Bioenergin vinner mark

KVV8 i centrala Stockholm är ett av över 240 svenska biokraftvärmeverk och i Sverige har biobränslen nästan helt ersatt fossila bränslen inom kraftvärmebranschen. Foto: Robin Hayes/Stockholm Exergi

TEXT: ALARIK HAGLUND

Bioenergi används i allt större utsträckning som alternativ till fossila bränslen och är idag den största förnybara energikällan i både Sverige och resten av världen. Framförallt utnyttjas bioenergi idag för att producera värme och el i kraftvärmeanläggningar, men användningen av biodrivmedel för fordon ökar snabbt.

Bioenergi är ursprungligen energi från solen som lagrats på kemisk väg i växter av olika slag och som frigörs när denna så kallade biomassa förbränns. När den förbränns ger biomassa ifrån sig ungefär lika mycket koldioxid som fossila bränslen, men till skillnad från fossila bränslen är biomassa en förnybar resurs och när nya växter gror för att ersätta de som förbrukats avlägsnas koldioxid från atmosfären. Bioenergin kan därför sägas vara koldioxidneutral.

Förutom träd och andra grödor som odlas särskilt för att användas som bränsle inom bioenergin kan även annan biomassa, som till exempel restprodukter från befintligt jordbruk och skogsbruk och organiskt avfall från hushåll och industrier utnyttjas. I Sverige är den biomassa som används som bränsle inom bioenergin främst rester från skogsindustrin, som grenar, toppar och sågspån.

 

bild
De flesta biokraftvärmeverk eldas direkt med biomassa, som flis och pellets, vilket på grund av den kemiska sammansättningen hos bränslet medför tekniska och miljömässiga utmaningar. Även lagring och transport av det fasta bränslet utgör en stor utmaning. För att minska dessa problem kan man till exempel ändra bränslets sammansättning med hjälp av bränsledesign eller omvandla det till gasformigt eller flytande biobränsle med hjälp av olika processer. Foto: Erik Westberg/Stockholm Exergi

 

Värme och el

Större delen av den bioenergi som produceras i världen används för värmeproduktion och i Sverige står bioenergi för större delen av all uppvärmning, vare sig den sker med hjälp av små pannor i privata hushåll eller i stor skala via fjärrvärme.

Bioenergi används också i stor utsträckning till processvärme inom exempelvis den svenska pappers- och massaindustrin och för elproduktion. Produktionen av el kombineras vanligtvis med produktion av värme i ett kraftvärmeverk.

I svenska kraftvärmeverk har fossila bränslen idag nästan helt fasats ut till förmån för biobränslen. Totalt finns det runtom i Sverige fler än 240 bioeldade kraftvärmeverk och ungefär 15 anläggningar på planerings- eller byggstadiet. Detta motsvarar en total installerad elektrisk effekt på nästan 4 800 megawatt och en så kallade normalårsproduktionen av el från bioenergi på omkring 18,5 terawattimmar. Det innebär att bioenergi står för runt 7 procent av all elproduktion i Sverige och är den fjärde största formen av elproduktion efter vattenkraft, kärnkraft och vindkraft.

 

bild
Bioenergi är den energi som frigörs vid förbränning av biomassa som träd och växter. I Sverige består den biomassa som används som bränsle inom bioenergin främst av rester från skogsindustrin. Foto: Pixabay

 

Direkt förbränning

I de flesta bioeldade kraftvärmeverk förbränns biomassa direkt, i form av fasta biobränslen som flis och pellets, för att alstra värme. Värmen används sedan för att värma upp byggnader via fjärrvärme och för att generera el till elnätet. Detta sker genom att värmen utnyttjas för att producera ånga, som används för att driva en turbin.

I vissa fall kan också sameldning av biomassa och fossila bränslen användas som en kortsiktig metod för att minska användningen av fossila bränslen i befintliga fossileldade anläggningar.

I samband med direkt förbränning av biomassa har man stött på en rad utmaningar. Till exempel kan det uppstå tekniska problem med slaggbildning och korrosion. Det kan också leda till problem med utsläpp av partiklar till luften. Dessa problem beror till stor del på att bränslets kemiska sammansättning gör att det bildas oönskade kemiska föreningar när det förbränns.

 

Designat bränsle

Vid bland annat Umeå universitet forskas det kring hur man kan förutse oönskade kemiska reaktioner vid förbränning av biomassa och hur de kan motverkas.

Till exempel går det att undvika att oönskade föreningar bildas och att de problem det får till följd uppstår genom att ändra bränslets sammansättning. Detta kan åstadkommas genom att blanda två olika biomassor eller genom att tillsätta en liten mängd av ett så kallat additiv till biomassan. På så vis kan den biomassa som redan är tillgänglig förbrännas på ett renare sätt.

Denna metod för att med ett specifikt syfte designa en bränsleblandnings totala kemiska sammansättning utifrån noggranna analyser kallas för bränsledesign. Vid Umeå universitet har flera studier genomförts både med olika bränsleblandningar och olika additiv, som kalcium, svavel och lermineralet kaolinit. Arbetet, som bedrivits med hjälp av en teoretisk askkemisk modell samt laboratorie- och bänkskaleförsök, visar att bränsledesign fungerar i industriell skala.

Omvandling av biomassa

Både i Sverige och internationellt arbetar många forskare också med att utveckla processer som gör det möjligt att på ett kostnadseffektivt sätt omvandla biomassa till gasformiga och flytande biobränslen. De gasformiga och flytande biobränslen som framställs kan precis som fasta biobränslen användas för att producera värme- och el och de har då flera fördelar jämfört med fasta biobränslen. Till exempel har flytande och gasformiga biobränslen en högre energidensitet och är lättare att lagra och transportera. Gasformiga och flytande biobränslen kan dessutom användas för att ersätta fossila fordonsbränslen genom att de förädlas ytterligare till olika slags biodrivmedel.

