Hvilke råvarer kan omsættes til biobrændstof? Henrik Hauggaard-Nielsen Mette Hedegaard Thomsen Erik Steen Jensen Afd. for Biosystemer Program for Bioenergi og biomasse 1000 kg halm/time IBUS anlæg: Elsam, Sicco, Risø, KVL, TMO

2006-9 Forskning vedrørende bæredygtig bioenergiproduktion Innovationsstudier Perspektiver for udvikling Virksomheders vækstbetingelser og innovationsevne Konverteringsteknologier Råvareegenskaber Forbehandling Enzymatisk hydrolyse Fermentering (ethanol, biogas, H2) Procesoptimering og styring Bioraffinaderikoncepter Sidestrømme Biopolymerer Materialer Foder Gødning Biomasseproduktion Multifunktionelle produktionssystemer Bioenergi i økologisk jordbrug Effekter af recirkuleret materiale Miljøeffekter Bæredygtighedsanalyser Samfundsøkonomi Livscyklusanalyse Energibalancer og -systemer

Biobrændstoffer Flydende eller gasformige brændstoffer til transport Råvarer: landbrugsafgrøder, træ, rest og affaldsprodukter Fremstilling: fermentering Karakteristik: vedvarende og CO2 neutral energi. ethanol, biodiesel, planteolier, biogas, biobrint eller fast brændsel (træpiller og briketter) “Biobrændstoffer” er flydende eller gasformige brændstoffer (bioethanol, biogas, biodiesel, planteolie, biobrint) til transportsektoren fremstillet især ved fermentering ud fra biomasse. Biomasse er organismer, der var levende indtil for kort tid siden samt deres metaboliske produkter. Landbrugsafgrøder og træ samt organiske affalds- eller restprodukter fra jordbrugsproduktion (fx halm og husdyrgødning), husholdninger (husholdningsaffald) og industri (melasse og slagteriaffald) er vigtige biomasseressourcer.  Biobrændstof er en vedvarende energibærer, da energikilden er solenergi lagret i biomasse i kemisk energi, især sukre. Da kulstoffet fornyligt er fikseret fra luftens kuldioxid ved fotosyntese, resulterer anvendelsen biobrændstoffer, i modsætning til olie, kul, naturgas, ikke i en nettoforøgelse af atmosfærens indhold af kuldioxid.   

Biomasse til konvertering Restprodukter: halm, roetop, savsmuld, husdyrgødning, melasse osv. Landbrugsafgrøder: korn, roer, kartofler, raps, kløvergræs, osv. Flerårige energiafgrøder: pil, el, poppel, elefantgræs, osv. Træ, træaffald Affald: agroindustrielt affald, husholdningsaffald, salm, osv.

Brugbare råvarer En stor andel af biomasse er sukkerarter/polysakkarider Udfordringer er at ”åbne” biomassen og gøre sukkermolekylerne tilgængelig for hydrolyse og mikrobiel fermentering Amylose (Stivelse) Cellulose (Lignocellulose)

amylase cellulase xylanase Mikroorganisme C6-sukre C5-sukre Stivelse og cellulose bliver skåret ned til glukose Hemicellulose til xylose Glukose kan forgæres med gær; xylose er stadig under udvikling Mikroorganisme

Bioethanol fra stivelse (kerner) Amylase Gær This slide shows a schematic flowchart of the starch based ethanol production using corn grain as an example. The starch content in corn can be easily hydrolyzed by enzymes to glucose, than it can be fermented to ethanol by yeast. Ethanol Hydrolyse Fermentering Destillering

Strukturen af lignocellulose Hemicellulose Cellulose Lignin C6 sukre (Hexoser) C5 sukre (Pentoser) Cellulose, like the starch consists of glucose monomers. However in contrast to the starch the cellulose is always surrounded by an other polysaccharide called hemicellulose. Hemicellulose consists of C5 sugars. In additional these polysaccharides are embedded in the polyaromatic lignin fraction, which acts like a glue between the two polymeric sugar compounds and represents a perfect barrier against hydrolysis. Due to this complex and compact structure of lignocellulose the ethanol production from corn stover and from lignocellulosic materials in general is more complicate, than from starch containing materials..

