Biomassa – förnybar energi från växter och djur
Biomassa är förnybart organiskt material som kommer från växter och djur. Biomassa var den största källan till den totala årliga energiförbrukningen i USA fram till mitten av 1800-talet. Biomassa fortsätter att vara ett viktigt bränsle i många länder, särskilt för matlagning och uppvärmning i utvecklingsländerna. Användningen av biomassabränslen för transporter och elproduktion ökar i många utvecklade länder som ett sätt att undvika koldioxidutsläpp från användning av fossila bränslen. År 2020 stod biomassan för nästan 5 kvadriljoner British Thermal Units (Btu) och cirka 5 % av den totala primärenergianvändningen i USA.
Biomassa innehåller lagrad kemisk energi från solen. Växter producerar biomassa genom fotosyntes. Biomassa kan förbrännas direkt för värme eller omvandlas till förnybara flytande och gasformiga bränslen genom olika processer.
Biomassakällor för energi är bl.a:
- Trä och avfall från träbearbetning – ved, träpellets och träflis, sågspån och avfall från timmer- och möbelbruk samt svartlut från massa- och pappersbruk.
- Jordbruksgrödor och avfallsmaterial – majs, sojabönor, sockerrör, växelgräs, vedartade växter och alger samt rester från grödor och livsmedelsbearbetning.
- Biogena material i fast kommunalt avfall – papper, bomull och ullprodukter samt mat-, trädgårds- och träavfall.
- Djurgödsel och mänskligt avloppsvatten.
Omvandling av biomassa till energi
Biomassa omvandlas till energi genom olika processer, bland annat:
- Direkt förbränning (bränning) för att producera värme.
- Termokemisk omvandling för att producera fasta, gasformiga och flytande bränslen.
- Kemisk omvandling för att producera flytande bränslen.
- Biologisk omvandling för att producera flytande och gasformiga bränslen.
- Direkt förbränning är den vanligaste metoden för att omvandla biomassa till användbar energi. All biomassa kan förbrännas direkt för uppvärmning av byggnader och vatten, för industriell processvärme och för att generera elektricitet i ångturbiner.
Termokemisk omvandling av biomassa omfattar pyrolys och förgasning. Båda är termiska nedbrytningsprocesser där biomassans råmaterial värms upp till höga temperaturer i slutna, trycksatta kärl som kallas förgasare. De skiljer sig främst åt i fråga om processtemperaturer och mängden syre som förekommer under omvandlingsprocessen.
- Pyrolys innebär att organiska material värms upp till 800-900oF (400-500 oC) i nästan fullständig frånvaro av fritt syre. Pyrolys av biomassa ger bränslen som träkol, bioolja, förnybar diesel, metan och väte.
- Hydrobehandling används för att behandla bioolja (som framställs genom snabb pyrolys) med väte vid förhöjda temperaturer och tryck i närvaro av en katalysator för att framställa förnybar diesel, förnybar bensin och förnybart jetbränsle.
- Förgasning innebär att organiskt material värms upp till 800-900oC (1 400-1700oF) med injektion av kontrollerade mängder fritt syre och/eller ånga i kärlet för att producera en kolmonoxid- och väterik gas som kallas syntesgas eller syntesgas. Syngas kan användas som bränsle för dieselmotorer, för uppvärmning och för att generera elektricitet i gasturbiner. Den kan också behandlas för att avskilja vätgasen från gasen, och vätgasen kan förbrännas eller användas i bränsleceller. Syngasen kan vidareförädlas för att producera flytande bränslen med hjälp av Fischer-Tropsch-processen.
En kemisk omvandlingsprocess som kallas transesterifiering används för att omvandla vegetabiliska oljor, animaliska fetter och fetter till fettsyrametylestrar (FAME), som används för att producera biodiesel.
Biologisk omvandling omfattar fermentering för att omvandla biomassa till etanol och anaerob nedbrytning för att producera förnybar naturgas. Etanol används som fordonsbränsle. Förnybar naturgas – även kallad biogas eller biometan – produceras i anaeroba rötkammare vid reningsverk och vid mejeri- och boskapsverksamhet. Den bildas också i deponier för fast avfall och kan tas upp från dessa. Rätt behandlad förnybar naturgas har samma användningsområden som fossil naturgas.
Forskare arbetar på sätt att förbättra dessa metoder och utveckla andra sätt att omvandla och använda mer biomassa för energi.
Hur mycket biomassa används för energi?
År 2020 stod biomassa för cirka 4 532 biljoner British Thermal Units (TBtu), eller cirka 4,5 kvadriljoner Btu, vilket motsvarar cirka 4,9 % av USA:s totala primärenergiförbrukning. Av denna mängd kom cirka 2 101 TBtu från trä och träbaserad biomassa, 2 000 TBtu från biobränslen (främst etanol) och 430 TBtu från biomassa i kommunalt avfall.
Mängderna i TBtu och de procentuella andelarna av USA:s totala energianvändning av biomassa per förbrukande sektor år 2020 var följande:
- industri – 2 246 TBtu – 50 %.
- Transport – 1 263 TBtu – 28 %.
- bostäder – 458 TBtu-10 %.
- Elkraft-424 TBtu-9 %.
- kommersiellt-141 TBtu-3%
Industri- och transportsektorerna står för de största mängderna, räknat i energiinnehåll, och de största procentuella andelarna av den totala årliga biomasseförbrukningen i USA. Trävaru- och pappersindustrin använder biomassa i kraftvärmeverk för processvärme och för att generera el för eget bruk. Flytande biobränslen (etanol och biomassabaserad diesel) står för merparten av transportsektorns biomasseförbrukning.
Bostads- och företagssektorn använder ved och träpellets för uppvärmning. Den kommersiella sektorn förbrukar också, och säljer i vissa fall, förnybar naturgas som produceras vid kommunala avloppsreningsverk och avfallsupplag.
Elkraftsektorn använder trä och avfall som härrör från biomassa för att generera el som säljs till de andra sektorerna.