Bio-ethanolproductie

Bio-ethanol voor brandstoftoepassingen wordt momenteel geproduceerd door fermentatie van suikers uit agro-grondstoffen zoals suikerriet, maïs, suikerbieten en granen. Wereldwijd wordt ca. 20 M ton ethanol per jaar (ca. 600 PJth) geproduceerd voor brandstoftoepassingen, met name in Brazilië (suikerriet) en de VS (maïs). Vooral in de VS groeit de productie sterk. In de EU is de productie nog beperkt (< 0.5 M ton/jr). Als gevolg van het EU stimuleringsbeleid zullen echter op afzienbare termijn in de EU grote hoeveelheden biobrandstof voor transportdoeleinden beschikbaar moeten zijn.

Het gebruik van goedkope lignocellulosehoudende biomassa(rest)stromen als grondstof kan de beschikbaarheid verhogen en tegelijkertijd de productiekosten verlagen. Internationaal wordt veel R&D verricht om de inzet van lignocellulose als grondstof mogelijk te maken. Op dit moment is nog geen industriële technologie beschikbaar, met name door het (nog) ontbreken van geschikte technieken voor ontsluiting en hydrolyse voor productie van fermenteerbare suikers uit (hemi) cellulose, en voor de co-fermentatie van C6 en C5 suikers. Zeewieren vormen in principe een geschikte grondstof voor bio-ethanolproductie door het hoge gehalte aan polysacchariden (ca. 60 gew % voor Laminaria) en het ontbreken van lignine.

Procesbeschrijving sugar solution Fermentor water carbon dioxide water cooling Distillation column Scrubber stillage steam mash vapours water/ cooling water mash ethanol ethanolwater/ Temp Cetoh Cetoh Dehydration Ethanol Fermentation _Distillation Biomass C5 + C6 Sugars C5 Cellulose hydrolysis Evaporation Cellulose Pretreatment Non-fermentable organics Fermentation Distillation C6 Lignin CHP Steam Electricity

Figuur 1. Schematische weergave van bioethanol productie uit lignocellulose

In Figuur 1 is het proces weergegeven zoals dat thans in ontwikkeling is voor productie van bio- ethanol uit lignocellulose. Het (toekomstig) gebruik van zeewieren als grondstof zal globaal volgens dit concept kunnen verlopen. Deze route omvat dan de volgende processen (Figuur 1): - Verkleinen van de biomassa door malen. Hierdoor worden de vezels opengebroken;

- Fysisch/chemische voorbehandeling/ontsluiting. In dit proces worden de polysacchariden vrijgemaakt voor aansluitende enzymatische hydrolyse;

- Enzymatische hydrolyse m.b.v. industriële enzymen;

- Indamping van de suikeroplossing (optioneel). Richtlijn is dat de fermentatie een ethanol concentratie > 6 vol% dient op te leveren;

- Destillatie tot ruwe ethanol (ca. 45 vol%), gevolgd door rectificatie (tot 95 vol%) en verdere ontwatering tot brandstofkwaliteit (99,9 vol%);

- Thermische conversie: omzetting van het niet-fermenteerbare gedeelte van de biomassa, in elektriciteit en warmte voor het productieproces en externe levering.

Tabel 1. Massa en energiebalans voor een 156 kton/jaar bioethanol fabriek voor verwerking van de (lignocellulose) grondstoffen bermgras, wilgenhout en tarwegries [1]

.

Ontwikkelingsstatus

Het gebruik van lignocellulose voor ethanol productie vereist nog aanzienlijke techniekontwikkeling. Internationaal vindt die o.a. plaats in de VS, Canada, Zweden en Finland. In Nederland vindt ontwikkeling onder meer plaats in een E.E.T. project [2]. Voor bio-ethanol productie uit lignocellulose wordt commercialisatie verwacht op een termijn van 8 à 10 jaar. Toekomstige fabrieken voor de productie van brandstof ethanol zullen een omvang hebben van 50-200 miljoen liter ethanol per jaar.

