FT-reaktor. Produktene er mange og med forskjellige egenskaper. Ofte vil de lettere hydrokarbonene bli ”resirkulert” og sendt tilbake for ny gassifisering. Dette avgjøres av produktets verdi og er en økonomisk og energetisk optimering. Hvorvidt det for eksempel er bruk for butan, eller den bør gassifiseres for å øke produksjonen av diesel avgjøres av verdien på diesel kontra butan. Trinnene fra produksjonen er vist under:
Gassifisering
Gassifisering er kjent teknologi og har noe utbredelse i strømproduksjon i flere land, som for eksempel vårt naboland Sverige. I strømproduksjon er fordelen en høyere vikningsgrad, siden det kan brukes gassturbin fremfor en dampkjel, noe som muliggjør langt høyere effektivitet. Gassifisering vil i prinsippet kun si at det blir dannet gass fra et fluid eller fast stoff. Dette oppnåes ved at biomassen utsettes for meget høy temperatur (500-1400°C), men for å forhindre total forbrenning av biomassen holdes oksygeninnholdet lavt.
Oksygen kan tilsettes som luft, damp eller ren oksygen. Det oppstår en delvis forbrenning hvor det blir dannet gasser, hovedsakelig CO, CO2, H2 og CH4, men også forurensninger som kalles tjære. Tjære er tyngre hydrokarboner som kan kondensere og skape problemer for nedstrømskomponenter, det er derfor viktig med gassrensing. En gassturbin tåler et meget lavt innhold av tjære i syntesegassen, men en FT reaktor tåler enda mindre og er svært følsom for forurensning. Gassrensing er derfor en av hovedutfordringene for kommersialisering av syntetisk biodiesel.
Gassrensing
Gassrensing er hovedutfordringen for kommersialisering av syntetisk biodiesel. Utfordringen ligger i å fremskaffe effektiv renseteknologi som ikke medfører for mye energitap, og som har stabil og forutsigbar drift. Rensigen består i fjerning av tjære, sot, støv, partikler og andre stoffer som NH3, HCl, H2S og HCN. Også organiske stoffer som benzen og toluen, samt flyktige metaller må fjernes. Først må tjæren fjernes, slik at konvensjonell gassrenseteknologi kan fjerne de resterende stoffene. Tjæren vil tette igjen oppstrøms renseutstyr hvis det ikke fjernes først.
Det er hovedsakelig tre metoder for gassrensing og fjerning av tjære:
- Termisk nedbryting
- Katalytisk nedbrytning
- Skrubbing
Mengden tjære bestemmes av biomassens egenskaper og av gassifiseringens utforming og spesifikasjoner. Den termiske nedbrytningen skjer ved at temperaturen økes tilstrekkelig til at all tjære oppløses og spaltes til mindre gasser som CO, CO2, H2 og CH4. Dette krever en temperatur i området 1300-1500°C. Ulemper er lav termisk virkningsgrad, sotdannelse og dyre materialer som kan tåle så høye temperaturer.
Katalytisk nedbrytning foregår ved hjelp av nikkel, alkali eller dolomitt, og består i nedbryting av tjære til CO og H2. Ufordelen ved termisk nedbryting unngåes, men teknologien er foreløpig ikke ferdig utprøvd, og høye kostnader på katalysatormaterialet er et problem.
Skrubbing forgår ved hjelp av et oljebasert løsningsmiddel som fanger opp tjæren. Tjæren vaskes så ut og sendes tilbake til gassifisering, slik at all energien i tjæren også utnyttes.
Etter at tjæren er fjernet er det fortsatt noen stoffer som ikke er heldig for FT reaktoren, slik som NH3, HCN, H2S, COS, HCl og flyktige metaller, støv og sot. Disse fjernes med konvensjonell lavtemperatur gassrensing, som er kjent teknologi. For FT-reaktoren er det meget viktig at den syntetiske gassen er ren siden forurensninger kan endre reaksjonsbetingelsene og verste fall stoppe hele prosessen med en ubrukelig reaktor som resultat.
Les mer om gassifisering og gassrensning (på engelsk)
FT-reaktor
FT-teknologien ble utviklet av Franz Fischer og Hans Tropsch i Fischers laboratorium i 1925. Målet var å produsere drivstoff fra de store kullforekomstene i Tyskland. Etter andre verdenskrig og de store oljefunnene med tilhørende lave oljepriser har interessen vært mindre, bortsett fra i Sør Afrika, som grunnet oljeembargo var nødt til å produsere drivstoff fra kull. Den senere tid har interessen for FT-teknologien økt i takt med økende oljepriser og redusert energisikkerhet. FT-teknologi i sammenheng med bruk av biomasse har også fått oppmerksomhet grunnet mer fokus på problemene knyttet til global oppvarming og forsyningssikkerhet.
