Motorford0n och avgaser
Vehicles and vehicle exhausts
Per Hedemalm
Institutionen för hälsa natur- och teknikvetenskap
Kurs ”kemi i samhället” KEGB20
Grundnivå, 7,5 hp
Examinator:Maria Rova
2018-06-13
(blank sida)
Innehåll
1.
Lokala hälsoeffekter av drivmedel ................................................................................................................ 1
1.1 Allmänt om begränsningar hos toxikologiska undersökningar .................................................................... 2
1.2 Toxicitet hos icke-cykliska alkaner .............................................................................................................. 2
1.3 Toxicitet hos andra föreningar i avgaser ..................................................................................................... 3
1.4 Diskussionen om partiklar och kväveoxider ................................................................................................ 5
2 Utsläpp av växthusgaser från fordon ................................................................................................................. 6
2.1 Etanol som drivmedel ................................................................................................................................ 6
Etanol genom jäsning av skogsråvara ........................................................................................................... 7
Etanol ur spannmål ...................................................................................................................................... 7
2.2 Metanol ur skogsråvara.............................................................................................................................. 7
2.3 Raps-metyl-ester (RME) och andra metyl-estrar ......................................................................................... 8
2.4 Biogas ........................................................................................................................................................ 8
2.5 Användning av svartlut för biodrivmedel .................................................................................................... 9
3.
Diskussion .................................................................................................................................................. 10
3.1 Lokala hälsoeffekter ................................................................................................................................. 10
3.2 Utsläpp av växthusgaser........................................................................................................................... 10
3.3 Produktion av drivmedel via förgasning.................................................................................................... 10
3.4 Produktion av FT-diesel ............................................................................................................................ 11
3.4.1 Förgasning......................................................................................................................................... 11
3.4.2 Gasrening .......................................................................................................................................... 12
3.4.3 FT-syntes ........................................................................................................................................... 13
3.4.4 Upparbetning av FT-produkter .......................................................................................................... 14
4 Kunskapsluckor om Fischer-Tropsch-syntes..................................................................................................... 18
4.1 Well-to-Wheel-studier ............................................................................................................................. 18
4.2 ”Raffinaderi-argumentet” ........................................................................................................................ 20
4.3 Slutord ..................................................................................................................................................... 21
5
Redovisning av intressekonflikter ............................................................................................................... 22
Appendix A Uppskattning av energiförbrukning och anläggningskostnad vid raffinering av metanol, DME och FTdiesel ................................................................................................................................................................. 23
Energiförbrukning vid raffinering av metanol ................................................................................................. 23
Energiförbrukning vid raffinering av FT-produkter.......................................................................................... 24
Jämförelse av investeringskostnader för raffinering av metanol och raffinering av FT-produkter.................... 25
6 Referenser ...................................................................................................................................................... 26
(blank sida)
Motorfordon och avgaser
Motorfordon är viktiga för att dagens samhälle ska fungera, transporter av både varor och människor är av
avgörande betydelse för både livskvalitet och samhällsekonomi.
Utan motorfordon skulle det bli mycket svårare att behålla kontakt med släktingar och vänner om man flyttar
från hemorten. Rörligheten skulle minska, vilket skulle innebära att rekryteringen till olika yrken skulle
försämras. Detta skulle i sin tur få allvarliga återverkningar på samhällsekonomin.
Motorfordon släpper ut avgaser som ger upphov till allvarliga hälsoproblem på grund av sitt innehåll av bland
annat kväveoxider, partiklar, aromater och polyaromater. WHO uppskattar att omkring 4,2 miljoner människor i
världen dör en för tidig död varje år på grund av luftföroreningar, där fordon idag är den dominerande källan till
de farligaste föroreningarna [1].
Ur Sveriges officiella statistik kan utläsas att in- och utrikes transporter plus arbetsmaskiner står för en stor del
av Sveriges totala utsläpp av växthusgaser (ca 31 av 60 miljoner ton koldioxidekvivalenter). Om våra drivmedel
var helt koldioxidneutrala så skulle Sverige redan idag ha negativa nettoutsläpp av växthusgaser, eftersom vi har
en tillväxt i skogen som mer än väl kompenserar för alla andra utsläpp av växthusgaser [2]. Ur synpunkten
växthusgaser är således drivmedel av avgörande vikt för att Sverige ska kunna uppnå nettoutsläpp noll av
växthusgaser.
Problemen med dagens drivmedel är således såväl lokala hälsoeffekter som globala utsläpp av växthusgaser.
1. Lokala hälsoeffekter av drivmedel
I olika typer av motorer är olika typer av drivmedel möjliga att använda, vilket ger olika möjligheter för att
producera drivmedel med låga hälsoeffekter och låga utsläpp av växthusgaser [3,4]. De två dominerande
motortyperna är bensin- och dieselmotorer. Den förstnämnda motortypen kallas också Otto-motor. Diesel
används mest i tunga fordon, t.ex. lastbilar och bussar, medan bensin främst används för personbilar och andra
lätta fordon.
Antändningen av bränslet sker på olika sätt i diesel- och bensinmotorer, vilket direkt påverkar vilken typ av
bränsle och hur rent bränsle som kan användas i motorerna.
