Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Biobrandstoffen

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Biobrandstoffen worden geproduceerd uit biomassa (reststromen uit land of bosbouw of geteelde biomassa). De belangrijkste biobrandstoffen zijn (Ademe, 2003; Thuijl et al, 2003a; Thuijl et al, 2003b): 
Pure plantaardige olie wordt onttrokken aan oliezaden, zoals koolzaad en zonnebloempitten, door middel van mechanisch persen en/of extractie met een oplosmiddel. Deze olie kan gebruikt worden in specifiek hiervoor aangepaste dieselmotoren (dedicated engines). 
Biodiesel (in de EU met name RME, Rapeseed Methyl Ester op basis van koolzaad) wordt geproduceerd door plantaardige olie of afvalvetten te veresteren. Bij dit proces wordt methanol aan de olie toegevoegd om de glycerine hieruit te verwijderen. Het eindproduct lijkt qua eigenschappen op conventionele diesel en kan in een gewone dieselmotor worden gebruikt, puur of bijgemengd in conventionele diesel (aanpassingen van de motor zijn nodig bij een aandeel biodiesel groter dan 20-30%).
Bioethanol wordt traditioneel geproduceerd door middel van fermentatie van suiker- en zetmeelhoudende landbouwgewassen, zoals suikerbieten en granen. Hierbij wordt de biomassa bij lage temperatuur en druk omgezet door middel van bacteri?n of enzymen. Een opkomende technologie is de productie van bioethanol uit lignocellulosische (houtachtige and grasachtige) biomassa, bijvoorbeeld populier, eucalyptus en miscanthus. Bioethanol is geschikt voor toepassing in (aangepaste) benzinemotoren (Otto-motoren), puur of bijgemengd bij conventionele benzine. 
Biomethanol wordt geproduceerd door biomassa te vergassen en dit gasmengsel vervolgens om te zetten in methanol door middel van methanolsynthese. Biomethanol is, net als bioethanol, geschikt voor toepassing als (gedeeltelijke) vervanger van conventionele benzine. In bepaalde typen brandstofcellen kan methanol ook direct worden ingezet in plaats van waterstof. De geproduceerde elektriciteit drijft dan het voertuig via een elektromotor aan. 
Bio-DME (dimethylether) is een biobrandstof die qua eigenschappen lijkt op LPG en die geschikt is voor toepassing in (aangepaste) dieselmotoren. Bio-DME kan geproduceerd worden door middel van vergassing gecombineerd met DME-synthese (vergelijkbaar met de productie van methanol) of door middel van katalytische dehydratatie van biomethanol.
Bio-ETBE (ethyl tertiair butylether) wordt geproduceerd door bioethanol te laten reageren met isobutyleen. ETBE wordt gebruikt als een additief in conventionele benzine om het zuurstofgehalte te verhogen (meestal bijgemengd tot 15%). Dit zorgt voor een vermindering van de emissies en verhoogt het octaangetal en verbetert daarmee de antiklopeigenschappen van de brandstof. 
Bio-MTBE (methyl tertiair butylether) wordt geproduceerd uit biomethanol en isobutyleen en heeft dezelfde toepassing als bio-ETBE.
Biogas is het eindproduct van vergisting van biomassa. In dit proces wordt de biomassa biologisch afgebroken door micro-organismen, in een natte omgeving, bij lage temperaturen en zonder toevoeging van zuurstof. Voor toepassing als transportbrandstof, moet biogas opgewerkt worden tot een methaangehalte van 98%. Biogas kan dan gebruikt worden in een (aard)gasmotor. 
Fischer-Tropsch diesel wordt verkregen door biomassa te vergassen en dit gasmengsel vervolgens om te zetten naar een vloeistof door middel van het Fischer-Tropsch syntheseproces. Meestal is de synthese gericht op het verkrijgen van zoveel mogelijk wax (lange koolstofketens), waaruit door middel van hydrocracking diesel fracties worden geproduceerd. Het eindproduct kan toegepast worden in dieselmotoren en in alle proporties bijgemengd worden in conventionele diesel. 
SNG (Substitute Natural Gas) kan geproduceerd worden door verschillende vergassingstechnieken, gevolgd door een methanatiestap, welke zorgt voor een hoger methaangehalte in het gas. Het eindproduct is vergelijkbaar met aardgas en kan in (aard)gasmotoren worden toegepast. 
Biowaterstof kan geproduceerd worden door middel van vergassing (zie biomethanol, Fischer-Tropsch diesel, SNG) of vergisting (zie biogas). Na vergassing of vergisting van biomassa, vindt stoom reforming plaats, om een zo hoog mogelijk waterstofgehalte in het gas te verkrijgen. Biowaterstof kan in principe in een verbrandingsmotor worden toegepast, maar ook in brandstofcellen, gecombineerd met een elektromotor om het voertuig aan te drijven. 
HTU-diesel wordt geproduceerd door middel van een proces genaamd HydroThermalUpgrading. Deze conversietechnologie wordt alleen in Nederland ontwikkeld en is speciaal ontworpen om natte biomassa om te zetten in een vloeistof die lijkt op ruwe olie, meestal ?biocrude? genoemd. Hieruit kan een dieselachtige brandstof worden verkregen door HydroDeOxygenation (HDO) toe te passen.

