Biler og trafik
20. marts 2013

2. Teknikken: Hvordan tanker man planter på biler?

Der forskes intensivt i teknologi til at lave biobrændstof ud fra plantemateriale, der kan erstatte den benzin og diesel, vi fylder på bilerne og dermed begrænse udledningen af CO2 fra vores transport. I dette kapitel skal vi se, hvordan man laver en plante om til flydende brændstof

I det følgende kan du læse om baggrunden for, at der mange steder i verden investeres voldsomt i at udvikle bioenergi, og om hvad det er for nogen udfordringer, der gør, at man endnu ikke producerer så meget biobrændstof, selvom man faktisk allerede ved, hvordan man skal gøre.

Hvis du alene er interesseret i, hvordan planter rent teknisk kan laves om til flydende brændstof, kan du gå videre til grafikken, Fra halm til biobrændstof, hvor processen forklares trin for trin og hvor du også kan se små filmklip af, hvordan det foregår i virkeligheden.

Bioenergi er defineret som energi, der er fremstillet af biomasse ved teknologiske eller bioteknologiske processer. Planterne danner biomasse ved at omsætte solens energi og lagre energien i organiske (kemiske) forbindelser, og biomassen kan igen omdannes til energi i form af varme, elektricitet og transport.

Bioenergi – i form af biobrændstoffer som bioethanol – tilskrives en særligt vigtig rolle i forhold til transportsektoren. Det skyldes, at der her i hvert fald på kort sigt ikke findes ikke-fossile alternativer til fossile brændstoffer. Det forventes fx at vare længe før bilparken i væsentligt omfang vil være eldreven. Transportsektoren står på nuværende tidspunkt globalt for 25 % af CO2-udslippet og cirka 50 % af forbruget af olie.

Man kan derimod uden videre erstatte en del af den benzin og diesel, vores transportmidler bruger, med bioethanol eller biodiesel. Hvis denne biobrændsel er produceret på den rette måde, vil den give en reduceret udledning af CO2.

Når biobrændsler, som erstatning for fossile brændsler, ikke altid begrænser udledningen af drivhusgasser, skyldes det, at der i varierende omfang bruges energi på at tilvejebringe dem og omsætte dem til fx flydende brændstof. En given energiressource – fx den energi en halmballe indeholder – leverer med andre ord energi (brutto energiudbytte), men forbruger også energi under produktionen af den. I princippet kan den ligefrem samlet set (netto energiudbytte) forbruge energi. Ved omdannelse af halm til bioethanol kan man fx i dag kun udnytte 50-75 procent af energien i halmen. Udnyttelsesprocenten forventes dog at blive lidt bedre efterhånden som der gøres teknologiske fremskridt. Biomassens indhold af energi kan udnyttes langt bedre, hvis den i stedet afbrændes i kraft/varmeværker, hvor man kan omdanne den til andre "energitjenester" som strøm og fjernvarme. Hvis batteriteknologi udvikler sig hurtigt, kan resultatet derfor blive, at biomassen laves til strøm til elbiler frem for til brændstof til traditionelle motorer.

At producere energi koster med andre ord energi. Der forbruges energi hele vejen igennem produktionen af energi fra fx biomasse. Hvis dette energiforbrug selv har tæret på fossile brændsler, trækker det både ned i biomassens samlede energibidrag og i dens klima-effekt. Man får med andre ord mindre klima for pengene – eller måske ligefrem et dårligere klima. Det har også stor betydning, hvor klimabelastende de fossile brændsler, bioenergien erstatter, er. Neden for ses nogle af de energiforbrugende og klima-belastende henholdsvis klima-besparende led.



Klimabesparende Klimabelastende

1. Dyrkning Optag af CO2 fra luften Såning, pesticider, gødning, etc.

2. Høst Høst, opbevaring

3. Konvertering (fx fra fibre til flydende brændstof eller elektricitet) Ingredienser, elektricitet, varmetab

4. Anvendelse Begrænsning af forbruget af fossil brændsel Udledning af den optagne CO2, tab af energi som varme i motor

Som det kan ses, er klimaregnskabet helt afhængig af, at energiforbruget ved produktionen ikke overstiger den mængde fossil energi, bioenergien "fortrænger", det vil sige forhindrer i at blive brugt.