I en dieselmotor självantänder bränslet när kolven komprimerar bränslet. Det räcker att en komponent i bränslet
(ca 1%) självantänder vid kompression, resten av bränslet behöver främst vara brännbart och ha en lämplig
viskositet för att motorn ska fungera som avsett [3,40]. Hur bra ett dieselbränsle är beskrivs med ett
jämförelsetal ”cetan-tal”, där ”cetan” är ett äldre namn för n-hexadekan. Genom att höga funktionella krav bara
ställs på cirka en procent av ett dieselbränsle, så går det att köra dieselmotorer på mycket smutsiga bränslen,
men det går också att köra en dieselmotor på mycket rena bränslen.
I en bensinmotor tänds bränslet med ett elektriskt tändstift. Alla komponenter i bränslet behöver motstå
antändning vid kompression – om bensinen självantänder vid kompression uppstår så kallad ”knackning”, dvs
förtida explosion i motorn [4,40]. Motståndet mot antändning vid kompression beskrivs med ett ”oktan-tal”, där
med ”oktan” i detta fall avses 2,2,4-metylpentan (också kallad ”iso-oktan”).
Av detta följer att många bränslen som fungerar i bensinmotorer också går att blanda in i dieselbränsle, t.ex. så
kan de utmärkta bensinbränslena biogas/metan, etanol och metanol användas i dieselmotorer med förändrat
1
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
insprutningssystem så länge det också finns lite diesel med i bilden. Däremot gäller inte motsatsen, mindre än
1% av dieselbränsle i en bensinmotor gör att motorn ”knackar”, förlorar kraft, och riskerar att förstöras.
Det finns av rent termodynamiska skäl ett starkt samband mellan kompressionsförhållandet och motorns
effektivitet [40]. Man kan aldrig ha lika högt kompressionsförhållande i en bensinmotor som i en dieselmotor,
eftersom bensinen då självantänder. Därför kan bensinmotorn aldrig nå upp i samma effektivitet som
dieselmotorn. Vanliga kompressionsförhållanden för dieselmotorer är omkring 20, och för bensinmotorer 10-12.
Den termodynamiskt maximala effektiviteten för en typisk dieselmotor är ca 56% [38], och för en typisk
bensinmotor ca 40% [39]. Dessa värden når man förstås aldrig i verkligheten, då det finns t.ex. mekanisk friktion
som tar kraft. Under ideala förhållanden vid ca 75% av maximal motoreffekt så kan man nå till ca 35%
effektivitet för moderna bensinmototer, och till ca 45% för moderna dieselmotorer i tunga fordon [53].
Det ideala drivmedlet för en bensinmotor kan således sägas vara 2,2,4-metylpentan, medan det ideala
drivmedlet för dieselfordon kan sägas vara hexadekan [3,4]. Båda dessa föreningar är icke-cykliska alkaner. Det
kan därför vara av intresse att diskutera toxiciteten hos icke-cykliska alkaner. Innan dess dock en not om
begränsningar hos toxikologiska undersökningar i allmänhet.
1.1 Allmänt om begränsningar hos toxikologiska undersökningar
Undersökningar av toxiska egenskaper hos kemikalier är ofta behäftade med allvarliga begränsningar som
allmänheten i ringa mån förefaller medveten om [5, 6]:
-
Flera miljoner kemikalier är i bruk i ett modernt samhälle, för många av dessa finns bara ett fåtal studier
av toxiciteten,
av etiska skäl går det sällan att göra försök på människor,
toxikologiska data specifika för människor är tillgängliga främst från ett litet fåtal epidemiologiska
studier eller i enstaka fall data från arbetsplatsolyckor,
många undersökningar är gjorda på försöksdjur i laboratorium, i de allra flesta fall går det inte att dra
några säkra slutsatser för människa,
vanliga försöksdjur är möss och råttor, som fysiologiskt uppvisar mycket stora skillnader mot människa,
många undersökningar använder doser per kg kroppsvikt som är mycket stora i förhållande till vad en
människa kan få i sig under normala förhållanden,
många studier är av äldre datum, och det kan vara svårt att bedöma metoder, relevans, eller renhet på
de kemikalier som har använts.
Det förefaller av dessa skäl rimligt att såväl litteratur- som tidningsuppgifter om toxicitet hos olika kemikalier
bedöms med stor försiktighet.
1.2 Toxicitet hos icke-cykliska alkaner
Icke-cykliska alkaner består av kedjor av mättade kolväten utan att någon ringformad struktur bildas. De tidigare
nämnda ideala drivmedlen för diesel- och bensinmotorer, iso-oktan och hexadekan, är båda icke-cykliska
kolväten.
Om man håller begränsningarna med alla toxikologiska studier i åtanke, så kan toxiciteten hos olika icke-cykliska
alkaner för människa bedömas baserat på vetenskapliga rekommendationer från den tyska ”MAK-gruppen” [54].
Dessa rekommendationer är inte lagstiftade, utan utgör just bara rekommendationer baserat på vetenskap.
MAK-rekommendationer och ångtryck för några olika alkaner redovisas i tabell 1.
2
Per Hedemalm
Kemisk förening
butan
isobutan
pentan
hexan
2,2,4-trimetylpentan (isooktan)
heptan
oktan
dekan
dodekan
hexadekan
Självständigt arbete kurs KEGB20
MAK-värde
[ml/m3]
ångtryck vid
20oC [Pa]
208 100(6
301 900(6
56 200(6
16 200(6
5 300(6
5 300(6
1 400(6
166(6
12(6
0,3(7
1 000
1 000
1 000
50
100
500
-
2018-06-09
Klassad som mycket farlig
för vattenlevande
organismer
ja
ja
ja
ja
ja
ja
-
Tabell 1. Rekommendationer om maximala koncentrationer i luft för olika alkaner från den tyska MAK-gruppen,
baserat på vetenskapliga undersökningar [6]. Notera att hexan har den högsta toxiciteten av alkanerna, troligen
går denna förening in och stör nervsystemet på en mycket specifik punkt som man ännu inte känner till.
