Je leest:

Biomassa

Biomassa

Auteur: | 19 oktober 2007

Biomassa, de oudste energiebron voor de mens, is in de laatste decennia aan een sterke opmars bezig. Chemische verbindingen in biomassa zijn energierijk en zijn niet alleen geschikt als rechtstreekse energiebron, maar ook als grondstof voor andere vormen van brandstof en voor de chemische industrie.

Biomassa is een verzamelnaam voor een variëteit aan gewassen, bomen, planten en algen. Door middel van fotosynthese wordt zonlicht gebruikt voor het omzetten van kooldioxide uit de lucht in koolhydraten, stoffen waaruit de planten zijn opgebouwd. Hoewel ook bij verbranding van biomassa broeikasgassen vrijkomen, in het bijzonder CO 2, wordt bij de groei van biomassa een vergelijkbare hoeveelheid atmosferisch CO2 vastgelegd. Dit maakt biomassa één van de ‘duurzame’ energiebronnen.

Palmplantage. bron: SenterNovem.

Op dit moment wordt ongeveer 10% van de energiebehoefte op aarde gehaald uit biomassa. Hoewel het aandeel van biomassa in geïndustrialiseerde landen bescheiden is, groeit dit wel. Het zijn de ontwikkelingslanden waar de bijdrage van biomassa aan het totale energiegebruik groot is soms tot 90%. Een groot gedeelte van deze biomassa bestaat uit commerciële biomassa, zoals houtskool, dat vooral gebruikt wordt door het armere deel van de bevolking voor verwarming en koken ( poor mans fuel).

Bronnen

De energierijke chemische verbindingen in biomassa vertonen grote overeenkomsten in opbouw en structuur. Energierijk zijn vooral de verbindingen die stevigheid verlenen aan het gewas, een complex dat lignocellulose wordt genoemd. Lignocellulose is een zeer geschikte grondstof voor synthetische brandstoffen en elektriciteitsproductie.

Lignocellulose

Planten ontlenen hun stevigheid aan lignocellulose. Lignocellulose bestaat uit een complex van cellulose, hemicellulose en lignine. Cellulose is een polymeer, opgebouwd uit glucose-elementen. Hemicellulose is weer een verzamelnaam voor een reeks nauw verwante koolwaterstoffen. Het is de belangrijkste component van de celwand van planten en vormt een soort matrix waarin cellulosemoleculen ingebed liggen. Hemicellulose bestaat uit soortgelijke ketens als cellulose, maar is opgebouwd uit een aantal andere suikers, zoals xylaan en glucomannaan. Lignine is een polymeer van verschillende plantaardige alcoholen, dat ook bindt aan het hemicellulose in de celwand.

Lignine is een bestanddeel van alle vaatplanten, maar het komt in relatief grote hoeveelheden voor in houtige gewassen, varens en sommige grassoorten.

De energie-inhoud van deze componenten is relatief hoog. Lignocellulose bevat geen stikstof en zwavel: de componenten die luchtvervuiling veroorzaken bij verbranding. Door lignocellulose te scheiden van eiwitten, vetten en andere secundaire plantenstoffen kan biomassa zwavelvrij energie opleveren. Stikstofoxiden zijn vaak een bijproduct van hoge–temperatuurprocessen in motoren waarbij stikstof uit de lucht oxideert. Dit is technologisch lastiger te vermijden.

Biomassaproductie op landbouwgronden

Op goede landbouwgronden of graslanden kan een productiviteit worden gehaald van 1-3 kg droge stof per m2 per jaar (zie landkaart voor verdeling soorten land op aarde). De hoeveelheid energie van 1 kg droge biomassa (20 MJ/kg) is ongeveer gelijk aan de energie van 0,5 kg fossiele brandstof. De productie op goede landbouwgronden kan dus gemiddeld 40 MJ / m2 / jaar opleveren (iets meer dan 1 watt continu).

