Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Innholdsfortegnelse
Kompetansemål

Pyrolyse

13. september, 2019

Visste du at alle greinene og tretoppene som ligger igjen på norske hogstfelt inneholder nok energi til å forsyne oss med omtrent fem TWh årlig? Dette tilsvarer årlig strømforbruk for rundt 300 000 gjennomsnittlige norske hjem!  (Tønseth, 2013)

 

Et tre består av omtrent 30% greiner, og 30% stubber og røtter, og i praksis forblir nesten halvparten av tremassen liggende igjen som avfall på hogstfelt. Det er derfor liten tvil om at dette er en uutnyttet ressurs. Dessuten blir det i dag hogd ned store mengder trær av bønder og vegvesen for å forhindre gjengroing av tomter og vei. Mye av dette blir liggende igjen der det ble felt. De har rett og slett ikke mulighet til å oppbevare eller ta ressursen i bruk videre.

 

For å forsøke å løse dette problemet trengs metoder for å utnytte mer av disse ressursene. I denne teksten skal vi se på pyrolyse som en metode for nettopp dette.

I Meldal leverer blant annet lokale bønder tømmer til Orkla Trebrensel som lager flis til flisfyring. Selv om dette er en viktig del av ressursutnyttelsen er det likevel mye som forblir uutnyttet. Foto: Kajsa Selnes - allsidig design.
I Meldal leverer blant annet lokale bønder tømmer til Orkla Trebrensel som lager flis til flisfyring. Selv om dette er en viktig del av ressursutnyttelsen er det likevel mye som forblir uutnyttet. Foto: Kajsa Selnes – allsidig design.

Sammendrag

Pyrolyse går ut på å varme opp biomasse – tre, greiner, og tilhørende avfall – med ingen eller begrenset tilgang på oksygen. Pyrolyse er altså en form for destillasjon, og kalles ofte tørrdestillasjon. Dette er en prosess hvor vi går fra trevirke til væskestoffer, gasser og trekull. Det mest nyttige produktet fra pyrolysen er trekullet, som kan brukes i industri, tradisjonelle fyringsanlegg eller som gjødsel i jordbruket. Dersom man varierer varigheten på prosessen, pyrolysetemperaturen, og oppvarmingsfarten vil man få ulik sammensetning av produktene, og produktene vil få ulike egenskaper. Dette går teksten nedenfor mer i dybden på.

 

Skogsindustrien preges i dag av underutnyttelse av restvirke. Ved å ta i bruk pyrolyseteknikker kan restvirke komme til nytte, og verdiskapningen i små samfunn kan bli større. Trær er i utgangspunktet en fornybar ressurs ved bærekraftig bruk, og derfor vil et slikt initiativ kunne bidra i retning en grønn fremtid. I tillegg vil trekull holde karbonet lagret over mye lengre tid enn greiner og kvister vil, noe som gjør at forkullingen av restmaterialet kan fungere som en karbonfangstmetode. Pyrolyseanleggene er kostbare, og en satsning på dette avhenger av offentlig støtte, samarbeidsvilje mellom ulike aktører og et felles ønske om å gjøre en innsats for klimaet for øvrig.

Hva er biomasse?

Biomasse er materiale som er dannet av eller fra levende organismer. Eksempler på dette kan du se i denne teksten.

Hva er pyrolyse?

Pyrolyse er en prosess for å bryte ned biomasse til nyttige produkter som biokull, -gass og -olje. Prosessen går ut på å varme opp biomassen til høye temperaturer med begrenset eller ingen tilgang på oksygen. Pyrolyse kalles derfor ofte bare tørrdestillasjon. På mikronivå gjør pyrolyse at vi går fra lange og kompliserte organiske forbindelser, til kortere og enklere forbindelser (Pedersen, 2014). Dette kan du se en enkel illustrasjon av nedenfor. Hvilke produkter man får fra pyrolysen avhenger av mange faktorer som vi skal gå inn på snart, men det er væskestoffer (kondensater), gasser og biokull.

