Introduktion til bioethanol

I Skærbæk ved Fredericia står DONG Energys demonstrationsanlæg til bioethanolproduktion. Anlægget er blevet til i et større europæisk samarbejde og DONG Energy har sammen med forskere ved Det Biovidenskabelige Fakultet, KU (tidligere Den Kgl. Veterinær- og Landbohøjskole) og Forskningscenter Risø skabt konceptet IBUS – Integrated Biomass Utilisation System. Demonstrationsanlægget skal prøve IBUS konceptet af i praksis, for at undersøge om det reelt kan fungere i stor skala.

At systemet er integreret, betyder, at det indeholder flere trin og processer, som er kombinerede til et sammenhængende hele. Her skal vi kort se på IBUS systemet som helhed for dermed at forstå fordelene ved at bruge et sådant sammenkoblet system. I næste afsnit gennemgås hvert trin separat, hvorved du vil forstå den kemi og bioteknologi, som skal til for at omdanne halm til bioethanol og andre nyttige produkter.

I et integreret procesanlæg som IBUS anlægget kan flere forskellige biomasser indgå (korn, halm og organisk affald) som udgangsstoffer og omdannes til tre primære produkter, nemlig bioethanol, melasse til dyrefoder og en fiberrest; se Figur 6. Fiberresten, også kaldet fast biobrændsel, bruges løbende til elproduktion ved fyring i et kraftværk. Hele processen sker i én koblet proces, som inkluderer tilførsel af biomasse, diverse procestrin til bearbejdning og omdannelse heraf og endelig klargøring af de tre produkter. Det primære produkt i relation til dette projekt, bioethanolen, fås ved at destillere efter at gær har levet på den nedbrudte halm. Meget mere om det i de kommende afsnit.

Figur 5. Det samlede IBUS demonstrationsanlæg (DONG Energy 2006).

 

Det er vigtigt at bemærke muligheden for at bruge et antal forskellige udgangsstoffer og samtidig trække flere end ét produkt ud af systemet. Dette er kendetegnende for såkaldte bioraffinaderier, som du kan læse mere om til slut i afsnittet konklusion og perspektiver. Ved at kunne kombinere forskellige udgangsstoffer til IBUS anlægget får anlægget bredere anvendelsesmuligheder i forhold til at bruge organiske affaldsprodukter. Hermed haves endnu et aspekt i forhold til at kalde processen integreret. Ved at sammenkoble, eller integrere, et bioraffinaderi og et kraftværk spares der energi. Samtidigt kan man opnå synergieffekter ved sideløbende brug af teknologierne til første- og andengenerations bioethanol. Ingeniøren, som styrer processen, er ligeledes mindre afhængig af, hvilke biomasser der er til rådighed på et givent tidspunkt. Det kunne jo f.eks. tænkes, at der er en variation i tilgængeligheden af halm henover året. En anden meget væsentlig fordel er, at man, med et integreret system til udnyttelse af energikilder, kan spilde mindst mulig energi. Ressourcerne, altså udgangsstofferne, udnyttes så godt som det er muligt, hvormed mest mulig af den bundne kemiske energi overføres til nyttig energi i produkterne. Det er indlysende, at det er godt for miljøet at optimere brugen af ressourcer sådan.

Figur 6. Skematisk billede af den samlede integrerede proces fra halm til bioethanol i IBUS andengenerations bioethanol anlæg. (DONG Energy 2006).

Som substrat (et andet ord for udgangsstof) i bioethanolproduktion kan anvendes et antal forskellige biomasser fra planteriget. Hvilken type biomasse, man anvender, vil afhænge af priser og tilgængelighed som nævnt ovenfor. Fællesnævneren for de mulige biomasser er indholdet af kulhydrater, i modsætning til biomasser med overvejende protein- og fedtindhold; f.eks. vegetabilske olier, animalske produkter og fedtaffald. Korn, majs og sukkerrør anvendes i dag flere steder i verden til produktion af bioethanol; f.eks. i Brasilien og USA. Disse biomasser karakteriseres ved at indeholde tilgængelige kulhydrater, som relativt let kan udtrækkes og omdannes af mikroorganismer til ethanol ved fermentering. Anlæg, der bruger substrater af denne type, kaldes førstegenerations bioethanolanlæg. I brugen af majs og sukkerrør er det kun majskornet hhv. det sukkerholdige indre af sukkerrøret, der anvendes, mens resten af planten er affald. Majskornet indeholder kulhydraten stivelse, som er et polysakkarid af glukose. I fagsprog er stivelse en polymer af α-1,4’-glycosidforbundne D-glukose-monomerer. Mere om dette lidt senere.

Tabel 1: Kort beskrivelse af fire forskellige biobrændsler.

BrændelKemisk indholdKildeErstatter
BiogasPrimært methanGylle, halm, fedtaffald, græsser, valle (org. affald)Naturgas
BioethanolEthanol (C2)Korn, majs, græsser, halm, sukkerrør, pil, rest-træ (kulhydraterne)Benzin
BiobutanolButanol (C4)
BiodieselAlkylerede fedtsyrerVegetabilske olier og animalsk fedtstofDiesel

I kontrast hertil står andengenerations bioethanolanlæg, som f.eks. IBUS anlægget. Heri er substraterne meget billige og rigelige biomasser, typisk restprodukter eller såkaldte energiafgrøder fra landbruget. Det kunne være piletræ, stænglerne fra majsplanter, halm eller forskellige græsplanter. Disse biomasser indeholder også kulhydrater, men de er ikke lettilgængelige som i majs og sukkerrør. I stedet er kulhydraterne svære at få fri, idet de er bundet i en kompakt kemisk struktur kaldet lignocellulose. De næste afsnit vil beskrive for dig først, hvad lignocellulose er og dernæst, hvordan det nedbrydes.