Biokull: Fornybart karbon fra biomasse til metallurgisk industri

I denne bloggen får du vite mer om vårt prosjekt BioCarbUp der vi har forsket på hvordan man kan erstatte fossilt karbon med fornybart karbon/biokull i den metallurgiske industrien.

Metaller, de har mange bruksområder og finnes i utallige produkter som vi tar for gitt i dag. Vårt samfunn er ganske enkelt bygd på tilstedeværelsen av metaller, og har vært det siden jernalderen.

Mye har skjedd siden den gang, inklusive en industriell revolusjon som har blitt muliggjort også på grunn av oppdagelsen av fossile ressurser (først kull, så olje, og til sist gass). I Norge har vi vært så heldige å kunne temme vannkraften og produsere strøm som et viktig bidrag inn i denne revolusjonen. Andre har i mye større grad etter hvert blitt avhengige av de fossile ressursene.

• Les mer om SINTEF’s kompetanse på bioenergi.

Men, den industrielle revolusjonen har satt dype spor, inkludert den globale oppvarmingen som vi er vitne til i dag. Det må vi ganske enkelt rydde opp i, det skylder vi våre barn, og planeten Jorden.

• Handbook: BioCarbUp – Optimising the biocarbon value chain for sustainable metallurgical industry

Fossile ressurser for å dekke materialbehovet

I metallurgisk industri brukes fremdeles fossile ressurser i de metallurgiske prosessene, ikke for å dekke energibehov, men for å dekke materialbehov. Disse prosessene trenger karbon, for enkelt sagt å fjerne oksygen fra metalloksider. Dette oksygenet er meget godt bundet til metallet, og det kreves mye energi for å fjerne det.

Her kommer den norske vannkraften inn i bildet, som tilfører elektrisk energi til de metallurgiske prosessene for å oppnå den høye temperaturen som trengs for å fjerne oksygenet og produsere rent metall. Det fossile karbonet ender opp som CO₂, som i dag slippes ut i atmosfæren og bidrar til den globale oppvarmingen.

Fornybart karbon fra biomasse

Derfor har den metallurgiske industrien i Norge i flere tiår sett på muligheter for å erstatte det fossile karbonet med fornybart karbon, fra biomasse som er en fornybar ressurs. Fornybar fordi Jordens biomasse er del av en kort karbonsyklus, hvor biomasse som benyttes til ulike formål der karbonet ender opp som CO₂ utslipp vil kontinuerlig erstattes. Dermed vil mengden karbon bundet i biomasse på jorden være konstant og netto CO₂ utslipp til atmosfæren blir da null. Men, selvfølgelig medfører denne bruken av biomasse faktiske CO₂ utslipp, og mest mulig effektfull bruk av biomassen blir viktig.

Den metallurgiske industrien har i Norge i flere tiår sett på muligheter for å erstatte det fossile karbonet med fornybart karbon, fra biomasse som er en fornybar ressurs.

Men egenskapene til de fossile ressursene som den metallurgiske industrien trenger (kull, koks) og som de metallurgiske prosessene er basert på, er utfordrende, med tanke på å produsere alternative materialer fra biomasseressurser. Fossilt kull, som jo har biologisk opphav, er et resultat av en konverteringsprosess som har pågått i millioner av år, hvor datidens biomasse har blitt begravd og har sakte blitt konvertert til ulike kullkvaliteter, avhengig i prinsippet av prosessbetingelser (trykk, temperatur, og tid).

Hvilke egenskaper snakker vi om? Det er først og fremst snakk om styrke og reaktivitet. Tradisjonell trekullproduksjon gir et materiale som har lavere styrke og høyere porøsitet og dermed høyere reaktivitet (med CO₂) enn kullkvalitetene som benyttes i metallurgiske prosesser (basert på bituminøst kull, eller antrasitt). Høy styrke og lav reaktivitet trengs for at det faste karbonet skal overleve lenge nok på sin vei ned i smelta til der hvor det trengs.

I tillegg oppgraderes bituminøst kull til koks for å tilfredsstille krav til materialegenskaper for noen metallurgiske prosesser. Kulltjærebek fra denne oppgraderingsprosessen benyttes som bindemiddel i anoder som benyttes i dagens aluminiumsindustri. Petroleumskoks, produsert fra den tyngste delen av råolje, som ikke gir flytende petroleumsprodukter, er karbonkilden i disse anodene.