Det er afgørende at udnytte biomassen effektivt, fordi effektiviteten afspejler sig i prisen. Selv små ændringer i prisen kan være udslagsgivende for, om regeringer, energiforsyningsselskaber og forbrugere tør satse på biobrændstof frem for fossilt brændstof, og dermed at klimabelastningen fra transportsektoren kan begrænses.

1G og 2G biobrændstof

Der skelnes ofte mellem 1. og 2. generations (1G og 2G) biobrændstof. Man hører ofte et argument fremført om, at samfundet bør satse på 2G brændstof, da 1G brændstof medfører, at fødevarer laves om til transportbrændstof. Så enkelt er det dog ikke.

1G biobrændstof er lavet på basis af planters indhold af sukker, stivelse, fedt eller olier, og gør derfor brug af den del af planten, der i nogle tilfælde også ville kunne bruges til fødevarer eller foder. Planter, der er rige på sådanne stoffer, vokser desuden typisk på god landbrugsjord. Dansk raps, amerikanske majs og brasilianske sukkerrør bruges fx allerede i dag til produktion af store mængder biobrændstof, som blandes i den fossile benzin og diesel.

2G biobrændstof fremstilles ud fra planternes fiberdele, som findes i høje koncentrationer i strå eller træ, der typisk anvendes til andet end fødevarer, og som i nogle tilfælde ikke udnyttes effektivt i dag. Det gælder fx halm, et restprodukt fra landbrugsproduktionen, selvom den i et vist omfang allerede bruges i stalde og til afbrænding på kraft/varmeværker. Alt andet lige konkurrerer produktionen af 2G biobrændstof derfor ikke nødvendigvis på samme måde med fødevareproduktion som 1G biobrændstof.

Skal biobrændstof levere en væsentlig del af bilernes energiforbrug, vil der imidlertid være behov for at inddrage arealer til dyrkning af afgrøder til 2G brændstof. Man bruger her afgrøder, der hurtigt danner biomasse, såsom elefantgræs, pil eller poppel. Det vil i sagens natur optage arealer, der kunne være brugt til fødevareproduktion, udlægges som naturarealer, eller andet.

Foruden forskelle med hensyn til økonomi, arealkrav og klimapåvirkning, påvirker forskellige energiafgrøder også miljø, natur og landskab på forskellig vis, fx som følge af deres individuelle krav til gødning og pesticider. Valget af en energiafgrøde frem for en anden afspejler med andre ord forskellige etiske hensyn, sådan som det også blev omtalt i kapitel 1.

Der findes desværre ikke en afgrøde, der klarer sig godt på alle de nævnte punkter. Tvært imod er der en tendens til, at produktion af 1G biobrændstof er prismæssigt konkurrencedygtig, men kun bidrager beskedent – om overhovedet – til at løse klimaproblemerne, mens produktion af 2G biobrændstof, der er mere klimavenlig, ikke kan konkurrere prismæssigt.

Produktionen af biobrændstof er steget markant de sidste få år, men stort set det hele kommer fra 1G produktion, det vil sige fra afgrøder som sukkerrør, raps, solsikke og majs. 2G værker er opført i afprøvningsskala, men skal opføres i meget stor skala for at være klimamæssigt og økonomisk tilstrækkeligt effektive. Værkerne er dyre at opføre og produktet er stadig dyrere end fossilt brændstof og 1. generation biobrændstof og afhænger derfor af offentlig støtte, hvis produktionen skal overleve på markedsvilkår.

I nedenstående skema kan man se på to eksempler på produktion af biobrændstof, der er udtryk for netop dette skisma, nemlig produktion af bioethanol ud fra majs og ud fra poppel. De giver stort set det samme samlede energiudbytte per hektar mark, der dyrkes, men her stopper lighederne også.

Eksempler: Bioethanolproduktion ud fra majs (1G teknologi) og poppel (2G teknologi)

Majs er et typisk eksempel på brugen af ét-årige energiafgrøder, der kan give et stort brutto energiudbytte per hektar, som dog modsvares af et højt energiforbrug ved produktionen, kulstoftab i marken og lav effektivitet ved omsætningen til brændstof. Resultatet er en beskeden klimaeffekt.

