Het afsluitend bericht met alle resultaten vindt u onder projectvoortgang.
Het project Groen Goud
Het beperken van de CO2-uitstoot en het beschermen van het klimaat stellen Duitsland en Nederland voor grote uitdagingen. Een bouwsteen die kan bijdragen aan het behalen van de klimaatdoelstellingen is het gebruik van biomassa voor het opwekken van duurzame energie of als grondstof voor nieuwe, hoogwaardige producten. Biomassa speelt aan beide zijden van de grens een bijzondere rol, vooral voor het gebied van de Euregio met zijn agrarische karakter en talrijke biogasinstallaties. De eerste zelfstandige stand-alone-pyrolysefabriek in Europa werd eind 2014 in Hengelo in gebruik genomen. Pyrolyse is een techniek om olie uit biomassa te winnen. Daarbij gaat het om de thermische afbraak van chemische verbindingen bij hoge temperaturen waarbij zuurstof onttrokken wordt, met als gevolg dat uit de biomassa olie wordt geproduceerd. In principe is dit hetzelfde proces dat aardolie gedurende honderden jaren diep in de aarde heeft ondergaan, alleen kunstmatig. De zo gewonnen pyrolyse-olie kan worden gebruikt als brandstof of als grondstof voor biobased materialen.
Doel
Het INTERREG VA-project Groen Goud brengt een Duits-Nederlands consortium van twee hogescholen en verschillende kleine en middelgrote ondernemingen (MKB) uit beide landen samen om gezamenlijk onderzoek te doen naar innovaties voor de productie van pyrolyse-olie en de productie van kwalitatief hoogwaardige chemicaliën uit laagwaardige biomassa-residuen. Niet alleen verschillende biomassastromen, zoals fermentatieresiduen van biogasinstallaties en residuen uit bosbouw en landbouw, werden als uitgangsproduct getest, maar ook de verschillende pyrolyseprocessen en de daarop volgende pyrolyse-olie fractionering werden getest. Het doel van het project was tweeledig:
1. De ontwikkeling van pyrolyse als toepassing voor laagwaardige biomassastromen.
2. Het gebruik van pyrolyse-olie voor energiedoeleinden en de bewerking van de olie tot hoogwaardige chemicaliën.
Aanpak en werkpakketten
Om deze doelstellingen te bereiken, werden vijf inhoudelijke werkpakketten (WP) uitgevoerd. In deze werkpakketten werkten de projectpartners intensief samen, waarbij de projectpartner met de grootste expertise op het betreffende gebied de leiding op zich nam. Inhoudelijk bouwden de werkpakketten op elkaar voort. In WP 1 is onder leiding van FH-Münster een inventarisatie van biogene residuen uitgevoerd. Op basis hiervan is een selectie gemaakt van tien reststromen, die vervolgens in WP 2 onder de leiding van BTG in het pyrolyse- en fractioneringsproces zijn getest. Daarnaast werd er nog een selectieproces toegepast waaruit drie reststoffen zijn voortgekomen die op grote schaal zijn getest in de mini pyrolyse plant en in de pilot plant van BTG. Deze experimenten toonden aan dat de fermentatieresiduen van een ‚NawaRo‘-installatie (biogasinstallatie die werkt op bepaalde hergroeiende materialen) het best geschikt waren voor het pyrolyseproces. De verwerking verliep het meest soepel en de olieproductie was het meest effectief. Deze pyrolyse-olie kan gebruikt worden als brandstof. De olie was echter fase-gescheiden, zodat verdere fractionering technisch niet mogelijk was. In het geval van maïssilage, een alternatieve biomassastroom die er later bijkwam, kon de olie wel verder worden gefractioneerd om tot een betere toepassing te komen. De verwerking van de pyrolyse-olie was het doel van WP 3: onder de leiding van de Saxion Hogeschool werd onderzocht of en hoe de verschillende fracties kunnen worden gebruikt voor hoogwaardige toepassingen. De focus lag op het verbeteren van de zure waterfractie en de pyrolytische suikerfractie. De toepassing van een innovatief vrieskristallisatieproces, waarbij het water wordt bevroren en als ijs uit de vloeistof kan worden verwijderd, is voor beide fracties succesvol gebleken. Dit proces maakt het mogelijk om de zure waterfractie en de pyrolytische suikerfractie efficiënt om te zetten in een geschikte brandstof en gezuiverd water (ijs). Op grond van de waterige eigenschappen van deze pyrolysefracties werden ook microbiologische verwerkingstechnieken getest, aangezien veel micro-organismen zeer goed groeien in waterige omgevingen. Een langdurige test waarbij de zure waterige fractie werd vergist tot biogas toonde aan dat de bacteriën na zes maanden nog steeds in staat zijn om biogas te produceren. Het is aangetoond dat de bacteriën kunnen overleven in een verdunde zure, waterige fractie, hoewel deze voor micro-organismen giftige stoffen kan bevatten. Dit betekent dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om een nieuwe vergister te ontwerpen waarin de zure waterige fractie continu wordt omgezet in duurzaam biogas en relatief schoon afvalwater. Naast de methaanproductie hebben pyrolytische suikers en de zure waterfractie zich ook bewezen als waardevolle electronendonoren voor diverse microbiologische processen, bijvoorbeeld in rioolwaterzuiveringsinstallaties. Het is aangetoond dat sulfaat kan worden omgezet in sulfide en selenaat in selenium. De vervanging van de momenteel gebruikte electronendonoren zoals glycerol of ethanol kan leiden tot effectieve kostenbesparingen.
