In dit werkpakket zijn de milieu-effecten van de productie en toepassing van pyrolyse-olie uit biogene reststromen onderzocht. Voor de productie van pyrolyse suikers voor het modificeren van hout is een integrale business case inclusief economische analyse uitgevoerd. Werkpakket 5 is doorge-voerd onder de leiding van BTG.

Projectleider van Werkpakket 5 was: dr. Jurjen Spekreijse (BTG) FOTO

1.LCA analyse productie en toepassing van pyrolyse-olie

Pyrolyse-olie wordt verkregen door snelle verhitting van biomassa, meestal bosbouwresiduen in een zuurstofloze omgeving. De verkregen olie heeft een hogere dichtheid en is homogener dan de biomassa, wat het gebruik ervan als industriële warmtebron vergemakkelijkt. In dit werkpakket wordt het gebruik van maïsdigestaat afkomstig uit een NawaRo-installatie (biogasinstallatie die werkt op bepaalde her-groeiende grondstoffen) als alternatieve grondstof onderzocht. Bovendien wordt de toepassing van pyro-lysefracties als houtverduurzamingsmiddel geanalyseerd. In deze toepassing kunnen de pyrolytische suikers, die verkregen kunnen worden door het scheiden van de pyrolyse-oliefracties, creosoot vervan-gen. Creosoot, verkregen uit steenkoolteer, wordt momenteel gebruikt om de aantasting van hout te voorkomen wanneer het in contact komt met aarde of water.

De levenscyclusanalyse (LCA) wordt uitgevoerd in het kader van het Groen Goud project en heeft tot doel de milieubelasting van de productie van pyrolyse-olie uit twee verschillende grondstoffen te vergelijken: bosbouwresiduen of maïssilage. Daarnaast wordt de milieubelasting van de houtverduurzamingsbehan-deling met behulp van pyrolytische suikers, verkregen uit pyrolyse-olie uit bosbouwresiduen, beoor-deeld en worden deze effecten vergeleken met die van het gebruik van creosoot. Naast deze vergelijkin-gen heeft de LCA tot doel de processen in de systemen te identificeren die de grootste impact hebben, om op die manier ondersteuning te bieden bij de besluitvorming over de voortzetting van de procesontwik-keling. Hieronder wordt een samenvatting van de LCA gepresenteerd, een volledig LCA-rapport is open-baar beschikbaar en een wetenschappelijke publicatie is in voorbereiding.

Methodiek

Deze LCA berekent de milieubelasting van twee systemen. Ten eerste wordt de invloed van het gebruik van een andere biomassa als grondstof voor de productie van pyrolyseolie vergeleken. Hier wordt het effect van 1 GJ pyrolyse-olie uit bosbouwresiduen vergeleken met de productie van 1 GJ pyrolyse-olie uit maïsdigestaat. Ten tweede wordt de behandeling met houtverduurzamingsmiddelen met een fractie van de pyrolyse-olie vergeleken met creosoot op basis van fossiele brandstoffen. Deze fractie, de pyrolytische suikers, wordt geproduceerd uit pyrolyse-olie die gemaakt is van bosbouwresiduen.

De vergelijking van pyrolyse-olie uit verschillende bronnen van biomassa is een Cradle-to-Gate-LCA, waarbij de effecten van de productie van pyrolyse-olie worden vergeleken, maar de effecten op het ge-bruik en de levensduur niet worden berekend. Dit is bij het vergelijken van de twee grondstoffen niet nodig, omdat het gebruik en de gevolgen aan het einde van de levensduur van pyrolyse-olie voor elk type pyrolyse-olie identiek zullen zijn.

De vergelijking van houtbehandelingsmethoden is echter wel een volledige levenscyclusanalyse. Dit is nodig omdat het gebruik en de levensduur van de creosoot op fossiele basis en de biogebaseerde pyroly-tische suikers aan het einde van hun levensduur verschillende milieueffecten hebben. In de sensitivi-teitsanalyse werd bevestigd dat de keuze van de levensduur, ook al heeft die keuze een effect op de mili-eueffecten, de conclusies van deze LCA niet verandert.

Resultaten

De grondstof voor 1 GJ pyrolyse-olie wordt vergeleken in drie categorieën milieueffecten: (1) schade aan de menselijke gezondheid, (2) schade aan ecosystemen en (3) de toename van de schaarste aan grond-stoffen. Deze effecten resulkteren uit onderliggende categorieën, zoals grondgebruik, ecotoxiciteit en opwarming van de aarde. Het effect van 1 GJ pyrolyse-olie op de opwarming van de aarde is weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. Broeikasgasemissies bij de productie van 1 GJ pyrolyse-olie uit hetzij bosbouwresiduen of digestaat, uitgedrukt in kg CO2 -equivalenten.

