Biomassa: creatief met technologie

De wereldwijde vraag naar energie neemt toe, de voorraad fossiele brandstoffen neemt af en de roep de uitstoot van broeikasgassen terug te dringen, wordt luider. De hieruit voortvloeiende problemen vragen om duurzame energieoplossingen. Biomassa kan zon oplossing zijn, mits duurzaam geproduceerd en niet concurrerend met voedsel. In de maatschappelijke discussiestorm over biomassa ontbreekt vaak de technologie. Deskundigen van ECN schetsen de mogelijkheden hierin.

Hoe staat het met de technologie om tot eindproducten te komen? Welke technologie is beschikbaar en welke is nog in ontwikkeling? Hoe draagt technologie bij aan de duurzaamheid van biomassa - zoals energie-efficiency, de broeikasgasbalans en de mogelijkheden tot CO2 afvang? Voorbeelden van beschikbare en bewezen technologie zijn het verbranden van biomassa (zoals reststromen, afval en houtpellets), het vergisten van mest voor elektriciteit en warmte en het persen van bio-olie uit koolzaad. Deze technieken worden vaak lokaal toegepast en hebben een beperkt energetisch rendement. Bij de productie van transportbrandstoffen is de netto CO2-reductie meestal beperkt.

Inzet van reststromen

De meeste nieuwe technologieën zijn gericht op verhoging van het rendement van biomassa en op verlaging van de CO2- uitstoot en milieubelasting. Bovendien ligt vaak de nadruk op inzet van reststromen en lignocellulose biomassa (hout, stro, e.d.), die beter scoren op duurzaamheid en het vermijden van competitie met voedsel. In geval van transportbrandstoffen spreekt men dan van tweede generatie biomassabrandstoffen. Hieronder een aantal nieuwe technologieopties.

Voor toepassing van biomassa op grote schaal is het noodzakelijk deze eerst op te werken. Dit kan door pyrolyse, waarbij uit olie transportbrandstof kan worden gemaakt of de biomassa direct kan worden vergast of verstookt. Een alternatief is torrefactie, een warmtebehandelingstechniek waarbij de biomassa wordt verhit tot 200-300ºC. De biomassa verbrost, verliest zijn vocht en wordt  waterafstotend gemaakt. Niet-homogene stromen krijgen zo homogene eigenschappen. Bovendien krijgt het materiaal dezelfde maaleigenschappen als kolen en neemt het geen water meer op. Door er vervolgens pellets van te maken wordt een hoge energiedichtheid verkregen. Torrefactie is energie-efficiënter dan pyrolyse omdat de energie-inhoud van vrijkomende bijproducten beter  overeen komt met de warmtevraag van het proces. Beide technieken geven de mogelijkheid om wereldwijd allerlei reststromen en niet voedselgewassen op te werken tot een eenvoudig te  transporteren energiedichte brandstof met bekende eigenschappen (commodity fuel).

Meestook is de meest simpele vorm: biomassa wordt meegevoerd met de tot gruis vermalen kolen naar de ketel van een kolencentrale voor de productie van elektriciteit en warmte. Hierbij vervangt de biomassa dus een deel van de kolen en kan het evenredige deel van de calorische waarde van de biomassa-inzet als duurzame energie worden gerekend. Vooralsnog is men bij de  elektriciteitscentrales voorzichtig met het toelaten van veel meestook omdat er (zij het beperkt) rendementsverlies is, er kwaliteitseisen aan de as worden gesteld en de eigenschappen van de biomassa nog niet zodanig zijn dat zij zonder problemen kan worden meegevoerd. Bijstook is een meer geavanceerde vorm die ook in gascentrales kan worden toegepast. Hierbij wordt biomassa in een aparte vergasser in een brandbaar gas omgezet (een mengsel van koolmonoxide en waterstof). Dit gas wordt daarna in de kolen- of gascentrale geblazen en verbrand.

Groen gas

Vergassing van biomassa levert een gas (productgas of synthesegas) dat direct in een turbine,  gasmotor of brandstofcel in elektriciteit kan worden omgezet. Op de lange termijn kunnen uit dit gas groene brandstoffen worden geproduceerd. Met behulp van een katalytisch proces kan diesel (Fischer-Tropsch) of synthetisch aardgas (SNG of groen gas) gemaakt worden. Deze brandstoffen kunnen worden gemengd met de conventionele soorten. Belangrijk voordeel in de distributie: hiervoor is een goede infrastructuur aanwezig. Motoren, turbines en katalytische processen zijn zeer gevoelig voor de kwaliteit van de brandstof gas in dit geval. Het vergassingsproces moet dan ook een gas leveren dat aan strenge eisen voldoet. Om die reden is gasreiniging, zoals teer-, zwavel-, chloor- en ammoniakverwijdering, de achilleshiel van deze voor de toekomst zo belangrijke  technologie. Bij vergassing kan, net als bij de productie van SNG, zuivere CO2 geproduceerd worden die kan worden opgeslagen, wat extra CO2 winst oplevert.

Bio-chemische omzetting van biomassa wordt op grote schaal toegepast. Bekend is de fermentatie van suikers tot ethanol. Maar er is meer mogelijk door de inzet van enzymen, de zogenaamde hydrogenering of katalytische omzetting. Hiermee zijn ook andere plantedelen dan de suikers om te zetten in ethanol of andere brandstoffen. Door andere plantedelen te gebruiken kan het rendement omhoog, de kosten van biobrandstoffen omlaag en kan competitie met voedselproductie worden vermeden.

Bioraffinage is de meest intelligente vorm om biomassa geschikt te maken. In de toekomst zullen hierdoor meer producten beschikbaar komen voor de chemie en de transportsector, en voor energietoepassingen. Het principe is dat de plantedelen die niet geschikt zijn voor voedsel worden ontketend. Hierbij worden stoffen geproduceerd die voor de chemische industrie van belang zijn. Het restmateriaal kan worden omgezet in biobrandstof en voor de productie van energie en warmte dienen.

Meer informatie:

Dr. Ir. Jan Willem Erisman
erisman(at)ecn.nl

Dr. Ing. Jaap Kiel
Kiel(at)ecn.nl