Techno-economic evaluation of integrated lignocellulosic ethanol production

Abstract

Sweden has claimed that it wants to have a fossil-free vehicle fleet in 2030 as a milestone of its ambitious goal for 2050 to be a country with a sustainable and resource-efficient energy supply without any net GHG emissions. Production of bioethanol from plant materials is one potential method of meeting this goal. A large amount of research has been devoted toward the development of sustainable and cost-efficient processes for biofuel production from second-generation (2G) lignocellulosic material. Ethanol production from first-generation (1G) feedstock, such as sugar- and starch-based material, is a well-established concept that has been implemented in many countries. Techno-economic analysis has a significant function in evaluating the process development and the targeting of technical and economic bottlenecks that can arise.

This thesis performed techno-economic evaluations for various process designs, including ethanol production from 2G lignocellulosic materials. The starting point for the process design was based on Swedish conditions using raw materials that can be found in Sweden—ie, straw and forest logging residues. However, these materials are also common in other parts of the world. The models can thus be used as foundations for other scenarios. The technical evaluations can largely be transferred to other situations, whereas the economic evaluations require some changes in the economic assumptions.

First- and second-generation (1G+2G) ethanol production was also integrated for grain and straw to facilitate the introduction of 2G ethanol production by a consolidated 1G ethanol process and supply the 1G process with heat. Co-products of the process, such as biogas, dry solids for heat generation, electricity, heat for district heating, and distiller’s dried grains with solubles, were considered in the process design. To maximize the production of co-products and decrease the energy demand in the process, heat integration was implemented for all configurations. In addition, the potential biomass availability and integration with district-heating systems and pulp and paper mills were examined to maintain a sustainable forestry practices and energy-efficient use of raw materials.

The process models were based largely on experimental results from lab-scale and process development unit trials that were performed in the Department of Chemical Engineering, Lund University. The results were implemented in the flowsheeting program Aspen Plus, in which overall process material and energy balances could be calculated. Moreover, heat integration by pinch analysis was performed in Aspen Energy Analyzer. The results from the material and energy balances analyses could then be used to size process equipment, and the process cost was estimated using Aspen Process Economic Analyzer with quotations from vendors.

The process heating and cooling requirements from primary steam and cooling water, respectively, could be substantially decreased by implementing heat exchanger networks, which were more cost-efficient than utilities use only. The biomass availability of forest logging residues is highest in the northern and central parts of Sweden, where a biorefinery that uses 150 to 250 tonne dry forest logging residues per year can be located. Integration with district-heating systems was more important for small-scale versus large-scale plants, wherein the increased ethanol production outpaced the income from heat generation. Moreover, the feasibility of ethanol production from straw depends significantly on high xylose utilization due to the large amount of hemicelluloses in this type of raw material. A study of process improvement by higher water-insoluble solids content in simultaneous saccharification and fermentation of glucose sugar for ethanol production from straw showed that further improvements are likely necessary to increase the economic feasibility, which will, however, also depend on the assumptions. The economic feasibility also increased with xylose fermentation and upgrade of the biogas that was produced in the process to vehicle fuel quality. Integration of 1G+2G ethanol production from straw and grain was also an economically feasible concept.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Syftet med studierna som presenteras i denna avhandling har varit att undersöka om fordonsetanol kan framställas på ett lönsamt och energieffektivt sätt från restprodukter från jord- och skogsbruk enligt svenska förhållanden. Mycket av den forskning som rör andra-generationens etanolproduktion går ut på att förfina och förbättra de separata delstegen i framställningsprocessen. Mitt bidrag har varit att sätta de experimentella resultaten från de separata delstegen i ett större sammanhang genom att undersöka hela framställningsprocessen. Dessutom har utsikterna att integrera det med omgivande industrier och samhälle och den möjliga tillgången på råvara och avsättning för biprodukter utvärderats.

Människan har under lång tid kunna framställa etanol i form av vin och sprit från olika växter, så som druvor, vete och sockerrör. Redan de gamla grekerna och egyptierna kände till den ädla konsten att omvandla frukt till vin genom att låta fruktens socker få fermentera till etanol med hjälp av jäst. Så tidigt som 4000 före Kristus finns det indikationer på att alkohol avsiktligt framställts i nuvarande Armenien och Syrien. Etanol som fordonsbränsle introducerades bland annat av Henry Ford och Nicholas Otto som konstruerade motorer som kunde drivas på etanol. Henry Ford utnämnde etanol till framtidens bränsle och introducerade 1908 T-Forden som en av de första bilarna i världen som kunde drivas med olika bränsleblandningar –dåtidens flexi-fuelbilar. Mycket har hänt sedan dess i och med oljans storskaliga inträde och idag är det framförallt Brasilien och USA som producerar etanol som bilbränsle från sockerrör, majs och vete.