En FT-reaktor reagerer CO med H2 ved hjelp av en katalysator, enten jern eller kobolt. Jern er billig, mens kobolt har større effektivitet og lengre levetid, men er om lag tusen ganger dyrere enn jern. Reaksjonen foregår ved 200-240°C, og det er viktig at temperaturen holdes konstant for å sikre optimale reaksjonsbetingelser. Dette er en utfordring ved større anlegg, siden omtrent 25 % av energien i syntesegassen blir frigjort som varme i reaksjonen. FT-reaksjonene kan forenkles slik:
Dette betyr at hydrokarbonkjeder, vann og energi dannes av syntesegassen ved hjelp av en katalysator. Nøyaktig hva som skjer på katalysatoren er et omstridt emne. CO festes til katalysatoren og reagerer med H2 dermed er kjedeutviklingen i gang.
Den videre kjedeutviklingen pågår helt til kjeden blir løst fra katalysatoren og danner enten et alkan eller alken. Karbonkjeden kan enten ta til seg en CH2-gruppe, eller ta opp en H2-gruppe og avslutte kjedeutviklingen. Karbonkjeden kan også avslutte veksten uten å ta opp en H2-gruppe, men blir da et alken. I modellering av FT-reaksjonen er sannsynligheten for videre vekst benevnt alfa, og er ofte rundt 0,85. Dette er vist i figuren under.
Sannsynligheten for kjedeutvikling, alfa, er bestemt av en rekke parameter som: temperatur, trykk, syntesegassens sammensetning, katalysatortype, katalysatorsammensetning og reaktordesign. For produksjon av diesel, som har karbonkjedelengde fra 13 til 20 er det viktig med en høy alfa, slik at det blir dannet mange lange karbonkjeder. De kjedene som er lenger enn de ønskede 20 atomene kan enkelt ”crackes” til kortere kjeder. Dette er kjent teknologi.
Forsøk på universitet i Wien med koboltkatalysator (TU-Wien) gir følgende produktfordeling:
Hvor vektprosent er langs y-aksen og antall karbonatomer er angitt langs x-aksen. Det er tydelig at mange forskjellige hydrokarboner blir produsert i FT-reaktoren. Lange hydrokarboner er ønskelig siden de kan enkelt brytes ned til kortere kjeder. De korte kjedene derimot må enten sendes tilbake til gassifisering eller ha en annen alternativ verdi. Det er viktig for lønnsomheten at hele produktspekteret kan utnyttes. Som forsøket i Wien viser utgjør den direkte andelen diesel (C13-C20) bare 30 % av produktene, men med nedbrytning av de lengre kjedene til diesel kan andelen bli nærmere 85 %.
Les mer om FT-teknologi (på engelsk)
Energibruk i fremstilling av syntetisk biodiesel
For å kunne forsvare en alternativ energibærer og energikilde, er det viktig at energibruken i fremstilling og transport er forsvarlig. Hvis det brukes mer diesel på å samle biomasse enn den mengde diesel som kan produseres av biomassen er det opplagt en dårlig energibærer. Det er derfor viktig å ha oversikten over energiregnskapet.
Figuren viser at det forbrukes 1,2 ganger så mye energi i produksjon av drivstoffet sammenlignet med energiinnholdet i drivstoffet. For å produsere 1 MJ drivstoff trengs med andre ord 2,2 MJ energi. Det meste av energien går tapt i omdannelsesprosessen som har en virkningsgrad på om lag 45 %. Som vi ser er energien som brukes på innsamling, hugging og oppdeling av tømmeret en beskjeden del av energiregnskapet, og mindre enn man kanskje skulle forvente.
CO2-utslipp og energibruk
For å kunne si noe om miljøfordelen må utslippene fra hvert ledd av produksjonen medregnes, samt bruken av drivstoffet. I såkalte kilde-til-sluttbruk-analyser blir alle ledd medregnet, og ved sammenligning av forskjellige energibærere kommer det tydelig frem hvor mye CO2 som slippes ut per kjørte meter med bil. Dette er viktig ved vurdering av nye energibærere. Som kjent produserer hydrogen bare vann ved forbrenning, men hvis hydrogenet er produsert av kull blir det totale regnskapet langt ifra miljøvennlig.
En kilde-til-sluttbruk-analyse vil avsløre de reelle konsekvensene fra aktuelle energibærer og energikilde. Under er noen energikjeder vist. Energien som er nødvendig for 100 km fremdrift er vist langs x-aksen. Her er alt fra gjødsling og trehugging til transport av råolje medregnet, med andre ord all energi som er nødvendig fra kilde til den ønskede tjeneste, som i dette tilfellet er transport. Langs y-aksen er drivhusgassutslippene fra bruk, produksjon og transport angitt. Det vil si utslippene av CO2, CH4 og N2O, alt omregnet til CO2-ekvivalenter.
Rød og blå firkant viser energibruk og utslipp for konvensjonell bensin og diesel. Tallene er hentet fra en EUCAR-studie. Tidsrammen er 2010, og drivstofforbruk er som for en 5 seter sedan (6,26 l/100 km) med et variert kjøremønster (by og land). Alle energikjedene benytter samme bil og kjøremønster, men med forskjellig drivstoff og motor. Det er tydelig fra figuren hvordan syntetisk diesel drastisk minker utslipp av drivhusgasser, men krever mer energi i fremstilling. Interessant er at biodiesel laget fra rapsfrø, noe som er nokså utbredt i Tyskland har en høy energibruk, og samtidig har høye CO2-utslipp. Dette skyldes bruk av store mengder gjødsel i produksjonen. Effektiviteten er lav siden det bare er frøene som utnyttes i motsetning til produksjon av syntetisk biodiesel hvor hele planten utnyttes. I tillegg konkurrerer rapsfrøene med matproduksjon i arealbruk. Det er derfor viktige forskjeller mellom forskjellige biodieselalternativer.