Brugen af poppel er et typisk eksempel på, at man ved at bruge flerårige energiafgrøder og 2G teknologi til at fremstille brændstof kan opnå en klar forbedring med hensyn til såvel klima som miljø, mens teknologien er umoden for så vidt at den ikke kan konkurrere prismæssigt.



Majs-ethanol (1G) Poppel-ethanol (2G)

Energiudbytte Højt Højt
Konkurrencedygtighed God Dårlig
Dyrkningskrav God landbrugsjord Dårlig landbrugsjord
Påvirkning, natur og miljø Høj Lav
Klimaforbedring Ingen Moderat

Eksempel på 1G teknologi – glucose fra stivelse

Majs bliver til ethanol – det vil sige alkohol eller sprit – gennem en simpel teknik, man har kendt længe, og som kun skitseres kort her. Ved ethanolproduktionen udnytter man majskornenes høje indhold af stivelse. Stivelse består af lange kæder af glucose-molekyler, som skal løsnes fra hinanden, før de kan fermenteres til ethanol, som vi skal se nærmere på neden for.

2G teknologi – glucose fra plantefibre

2G produktion af ethanol baserer sig ligesom 1G produktion på fermentering af glucose. Især i flerårige planter findes det meste af glucosen i plantecellernes cellevægge, hvor de giver planterne den robusthed, der gør, at planten kan holde sig oprejst. Det, vi kender som "træ", eller det gråbrune halmstrå, består med andre ord af store mængder glucose.

En fordel ved at bruge plantefibre som glucose-kilde er, at hele planten kan bruges snarere end kun frøene. Man kan bruge restprodukter fra fødevareproduktionen i form af halm fra fx raps og korn, hø, majsplanter/kolber eller organisk affald og resttræ fra skovdrift, materialer der traditionelt har været forholdsvis billige, og som ikke lægger lige så meget pres på arealforbruget som de afgrøder, 1G teknologien anvender.

I lighed med 1G teknologi gør 2G teknologi altså brug af glucose fra planter, der fermenteres til ethanol. Den afgørende forskel på 1G og 2G teknologi handler om hvilket råmateriale, der anvendes.

Tekniske udfordringer

Som vi har set er 2G teknologi en mere lovende vej at gå end 1G teknologi, hvis målet er klimaforbedringer. Når det er mere udfordrende at lave træfibre om til ethanol skyldes det, at det er mere vanskeligt effektivt at frigøre glucosen.

Glucosen er bundet sammen med en stærk kemisk binding, mennesker ikke kan nedbryde med de enzymer, vi har i vores tarme, og danner kæder – polymerer – der kaldes cellulose. Visse andre organismer kan nedbryde cellulose-polymererne til deres bestanddele af glucose-monomerer, organismerne kan omsætte til energi, hvilket husejere fx frygter, når der er tale om hussvamp.

Ren cellulose er forholdsvis nemt at nedbryde ved hjælp af enzymer, vi har kopieret fra naturen. Cellulose kan nedbrydes af den enzym-type, der kaldes for cellulaser. Nogle cellulaser klipper cellulosen over tilfældige steder, andre klipper polymeren i mindre stykker fra en ende af. Derfor kan en effektiv proces forudsætte, at der tilsættes en blanding af forskellige slags cellulaser.

Plantefibre – dvs. plantecellers cellevægge – er dog sammensat af flere forskellige fibre. Tilsammen kan de danne genstridige bundter, der så at sige holder godt fast på glucosen.

Cellevæggen er opbygget af forskellige strukturer, foruden cellulosefibre polymererne hemicellulose og lignin. De forskellige polymerer ligger på kryds og tværs i cellevæggen og er bundet sammen med kemiske bindinger, så de danner et robust net.

CELLEVÆGGEN Glucosen, der kan omsættes til ethanol, er bundet i cellulosefibrene i plantecellers cellevægge, hvor de er filtret sammen med andre fibre

Cellevæggen. Glucosen, der kan omsættes til ethanol, er bundet i cellulosefibrene i plantecellers cellevægge, hvor de er filtret sammen med andre fibre. (illustration: Peter Waldorph) 

En stor udfordring har bestået i at få frigjort tilstrækkelig meget glucose uden samtidig at bruge for store mængder af dyr energi og andre ressourcer. Det har krævet udvikling af nye og mere effektive enzymer og teknikker, der i sig selv ikke må være for dyre. Dette er baggrunden for, at der i dag forskes intensivt i at udvikle nye enzymer – og at finde enzymer med interessante egenskaber i naturen. Danske virksomheder er førende på dette område.