Derfor er det utfordrende å imøtekomme materialegenskapene som i dag trengs i en del av den metallurgiske industrien ved direkte substitusjon med tradisjonelt produsert biokull. Dermed må man se på hvordan biokullet kan oppnå bedre egenskaper når det produseres, eller hvordan det kan oppgraderes for å oppnå det samme.

Samtidig handler det om å fremskaffe biokullet gjennom hele dets verdikjede fra biomasseressursen til sluttbruken i den metallurgiske industrien på en mest mulig bærekraftig måte, som minimerer det faktiske CO₂ utslippet til denne verdikjeden, men som også ivaretar bærekraftens andre pilarer, dvs. miljø generelt, økonomi og sosiale behov. Om vi har nok biomasseressurser til å dekke alle behov i fremtiden er også en meget aktuell problemstilling, og kanskje må biokull til metallurgisk industri også baseres på biomassekvaliteter som kan være mer utfordrende enn for biokullet som produseres i dag, som i all hovedsak kommer fra trevirke.

Optimalisering av biokarbonkjeden

I det kompetansebyggende prosjektet BioCarbUp har man gjennom fire år sett på hvordan biokarbonkjeden for ulike metallurgiske industrier i Norge kan optimaliseres med tanke på å produsere biokull med tilfredsstillende egenskaper på en bærekraftig måte. Biokullets egenskaper avhenger også av biomassens opprinnelse, og selv ulike tresorter gir biokull med til dels ulike egenskaper. For eksempel har ulike tresorter ulik tetthet, som påvirker biokullets tetthet og styrke, samt porøsitet. Derfor er det biokullet som benyttes i den metallurgiske industrien i dag (i Si og FeSi produksjon), basert på harde tresorter for å oppnå bedre egenskaper.

Når biokullet først er produsert gjelder det å miste minst mulig av det som finstøv når det håndteres og transporteres. Finstøv blir et tap av verdifullt karbon, og er også et miljøproblem og en helseutfordring. Det beste er hvis dannelsen av finstøv han forhindres eller i hvert fall begrenses. Hvis finstøvet som dannes kan samles opp og brukes for eksempel til å produsere komprimert biokull i form av briketter eller pellets, er dette en annen måte å forsøke å tilfredsstille både krav til ressursutnyttelse og til styrke og reaktivitet.

For metallurgiske prosesser er det fast karbon som er viktig, dvs. karbon som gasser av under oppvarmingen i prosessen vil ikke fungere som reduksjonsmiddel. Utbytte av fastkarbon i en biokull produksjonsprosess avhenger mye av ulike prosessbetingelser. Tradisjonell biokullproduksjon gir typisk relativt lavt utbytte av fastkarbon.

Dette kan økes betraktelig når tjærekomponentene som gasser av får lengre oppholdstid i og nær biokullet. Da kan fast karbon potensialet som ligger i tjærekomponentene også utnyttes, og det teoretiske potensialet som enkelt fremkommer av en likevektberegning kan oppnås. Lengre oppholdstid og kontakttid oppnås for større partikler, ved lav oppvarmingshastighet, uten tilsetning av bæregass, ved å sørge for intern eller ekstern resirkulering av tjærekomponentene, og ved trykksetting av prosessen.

Styrken til biokullet kan økes ved fortetting og komprimering. Fortetting kan skje ved å bruke biokullet som katalysator for å spalte metan (fra f.eks. biogass produksjon), slik at karbonet fester seg på biokull overflatene inne i det porøse biokullet, og restproduktet blir verdifullt hydrogen. En postdoktor kandidat i BioCarbUp fokuserte på dette, og viste at betydelig fortetting kan oppnås, som resulterte i økt styrke og redusert reaktivitet.

Komprimering kan også skje på tradisjonelt vis, ved å lage briketter eller pellets av biokull pulver, ved bruk av et bindemiddel (lim) i prosessen. Tjærekomponentene fra biokull-produksjonsprosessen kan benyttes også som bindemiddel, og når slike komprimerte materialer varmes opp før eller i en metallurgisk prosess, så vil tjærekomponentene bidra til økt fastkarbon-utbytte. Alternativt kan biokull produseres fra komprimert biomasse, f.eks. pellets lagd av dampeksplodert trevirke. Tjærekomponentene kan også bli bindemiddel ved produksjon av anoder, og erstatte dagens bruk av kulltjærebek.