Att producera etanol från grödor som kan användas för matproduktion ifrågasätts dock starkt, speciellt det faktum att åkermark som skulle kunna utnyttjas för matproduktion används för att producera energigrödor på. Frågan är då om det finns andra produkter än mat som kan användas till att framställa etanol? Ved och halm, så kallat lignocellulosamaterial (cellulosa, hemicellulosa och lignin), innehåller också socker. Därför skulle restprodukter från jord- och skogsbruk kunna utnyttjas till etanolframställning i syfte att ersätta fossilt bränsle utan att ta mer mark i anspråk. Detta skulle i så fall kunna leda till att restprodukter omvandlas till högvärdiga produkter, samtidigt som det bidrar till att minska växthuseffekten utan att tävla med dagens matproduktion. Ett biobränsle i vätskeform är även av stor vikt då det än så länge är ofördelaktigt för tunga transportfordon som skall färdas långa sträckor, så som flygplan och tankfartyg, att drivas med el från batterier.

Skillnaden mellan att använda lignocellulosamaterial, ofta refererat till som andra generationens material (2G), och t.ex. majs och sockerrör (1G material) är att 1G material innehåller socker i form av sackaros och stärkelse, medan 2G material innehåller socker i form av cellulosa och hemicellulosa. I jämförelses med exempel stärkelse är cellulosa svårare att utvinna och bryta ner från växterna då det är mer bundet och skyddat av växtens lignin. Människor kan exempelvis lätt bryta ner frukt genom matsmältningsprocessen och omvandla fruktsockret till energi i kroppen; däremot kan en människa inte tillgodogöra sig socker från t.ex. grenar genom samma process.

För att utvinna sockret från 2G material krävs därför mer förbehandling av materialet än för 1G material. För att frigöra cellulosan och hydrolysera det till enkla glukosmolekyler som sedan kan jäsas till sprit med vanlig bagerijäst behövs något som kan knäcka bindningarna mellan cellulosan, hemicellulosan och ligninet. Detta kan exempelvis göras genom att behandla material vid höga temperaturer, eventuellt i kombination med syra, och efterföljande enzymer för att hydrolysera sockret. Etanolen kan även framställas från sockret i hemicellulosan som dock framförallt innehåller sockermolekyler bestående av fem kolatomer (pentoser) till skillnad från glukosen som innehåller sex kolatomer (hexoser). Pentoserna kan normalt inte jäsas till etanol med vanlig bagerijäst; därför behövs en annan jäst för detta. Den producerade etanolen behöver sedan koncentreras, vilket görs genom destillation för att bortföra vatten som finns i lösningen. Mängden socker i form av hexoser i 2G material är ofta lägre än i 1G material vilket gör att en mer utspädd etanollösning erhålles i destillationen för 2G material, vilket kan leda till en ökad energiåtgång för att bortföra vattnet. Eftersom 2G materialet även innehåller lignin och hemicellulosa är det viktigt att dessa beståndsdelar också utnyttjas. Ligninet kan utnyttjas som bränsle för att skapa värme och el i processen och eventuellt överskott kan säljas som fast bränsle. Hemicellulosan kan eventuellt också fermenteras med en modifierad jäst eller användas för biogasproduktion för att användas som energi inom processen eller säljas.

Förbehandling av material och de lägre etanolkoncentrationerna efter fermenteringen gör att produktionskostnaderna ökar för bland annat material och energi för en 2G process i jämförelse med en 1G process. Det är därför viktigt att hushålla med både råvara och energi för att minska kostnaderna i processen. Ju mer energieffektiv processen är desto mer av bioprodukterna (biogas, fastbränsle, fjärrvärme och el) som genereras i processen kan säljas och skapa ytterligare inkomster. Genom att kartlägga energiåtgången i processen och undersöka vilka strömmar som kan värmeväxlas med varandra kan energiåtgången minska i processen. Överskottsenergi från processen kan även användas till att generera fjärrvärme som kan integreras med befintligt fjärrvärmenät. Studier av optimering av processen genom exempelvis högre materialutnyttjande och tillgången av råvara har också undersökts för att undersöka om processen är ekonomiskt och miljömässigt försvarbar.

Genom att studera och kartlägga 2G-processen kan olika koncept undersökas innan de realiseras i full skala. Koncepten kan variera beroende på tillgång på råvara och efterfrågan på biprodukter. Olika koncept kan därför vara olika lönsamma beroende på lokalisering, rådande marknad och även variera beroende på beräknad ekonomisk livslängd. Studierna kan därför fungera som indikationer på vilka koncept som är lönsamma, men även som återkoppling till de experimentella studierna, vari vissa steg kan visa sig vara allt för kostsamma och i behov av att ersättas med alternativa lösningar

• author: Joelsson, Elisabeth
• supervisor: Ola Wallberg; Mats Galbe; Guido Zacchi
• opponent: Doctor of Philosophy in Engineering Nyström, Ingrid, CIT Industriell Energi AB
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Process Engineering
• keywords: distillers dried grain with solubles, biorefinery, modelling, Aspen Plus, biogas, logging residues, spruce, wheat straw, wheat grain, heat, integration, pinch analysis, techno-economic evaluation, first generation, second generation, Ethanol, Lignocellulosic material
• pages: 270 pages
• defense location: Lecture hall B at Kemicentrum, Naturvetarvägen 12, Lund University, Faculty of Engineering LTH, Lund
• defense date: 2016-01-15 13:15:00
• ISBN: 978-91-7422-427-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7a52c365-2c6a-4944-bd23-c60fd3602808 (old id 8410088)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:16:08
• date last changed: 2018-11-21 21:09:59