Framställning av syntetiska bio-drivmedel från förgasad biomassa : En studie i potentiell värmeintegration

Sammanfattning: Fossila bränslen har sedan de upptäcktes konkurrerat ut biomassa som den huvudsakliga energikällan. Framförallt i trafiksektorn har drivmedel som härstammar från fossil olja varit dominerande. Främst på grund av deras fördelar mot biomassan såsom tillgänglighet, pris, energidensitet och enkelhet att användas i en förbränningsmotor. Men dessa drivmedel innehåller kolatomer som inte längre är en del av det naturliga kretsloppet och vid förbränning leder detta till nettotillskott av koldioxid till atmosfären. Utsläpp av koldioxid utgör den största antropogena inverkan på den accelererande växthuseffekt världen upplever vilket kommer att medföra förödande klimatändringar. Det är mot den bakgrunden nödvändigt att istället framställa drivmedel från en förnybar källa, som innebär en koldioxidneutral förbränning, nämligen biomassa. Samtidigt måste även hänsyn tas till vilken typ av biomassa som används, produktion av biodrivmedel får inte konkurrera med livsmedelproduktion. Därför är det viktigt att ”träaktigt” biomassa används som råvara vilket inte utgör någon konkurrens. Ett lovande sätt att omvandla biomassa till drivmedel är via förgasning där biomassa upphettas tills dess att en gas erhålls, bland annat bestående av kolmonoxid, vätgas, metan och diverse spårämnen. Denna gas genomgår sedan rening och bearbetning där partiklar, tjäror, alkalimetaller och spårämnen renas till dess att gasen endast består av kolmonoxid och vätgas, kallat syntesgas (ofta förkortat som syngas). Syngasen kan sedan i en process omvandlas till en rad olika bränslen, såsom bensin och metan. När gasen renas och bearbetas uppstår stora mängder termisk överskottsenergi. Om anläggningen är fristående kan överskottsenergi inte nyttjas vilket innebär relativ låga verkningsgrader. Men om anläggningen integreras mot till exempel ett massa- och pappersbruk kan överskottsenergi komma väl till pass och på så vis erhålls högre verkningsgrader. I arbetet presenteras en sammanställning av renings- och bearbetningsmetoder. Utifrån denna sammanställning har åtta processlösningar simulerats i processmodellerings-programmet CHEMCAD. De åtta fallen som ingår i studien är för produktion av bensin, diesel, metanol och metan, samtliga med rening vid relativ låga temperaturer (kall gasrening) respektive vid relativ höga temperaturer (het gasrening). Utifrån simuleringsresultateten har det varit möjligt att genomföra en så kallad Pinch-analys där det är möjligt att grafiskt avläsa potential för värmeintegration mot ett typiskt massa- och pappersbruk. Slutligen har en utvärdering av samtliga fall gjorts utifrån olika verkningsgradsberäkningar. Klart står att möjligheterna till värmeintegration är stora, på användbara temperaturnivåer, och uppgår i vissa fall till nästan 40 MW för en 100 MWth–anläggning. Verkningsgraderna är definierade på fyra olika sätt vilket möjliggör djupare tolkning och utvärdering av resultaten men samtidigt kräver det en viss försiktighet från läsaren. Dock framgår det tydligt ur resultaten från verkningsgradsberäkningar att totala effektiviteten för processen kan öka med 10-tals procentenheter om värmeöverskotten tillvaratas.   Resultaten framhåller vikten av värmeintegration och indikerar samtidigt möjligheten till effektivare produktion av bio-drivmedel. Detta innebär med stor sannolikhet också ett ekonomiskt sundare alternativ som i sin tur ökar intresset för investeringar på förnybara bränslen. Investeringar av denna typ är en absolut nödvändighet för en hållbar drivmedelskonsumtion i framtiden.