Voor twee van de drie effectcategorieën, schade aan de menselijke gezondheid en toename van de grond-stoffenschaarste, heeft het gebruik van maïsdigestaat aanzienlijk grotere gevolgen dan het gebruik van bosbouwresiduen. Voor de derde categorie, schade aan ecosystemen, werd geen significant verschil vastgesteld.

Voor de houtverduurzamingsbehandelingen werden dezelfde drie categorieën gebruikt om de milieubelasting van 1 m3 behandelde houten palen voor een jaar te bepalen, inclusief de productie van het houtverduurzamingsmiddel, het gebruik van de houten paal en het einde van de levens-duur. Van de drie categorieën hebben er twee een beduidend geringer effect bij het gebruik van pyrolytische suikers: schade aan de gezondheid van de mens en de toename van de grondstof-fenschaarste. De derde categorie, schade aan ecosystemen, vertoont geen significant verschil. De grotere impact op de toegenomen grondstoffenschaarste is vooral te wijten aan de productie van creosoot uit fossiele grondstoffen. De schade aan ecosystemen is grotendeels het gevolg van het bodemgebruik dat de duurzame bosbouw nodig heeft om de houten paal en de bosbouwresiduen te produceren.

Figuur 2. Schade aan de menselijke gezondheid door 1 m³a behandeld hout door creosoot of pyrolytische suikers, uitge-drukt in levensjaren die zijn aangepast aan de beïnvloeding.

De schade aan de menselijke gezondheid vertoont een complexer effectenpatroon. Dit overzicht is weergegeven in figuur 2. Hier worden de belangrijkste bijdragen getoond voor zowel het creosoot-systeem als het pyrolytische suikersysteem. De belangrijkste effecten voor pyrolytische suikers zijn de opwarming van de aarde en niet-kankerverwekkende toxiciteit. De impact van de opwar-ming van de aarde komt voort uit de energie die nodig is bij de toepassing van de pyrolytische suikers in de houten paal. De niet-kankerverwekkende toxiciteit komt voort uit de as die tijdens het pyrolyseproces ontstaat. Voor creosoot zijn de belangrijkste effecten de opwarming van de aarde, de productie van fijnstof en de kankerverwekkende toxiciteit. De opwarming van de aarde is hier het gevolg van het toepassingsproces en de productie van creosoot. De fijnstof wordt voor-namelijk geproduceerd bij de productie van creosoot. Ten slotte kan de kankerverwekkende toxi-citeit worden herleid naar de uitloging van creosoot tijdens de toepassing van de creosoot in de houten paal en de uitloging van de creosoot tijdens de levensduur van de houten paal.

2. Economische analys

Inleiding
De economische perspectieven van de te ontwikkelen nieuwe producten en ketens zijn onderzocht. Er heeft een economische evaluatie en een opzet van een integrale business case van de meest veelbelo-vende producten plaatsgevonden.

T.a.v. de scope van deze economische evaluatie is als startpunt de meest veelbelovende business case genomen, namelijk die van de productie van pyrolyse suikers voor het modificeren van hout. Deze waardeketen is verder ontwikkeld in het Groen Goud project, tot op een niveau dat er proefstukken (samples) ontwikkeld zijn, en dat er verder gewerkt kan worden aan de opschaling van de waardeke-ten. De resultaten hiervan zijn in een uitgebreide rapportage weergegeven . Hier wordt een samenvat-ting van de belangrijkste resultaten gegeven.

Scope
De scope van het onderzoek omvat het bepalen van de haalbaarheid van de waardeketen van grond-stof tot product. Qua grondstof is ervoor gekozen om maïssilage te nemen. Deze grondstof is gekozen in plaats van enkele andere grondstoffen welke onderzocht zijn in het Groen Goud project, omdat nader onderzoek heeft aangetoond dat daarmee de beste pyrolyse-olie kwaliteit bereikt kon worden. Het product betreft de suikerfractie van de pyrolyse-olie. De waardeketen betreft de volgende vier stappen:

Figuur 1: Waardeketen maïssilage – suikerfractie

Ten aanzien van de grondstof (maïssilage) wordt ervan uitgegaan dat deze gekocht kan worden. Met name in Duitsland is er een groot aanbod (en een grote vraag) naar maïssilage. De suikerfractie is het ‘eindproduct’. In de opzet van deze waardeketen is bepaald dat dit product wordt geleverd als grond-stof voor houtmodificatie. De verdere verwerking van deze suikerfractie word door gespecialiseerde bedrijven uitgevoerd, en valt hiermee buiten de scope van het onderzoek. Qua hoeveelheden is het onderzoek uitgegaan van productie van pyrolyse suikers in een ‘typische’ pyrolysefabriek met een ca-paciteit van 5 ton (droge) biomassa per uur (input).