Bioethanol fra lignocellulose råvarer Forbehandling Cellulase Gær Among the three main components of lignocellulose cellulose - similarly to the starch - can be hydrolyzed to glucose monomer by enzymes and than it can be easily fermented to alcohol. Of course different enzymes are necessary for the hydrolysis of starch and cellulose and also the circumstances of the hydrolysis are different, but the main differece between the lignocellulose and the starch based technology is the pretreatment step. In corn grain the starch is easily available for the enzymes, but in the lignocellulose materials the cellulose is surrounded by the hemicellulose and lignin, and this compact structure protects the cellulose against hydrolysis. To enhance the enzymatic digestibility of the lignocellulosic material some kind of pretreatment is essential. Ethanol Hydrolyse Fermentering Destillering

Forbehandling af lignocellulose Hemicellulose Forbehandling af lignocellulose Cellulose Cellulose, like the starch consists of glucose monomers. However in contrast to the starch the cellulose is always surrounded by an other polysaccharide called hemicellulose. Hemicellulose consists of C5 sugars. In additional these polysaccharides are embedded in the polyaromatic lignin fraction, which acts like a glue between the two polymeric sugar compounds and represents a perfect barrier against hydrolysis. Due to this complex and compact structure of lignocellulose the ethanol production from corn stover and from lignocellulosic materials in general is more complicate, than from starch containing materials.. Lignin

Bioethanol fra lignocellulose råvarer Xylanase C5 Mikroorganisme? Forbehandling Cellulase Gær Hemicellulose Lignin Cellulose Among the three main components of lignocellulose cellulose - similarly to the starch - can be hydrolyzed to glucose monomer by enzymes and than it can be easily fermented to alcohol. Of course different enzymes are necessary for the hydrolysis of starch and cellulose and also the circumstances of the hydrolysis are different, but the main differece between the lignocellulose and the starch based technology is the pretreatment step. In corn grain the starch is easily available for the enzymes, but in the lignocellulose materials the cellulose is surrounded by the hemicellulose and lignin, and this compact structure protects the cellulose against hydrolysis. To enhance the enzymatic digestibility of the lignocellulosic material some kind of pretreatment is essential. C6 Ethanol Hydrolyse Fermentering Destillering

Råvarer og ethanol udbytte Potent. Aktuelt EtOH kg/ton Udbytte hkg/ha tons/ha Hvedekerne 400 100 4,0 Hvedehalm 520 250 70 1,8 Majskerne 410 2,9 Majshalm 560 60 1,5 Sukkerroe 480 600 7,2 Sukkerroetop 180 0,5 Kløvergræs 570 300 3,0

Ethanol og transportsektoren Råvarer Produk. (mio tons) Brændst. (mio tons) % af forbrug Halm – afbræ. 1,12 0,18 5 Halm – nedm. 1,64 0,26 7 Raps (frø) 0,47 0,15 4 Brak (øko korn) 1,29 Korn export 1,58 0,40 11 Sukkerroe -2004* 2,83 0,34 6 * leveret til fabrik; top ikke medtaget

IBUS bioraffinaderi Bioethanol Foder (30% protein) Tilsætninger: mikroorganismer mv. Foder (60% protein) Biomaterialer Kerner Bioplastik Kraft-varme Bigballer med helsædsafgrøder Biomasse Bigballer med halm Biobrændstof Damp El Varme El Husholdningsaffald Næringssalte Partnere: Elsam, Sicco, Risø, KVL og TMO Fossil energi

Perspektiver og forskningsbehov Udvikling, optimering og opskalering af biomassekonvertering til biobrændstoffer Udvikling af bioraffinaderi koncepter Egenskaber ved afgrøder/sorter – herunder design og test af nye dyrkningsmetoder og dyrkningssystemer Triple helix: Samspil mellem forskning, erhverv og politik