På figuren ser du hvordan bindingene mellom de lange karbonkjedene i treet brytes når treet varmes opp uten oksygentilførsel. Basert på: https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrolysis#/media/File:SimpleDiagramPyrolysis.png
På figuren ser du hvordan bindingene mellom de lange karbonkjedene i treet brytes når treet varmes opp uten oksygentilførsel. Illustrasjon: UngEnergi

Historisk har pyrolyse vært en sentral prosess for å utvinne trekull. Før den industrielle revolusjonen var trekull en essensiell del i utvinningen av jern, i tillegg til at det ble brukt til oppvarming. Under den industrielle revolusjonen ble trekullet byttet ut med steinkull, og pyrolyseteknikken ble overflødig. Metall- og prosessindustri er i dag fortsatt i hovedsak basert på fossilt steinkull som reduksjonsmiddel. I dag ser man på pyrolyse som en mulighet til å erstatte det fossile kullet, ettersom klima- og miljøutfordringer er aktuelle som aldri før.  Foruten å være en løsning på ressurssløsing i skogbruket, kan også pyrolyse tjene som en metode for å lagre karbon, og kan derfor bidra på flere måter når det kommer til disse miljøutfordringene. Dette skal vi se mer på senere. Først skal vi se på hvordan pyrolyse fungerer.

Pyrolyseprosessen

Pyrolyse er som sagt en prosess der vi varmer opp biomasse uten tilgang til oksygen, det vi kaller en inert atmosfære. Det er derfor åpenbart at vi ikke kan brenne biomassen direkte, fordi da må det være oksygen tilstede og da vil alt brenne bort til aske. Det er mange ulike måter å gjøre dette på, men vi skal se nærmere på to av de vanligste om litt.

 

Når vi varmer opp biomasse vil vannet fordampe og de kjemiske bindingene mellom atomene i molekylene brytes. Dette fører til at det frigjøres gasser fra biomassen, samtidig som flyktige stoffer begynner å løsne fra cellestrukturen. Overflaten av biomassen forkulles først, ettersom gassene frigjøres fra overflaten først. Noen av de flyktige stoffene, som tjære, som forlater biomassen gjennom porer vil reagere på overflaten til biokullet og danne mer biokull, mens andre vil bare strømme ut. Noen av gassene som går ut av reaktoren er kondenserbare og vil derfor bli til væske når de kjøles ned. Dette kondensatet kan samles opp og tas ut som produkt av pyrolysen. De gassene som ikke lar seg kondensere brukes ofte til å varme opp reaktoren for å holde prosessen gående. Da står vi igjen med stort sett karbonet fra den opprinnelige biomassen, altså biokull.

 

Figuren viser biokull og -olje fra pyrolyse. Foto: SINTEF/Gry Karin Stimo.
Bildet viser biokull og -olje fra pyrolyse. Foto: SINTEF/Gry Karin Stimo.

To Typer pyrolyse

Langsom pyrolyse

Langsom pyrolyse vil først og fremst produsere biokull. Oppvarmingen foregår på ulike temperaturer (fra ca. 500℃) og varer i opptil flere dager avhengig av pyrolyseteknologien. Den lange oppvarmingstiden tillater flyktige stoffer som brytes løs inne i biomassen å reagere med biokull som allerede er dannet, slik at det dannes enda mer biokull. Et vanlig pyrolyseanlegg for denne typen inneholder en kondensator for å kjøle ned de kondenserbare gassene, og en ekstern varmekilde.

Hurtig pyrolyse

Hurtig pyrolyse vil først og fremst produsere væsker. Denne prosessen karakteriseres ved at oppvarmingen skjer raskt og at makstemperaturen typisk er ca. 500℃. Den raske oppvarmingen og liten partikkelstørrelse hindrer at flyktige stoffer fra innsiden av biomassen får nok tid til å reagere på overflaten til biokullet. Derfor vil brorparten av produktene fra hurtig pyrolyse bestå av kondensatene. For denne prosessen er Fluidized bed reactor et av de vanligste anleggsdesignene. Her varmes biomassen av forhåndsvarmet sand inne i reaktoren, og vi har liten størrelse på biomassepartiklene for å lettest få tak i så mye av de flyktige stoffene i biomassen som mulig. Noe av gassene som produseres sendes tilbake inn i reaktoren ved hjelp av en vifte, noe som skaper mye bevegelse i biomassen og sanden i reaktoren.

 

Figuren viser hvilken prosentandel av biomassen som går til gassprodukt og fast produkt. Tall fra: Basu (2013). Illustrasjon: UngEnergi
Figuren viser hvilken prosentandel av biomassen som går til gassprodukt og fast produkt. Tall fra: Basu (2013). Illustrasjon: UngEnergi

Hvis hastigheten på gassene som skapes i reaktoren blir høy vil og noe sand rives med, til et syklonfilter. Dette er et filter som er lagd for å skille ut større partikler. Når de kommer inn i syklonfilteret vil sandpartiklene – rett og slett fordi de har større masse enn gassen – bli slynget mot veggene og havne i bunnen på filteret. Derifra føres sanden tilbake inn i reaktoren. Gassene er derimot så lette at de stiger opp gjennom et rør for videre behandling. Kondensatoren skiller ut de kondenserbare gassene som væske, og samler dette opp i en egen beholder. Dette utgjør hovedproduktet fra hurtig pyrolyse.