Over het gebruik van zeewieren voor bio-ethanolproductie is nog weinig bekend. Over ontsluiting en hydrolyse van de aanwezige suikerpolymeren (in Laminaria: alginaten, laminarine, fucoïdine) is nog geen kennis beschikbaar. De afwezigheid van lignine kan een voordeel zijn omdat de polymeren beter toegankelijk zijn voor enzymen dan in lignocellulose. De grootste uitdaging ligt naar verwachting in het ontwikkelen van fermentatietechnologie [3]. Zo is fermentatie van mannitol op basis van de huidige kennis niet mogelijk vanwege redoxproblemen. Voor de fermentatie van de aanwezige suikers (m.n. mannose, galactose en fucose) is nog geen technologie beschikbaar. De benodigde ontwikkeling omvat o.a. het identificeren van geschikte micro-organismen en genen, “metabolic engineering” en “directed evolution”. Naar verwachting is deze ontwikkeling met behulp van de moderne biochemische en genetische “tools” een begaanbare weg. Daarnaast zijn er snelle ontwikkelingen op het gebied van industriële enzymen en fermentatietechnologie. Alles bijeen is te verwachten dat zeewierenbiomassa m.b.v. toekomstige technologie een bron kan vormen voor een scala aan fermentatieproducten, waaronder bioethanol.

Emissies en reststromen

Het afvalwater moet gezuiverd worden van organische bestanddelen via anaërobe vergisting en nageschakelde waterzuivering. Ook moeten eventueel mineralen verwijderd worden. Na thermische verwerking van het fermentatieresidu, blijft minerale as over. Dit kan mogelijk verwerkt worden in bouwmaterialen of worden gebruikt als meststof.

Kostenraming1) _{voor bio-ethanol productie uit zeewieren (Laminaria sp.)}

Case 1 Case 2

Schaalgrootte (ton droge stof/jaar) 100.000 500.000

Schaalgrootte (MWth) LHV droog 39 193

Investeringen (M€) 2) 71 187

Operationele kosten (M€/jaar) 4,5 22,5

Opbrengst tussenprodukt: fermenteerbaar suikers (ton/jaar) 3)

48.000 240.000

Opbrengst eindproducten:

ethanol (GJ/jaar) _{607.200 3.036.000}

elektriciteit (MWh/jaar) _{42.556 212.778}

Rendement naar ethanol (%) 4)

49,8 49,8

Rendement naar elektriciteit (%) _{12,6 12,6}

Totaal rendement (%) _{62,3 62,3}

Productiekosten ethanol (€/l) (exclusief biomassakosten, exclusief

MEP) 0,56 0,39

Productiekosten ethanol (€/l) (exclusief biomassakosten, inclusief

MEP) 0,41 0,24

Biomassaprijs (exclusief MEP) 5) (€/t) _{-43 3}

Biomassaprijs (inclusief MEP) 6) _(€/t)

-2 44

1. Gebaseerd op economische evaluatie voor bermgras in [1]. De daar genoemde reductie van enzymkosten met een factor 10 is verwerkt, omdat dit vanwege nieuwe ontwikkelingen reeël is. 2. Er is een schaalfactor van 0.7 gebruikt.

3. Uitgaande van een omzetting van (hemi)celluloses naar suikers van 80% op massabasis. 4. Fermentatierendement van 90% op massabasis verondersteld.

5. Prijs die de biomassa mag kosten uitgaande van een marktprijs van ethanol van 0.40 €/l en van elektriciteit van 27 €/MWh. Geen winstmarge inbegrepen.

6. Prijs die de biomassa mag kosten uitgaande van een marktprijs van ethanol van 0.40 €/l en van elektriciteit van 27 €/MWh en een MEP vergoeding voor elektriciteit van 70 €/MWh (>50 MWe) of 97 €/MWh ( <50 MWe). Geen winstmarge inbegrepen.

Referenties

1. J.H. Reith, H. den Uil, H. van Veen, W.T.A.M. de Laat, J.J. Niessen, E. de Jong, H.W. Elbersen, R.Weusthuis, J.P. van Dijken & L. Raamsdonk. 2002. Co-production of bio- ethanol, electricity and heat from biomass residues, 2002. In: Proceedings of the 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17 -21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands. 1118 – 1123 / ECN-RX--02-030, July 2002.

2. www.bemz.ecn.nl