Teknikken: Hvordan tanker man planter på biler?

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.

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.

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. (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.