Nadere uitwerking processtappen

Voorbewerking
Elk jaar zullen er 37.500 ton droge maïssilage beschikbaar moeten zijn om voldoende te kunnen pyro-lyseren, dit betekent dat er 106.000 ton maïssilage voorbewerkt dient te worden, omdat maïssilage na mechanische ontwatering nog steeds een drogestofgehalte van minimaal 42%df heeft. De voorbe-werking van deze maïssilage zal worden afgestemd op de pyrolyse. De samenstelling van de maïssilage per jaar zal licht verschillen waardoor de uitwerking op het gehele proces licht verandert. Het ds% zal ervoor zorgen dat er eventueel meer of minder energie nodig is voor de voorbewerking.

Pyrolyse
Als de maïssilage voorbewerkt is zal deze verwerkt worden tot pyrolyse-olie. De pyrolysefabriek zal in principe 24 uur per dag 7 dagen in de week draaien. Ervanuit gaande dat er ook stilstand optreedt in het proces voor onderhoud of storingen wordt aangenomen dat de pyrolyse-fabriek 7500 uur per jaar draait. Bij de pyrolyse wordt er per uur 5 ton voorbewerkte maïssilage verwerkt tot 3,4 ton pyrolyse-olie. Aangezien de maïssilage al voorbewerkt is conform de gestelde eisen, dienen er geen aparte stappen uitgevoerd te worden voordat het verwerkt wordt tot pyrolyse-olie, dit feit creëert de om-standigheden om in een continu proces te werken.

Fractionering
De geproduceerde pyrolyse-olie zal vervolgens worden gefractioneerd door middel van extractie, dit wordt uitgevoerd middels een speciaal hiervoor ontworpen fractioneringsopstelling. Er is geen verdere voorbehandeling van de pyrolyse-olie vereist. De fractioneringsopstelling kan zo groot gemaakt wor-den als dat nodig is. Hierdoor kan de fractionering in ieder geval 3,4 ton pyrolyse-olie per uur fractio-neren. In dit proces ontstaat geen tussenvoorraad van pyrolyse-olie. De fractionering zal net zoals de pyrolyse fabriek 7500 uur per jaar dienen te draaien om de gewenste hoeveelheid suikerfractie te kunnen produceren. De pyrolyse-olie zal gescheiden worden in lignine, waterige fractie en suikerfrac-tie. In de onderstaande tabel is hier een overzicht van weergegeven.

Tabel 2: Opbrengst gefractioneerde pyrolyse-olie met een input van 3,4 ton pyrolyse-olie per uur

Logistiek
Er zijn twee belangrijke logistieke stappen te onderscheiden in de waardeketen:
•Transport (en opslag) van de maïssilage naar de pyrolysefabriek
•Transport van de suikerfractie naar de eindafnemer.

Omdat de eerste stap het belangrijkste is qua vrachtwagenbewegingen en kosten, is het van belang om de pyrolyse fabriek zo dicht mogelijk bij de gebieden te situeren waar de markt voor maïssilage het meest gunstig is. Uit een analyse van de Duitse markt voor maïssilage blijken de deelstaten Nie-dersachsen, Nordrhein-Westfalen en Bayern de meest interessante locaties om uit te zoeken. In deze deelstaten wordt de meeste snijmaïs geproduceerd en in één van deze deelstaten zal de fabriek dus worden gebouwd

Resultaat
Een economische analyse is uitgevoerd op de maïssilage – suikerfractie waardeketen. Hierbij zijn de investeringskosten, alsmede de operationele kosten en opbrengsten van de gehele waardeketen mee-genomen. Qua opbrengsten zijn drie mogelijke prijzen voor de suikerfractie meegenomen:

•Kostprijs plus: Hierbij wordt er uitgegaan van een opslag van 12% op de break even kostprijs. Dit resulteert in een verkoopprijs van 888 Euro/ton suikerfractie.

•Zelfde opbrengst als bij energieproductie uit pyrolyse-olie. Als we uitgaan van inkomsten van 300 euro/ton ruwe pyrolyse-olie (dit is de huidige verkoopprijs van de pyrolyse-olie) dan is er een verkoopprijs van 734 Euro/ton suikerfractie nodig voor de suikerfractie. Hierbij wordt al meegenomen dat het bijproduct lignine verkocht kan worden voor dezelfde prijs als pyrolyse-olie (op energiebasis).

