Bioethanol production from lignocellulosic biomass - process simulation, integration and validation

Abstract

Für ein nachhaltiges, österreichisches Energiesystem ist es unerläßlich den Verbrauch von fossilen Energieträgern zu reduzieren. Der Transportsektor spielt dabei eine besonders wichtige Rolle, da er vom Energieträger Erdöl dominiert wird und damit ein maßgeblicher Verursacher von Treibhausgas-Emissionen ist. Der Einsatz von Biotreibstoffen, die nachhaltig erzeugt und genutzt werden können, ist ein wesentlicher Beitrag, um diesem Problem zu begegnen. Zum jetzigen Zeitpunkt werden die gesetzlich vorgeschriebenen Mengen an Biotreibstoffen durch Biodiesel und Bioethanol aus Stärke bereitgestellt. Für eine nachhaltige Lösung müssen längerfristig jedoch auch andere Rohstoffquellen erschlossen werden. Die Technologie der Erzeugung von Bioethanol aus lignozellulosen Rohstoffen, vor allem Holz und Stroh, ist dabei vielversprechend, da diese einige Vorteile im Vergleich zu den konventionellen Rohstoffen aufweist.<br />Ziel dieser Arbeit ist es, die biotechnologische Produktion von Ethanol aus den Rohstoffen Holz und Stroh unter österreichischen Rahmenbedingungen zu untersuchen. Zur technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Bewertung der Technologie wurden zunächst die 13 interessantesten Produktionskonzepte ausgewählt. Diese unterscheiden sich in erster Linie in der Art des Rohstoffs und der Art der Nebenprodukte. Mittels Prozesssimulation wurden im nächsten Schritt die genauen Massen- und Energiebilanzen für die einzelnen Konzepte berechnet. Die für die Simulation nötigen Modelle wurden teilweise im Rahmen dieser Arbeit erstellt. Durch Prozessintegration wurden Möglichkeiten zur Energieeinsparungen aufgezeigt. Deren Umsetzung führt zu energieeffizienten Prozessen, in denen die Prozesswärme durch einen Teil der Reststoffe bereitgestellt werden kann. Die erhaltenen Massen- und Energiebilanzen bilden dann die Grundlage für die Bewertung der Technologie. Dazu werden mittels Energieeffizienz-, Lebenszyklus- und Kostenvergleichsanalyse technische, ökologische und wirtschaftliche Aspekte der Technologie untersucht.<br />Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, daß in allen untersuchten Konzepten Ethanol aus Holz oder Stroh energieautark produziert werden kann (ohne Zufuhr externer Brennstoffe) Zusätzlich könne aus den Reststoffen beträchtliche Mengen an Nebenprodukten gewonnen werden. Dementsprechend vielversprechend sind sowohl die Gesamtenergieeffizienzen der Prozesse (bis 78%) und die Reduktionen der Treibhausgasemissionen im Vergleich zu einem fossilen Referenzsystem (bis -76%). Die Ethanolkosten (0.66 bis 0.94 EUR pro l Benzinäquivalent) sind moderat. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse erscheint es erstrebenswert mittel- bis langfristig einen Teil des österreichischen Kraftstoffbedarfs durch Ethanol aus lignozelluloser Biomasse zu decken. Allerdings müssen hierzu noch einige technologische, logistische, wirtschaftliche und rechtliche Hindernisse zu überwunden werden.<br />

In a sustainable Austrian energy system, the consumption of fossil fuels has to be reduced. Particularly, the transport sector plays a vital role in this context, since it is dominated by the fossil energy carrier petroleum and thus contributes largely to the emission of Austrian greenhouse gases. The implementation of biofuels that are produced and used sustainably is one strategy to address this problem.<br />At present, the mandatory amounts of renewable energy in the transport sector are provided by biodiesel and bioethanol from starch. However, for a sustainable long-term solution, other non-edible feedstocks need to be developed. A promising strategy to tackle that problem is the production of bioethanol from lignocellulosic raw materials, such as wood and straw. These raw materials have several advantages compared to the ones presently used.<br />The aim of this work is to investigate the biotechnological production of ethanol from wood and straw under Austrian boundary conditions. To assess technical, economic and environmental aspects of this technology, the 13 most interesting production concepts were selected. These concepts primarily differ in the type of raw material and the type of by-products that are obtained from non-fermentable process residues.<br />Following the selection of production concepts, the mass and energy balances for the individual concepts were calculated by means of process simulation. The necessary unit models were partly developed within this work. Process integration methods were applied to identify options for heat recovery. Their implementation leads to energy-efficient processes in which process heat is provided by a part of the non-fermentable materials. The mass and energy balances thus obtained form the basis for the technology validation. For that end technical, environmental and economic aspects of the technology are examined using energy efficiency-, life-cycle- and cost comparison analysis.<br />The results of the study show that, energy self sufficient production of ethanol from lignocellulosic materials, i.e. without the provision of external fuels, is possible. In addition considerable quantities of by-products can be obtained from process residues. Accordingly, high overall energy efficiencies of the processes (up to 78%) and substantial reductions in greenhouse gas emissions compared to a fossil reference system (up to -76%) are obtained. The ethanol costs (between 0.66 and 0.94 EUR per L of gasoline equivalent) can be considered moderate. Based on these results, a long term strategy should aim at replacing a part of the Austrian fuel demand by ethanol from lignocellulosic biomass.<br />However, before that more technological, logistical, legal and financing obstacles have to be overcome.<br />