Daarnaast werden veelbelovende experimenten uitgevoerd bij projectpartner Foreco, een innovatief bedrijf uit de houtindustrie, in samenwerking met BTG, om pyrolytische lignine te gebruiken als grondstof voor bepaalde harsen of composieten of als houtverduurzamingsmiddel. Er werden 21 mengsels (formuleringen) geproduceerd die momenteel in een pilotinstallatie worden getest (impregnering). Totdat deze producten klaar zijn voor de markt, zijn verdere ontwikkelingsstappen nodig, die na afloop van de subsidiefase zullen worden uitgevoerd. Een patentaanvraag wordt momenteel overwogen.
Parallel daaraan werd in werkpakket 4, eveneens onder leiding van Saxion, de opwaardering van de anorganische fractie onderzocht. Als voor pyrolyse gebruik wordt gemaakt van laagwaardige biomassastromen, zoals gedroogd digestaat, dan neemt de anorganische fractie in grootte toe tot 40-50 %. Met dit hoge percentage lijkt het verstandig om ook de anorganische fractie om te zetten in een nuttig product. De anorganische fractie bestaat voornamelijk uit as. Dit wordt momenteel door de wetgeving als gevaarlijk afval beschouwd omdat het zware metalen bevat. Hoewel calcium en magnesium in de as nuttig zijn om de pH-waarde van de bodem te stabiliseren, maken zware metalen het momenteel onmogelijk om de as rechtstreeks als meststof te gebruiken. Uit filtratie-experimenten is echter gebleken dat het mogelijk is om de zware metalen uit de as te verwijderen. Dit biedt perspectieven om de as, die tot nu toe als afval wordt beschouwd, om te zetten in een product voor bodemverbetering.
In werkpakket 5 zijn de milieueffecten van de productie en toepassing van pyrolyse-olie onderzocht in het kader van een Life Cycle Analyse (LCA) onder leiding van BTG. Met name het gebruik van digestaat uit een NawaRo-installatie als alternatieve grondstof in verhouding tot het gebruik van bosbouwresiduen werd onderzocht. Hoewel is aangetoond dat de milieueffecten van het gebruik van bosbouwresiduen geringer zijn, betekent dit niet dat zij altijd het betere alternatief zijn. Het digestaat is immers een afvalstof van lagere kwaliteit. Daarnaast werd het gebruik van pyrolysefracties voor de behandeling van houtverduurzaming onderzocht. In deze toepassing kunnen de pyrolytische suikers die worden verkregen door het scheiden van de pyrolyse-olie-fracties, creosoot vervangen. Het uit steenkoolteer geproduceerde creosoot wordt momenteel gebruikt om de aantasting van hout te voorkomen. Het gebruik van pyrolytische suiker ter bescherming van hout resulteert in aanzienlijk betere waarden dan creosoot in termen van gezondheidsschade voor de mens en de toename van de grondstoffenschaarste, twee cruciale parameters voor de beoordeling van de milieueffecten.
Uit de kosten-batenanalyse, die tegelijkertijd werd uitgevoerd, bleek dat de gehele waardeketen van het pyrolyseren van de maïssilage tot het fractioneren van de olie en het gebruik van de suikerfractie als houtverduurzamingsmiddel economisch haalbaar is.
Duits-Nederlandse samenwerking
De intensieve Duits-Nederlandse samenwerking droeg in belangrijke mate bij aan het bereiken van de doelstellingen, aangezien de projectpartners elkaar optimaal aanvullen. Aan de FH Münster werd de inventarisatie van verschillende biogene restmateriaalstromen uitgevoerd en de voorbehandeling daarvan op semi-technische schaal ontwikkeld. Dit traject werd uitgevoerd in samenwerking met de Entsorgungsgesellschaft Steinfurt te Saerbeck, die verschillende soorten digestaat van biogasinstallaties leverde. Verdere reststromen werden geleverd door het straatreinigingsbedrijf Alba Baving en het afvalverwerkingsbedrijf Lohmann GmbH. De nauwe samenwerking tussen MKB, de hogescholen en de Biomass Technology Group in het project maakte de probleemloze testfases met een verschillende afvalstromen mogelijk.