Kortkedjiga starkt förgrenade alkaner, t.ex. 2,2,4-trimetylpentan, har också hög toxicitet på grund av att de inte
kan brytas ner i kroppen, och istället ansamlas i njurar och lever [6]. Inga MAK-värden finns för högre alkaner,
dels på grund av låg toxicitet, och dels på grund av det låga ångtrycket.
Sammanfattningsvis kan sägas att icke-cykliska alkaner i allmänhet har låg toxicitet, med undantag av hexan och
kortkedjiga grenade alkaner. Halten hexan i svensk bensin är begränsad till max 1% [10]. Ju färre kolatomer
alkanerna har, desto högre ångtryck. Ett högt ångtryck utgör i sig en risk, då det innebär att föreningarna kan
uppnå högre koncentrationer i luft, och också hållas kvar luftburna under längre tid. Kortkedjiga alkaner som
hålls luftburna under lång tid bidrar till marknära ozon [9].
Vätskeformiga kolväten upp till dekan är klassificerade som mycket giftiga i vattenmiljö. Det finns dock inga
antydningar om att alkanerna skulle ha andra allvarliga eller långsiktiga toxiska effekter – ingen icke-cyklisk alkan
är klassad som cancerogen, teratogen, hormonstörande, eller orsakande av skador på arvsmassan. Det finns
bakterier som är duktiga på att ta hand om och bryta ner alkaner i vattenmiljö [41].
Enligt tyska arbetsmiljöverkets databas GESTIS [6] har alkanerna tämligen förutsägbar toxicitet, som faller med
ökande längd på kolkedjan (uppslagsord ”dodekan”).
Skulle man bedöma toxiciteten hos bensin och diesel baserat på MAK-värdena för de ideala drivmedlen för
respektive fordon enligt tabell 1, så skulle slutsatsen alltså bli att bensin torde vara mycket giftigare – isooktan
har MAK-värdet 100 ml/m3, medan hexadekan helt saknar MAK-värde. Nu är det emellertid så att emissioner
från bensin och diesel inte enbart innehåller de ideala föreningarna, utan även mycket annat.
Emissionerna innehåller dessutom inte bara de kemikalier som finns i drivmedlet, utan även delvis förbränt
drivmedel och biprodukter från förbränningen, bland annat kväveoxider [1].
1.3 Toxicitet hos andra föreningar i avgaser
Förbränning och biologisk nedbrytning av icke-cykliska mättade kolväten har det gemensamt att nedbrytningen
börjar i en final position [8]. Biologisk nedbrytning, t.ex. med cytokrom P450, börjar med hydroxylering av en
3
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
final kolatom, och därefter följs i princip liknande nedbrytningsvägar som fettsyror [41]. Förbränning börjar ofta
med en dehydrering i en final position så att först en starkt reaktiv radikal och därefter en något mindre reaktiv
alken bildas. Finns flera finala positioner så kan nedbrytning/förbränning börja i flera punkter samtidigt.
Förgreningspunkter fungerar som steriska hinder såväl för organisk nedbrytning som för förbränning.
Avgaser innehåller ångor och droppar bestånde av dels drivmedlet självt och dels delvis förbränt drivmedel.
Avgaserna innehåller också biprodukter från förbränningen, t.ex. kväveoxider och polyaromater[17, 18]. Det går
att på kemiska grunder förutsäga avgasernas sammansättning när man känner till drivmedlets sammansättning.
Därav följer att ett giftigt drivmedel i allmänhet också ger giftiga avgaser [25].
I tabell 2 redovisas en jämförelse av toxicitet för andra karaktäristiska substanser i svensk bensin och diesel.
Observera att såväl diesel som bensin är underkastade nationella och lagstiftade standarder, bensin och diesel i
andra länder behöver inte ha en enda molekyl gemensamt med svensk bensin och diesel [10].
Bensin
/diesel
MAK-värde
[ml/m3]
Ångtryc
k [Pa]
Övrigt
klassad som mycket giftig, finns mycket
dekalin
diesel
5
130 bristfälliga toxikologiska data
xylen
bensin
100
800 Kroniska effekter på CNS ("målarsjukan")
toluen
bensin
50
29 100 Kroniska effekter på CNS ("målarsjukan")
bensen
bensin
≈3(1
10 000 Klassad som mycket giftig och cancerogen
(1
för bensen finns inget MAK-värde, angivet värde avser EU-gränsvärde för 8 timmars arbetsdag. MAK-gruppen
anser förmodligen att bensen inte alls ska förekomma på arbetsplatser.
Förening
Tabell 2. Jämförelse av andra karaktäristiska kemikalier i diesel och bensin. ”CNS” står för centrala nervsystemet.
”Målarsjukan” avser kroniska effekter på centrala nervsystemet, t.ex. darrningar, oro, depression, aggressivitet,
som var vanliga hos målare fram till början på 80-talet, då man ersatte toluen och xylen med framför allt vatten
som lösningsmedel i färger. Man kan spekulera i om det möjligen kan vara så att den omotiverade aggressivitet
som tidvis kan ses i trafiken kan ha samband med avgaserna av xylen och toluen från bensinfordon.
En jämförelse av tabell 1 och tabell 2 ger vid handen att cykliska och aromatiska kolväten i allmänhet bör
betraktas som betydligt mer toxiska än de icke-cykliska alkanerna. I svensk bensin får det finnas max 35%
aromater, varav max 1% bensen [10].