Ved trykksatt biokullproduksjon under spesielle betingelser kan tjærekomponentene resultere i bindemiddel i biokullet direkte fra selve produksjonsprosessen, og kan ved påfølgende komprimering av biokullet gi et komprimert biokull med meget høy styrke.

Nå er det andre egenskaper enn kun styrke og reaktivitet som er viktige, og derfor er det viktig å se hele bildet når man vurderer egnetheten av ulike biokullkvaliteter for bruk i metallurgiske prosesser. Da er det viktig å tilfredsstille den mest kritiske parameteren først, og ha en god analyseprosedyre som gjør en slik evaluering mest mulig effektiv. Med den omfattende kunnskapen som gjennom årene er bygd opp i den metallurgiske industrien og i SINTEF, er dette nå mulig uten å utføre kostbare forsøk.

Da nærmer vi oss det som moder jord har brukt millioner av år på å produsere, og som faktisk kan benyttes i dagens metallurgiske prosesser. Men, det gjenstår å gjøre dette på en måte som tilfredsstiller bærekraftens økonomiske pilar. Derfor er det mye arbeid som gjenstår for å videreutvikle konsepter og prosesser, teste ut og verifisere samt effektivisere og optimalisere disse, utvide biomasseressursbasen for å sikre ressurstilgangen, redusere det faktiske CO₂ utslippet samt CO₂ fotavtrykket (fra bruk av fossile ressurser) gjennom hele verdikjeder, og ikke minst redusere kostnader.

Må ikke glemme hvorfor vi gjør dette

Til slutt, vi må ikke glemme hvorfor vi gjør dette, dvs. å gå til så store anstrengelser for å produsere det som kan karakteriseres som gull (fra et metallurgisk synspunkt) fra gråstein (dvs. biomasse).

Vi gjør det for å redusere den globale oppvarmingen, og den bryr seg ikke om hvor CO₂ molekylet kommer fra eller hvor på kloden det slippes ut. All biomasse som benyttes til ulike energi- eller materialformål, og som per definisjon ikke bidrar til den globale oppvarmingen siden biomasse er fornybart, er en meget verdifull ressurs, med et substitusjonspotensial. Det er snakk om substitusjon av fossile ressurser som også benyttes til energi- og materialformål. For å maksimere denne substitusjonseffekten gjelder det da å utnytte våre biomasseressurser på en optimal måte, inkludert å redusere det faktiske CO₂ utslippet, og i samspill med andre fornybare ressurser.

Et betimelig, men også følsomt spørsmål blir da: Har vi nok biomasse i fremtiden, og hvis ikke, hva skal vi bruke den til? Her kan prioritering av CO₂ fotavtrykk eller økonomi komme til å gi helt forskjellige svar.

En fersk artikkel i EERA Bioenergy Newsletter, med tittelen «The contribution of biomass to reduce global warming» prøver å sette dette i litt perspektiv.

Hvis du vil vite mer om BioCarbUp prosjektet og hva som kom ut av det kan du se på håndboka som nylig oppsummerte prosjektet.

Vi starter nytt prosjekt

Et nytt kompetansebyggende prosjekt starter opp i 2023, for å fortsette å utvide kunnskapsgrunnlaget for å kunne fremskaffe biokull som kan benyttes i ulike metallurgiske industrier, som et meget viktig bidrag til å substituere de fossile ressursene som i dag benyttes, og som bidrar betydelig til global oppvarming.

Når alt kommer til alt, så handler denne substitusjonen om bærekraftige karbonsykluser. For klimaet på Jorden er et CO₂ molekyl et CO₂ molekyl, når det slippes ut i atmosfæren og der bidrar til global oppvarming. Hvor karbonet kommer fra blir en teknikalitet. Da må vi være vårt ansvar bevisst og bidra til å redusere det totale CO₂ utslippet, ved å optimalisere dekningen av alle våre energi- og materialbehov slik at CO₂ fotavtrykket vårt (globalt) minimaliseres.

Kanskje høres dette litt banalt og forenklet ut, men til syvende og sist er det faktisk så enkelt, men dog så vanskelig i praksis. Vi betaler prisen for dette allerede i dag, og dessverre vil den prisen øke eksponentielt etter hvert som den globale oppvarmingen tiltar. Vi har derfor ingen tid å miste, eller biomasse å sløse bort.