Huidige toepassing
De productie en toepassing van biobrandstoffen staat in Nederland nog aan het begin, terwijl dit in andere landen al verder ontwikkeld is. Sommige landen richten zich op bijmenging van biobrandstoffen bij conventionele benzine en/of diesel, zoals de bijmenging van maximaal 5% RME (biodiesel) in Frankrijk. In andere landen worden biobrandstoffen voornamelijk in ?captive fleets? toegepast, in voertuigen met aangepaste motoren, bijvoorbeeld de ethanolbussen in Zweden (Ademe, 2003; Thuijl et al, 2003a). De biobrandstoffen die op dit moment worden geproduceerd en toegepast in Europa zijn biodiesel, bioethanol, bio-ETBE en, in mindere mate, pure plantaardige olie. Frankrijk en Spanje gebruiken het grootste deel van de geproduceerde bioethanol voor ETBE-productie.

De Tabel geeft een overzicht van de productie van de meest toegepaste biobrandstoffen in de Europese transportsector voor de belangrijkste producerende landen in 2001/2002. Europa is de belangrijkste producent op de wereldmarkt voor biodiesel. Echter, op de wereldmarkt voor bioethanol speelt Europa een kleine rol ten opzichte van grote producenten zoals Brazili? en de Verenigde Staten met een productie van respectievelijk 14 miljoen ton per jaar en 4 miljoen ton per jaar (Bullock, 2002). Zowel voor biodiesel als ethanol is een aanzienlijke uitbreiding van de productiecapaciteit gepland in de verschillende landen.

Tabel Biobrandstofproductie in 2001/2002 (Ademe, 2003)  

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Op dit moment worden de productietechnologie?n voor biodiesel uit oliezaden (met name RME) en bioethanol/ETBE uit voedselgewassen (o.a. granen en suikerbieten) commercieel toegepast. Voor de overige biobrandstoffen is nog geen volledige keten van productie van biomassa tot en met eindgebruik in voertuigen op commerci?le schaal beschikbaar en bevinden de conversietechnologie?n zich nog in een ontwikkel- of demonstratiestadium. Een belangrijke reden om deze opties verder te ontwikkelen is dat deze ?nieuwe? biobrandstoffen als effici?nter beschouwd worden dan conventionele biobrandstoffen in termen van CO₂-emissiereductie en benodigd landbouwareaal (CE, 2003). Commerci?le toepassing van deze brandstoffen zal vermoedelijk pas na 2010 plaatsvinden (Thuijl, 2002).

Bij vergassingstechnieken (voor de productie van biomethanol, bio-DME, SNG, biowaterstof en Fischer-Tropsch diesel) zijn de voornaamste technische problemen het reinigen en conditioneren van het geproduceerde synthesegas, de integratie met andere processen, verbetering van het rendement en opschaling. De ontwikkeling van de productie van ethanol op basis van lignocellulosische biomassa is met name sterk afhankelijk van de ontwikkeling van kosteneffectieve en milieuvriendelijke voorbewerkings- en hydrolysetechnieken, zoals met enzymen. Soms worden conversietechnieken voor biobrandstoffen wel al toegepast met fossiele brandstoffen (kolen, aardgas) maar bevindt het proces op basis van biomassa zich nog in een vroeg stadium. Dit is bijvoorbeeld het geval voor het Fischer-Tropsch proces. HTU is een techniek die alleen in Nederland ontwikkeld wordt. Het HTU proces dat biomassa-omzet in ?biocrude? bevindt zich momenteel in de testfase. De technologie waarmee uit deze biocrude HTU diesel geproduceerd kan worden, HDO, is op experimentele schaal aangetoond.

Technische gegevens en kostenaspecten
De huidige productiekosten voor biodiesel bedragen ongeveer 0,50 ?/liter. Voor bioethanol op basis van landbouwgewassen zijn de productiekosten ca. 0,32-0,54 ?/liter, afhankelijk van het type biomassa (Thuijl et al, 2003a). Ter vergelijking, de kosten van conventionele benzine en diesel zijn ongeveer 0,20 ?/liter. Meestal ligt de literprijs dus hoger voor biobrandstoffen, waarbij bovendien opgemerkt moet worden dat deze biobrandstoffen een lagere energie-inhoud hebben dan conventionele benzine en diesel. Dit houdt in dat voor vervanging van de energie-inhoud van 1 liter benzine ongeveer 1,5 liter bioethanol nodig is. Om 1 liter diesel te substitueren is 1,1 Liter biodiesel nodig (Thuijl et al, 2003a).

Over het algemeen wordt verwacht dat de ?nieuwe? biobrandstoffen uiteindelijk tegen lagere kosten geproduceerd kunnen worden dan de conventionele biobrandstoffen. Echter, dit is onzeker omdat de processen nog niet uitontwikkeld zijn.

Een door de EU gesubsidieerd project ?VIEWLS? (Clear Views on Clean Fuels) heeft tot doel te voorzien in heldere data over de beschikbaarheid en performance van biobarndstoffen en strategie?n te identificeren naar duurzame productie, gebruik en handel van biobrandstoffen in Europa. ECN maakt deel uit van het consortium dat de studie uitvoert. Halverwege 2004 komen in het kader van dit project betrouwbare data beschikbaar voor verschillende biobrandstoffen.

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004