Als we dit afzetten tegen de primaire energie-input door de zon, van ongeveer 300 W / m2, dan zien we een energie-efficiëntie van ongeveer 0,3%. Hier staan relatief lage (energie-) investeringskosten tegenover: op veel plaatsen ter wereld kost de productie 1-2 euro/GJoule. Onze groep in Utrecht heeft laten zien dat meer dan 600 EJoule technisch potentieel kan worden geproduceerd op gronden die nu in gebruik zijn voor voedselproductie (akkerland en grasland). Hiertoe reserveren we wereldwijd 20% van de 1,5 Gha akkerland en 3,5 Gha grasland bij een opbrengst van 60 MJ / m2 / jaar. In deze berekeningen kan nog steeds voldaan worden aan de verwachte vraag naar voedsel, mits wereldwijd geproduceerd met een maximale efficiëntie in de landbouw- en veeteeltmethoden, en blijven bos en natuurgebieden behouden.

Met meer bescheiden aannamen is een bijdrage van ongeveer 200 EJoule in de tweede helft van deze eeuw zeker haalbaar. Energieteelt op landbouwgrond is een belangrijke bron voor de middellange en langere termijn. Overigens gaat duurzaamheid verder dan de CO2-balans. Uitputting van de grond en waterverbruik zijn andere cruciale factoren.

Het is van groot belang dat biomassaproductiesystemen lokaal geoptimaliseerd worden en afgestemd op regionale verschillen in klimaat en bodems en de eisen die verschillende gewassen stellen. De landbouw is nu te vaak zeer inefficiënt, met uitputting van bodem en grondwater tot gevolg. Biomassaproductie kan een groot effect hebben op de ontwikkeling in landelijke gebieden, met name in ontwikkelingslanden. De noodzaak van efficiëntie met de vereiste investeringen in landbouw en duurzame economische activiteit geven kansen op vermindering van armoede.

Biomassaproductie op marginale en gedegradeerde gronden

Omdat goede landbouwgronden nu worden gebruikt voor voedselproductie is het een probleem om dit land in te zetten voor de productie van biomassa. Daarom is gebruik van marginale en gedegradeerde gronden essentieel. Dit zijn bodems die geërodeerd zijn, verzilte bodems en gronden die anderszins niet interessant zijn voor landbouw. Ruw geschat valt 17 miljoen km2 ofwel 13% van het landoppervlak tot deze categorie. Het belangrijkste probleem is vaak gebrek aan water. Er zijn schattingen dat wereldwijd 6 miljoen km2 in aanmerking kan komen voor regeneratie door herbebossing, zonder irrigatie.

Marginale gronden hebben een opbrengst van 0,3 tot 0,5 kg droge stof per m2 per jaar, een factor 4 tot 6 lager dan bij goede landbouwgronden. Op een economisch aanvaardbare wijze zou deze 13% van het landoppervlak echter nog ongeveer 100 EJoule per jaar kunnen opbrengen. Ondanks de hogere kosten en geringe efficiëntie is deze categorie vanuit duurzaamheidoogpunt interessant. Er is met name geen competitie met voedselproductie. Op de lange termijn kan het herbeplanten van marginale gronden zelfs resulteren in minder erosie en een geleidelijke verbetering van de bodem met, voor een deel van dit land, op termijn uitzicht op de terugkeer naar conventionele landbouw.

Meerjarige gewassen bieden de beste mogelijkheden om strikte duurzaamheid op een economische aantrekkelijke manier te bereiken. Meerjarige gewassen nemen in vergelijking met eenjarige (landbouw)gewassen meer kooldioxide op, ze hebben minder meststoffen en landbouwchemicaliën nodig en een bodem raakt niet snel uitgeput. De energieproductie is efficiënter en goedkoper. Meerjarige gewassen groeien makkelijker op bodems van lagere kwaliteit. De productie van meerjarige gewassen veroorzaakt dus minder concurrentie voor landbouwgronden van goede kwaliteit.