In een tweede stap werden bij de Biomass Technology Group B.V. (BTG) in verschillende reactoren geselecteerde reststromen gepyrolyseerd. In deze experimentele fase was er een bijzonder intensieve personele samenwerking tussen BTG en de FH Münster. Dit kwam onder andere tot uitdrukking door dat de wetenschappelijke medewerker van de FH Münster en de huidige leider van het eerste werkpakket, Tobias Weide, BTG in het kader van zijn master-thesis met de pyrolyse-tests op de locatie in Enschede heeft ondersteund. Vervolgens werden de resultaten van het werk – de verschillende soorten pyrolyse-olie – onderzocht door de tweede hogeschool die bij het project betrokken was, de Saxion Hogeschool Enschede. Deze analyse werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met Wessling Holding GmbH & Co KG, een wereldwijd actief analyse- en testbedrijf uit Altenberge. Ook hier vulden de Duitse en Nederlandse knowhow elkaar aan in de interactie tussen de hogeschool en het MKB. De verwerking van pyrolytische suiker tot een houtverduurzamingsmiddel werd mogelijk gemaakt door de samenwerking tussen BTG en Foreco – een ander voorbeeld van de buitengewone productiviteit die kan voortvloeien uit de samenwerking tussen het bedrijfsleven en de kennisinstellingen.
Tijdens de regelmatige projectvergaderingen en workshops vond er een voortdurende uitwisseling plaats tussen alle projectpartners, die niet alleen ten goede kwam aan het gehele project, maar ook aan de afzonderlijke projectpartners met betrekking tot hun grensoverschrijdende activiteiten.
Conclusie
Meer dan 30 biogene reststoffen werden grondig onderzocht, waarvan er tien op de shortlist voor het pyrolyseproces werden geplaatst. Op basis van verdere selectie- en testprocedures werden drie van deze stofstromen uitgebreid getest in verschillende pyrolyseprocessen van verschillende schaal (schroefreactor, mini pyrolyse plant en een pilot plant). De uitgevoerde experimenten hebben aangetoond dat fermentatieresiduen van een NawaRo-installatie het meest geschikt zijn voor het pyrolyseproces, aangezien de verwerking het meest soepel verliep en de olieproductie het meest effectief was. De op deze manier geproduceerde pyrolyse-olie kan worden gebruikt voor energietoepassingen.
Daarnaast werd het pyrolyseproces ook uitgevoerd met maïssilage. Het voordeel van de daaruit verkregen pyrolyse-olie was dat deze gefractioneerd kon worden. Verschillende verwerkingstechnieken, zoals vrieskristallisatie, hebben aangetoond dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om een vergister te ontwikkelen waarin de zure waterige fractie continu wordt omgezet in duurzaam biogas en relatief schoon afvalwater. Verder onderzoek heeft aangetoond dat pyrolytische suikers en de zure waterfractie kunnen worden gebruikt als waardevolle elektronendonoren voor verschillende microbiologische processen, bijvoorbeeld in rioolwaterzuiveringsinstallaties.
Pyrolytische lignine kon in het project worden gebruikt als grondstof voor verf en houtverduur-zamingsmiddelen. Er zijn 21 mengsels geproduceerd, die momenteel in een impregneerinstallatie worden getest en naar verwachting zullen worden doorontwikkeld tot een commercieel product. Het project heeft ook waardevolle inzichten opgeleverd in de verwerking van de anorganische fractie. Met behulp van filtratie-experimenten is het gelukt om de zware metalen uit de as te verwijderen. Het is dus eventueel mogelijk om de as, die tot nu toe als afval wordt beschouwd, te verwerken tot een product voor bodemverbetering. De Life-Cycle- en economische analyse hebben uiteindelijk bewezen dat de in het project onderzochte ontwikkelingsstappen haalbaar zijn. Het ” Groen Goud” project heeft daarmee een uitstekende basis gelegd voor verdere ontwikkeling en toepassing van laagwaardige biomassastromen in de pyrolyse, alsook voor het gebruik van pyrolyse-olie voor energiedoelstellingen en de opwaardering van de olie tot hoogwaardige chemicaliën.
Een uitgebreide beschrijving van de project activiteiten en resultaten vindt u onder de werkpakketen.
Dit project wordt in het kader van het INTERREG-programma financieel ondersteund door de Europese Unie en de INTERREG-partners. www.deutschland-nederland.eu
INTERREG VA-Project Groen Goud