Fra halm til biobrændstof

Produktionen af bioethanol forklaret i fem trin.

2G biobrændstof teknologi anvender plantefibre som råmateriale, fx i form af hø, halm eller træ. På filmen ser man 500 kg tunge halmballer af hvedehalm, der er klar til anvendelse på bioethanol-værket Inbicon i Kalundborg.

Når halmen er blevet kogt, enzymbehandlet, fermenteret og filtreret, ender halmen som ren ethanol. Ren ethanol kan blandes i benzin og dermed begrænse brugen af fossilt brændstof, som belaster klimaet. Processen kræver dog også input af energi i form af fx damp, som Inbiconværket får fra et kraft/varmeværk, der ligger lige ved siden af, og hvor dampen er en slags biprodukt fra elproduktionen. Ved at placere Inbicon ved siden af et kraftværk har man altså adgang til billig energi.

Undervejs i processen sorteres to biprodukter fra, som også udnyttes, nemlig melasse, en sukkerholdig sirup, og lignin, der kan bruges som brændsel på kraft/varmeværket. Det er afgørende for værkets samlede energi- og klimaregnskab, at alle processer er så effektive som muligt, og at alle produkter udnyttes.

Et værk som Inbicon er et eksempel på et bioraffinaderi, hvor forskellige dele af samme organiske materiale anvendes som udgangspunkt for fremstilling af flere forskellige produkter. Det kan ideelt set både øge produktionens værdi og forbedre udnyttelsen af begrænsede ressourcer, og dermed skåne miljø og klima.

Plantefibre 

Ethanolen laves ud fra glucose-molekyler, som er bundet i plantefibrenes cellulosefibre.

På tegningen ser man, at cellulose-mikrofibrillerne (det vil sige meget tynde cellulose-fibre) er bundet sammen med andre fibre, især hemi-cellulose og ligning. Hemi-cellulosen går i stykker under kogningen og ”smelter” af.

Modsat cellulosen indeholder den mange forskellige slags sukker-monomerer, og en stor del er såkaldt C-5 sukker eller pentose, det vil sige at sukker-monomererne indeholder 5 kulstofatomer, snarere end 6 som i glucose (C-6 sukker). C-5 sukker kan ikke fermenteres til ethanol af gær og sorteres derfor fra og indkoges til sirup. Melasse kan fx bruges som dyrefoder, da dyr godt kan omsætte C-5 sukker. Fiber-fraktionen indeholder nu primært cellulose og lignin.

Cellevæg 

Tilsætning af enzymer skal bryde bindingerne mellem glucose-monomererne. Dampkogningen har blotlagt cellulosen, så cellulase-enzymerne bedre kan nå cellulosefibrene. Først tilsættes cellulaser, der klipper cellulosen i mindre stumper, dernæst tilsættes cellulaser, der klipper stumperne fra hinanden, så al cellulosen til sidst er blevet til glucose. Processen gør, at blandingen bliver flydende og kan pumpes videre.

Cellulaseenzym 

Ved fermentering omsættes glucosen til ethanol. Gærceller har en naturlig evne til at fermentere glucose, det vil sige at omsætte den til ethanol. Et biprodukt ved processen er kuldioxid og vand. Set fra gærcellens perspektiv er også ethanolen et restprodukt, der udskilles.

Formålet med fermentering er produktion af energi i form af ATP. Udbyttet af energi ved fermentering er dog meget lavere, end når glucosen omsættes ved respiration – som man kan se er det samlede udbytte blot 2 ATP imod 38 ATP for respiration, idet 8-9 ATP dog ved respiration skal bruges til at ”holde maskineriet i gang”.

Nogle gærtyper kan skifte til respiration, hvis de befinder sig i et aerobt miljø, mens andre, fx bagegær, foretrækker fermentering. Hvis du laver en dej, kan den med andre ord godt hæve – under udvikling af CO2 – uden at der kommer ilt til.