Reststromen

De landbouw, voedselproductie, maar ook bijna alle andere menselijke activiteiten genereren grote hoeveelheden organisch afval die aangewend kunnen worden voor energieproductie. Het optellen van de residuen uit de bosbouw, de landbouw en daarnaast alle afvalstromen geeft een potentiële energiehoeveelheid van ongeveer 100 EJoule / jaar. Omdat deze vorm van energie niet concurreert met de voedselproductie, is dit een zeer aantrekkelijk gebied voor snelle ontwikkelingen.

Specifieke vormen van biomassa

Een bekend voorbeeld van een biobrandstof is ethanol. Met behulp van fermentatieprocessen wordt ethanol bereid uit suikerriet, suikerbiet en maïs. De productie van ethanol als biobrandstof groeit snel en is verdubbeld sinds 2000. De hoofdrolspelers zijn Brazilië (15 miljard liter ofwel 0,45 EJoule per jaar) en de Verenigde Staten (14 miljard liter).

Een andere biobrandstof is biodiesel uit oliehoudende zaden, zoals raapzaad en koolzaad. Productie van biodiesel startte op een veel kleinere schaal, maar is wel verdrievoudigd sinds 2000. Europa verzorgt met 1,7 miljard liter bijna de gehele wereldproductie. Hierbij moet aangetekend worden dat de fossiele olieproductie in diezelfde periode een factor 18 meer is toegenomen in volume in vergelijking met de ethanolproductie. Op dit moment voorziet biobrandstof voor 1,5% in de behoefte wereldwijd. Ethanol en biodiesel zijn voorbeelden van conversie van biomassa naar secundaire energiedragers.

De volgende figuur laat een aantal van deze conversiepaden zien, inclusief de bijbehorende technieken. Belangrijke conversietechnieken zijn (gedeeltelijke) verbranding en vergassing van vaste biomassa. Vergassing is ook een bron voor transportbrandstoffen, synthesegas (een mengsel van koolmonoxide en waterstofgas), waterstof en synthetische brandstof. De tabel aan het eind van dit artikel beschrijft een aantal eigenschappen van de verschillende producten.

Belangrijkste opties voor het omzetten van biomassa in secundaire energiedragers. Sommige categorieën staan voor uiteenlopende technologische concepten waarvan de capaciteit uiteenloopt.

De huidige productieketens voor biodiesel uit koolzaad en ethanol uit bijvoorbeeld maïs zijn energetisch inefficiënt en leveren relatief lage (netto) opbrengsten per hectare. In de toekomst zullen biobrandstoffen zoals bio-ethanol en biodiesel ook geproduceerd moeten worden uit cellulose en lignocellulose. Hiervoor is nog veel ontwikkeling mogelijk, want met tweede-generatietechnologie kan tot drie keer meer brandstof per hectare gewonnen worden uit cellulose dan uit koolzaad of graan. Deze factor drie is van groot belang gezien de grote arealen land die noodzakelijk zijn voor de productie.

De omzetting van cellulose in brandstof is technisch complex en kostbare voorbereidingsstappen zijn nodig. Toch zijn er op diverse plaatsen proefinstallaties gebouwd om cellulose te ‘kraken’. Voorbeelden zijn het Zweedse Etanolteknik AB waar bio-ethanol uit zaagsel van een papierfabriek wordt gemaakt. In het Duitse Choren wordt biodiesel uit hout geproduceerd. Future Energy doet ditzelfde met stro en afval. Het Canadese bedrijf Iogen produceert bio-ethanol uit stro en denkt aan de bouw van een volwaardige raffinaderij die 150 tot 180 miljoen liter per jaar kan produceren. De proefinstallaties laten zien dat het maken van biobrandstof technisch geen probleem is. Alleen de kosten zijn nu nog hoog. Via schaalvergroting en verdere verbeteringen zijn die kosten uiteindelijk op een concurrerend niveau te brengen met diesel uit olie met een prijs van rond de 40 $/vat (ofwel circa 6-7 GJoule).