Dekalin och liknande perhydrerade analoger till polyaromater kan man ha i princip hur mycket som helst i svensk
diesel, men vanligt är ca 25% [11]. Toxikologiska data för de polycykliska alkanerna i svensk diesel är synnerligen
briställiga [6], detsamma gäller de derivat som produceras vid partiell förbränning av dessa ämnen. På grund av
de betydande likheterna med dekalin, hormoner, och polycykliska aromater, så finns det dock skäl att befara
allvarliga hälsoeffekter från de polycykliska alkanerna i svensk diesel.
Med MAK-värdena för de cykliska ämnena som bakgrund förefaller det klart att man skulle kunna förbättra de
lokala hälsoeffekterna av både bensin och diesel genom att helt utesluta cykliska föreningar från drivmedlen.
Sådana drivmedel är också kommersiellt tillgängliga i Sverige:
-
För bensinmotorer finns alkylatbensin (också kallad ”gräsklipparbensin”). Denna innehåller max 1%
cykliska ämnen [10]. Alkylatbensin går att köpa i dunkar på så gott som alla mackar i Sverige. I många
städer finns det också möjlighet att tanka alkylatbensin på pump. Kostnaden brukar vara cirka 3-4 kronor
högre per liter än vanlig bensin när man tankar på pump (dunkar betydligt dyrare, förstås). Alkylatbensin
4
Per Hedemalm
-
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
togs ursprungligen fram av Umeå Universitet för motorsågar, och har förbättrat arbetsmiljön dramatiskt
för alla som arbetar med små bensinmotorer [13]. Alkylatbensin produceras idag uteslutande genom
polymerisering av olika små fraktioner producerade som biprodukter i oljeraffinaderier.
För dieselmotorer finns HVO 100, där ”HVO” står för ”hydrogenerad vegetabilisk olja”. Detta drivmedel
innehåller vanligen mindre än 1% cykliska ämnen. Kostnaden ligger i dagsläget cirka 0,2 kr högre än
vanlig diesel per liter [12]. HVO har i dagsläget drygt 20% av totala dieselmarknaden i Sverige [14]. HVO
produceras genom att fetter hydrogeneras (vätebehandlas). Processen sker vanligen vid 250-300oC och
40-100 bars tryck i närvaro av katalysator (ofta kobolt-molybden).
Då skulle man kanske kunna tycka att det vore enkelt att göra sig av med alla negativa hälsoeffekter från
motorfordon genom att helt enkelt lagstifta om att alla bensinbilar måste köra på alkylatbensin, och alla
dieselfordon måste köra på HVO. Problemet med detta är dock att man riskerar att kraftigt öka utsläppen av
växthusgaser från drivmedelsproduktionen, någonstans i intervallet 100-400% högre utsläpp av växthusgaser
skulle kunna bli följden, beroende på hur man räknar.
Skälen till detta är i båda fallen råvarans egenskaper. Råvaran till alkylatbensin är råolja. Dagens råolja innehåller
höga och ökande halter polyaromater och asfaltener [55], som måste krackas till de kortkedjiga alkaner och
alkener som behövs för produktion av alkylatbensin. Detta är en energikrävande process, det är mycket enklare
och billigare att stanna vid de polycykliska ämnen som kan användas i vanlig diesel, alternativt vid de aromater
som kan användas i vanlig bensin.
För HVO gäller att råvaran kan vara tallolja, slakteriavfall, vegetabiliska oljor eller en restprodukt från
palmoljeproduktion som brukar gå under namnet ”PFAD”. De tre förstnämnda råvarukällorna har mycket liten
potential för ytterligare expansion [14] – när det gäller slakteriavfall kan kunderna också ha såväl miljömässiga
som etiska invändningar. Resterna från palmoljeproduktion belastas av problemet att palmoljeplantagerna ofta
finns på mark som tidigare varit regnskog, och som därför i dagsläget inte längre betraktas som förnyelsebara
källor i Sverige eller av EU [15]. Av dessa skäl kommer det vara svårt att i Sverige komma upp i större
marknadsandelar för HVO än den nuvarande på ca 20%.
Om man istället utgår från att hitta ett flytande drivmedel som har så låg toxicitet som möjligt, så skulle man
hamna på de långkedjiga kolvätena utan förgreningar som HVO främst består av. Ju kortare kedjor, och desto
mer förgrening, desto högre blir toxicitet och ångtryck, och desto lägre blir bionedbrytbarheten. Det är nog
ingen slump att naturen, t.ex. oljeväxter, gärna lagrar kompakt energi till frön i form av långkedjiga ogrenade
kolväten. Sådana kolväten ger en kompakt form av energi som både kan produceras och konsumeras med hög
verkningsgrad.
Om man i dagsläget kräver att alla ska tanka de renare bränslena alkylatbensin och HVO, så riskerar man alltså
kraftigt ökade utsläpp av växthusgaser. Det kan dock nämnas i sammanhanget att det största oljeraffinaderiet i
Sverige, Preem Brofjorden, har ansökt om tillstånd för att få bygga en hydrokracker, som kraftigt ska öka
mängden icke-cykliska alkaner som kan produceras i raffinaderiet.
Det är därmed dags att gå över till utsläppen av växthusgaser från transporter. Innan dess dock en liten not om
partiklar och kväveoxider.