 

Den maksimale temperaturen vi når under pyrolysen kalles pyrolysetemperaturen. Ved langsom pyrolyse og lav pyrolysetemperatur får man typisk mer biokull, og ved høy pyrolysetemperatur får man mer gass og kondensat, og et biokull som inneholder lite flyktige komponenter. Figuren til høyre viser mengden biokull og gass produsert fra en langsom pyrolyseprosess når man kun øker temperaturen. Legg merke til at gass- og biokullproduksjonen ikke nødvendigvis gir 100% til sammen til enhver tid. Grunnen til dette er at noe av biomassen også går til væsker. Dette skjer i betydelig grad imidlertid først når temperaturen går over ca. 400°C. Når pyrolysetemperaturen er høy vil det biokullet vi får ut ha en høyere brennverdi (varmeinnhold per kilo). Grunnen til dette er at vi øker andelen karbon i biokullet når temperaturen er høyere, og dermed frigjøres mer energi når biokullet blir brent.

 

Nedenfor finner du en animert illustrasjon som viser hvordan prosessen foregår.

 

Illustrasjon: UngEnergi

 

Hvordan kan vi maksimere energiinnholdet i biokull vi produserer?

Selv om det er mulig å maksimere biokullproduksjonen ved å holde temperaturen relativt lav og å gjøre prosessen langsomt, er det ikke nødvendigvis slik at det lønner seg med tanke på forbrenningsvarmen (brennverdien) til biokullet. Figuren nedenfor illustrerer godt hvordan den produserte biokullmengden, og forbrenningsvarmen til biokullet varierer når temperaturen forandres. Det kan være en utfordring å finne en balanse mellom produsert biokullmengde og brennverdien til dette biokullet.

Figuren viser mengden kull produsert når man varierer temperatur, og forbrenningsvarmen til det produserte kullet. Tall fra Basu (2013). Illustrasjon: UngEnergi

Torrefisering er en prosess som ligner veldig på pyrolyse, men den har som mål å oppgradere biomassen og maksimere energiinnholdet i det faste produktet. Dette innebærer at så mye av biomassen som mulig blir til biokull, og samtidig at så mye av energiinnholdet i biomassen som mulig overføres til biokullet. Dette gjøres ved at pyrolyseprosessen aldri overskrider 300°C, fordi temperaturer over dette tillater at det produseres mer av kondensatene. Figuren nedenfor er for å illustrere hvor mye av den opprinnelige massen (M) og energiinnholdet (E) som går til biokullet i en torrefiseringsprosess.

Basert på: kap. 4 i Basu 2013, s.94
Basert på: kap. 4 i Basu 2013, s.94. Illustrasjon: UngEnergi

70% av den opprinnelige massen(M) og 80% av det opprinnelige energiinnholdet(E) går altså til biokullet.

 

Hvorfor er pyrolyse relevant i dag?

Den tradisjonelle skogsindustrien er i stor grad preget av underutnyttelse av restvirke. Denne resten utgjør store deler av den totale tremassen, og blir per i dag ansett som avfall av de fleste. Ved å ta i bruk pyrolyseteknologi for det den er verdt, kan man ta sikte på å nyttiggjøre restvirke til videre foredling istedenfor å la det råtne i skogen.

 

Mye av restmaterialet kan vi brenne. Forbrenningsanlegg tar imot trær som er for dårlige til å brukes til byggemateriale eller i treforedlingsindustrien. De flises opp og brennes i flisfyringsanlegg for oppvarming, men få av disse anleggene bruker grener og topper (GROT). Grunnen til at GROT sjelden brukes i fyringsanlegg sammen med flis i dag er fordi dette brenselet er uensartet. Dette fører til en veldig ujevn forbrenning – bark og trevirke brenner for eksempel saktere enn barnåler og tynne kvister. Dette gjør kvaliteten til brenselet dårlig og dette krever mer av fyringsanlegget. Biokull fra pyrolyse kan males til pulver som er mye mer egnet til forbrenning enn biomassen var i utgangspunktet. Dette pulveret kan brukes til å lage pellets eller briketter, som i sin tur kan brukes til oppvarming i tradisjonelle fyringsanlegg.

 

Ved riktig bruk er skogen en fornybar ressurs. Ettersom trærne tar opp CO2 som slippes ut når vi brenner dem, regnes skogen, og biokull, som karbonnøytral. Så lenge det ikke hogges for mange trær i forhold til de som vokser, vil også produksjonen være bærekraftig. Dersom det er snakk om å bruke restvirke fra skogsindustrien trengs det ikke å tas stilling til om skogbruket drives bærekraftig, fordi trærne allerede er felt. Det blir på denne måten en form for resirkulering og gjenbruk.