Omvandling av biomassa till förnybar biogas, kan bland annat ske med hjälp av termokemiska processer. I dessa så kallade förgasningsprocesser används en hög temperatur, på mellan 800 och 1 500 grader Celsius, och högt tryck, i kombination med ett förgasningsmedium för att bryta ner biomassan. Förgasningsmediet kan vara antingen luft, syrgas eller ånga.

 

bild
I projektet GoBioGas storskaliga demonstrationsanläggning i Göteborg kunde biometan produceras genom förgasning av skogsråvara. Foto: Rob Vanstone/ Göteborg Energi

 

Förgasning

Luftblåst förgasning, det vill säga förgasning där luft används som förgasningsmedium, har redan kommersialiserats i liten skala. Till exempel har det svenska företaget Meva Energy tagit fram en kommersiell demonstrationsanläggning för luftblåst biomassaförgasning i Hortlax i Piteå. Syftet med anläggningen är småskalig kraftvärmeproduktion och kapaciteten är totalt 2,4 megawatt värme och 1,2 megawatt el. Den gas som bildas vid luftblåst förgasning består emellertid till ungefär hälften av kväve och lämpar sig därför inte för till exempel framställning av biodrivmedel.

Vid syrgas- eller ångblåst förgasning bildas istället en gas som huvudsakligen består av kolmonoxid, väte och metan. Denna så kallade syntesgas kan utöver värme- och elproduktion även användas för att framställa både biodrivmedel, som biometan, DME och Fischer-Tropsch-diesel, och en mängd olika kemikalier.

Produktion av syntesgas via förgasning av biomassa sker än så länge inte i kommersiell skala, men processen har på flera håll demonstrerats i förkommersiell skala. Under projektet GoBioGas (Gothenburg Biomass Gasification Project), som bedrevs av Göteborg Energi i samarbete med Chalmers, producerades till exempel biometan genom förgasning av skogsråvara i en storskalig demonstrationsanläggning med en kapacitet på 20 megawatt.

Rötning

Biomassa kan även omvandlas till biogas på biokemisk väg och större delen av den biogas som produceras framställs idag med hjälp av den biokemiska process som kallas för rötning. Vid rötning bryts organiskt material, som matavfall och slam från reningsverk, ner i en syrefri miljö med hjälp av naturligt förekommande mikroorganismer. Processen består av tre steg. I det första steget delar mikroorganismer med hjälp av enzymer sönder de komplexa organiska föreningarna i biomassan till enklare föreningar. Nästa steg är en jäsning där det bildas ett antal mellanprodukter. Till sist bildas metan med hjälp av en grupp känsliga mikroorganismer som växer långsamt och dör i kontakt med syre.

Slutresultatet av processen blir en gas bestående av främst metan och koldioxid. Genom att gasen renas från koldioxid framställs biometan, som kan användas som drivmedel i fordon. I samband med rötningsprocessen bildas det dessutom en näringsrik rötrest som kan användas som biogödsel inom jordbruket.

Genom att använda sig av rötning kan man med andra ord förvandla avfall från samhället till både drivmedel, som kan utnyttjas för att ersätta fossila bränslen, och biogödsel. Tillgången på biomassa som kan användas för rötning är emellertid begränsad. Det beror på att restprodukter från skogsindustrin innehåller lignocellulosa, som är svår för de mikroorganismer som används i rötningsprocessen att bryta ner.

 

bild
Sedan början av 2019 har företaget Envigas använt rester från skogsindustrin för att producera bioolja, biogas och biokol med hjälp av pyrolys i sin demonstrationsanläggning i Bureå söder om Skellefteå. Foto: Arctic Business

 

Sammankoppling av processer

Forskning vid Högskolan i Borås visar att det är möjligt att komma runt rötningsprocessens begränsade förmåga att hantera svårnedbrytbart avfall, samtidigt som man kan få ut mer av de värdefulla gaserna väte och metan. Metoden går ut på att koppla samman rötning med en förgasningsprocess.

Med hjälp av förgasning kan svårnedbrytbart skogsavfall omvandlas till syntesgas och genom att låta syntesgasen gå in i rötningsprocessen fungerar den giftiga kolmonoxiden i syntesgasen enligt forskarna som mat till de mikroorganismer som producerar väte och metan, vilket gör att en större mängd väte och metan bildas.

För att man ska kunna få ut så mycket som möjligt av mikroorganismerna är det också viktigt att de inte försvinner ut med resterna från processen. Forskarna håller därför mikroorganismerna instängda med hjälp av ett membran, som både skyddar mikroorganismerna och släpper igenom de ämnen de producerar.

Bioolja

Det finns också en mängd forskningsprojekt och företag som utvecklar processer för att omvandla biomassa i olika former till flytande bioolja, som förutom att eldas för att producera värme och elektricitet kan användas för att framställa bland annat drivmedel med hjälp av tekniken i befintliga raffinaderier.

Pyrolys är en process där biomassa hettas upp i en syrefri miljö och bryts ner utan förbränning. Utöver bioolja, producerar processen även biogas och förkolnat fast material. Vilken produkt som dominerar beror bland annat på temperaturen.

Ett av de företag som satsat på pyrolys är svenska Envigas, som producerar bioolja, biogas och biokol av rester från skogsindustrin. Envigas har haft en demonstrationsanläggning i drift sedan början av 2019 och håller på att driftsätta sin första produktionsanläggning i industriell skala i Bureå söder om Skellefteå.