1.4 Diskussionen om partiklar och kväveoxider
I tidningar och i den allmänna diskussionen så diskuteras avgaser oftast i termer av ”partiklar” och
”kväveoxider”. Detta kommer sig förmodligen av att både partiklar och kväveoxider används som indikatorer på
de allmänna nivåerna av avgaser i många storskaliga studier av hälsoeffekter.
5
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Som vi tidigare noterat så består ”partiklarna” av droppar av bränsle och delvis förbränt bränsle, så partiklarnas
giftighet är direkt proportionell mot avgasernas halter av i synnerhet aromater och polyaromater [20], ett
faktum som allmänheten förmodligen i mycket ringa grad är medveten om. Polyaromater kan antingen finnas i
bränslet eller i smörjoljan, eller produceras i kemiska reaktioner ur de ämnen som finns i bränslet.
Kväveoxider i avgaser består främst av kvävemonoxid och kvävedioxid. Förutsatt att man har ett rent bränsle så
går båda dessa att reducera till kvävgas i moderna fordon med hjälp av tillsats av urea till avgaserna, något som
säljs under namnet ”ad-blue” på många tankstationer.
Det finns två faktorer som i dieselmotorer ger högre utsläpp av kväveoxider från dieselfordon. Det första skälet
är att en högre temperatur i dieselmotorns förbränning av termodynamiska skäl ger mer kväveoxider. Det andra
skälet är att katalysatorer efter en dieselmotor i allmänhet håller lägre temperatur då dieselmotorn inte slösar
bort lika mycket värme som bensinmotorn. Enligt Bosch kan dock kväveoxiderna reduceras till lägre nivåer än
bensinmotorn genom att helt enkelt flytta katalysatorn närmare motorn, och styra motorn en aning annorlunda
så att kväveoxiderna effektivare reduceras [49].
Således kan sägas att kväveoxiderna effektivt kan reduceras med antingen kemiska eller maskinella åtgärder till
nivåer jämförbara eller lägre än från bensinmotorer. Problem med kväveoxider i avgaser gäller därför primärt
äldre fordon – och då i stor utsträckning både äldre diesel- och bensinfordon.
I allmänhet kan därmed sägas att i förhållande till hälsorelevans så diskuteras partiklar och kväveoxider i
synnerligen hög utsträckning i samhället, medan de giftiga cykliska ämnena, och i synnerhet de mycket giftiga
polyaromaterna diskuteras i en alldeles för liten utsträckning.
2 Utsläpp av växthusgaser från fordon
Ett av Riksdagens miljömål är begränsad klimatpåverkan, som formuleras så att Sverige dels skall ha
nettoutsläpp noll av växthusgaser år 2045, och dels att Sverige också internationellt skall verka för en
begränsning av emissionerna av växthusgaser [16].
In- och utrikes transporter står för en stor del av Sveriges totala utsläpp av växthusgaser (27 av 60 miljoner ton
koldioxidekvivalenter). Om drivmedlen inte skulle ge något nettoutsläpp av växthusgaser, så skulle Sverige inte
ha några nettoutsläpp av växthusgaser alls [2], eftersom skogen varje år tar upp stora mängder koldioxid.
Uner de senaste 20-30 åren har det tagits ett stort antal initiativ för att minska utsläppen av växthusgaser från
fordon. Dessa har från början varit stapplande och mindre lyckade, men har med tiden gett en alltmer
betydande minskning av utsläppen av växthusgaser. Vi beskriver i det följande några av de offentligt mest
diskuterade projekten, listan är inte uttömmande, utan ska ses som exempel på utvecklingsvägar. HVO har
diskuterats under ”lokala hälsoeffekter”, den hör förstås också till detta avsnitt.
2.1 Etanol som drivmedel
Etanol har högt oktantal, cirka 110, och kan därför med fördel blandas i bensin. Motsvarande fördelar finns dock
inte för etanol i dieselmotorer, vilket gör att det i praktiken bara används i bensinmotorer, med den lägre
effektivitet som bensinmotorer alltid medför.
6
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Etanol är ett mycket bra lösningsmedel, och kan, liksom t.ex. aromater och metanol, fungera som solubiliserare,
dvs att toxiska eller allergena ämnen kan lösas in i vävnader lättare om etanol är närvarande [6].
Etanol genom jäsning av skogsråvara
Grundidén med produktion av etanol genom jäsning av skogsråvara är att bakterier ska genmodifieras, och
eventuellt få hjälp av enzymer, för att bryta ner lignin och cellulosa. Staten har via Energimyndigheten satsat
hundratals miljoner på projekt inom detta område under de senaste cirka 30 åren, och mångmiljonsatsningarna
fortsätter [19].
Problemen är dels att bakterier inte är byggda för att bryta ner de pentoser som finns i lignin, och om de ändå
med genmodifiering kan ”övertalas” att göra det, så är hastigheten i processen mycket låg. Detta innebär stora
processkärl och därmed en synnerligen dyr process. Processen är ännu inte kommersialiserad någonstans i
världen, även om det finns en liten pilotanläggning i Örnsköldsvik. Drivmedelsutbytet i processen är mycket lågt
[28].
Etanol ur spannmål
Etanol tillverkas ur spannmål i stor skala i Brasilien, och i liten skala i en anläggning i Norrköping. Klimatnyttan är
god, om förnyelsebar råvara används för den energikrävande destillationen och absoluteringen. Vatten-etanol
har en azeotrop vid ca 96% etanol, vilket innebär att man inte enkelt kan destillera förbi denna punkt. Man får
då antingen tillsätta ett annat lösningsmedel för att kunna fortsätta att destillera (så kallad extraktiv
destillation), eller så kan man i mindre anläggningar använda torkmedel. 96%-ig etanol kan användas som
drivmedel om det inte blandas med något annat, men det är inte blandbart med bensin. I praktiken absoluterar
man därför all fordonsetanol, dvs destillerar till en vattenhalt under 0,1%.