Naast de productie van hoogwaardige brandstof uit biomassa is het mogelijk om bestaande energiecentrales zodanig om te bouwen dat biomassa rechtstreeks bij fossiele brandstof gemengd kan worden; dit heet co-firing. Deze relatief goedkope techniek is nu al zeer succesvol bij elektriciteitsproductie en kan ook goed werken voor vergassing. Dit principe is al gedemonstreerd in de kolenvergassingsinstallatie van NUON bij Buggenum.

Bovenstaande laat de potentie zien van biomassa en de productie van biomassa. Het is van groot belang om op vele plaatsen in de wereld en onder veel omstandigheden ervaring op te doen met duurzame biomassaproductie. Onze groep in Utrecht werkt aan schattingen en het beschrijven van veranderingen in landgebruik en landbouw- en veeteeltmethoden.

Kijken naar 2050 is moeilijk en vereist realistische scenario’s. Hierin speelt een efficiënt gebruik van de grote landoppervlakten in Australië, Noord-Amerika, Centraal- en Oost-Europa en Rusland een belangrijke rol. In de huidige schatting is er een mondiaal potentieel van 400 EJoule mogelijk in 2050, vooral gebaseerd op lignocellulose en cellulose. Dit is equivalent aan ongeveer een derde van de verwachte mondiale energievraag halverwege deze eeuw. Dit aandeel is vergelijkbaar met de huidige rol van minerale olie in de mondiale energievoorziening (circa 40%).

Grootschalige introductie van biomassa heeft een grote impact op het gebruik van grond en water. De effecten op de waterhuishouding kunnen lokaal zeer groot zijn; ook dit is een deel van de uitdaging voor duurzaamheid. Ten aanzien van de directe vervuiling door de productie van zwavel- en stikstofhoudende stoffen die bij verbranding ontstaan, stelt gebruik van biomassa uitdagingen die vergelijkbaar zijn aan het schoon gebruiken van fossiele brandstoffen.

Om halverwege deze eeuw 300 Ej te produceren, is een oppervlakte van 10 miljoen km2 nodig. Dit is 8% van het totale wereldlandoppervlak. 5 miljoen km2 kan gebruikt worden van wat nu improductief land is en de andere 5 miljoen km2 moet komen van graslanden of landbouwgronden. Dus 10% van de huidige voedselgronden is nodig voor biomassa.

Scenario’s

Scenariostudies over het energieprobleem en mogelijke klimaatveranderingen laten zien dat alle duurzame opties noodzakelijk zijn. Biomassa is in staat om zonder netto CO2-productie brandstoffen en grondstoffen voor de chemische industrie en energie te genereren: dit is met andere energievormen niet mogelijk. Biomassa is op dit moment de belangrijkste hernieuwbare energiebron en het is onze verwachting dat biomassa de belangrijkste duurzame energiedrager blijft voor de toekomst.

Tevens is het een energiebron die de grote kansen biedt voor de ontwikkeling van rurale regio’s, met name in ontwikkelingslanden. Biomassa kan onze afhankelijkheid van olie, de meest kritieke fossiele energiebron, verminderen. Dat vergt een goede planning, maar deze kans op duurzame energie gekoppeld aan duurzame ontwikkeling in bredere zin mogen we niet laten liggen.

Over de auteur

André P.C. Faaij (1969) is Universitair Hoofddocent aan het Copernicus Instituut, Faculteit Betawetenschappen van de Universiteit Utrecht. Zijn groep (circa 25 personen waaronder 8 promovendi) werkt onder meer aan scenario-analyses, en modellering van energiesystemen, bio-energie en andere duurzame energie-opties, vangst en opslag van CO2 bij gebruik van fossiele brandstoffen en gerelateerde vraagstukken rondom duurzaamheid, implementatie en beleid. Andre Faaij is adviseur voor onder andere het International Energy Agency, de EC, de FAO en de UN. Hij was ook auteur voor het IPCC 4e assessment rapport World Energy Assessment van de UN, een boek over biobrandstoffen met het World Watch Institute en de World Energy Outlook van het IEA.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 oktober 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.