Fra glucose til ethanol 

Resultatet af fermenteringen er ethanol, men ethanolen er stadig blandet med lignin og vand. Adskillelsen sker ved destillering, hvor man udnytter, at ethanolen lettere fordamper end lignin og vand. Princippet i destillering er, som tegningen viser, at den damp, der stiger op fra kolben (1), bliver til væske igen, når den kommer i kontakt med det rør (2), der fører ethanolen ned i kolben til højre (5). Det skyldes, at røret afkøles, fx ved at koldt vand pumpes igennem uden på røret (3 og 4).

Den afdestillerede ethanol er næsten helt ren og kan umiddelbart blandes i benzin. Lignin-fraktionen tørres og laves til lignin-piller, der kan bruges som brændsel på et kraftværk. Selvom ligninen faktisk indeholder en større mængde energi end ethanolen, indbringer den kun en lille del af værdien, fordi brændstof kan sælges til en højere pris.

Destilleringsproces

Er benzin bioenergi?

I virkeligheden er fossile energikilder som kul, olie og naturgas også en slags bioenergi, men disse kemiske forbindelse er dannet ved biologiske processer for mange mio. år siden. Ved bioenergi forstås derfor normalt biomasse, der er dannet eller kan gendannes inden for en defineret årrække. Bioenergi kan således beskrives som en vedvarende energikilde for så vidt, at den CO2, som frigives når planterne omsættes, modsvarer den CO2, som inden for en given tidshorisont optages af de planter, der vokser op.

Biobrændstof eller fødevarer?

Skulle hele Danmarks forbrug af fossilt brændstof erstattes med biobrændstof, ville det kræve, at man brugte hele det danske landbrugsareal til fremstilling af energiafgrøder! Derfor er der ikke udsigt til, at biobrændstof i fremtiden bliver den eneste løsning. Men fordi der er et stort behov for at finde gode klimaløsninger på kort sigt – mens verden udvikler andre løsninger og forhandler aftaler – er biobrændstof blevet en vigtig brik i løsningen af klimakrisen. Læs mere om de etiske spørgsmål, der knytter sig til at erstatte fødevareproduktion med produktion af energiafgrøder.

Enzymer – arbejdsmænd i organismer

Enzymer udfører mange opgaver i vores krop, fx nedbryder de maden i vores tarme, de indgår i den stofskifteproces, der foregår i kroppens celler, som frigør energi til kroppens arbejde fra fx sukker, fedt og protein, og i opbygningen af de strukturer, vores krop er opbygget af. Enzymer er selv proteiner, og mange af vores gener udgør "opskrifter" på enzymer. Enzymer er katalysatorer, dvs. de fremmer processer uden selv at blive forbrugt. Se også figuren af cellevæggen.

Polysacchariders binding har betydning for bioenergi – og for din vægt!

Polysaccharider er polymerer, der består af fra ti til tusindvis af sammenkædede sukker-molekyler (enkelt-sukkermolekyle = monosaccharid eller sukker-monomer). Polysaccharider som stivelse og cellulose består begge af glucose-monomerer, der er bundet sammen af et oxygen-molekyle (ether-binding), som kan nedbrydes ved hydrolyse, dvs. ved at der forbruges et vandmolekyle. For planter er det smart at binde sukker-molekylerne sammen, når de skal bruges som oplagring eller byggematerialer, for så bliver de mindre vandopløselige og dermed mere permanente. Når du måske har læst, at grøntsager med mange kostfibre – fx cellulose – er sunde, mens grøntsager med stivelse (fx kartofler og majs) er mindre sunde, skyldes det, at du kan omsætte stivelse til energi, mens cellulosen ikke omsættes – den bliver derimod i tarmen hvor den forbedrer fordøjelsen. Årsagen til forskellene i nedbrydelighed er, at det oxygen, der binder glocuse-monomererne sammen, har forskellige kemiske placeringer. Placeringen giver de to polysaccharider forskellige strukturer – mens cellulose-strengen er lineær (betaglucose-enheder) er stivelse spiralformet (alfaglucose-enheder). Resultatet er, at der skal forskellige enzymer til for at skille glucose-monomererne ad. De færreste dyr – herunder mennesker – kan fremstille cellulase-enzymer i tarmen; og det er jo en fordel for de mange, der gerne vil undgå at tage på!

GMO

Man har forsøgt ved hjælp af gen-modifikation (GMO) at ændre på planter, så de allerede i vækstfasen laver cellevægge, som siden nemmere kan omdannes til ethanol – se tema om GMO.