På grund av azeotropen så är destillering av etanol energikrävande, uppskattningsvis 30-40% av energin i
etanolen behöver användas för destilleringen. Detta är dock inget stort problem om bara förnyelsebar råvara,
t.ex. jordbruksavfall eller flis används för destilleringen. Energiförbrukningen blir dock ett problem om fossil
råvara används för destilleringen, vilket varit fallet tidigare för majsetanol i USA.
Enligt Agroetanol i Norrköping innebär deras etanol 80% minskning av utsläppen av växthusgaser, en siffra som
det inte finns någon anledning att betvivla [28]. Såvitt sockerrören som används som råvara för etanolen i
Brasilien inte odlas på mark som tidigare varit regnskog, så torde miljönyttan av Brasiliansk etanol också vara
god.
2.2 Metanol ur skogsråvara
Det huvudsakliga tekniska problemet med metanol som drivmedel är att det är ett alldeles för bra
lösningsmedel, så att det löser upp skyddande oljefilmer på motordelar. Metanol används idag som bränsle
framför allt för olika typer av racing och dragracing, men det ställer betydligt högre krav på underhåll av
motorerna [26]. Alla alkoholer är hygroskopiska, vilket kan ge både korrosions- och driftsproblem med
motorerna om fordonen får stå stilla för mer än några veckor.
Förbränningsentalpin för metanol är -17,7 MJ/liter, medan förbränningsentalpin för bensin är ca -35 MJ/liter
[22]. Detta medför att bränsletanken behöver ha drygt dubbelt så stor volym för metanol som för bensin för
samma transportarbete (den höga syrehalten i metanol sänker förbränningstemperaturen och därmed
verkningsgraden i motorn något).
Metanol bör inte hanteras utan lämpligt andningsskydd, då såväl flyktighet som toxicitet är hög. Det tas
dessutom lätt upp genom huden, varför lämpliga skyddshandskar behöver användas. I kroppen bryts metanol
ner till formaldehyd, som kan ge allvarliga effekter i synnerhet på CNS och synen [6]. MAK-värdet för metanol är
7
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
200 ml/m3, dvs det kan anses mindre giftigt än aromaterna och n-hexan, men betydligt giftigare än icke-cykliska
alkaner.
Av såväl tekniska som säkerhetsmässiga skäl är därför metanol knappast tänkbart som motorbränsle för en
bredare skara än specialintresserade – det är svårt att tänka sig att lära allmänheten att använda andningsskydd
och skyddshandskar vid tankning, samt att övertala någon större skara av allmänheten att installera mycket
större bränsletankar för att köra på ett bränsle som sliter hårdare på motorerna.
Metanol produceras som en mindre biprodukt vid vissa massabruk, men det kan också produceras genom
förgasning av biomassa, t.ex. grenar och toppar från skogsindustrin (GROT).
Förgasning innebär att råvaran, t.ex. träflis, partiellt förbränns. Detta åstadkoms genom att tillförseln av luft och
därmed syre stryps. Vid fullständig förbränning produceras vatten och koldioxid, men vid förgasning får man
istället i huvudsak vätgas och kolmonoxid. Upp till 80% av råvarans energiinnehåll kan på detta sätt omvandlas
till vätgas och kolmonoxid [23]. Vätgas och kolmonoxid kan därefter reageras ihop över katalysator vid ca 200oC
och 40-100 bars tryck till metanol [24].
2.3 Raps-metyl-ester (RME) och andra metyl-estrar
Raps-metyl-ester (RME) produceras genom omförestring av rapsolja med hjälp av katalysator [56]. Man kan säga
att glycerolen i triglycerider istället byts ut mot tre metanol-molekyler. Det man vinner med detta är att bränslet
blir flytande ner till ca -10oC, till lägre temperaturer i blandningar med diesel.
Omförestring kan också göras med många andra fetter än rapsolja, fetter med såväl vegetabiliskt som animaliskt
ursprung går att använda, t.ex. palmolja, kokosolja, grisfett (ister), etc.. Man brukar använda samlingsbegreppet
”FAME” för omförestrade fettsyror (”fatty acid methyl esters”). FAME används ofta som 3-5% inblandning i
diesel, men högre inblandningar tillåter de flesta motortillverkare inte [10].
Vid omförestringen är det svårt att undvika att få kvar rester av både bundet och fritt glycerol i bränslet, på
grund av de kemiska jämvikter som är inblandade. Om man försöker köra med högre inblandning av metylestrar, så får man vanligen beläggningar av halvförbränt glycerol på insprutningsmunstycken. I princip och
aningen förenklat kan man säga att man får kanderat socker på insprutningsmunstyckena. Är det stora
insprutningsmunstycken, som i gamla traktorer eller fartygsmotorer, så spelar detta liten eller ingen roll, men
moderna dieselfordon för vägtrafik har mycket fina insprutningsmunstycken, där en beläggning på munstyckena
ofta kan göra att motorerna helt slutar fungera.
Rapsolja är ett fleromättat fett, vilket innebär att vid förbränning kan ringslutning lätt ske, och man får både
aromater och polyaromater i avgaserna [27]. Mättade fetter som råvara kan på kemiska grunder förväntas ge
mindre aromater och polyaromater, då ringslutning då blir betydligt mindre sannolikt. Dessvärre kan dock
mättade fetter inte användas som råvara under nordiska förhållanden, då köldegenskaperna inte blir tillräckligt
bra för nordiskt klimat.