•Een derde mogelijke prijsstelling is de concurrentiegerichte prijsstelling. Hierbij wordt de prijs van de suikerfractie 10% onder die van het te vervangen product (furfuryl alcohol) gesteld. Dit levert een prijs op van 930 Euro/ton suikerfractie.

In de onderstaande figuur is de netto cashflow van de waardeketen gegeven voor deze drie prijsstel-lingen. Terugverdientijden lopen uiteen van 13 jaar voor de laagste prijsstelling tot 8 jaar voor de hoogste prijsstelling.

Figuur 2: Cashflow maïssilage – suikerfractie voor drie prijsstellingen

De opbouw van de kosten – in het geval van concurrentiegerichte prijsstelling – is weergegeven in figuur 3. Duidelijk is te zien dat de kosten van de maïssilage een belangrijke kostencomponent zijn. Ook in het geval van houtige grondstoffen, zoals bij de Empyro fabriek, is dit het geval. Afschrijvingen zijn daarnaast een belangrijk onderdeel van de kosten, gevolgd door transportkosten. Zoals verwacht zijn de transportkosten van de maïssilage veel hoger dan de kosten van transport van de suikerfractie. Dit betekent dat de keuze om de maïssilage transportkosten te minimaliseren door transportafstanden zo laag mogelijk te houden een juiste was.

Figuur 3: Opbouw kostprijs suikerfractie (concurrerende prijsstelling)

Conclusies
In dit werkpakket is onderzoek gedaan naar de milieu-impact van pyrolyse en de toepassing daarvan in producten door middel van levenscyclusanalyses (LCA). Daarnaast is een economische analyse uitge-voerd van de gehele waardeketen van biomassa grondstof naar pyrolyse-olie fractie.
Ten aanzien van de milieu-impact analyse zijn er twee zaken onderzocht. Allereerst is de milieu impact van de productie van pyrolyse-olie uit bosbouwresiduen vergeleken met de milieu-impact van pyroly-se-olie productie uit maïs digestaat. Hieruit is gebleken dat de productie van pyrolyse-olie uit bos-bouwresiduen een lagere milieu-impact heeft dan pyrolyse-olie uit maïs digestaat. Dit betekent niet automatisch dat bosbouwresiduen altijd een betere grondstof zijn, maar alleen dat voor de gekozen case dat zo is. Het digestaat is immers een afvalstof van lagere kwaliteit. De tweede case die vergele-ken is betreft het verduurzamen van hout. Houtverduurzaming met pyrolyse suikers is vergeleken met houtverduurzaming door het fossiele alternatief (creosoot olie). Hierbij bleek dat het gebruik van pyro-lyse suikers een lagere milieu-impact heeft dan het fossiele alternatief, enerzijds omdat de pyrolyse suikers uit natuurlijke grondstoffen geproduceerd worden (biobased) en anderzijds omdat de toxiciteit lager is dan bij creosoot olie.
Ten aanzien van de economische analyse is gebleken dat de gehele waardeketen vanaf het pyrolyseren van maïssilage tot en met het fractioneren van de olie en het leveren van de suikerfractie voor de toe-passing houtmodificatie economisch haalbaar is.

De waardestroom, het proces, vanaf de inkoop van maïssilage tot de levering van het eindproduct suikerfractie aan de afnemer, zou vanuit het drogestof-percentage van maïssilage ingericht moeten worden. Als de capaciteit is afgestemd op de Customer Demand van de eindgebruiker zal het leiden tot een economisch haalbaar proces, er worden inkomsten gegenereerd uit het hoofdproduct suiker-fractie, ongeacht de prijszetting, en de bijkomende producten lignine en elektriciteit.

Aanbevelingen zijn dat het goed is om te onderzoeken of de energiekosten van de pyrolysefabriek verminderd kunnen worden, omdat deze onder de huidige aannamen (42% ds maïssilage input) niet zelfvoorzienend is qua energie. Andere aanbevelingen zijn om de politieke weerstand in Duitsland tegen het gebruik van maïs voor energie mee te nemen bij de besluitvorming. Verder wordt aanbevo-len om toepassingen te ontwikkelen voor twee afvalstromen uit de waardeketen (waterige fractie – bijproduct van het fractioneren) en persvocht (bijproduct mechanisch ontwateren). Vergisting van de waterige fractie zou mogelijk kunnen zijn.