 

Fordelen med at vi lar rester av trærne ligge igjen på marka er at det gir næringsgrunnlag for at nye trær kan vokse. Når trærne råtner frigjøres en rekke kjemiske stoffer til jorda, stoffer vi kaller næringsemner. Dette er naturens egen måte å gjøre jorda fruktbar på. Dersom vi fjerner nødvendige næringsemner fra hogstfeltene, må det vurderes om det fortsatt er grunnlag for videre trevekst der. En feilvurdering av dette vil gjøre gevinsten fra implementeringen av pyrolyse av restmaterialer kortvarig. (Tønseth, 2013)

 

Det trekullet vi kjøper i butikken kommer oftest fra Afrika. Store deler av skogområdene i Afrika er preget av avskoging og lite bærekraftig skogbruk (Regjeringen, 2014). Ved å produsere trekull lokalt vil vi minimere transportutgifter og -utslipp, samtidig som vi skaper et bedre alternativ til en ulovlig og miljøskadelig virksomhet. I forlengelsen av dette vil det også være gunstig for verdiskapingen i et lokalsamfunn, både fordi biokullet kan selges lokalt, men også fordi virksomheten vil generere arbeidsplasser. I bygdenorge er fraflytting i dag et stort problem. Det å generere nye arbeidsplasser og ny verdiskaping kan være med på å motvirke fraflyttingen på slike steder.

 

Når restvirke fra trær blir liggende i skogen for å råtne, vil det bundne karbonet frigjøres og ende opp som CO2 i atmosfæren. Biokull vil derimot kunne holde karbonet bundet i flere hundre år. I lys av dagens klima- og miljøutfordringer kan dette derfor være en mulighet til å utvide satsingen på karbonfangst og -deponering. Biokull har også potensial til å øke karboninnhold i jorda, øke evnen til vannopptak i jorda samt å gjøre kunstgjødsling mer effektiv. Det å bruke biokull i dyrka mark kan derfor ha positive konsekvenser for jordkvaliteten, det kan fungere som karbonfangst og det kan minske behovet for kunstgjødsel.

Ulemper og utfordringer

Den største utfordringen forbundet med slike pyrolyseanlegg dreier seg om økonomi. Ettersom dette handler om å ta i bruk ressurser som man ellers ville kastet, innebærer det også økt arbeidsinnsats for de som feller trær og transporterer materialet. Dette fører til økte produksjonskostnader som kan gjøre virksomheten mindre lønnsom. Deretter må man investere i et pyrolyseanlegg. Når man bruker biomasse fra landbruk får man ut et finkornet biokullpulver som man deretter må gjøre om til pellets eller briketter for å i etterkant kunne bruke biokullet til oppvarming. Dette krever enda en dyr maskin.

 

Biomasse har sammenlignet med andre energikilder lav energitetthet. Derfor vil transport av biomasse være mye dyrere per kWh energi, sammenlignet med for eksempel olje og gass. Derfor er det helt nødvendig at biomassen oppdrives lokalt, og størrelsen på anleggene må tilpasses deretter. Samtidig må man også være klar over at slike anlegg er mer økonomiske desto større de er. Lokalsamfunnene trenger mindre anlegg, med desto høyere risiko for at det ikke vil lønne seg. (Basu, s.30). Oppgradering av biomasse til biokull og deretter komprimering av dette, vil øke energitettheten betraktelig.

 

Risikoen hviler ofte på både de som produserer biokullet og de som vil bruke det til oppvarming eller jordforbedring. For at vi skal lykkes med et slikt prosjekt – og i det lange løp med klimamålene – må slike risikoer deles på flere aktører. De som er villige til å satse på slikt bør få økonomisk støtte i oppstartsfasen, og aller helst bør de slå seg sammen med likesinnede.

 

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
En terrawattime er et mål på en energimengde. Tilsvarer 1 milliard kWh.
Innhold av energi pr masseenhet eller volumenhet, for eksempel kg eller liter. J/kg og J/l er eksempler, men typiske enheter for batterier er kWh/kg eller kWh/l. Du har kanskje sett oppgitt tall som 2400 mAh på noen batterier? Dette angir bare antall elektroner batteriet kan levere. For å få energien batteriet kan gi, så må du gange med spenningen til batteriet. For eksempel, 1,2 V * 2400 mAh = 2,88 Wh, som er typisk energi i et AA NiMH batteri. Et slikt batteri kan holde liv i et lys som bruker 2,88 W i en time.