Användningen av FAME har minskat kraftigt sedan HVO nådde marknaden, 2017 levererades cirka 70 000 m3
FAME till kunder, vilket motsvarar cirka 2% av totala dieselmarknaden [59].
2.4 Biogas
Det finns idag ca 200 anläggningar i Sverige som rötar hushållsavfall och avfall från jordbruk till biogas (metan)
[28]. Av dessa renar ett 50-tal gasen till sådan kvalitet så att det går att använda i bensin/metan-bilar. Den
8
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
producerade mängden motsvarar ungefär 1 TWh energi, vilket i sin tur motsvarar cirka 110 000 ton bensin. Med
en densitet av cirka 0,7 kg/liter motsvar detta cirka 160 000 m3 bensin, som räcker för att förse ungefär 5% av
alla transporter med Ottomotorer (bensin/gas-motorer) med drivmedel [59].
I och med att Otto-motorer används för biogas, så kommer man inte undan den lägre effektivitet som
Ottomotorer har i förhållande till dieselmotorer av rent termodynamiska skäl.
Metan är en kraftig växthusgas, ungefär 30 gånger starkare än koldioxid i ett 100-årsperspektiv [60], så det
räcker med mycket små läckage någonstans i produktions- distributions- eller användningsfasen för att
fördelarna ur växthussynpunkt ska minska kraftigt. Från och med 2017 ingår inspektion av hela bränslesystemet i
kontrollbesiktningen för gasfordon.
Ytterligare utbyggnadspotential för biogas från avfall är förmodligen begränsad [28], främst på grund av råvaran,
men även av tekniska, ekonomiska och miljömässiga skäl. Däremot skulle stora mängder biogas kunna
produceras via förgasning – detta görs också vid en anläggning i Göteborg, GoBiGas.
Metan innehåller förstås inga cykliska ämnen, så de lokala utsläppen av giftiga ämnen blir mycket mindre än
med många andra drivmedel, det blir främst motoroljan som kommer att ge upphov till utsläpp av aromater och
polyaromater, men i mycket lägre grad än såväl konventionella drivmedel som många alternativa drivmedel.
2.5 Användning av svartlut för biodrivmedel
Svartlut är en restprodukt från massabruk som innehåller en mängd starkt alkaliska kemikalier, men också
betydande mängder lignin. Svartluten bränns idag i massabruken. Värme produceras vid bränningen, som
bruken har begränsad nytta av, men det viktiga är att man då kan återvinna kemikalierna.
Svartlut kan i princip användas för produktion av biodrivmedel på minst två olika sätt: genom förgasning och
produktion av syntesgas [30], eller genom membran-separation av lignin-rester som därefter kan blandas in i
råolja i oljeraffinaderier innan hydrokrackning [29].
Det finns en liten pilotanläggning för förgasning av svartlut och produktion av DME (di-metyl-eter, ett metanolderivat) vid Smurfit Kappas massabruk i Piteå. På grund av den starkt alkaliska miljön i förgasningen, så är det en
teknisk utmaning att tillverka förgasare som inte korroderar vid de höga temperaturer som används [30].
Tekniken för förgasning har bland annat på grund av detta visat sig svår att kommersialisera i en mycket
konservativ bransch.
När det gäller membran-separation av lignin-rester så kan de lignin-rester som utvinns ersätta konventionell
råolja i oljeraffinaderier, där den precis som råolja behöver hydrokrackas som första steg. Preem planerar en
pilotanläggning för detta tillsammans med Rottneros [31].
Lignin kan sägas vara en polymer som består av olika typer av subsituerade fenol-monomerer. Vid
hydrokrackning av dessa fenoler så får man främst aromater med två, tre eller fyra subsituenter. Mycket låga
halter av bensen kan förväntas från processen, eftersom det kräver att flera substituenter skulle tas bort i
hydrokrackningen, vilket sannolikt inte torde vara varken en gynnad eller önskvärd processväg.
Tekniken med membranseparation av lignin ger fördelar ur klimatsynpunkt, men knappast ur lokal
miljösynpunkt. En hög andel av produkterna kan förväntas vara trisubstituerade aromater, som kan förväntas ha
en högre toxicitet än de idag vanliga aromaterna i bensin [75]. Som ett exempel kan nämnas att alla isomerer av
trimetylbensen har ett MAK-värde av 20 ml/m3, jämfört med 50 ml/m3 för toluen och 100 ml/m3 för xylen [6].
9
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Svartlut är en begränsad råvara, som är begränsad av den svenska produktionen av pappersmassa. I bästa fall
skulle cirka 25% av drivmedlen i Sverige kunna ersättas med biodrivmedel ur svartlut [30], i pratiken förmodligen
betydligt mindre. Sverige har en förhållandevis stor produktion av pappersmassa, potentialen internationellt är
betydligt mindre.
3. Diskussion
3.1 Lokala hälsoeffekter
Som vi har sett under avsnittet ”lokala hälsoeffekter av drivmedel” så är det välkänt i oljeindustrin hur man
minskar de lokala hälsoeffekterna av drivmedel genom att gå över till drivmedel med lägre innehåll av främst
cykliska och polycykliska ämnen.