I figuren er også kjøretøy med brenselcelle som drives av hydrogen tatt med for å vise noen fremtidsscenarioer. Som figuren viser er energibruken lav, men når kilden er naturgass blir drivhusgassutslippene likevel bare halvparten av dagens kjøretøy fylt med diesel eller bensin. Da er hydrogen produsert av biomasse langt bedre, med samme energibruk, men langt lavere utslipp. Dette viser hvordan ikke bare drivstoffet avgjør hvorvidt det er miljøvennlig, men også hvordan det er produsert. Et kjøretøy med hybridmotor som benytter konvensjonell bensin er også angitt for å vise perspektivene mht forbedret effektivitet og lavere utslipp. Forbedringen er nokså beskjeden sammenlignet med en overgang til syntetisk biodiesel. Argumenter om miljøgevinsten ved hybridbil kan modereres til de faktiske forhold, og som figuren viser er ikke resultatet gode nok til å påberope seg store miljøgevinster. En overgang til syntetisk biodiesel kan derimot dokumentere en innsparing i CO2-utslipp på over 85 %.
Les mer om kilde-til-sluttbruk-kjeder relaterte resultater (på engelsk)
Økonomi
Syntetisk diesel er fritatt fra mineraloljeavgift og CO2-avgift av opplagte årsaker (ingen netto CO2 -utslipp), noe som gjør at en stor syntetisk diesel fabrikk vil kunne konkurrere med konvensjonell diesel på pris. Konvensjonell diesel er belastet med 3,70 kr per liter i avgifter (svovelfri). Dette blir et inntektstap for staten, men bidrar på den andre siden til økt sysselsetting som igjen fører til skatteinntekter ved siden av de øvrige nevnte fordelene. Kostnaden ved FT-diesel storskala produksjon er estimert i mange rapporter. Til nå finnes det ikke et kommersielt anlegg for syntetisk biodiesel, men det er ventet å komme den nærmeste tiden.
Båndbredden på noen kostnadsestimater er vist under, hvor grønn linje viser middelverdien for estimatene. Kostnaden ved konvensjonell dieselproduksjon summert med avgiften på svovelfri diesel er vist som stiplet linje. Produksjon av en liter konvensjonell diesel koster om lag 3 NOK/liter. Inkludert avgifter blir kostnaden som syntetisk biodiesel må konkurrere mot 6,7 NOK/liter
Det er tydelig ut ifra figuren at det er god økonomi i FT-dieselproduksjon så lenge avgiftsforskjellen på 3,70 kr per liter opprettholdes.
Antakelsene som ligger til grunn er storskala anlegg og nokså rimelig tilgang til biomasse, begge parametere som er meget viktig for økonomien i FT-dieselproduksjon. Betydninger av anleggets størrelse er vist under som blå linje. Produksjonskostnaden for konvensjonell diesel inkludert avgifter er vist som stiplet linje:
Anlegget bør være på minimum 150 MW for å kunne være konkurransedyktig med konvensjonell diesel. Den høye forbrenningskvaliteten på syntetisk diesel kan føre til en forhøyet markedspris, og dermed minke betydningen av kostnaden forbundet med konvensjonell diesel.
Viktigheten av lav kostnad på biomassen er betydelig, noe figuren under viser. Produksjonskostnaden for konvensjonell diesel inkludert avgifter er vist som stiplet linje:
Tilgang til store mengder biomasse og til gunstig pris er derfor en av hovedutfordringene for et FT diesel anlegg. For å kunne konkurrere med konvensjonell diesel produksjon i kostnader må biomassen helst være tilgjengelig for mindre enn 130 NOK/MWh, noe som tilsvarer omlag 280 NOK/sm3. For bedre økonomiske marginer vil trolig maksimal kostnad ligge rundt 200 NOK/sm3.
Effektiviteten til anlegget er også av betydning for økonomien. Det blir i dag oppgitt en virkningsgrad på vel 50 % som maksimum. Dvs. for hver kWh tremasse som går inn får vi en halv ut som diesel. De fleste studer på syntetisk biodiesel oppgir en virkningsgrad på omtrent 40 %. Betydningen for økonomien er vist i figuren under:
Med dagens teknologi og avgifter på konvensjonell diesel er det god økonomi i å produsere syntetisk biodiesel. De viktigste barrierene er tilgang til rimelig biomasse, og at det oppnåes garantier for anleggets brukstid og levetid. Det trengs erfaring med storskala drift av gassifisering, gassrensing og FT-reaktor.
Kilde: vessia_Version3-20-12-05 (NB! PDF, 1,5 MB)