Detta är dock mycket svårt för oljeraffinaderierna att göra, då råolja i dagsläget innehåller höga och ökande
halter av polycykliska ämnen. Det blir då synnerligen kostnads- och energikrävande att börja producera
drivmedel helt utan cykliska ämnen. Det är enbart negativt för den lokala miljön om man genom att använda
lignin som råvara producerar aromater med hög toxicitet för användning till drivmedel.
Mer energi måste användas för att kracka råoljan till icke-cykliska ämnen, för att sedan sätta ihop de ickecykliska ämnena (med t.ex. polymerisering) till fungerande drivmedel, och för att slutligen ta hand om de
oundvikliga resterna av dels alltför små kolväten, och dels polyaromater som är tunga för att kunna krackas
effektivt.
Man riskerar således att kraftigt öka utsläppen av växthusgaser från oljeraffinaderierna om man försöker gå över
till att producera drivmedel helt utan cykliska ämnen från en råvara med mycket höga halter polycykliska
ämnen.
HVO och alkylatbensin förbättrar den lokala miljön kraftigt. HVO använder i princip förnyelsebar råvara, men har
en mycket begränsad råvarupotential med bibehållande av god klimateffekt, och alkylatbensin kan i dagsläget
bara produceras effektivt i ytterst små mängder ur råolja.
3.2 Utsläpp av växthusgaser
De flesta av de drivmedel som vi diskuterat i avsnittet ”utsläpp av växthusgaser från fordon” har antingen
allvarliga tekniska/praktiska problem eller en begränsad råvarupotential, eller i vissa fall båda delar.
Vi har dock i förbifarten i samband med diskussionen av metanol nämnt förgasning av grenar och toppar (GROT)
från skogsindustrin. Detta ämne förtjänar en lite djupare diskussion.
3.3 Produktion av drivmedel via förgasning
GROT har en långsiktigt stor potential, framför allt när det kan påverka hur skogsvård bedrivs. GROT och andra
restprodukter från skogsindustrin skulle idag kunna täcka ungefär en tredjedel av det total behovet av drivmedel
i Sverige [28]. På 20-30 års sikt med förändrat skogsbruk, så skulle hela den svenska förbrukningen av drivmedel
kunna ersättas.
Detta är således den enda av de tekniker som vi tagit upp i denna rapport som är lämplig och möjlig för att till
fullo uppnå Riksdagens mål för utsläpp av växthusgaser.
10
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
De drivmedel som har producerats via förgasning i Sverige (i liten eller stor skala) har dock allvarliga problem av
teknisk/ekonomisk art att brottas med:
-
-
-
Biogas körs vanligen i Otto-motorer med den sämre effektivitet som detta medför. Metan hanteras i
tankar med 200 bars tryck, som blir stora och tunga om man önskar samma räckvidd som på dagens
fordon. Risken för läckage av den kraftiga växthusgasen metan någonstans i kedjan finns också alltid.
Rörledningsnät för metangas är mycket dyra att bygga upp, i synnerhet om man för säkerhets skull vill
binda samman olika städer med gasnät.
Metanol körs också vanligen i Otto-motorer, och kräver speciella åtgärder både vid tankning och
underhåll, som gör att detta bränsle i praktiken blir mycket svårt att introducera i stor skala. Man kan
också diskutera det vettiga i att ersätta ett giftigt drivmedel, bensin, med ett annat drivmedel med
ungefär samma eller i värsta fall högre toxicitet och risker för hälsoskador. Risken är stor att allmänheten
slår bakut vid det första akuta förgiftningsfallet – i motsats till bensin är ju skadeverkningarna från
metanol framför allt av allvarlig akut art, medan man får mer diffusa/oklara symptom och istället blir
långsamt och mer förrädiskt förgiftad av aromaterna i bensin [6].
DME, di-metyl-eter, ett metanolderivat, som dock i motsats till metanol används i dieselmotorer. DME
är gasformigt vid standardförhållanden, och behöver förvaras i gasolbehållare. DME har låg toxicitet,
MAK-värde 1000 ml/m3, dvs jämförbart med icke-cykliska alkaner. Det allvarligaste problemet med DME
är att det på grund av det höga syreinnehållet har betydligt lägre förbränningsentalpi än diesel – cirka 20
MJ/liter istället för drygt 40 MJ/liter. Detta innebär att tankarna behöver drygt dubblas i volym för
samma körsträcka, plus att tankarna också måste vara utformade för ett tryck av 8-10 bar.
DME är således ett stort steg i rätt riktning, av flera skäl:
1. Bred råvarubas när det kan produceras ur GROT eller svartlut med förgasning,
2. Låg toxicitet ger små lokala hälsoeffekter,
3. Effektiva dieselmotorer används för DME, vilket ger en betydligt högre total systemverkningsgrad.
Om man skulle fortsätta att tänka längs dessa banor, och ytterligare förbättra ”DME-konceptet”, så skulle man
för optimal miljöeffekt (både lokalt och globalt) vilja ha ett bränsle som kan produceras med förgasning ur GROT,
kan användas i dieselmotorer, och har lika låg toxicitet som de icke-cykliska alkanerna.
Det finns ett sådant drivmedel, med den så kallade ”Fischer-Tropsch syntes” (eller kort ”FT-syntes”) kan man ur
syntesgas framställa en blandning av främst icke-cykliska alkaner och alkener, som till stor del kan användas som
eller konverteras till dieseldrivmedel. De producerade drivmedlen är kemiskt fria från svavel och cykliska ämnen,
och brukar gå under namnet ”FT-diesel”[24].
3.4 Produktion av FT-diesel
Produktion av FT-diesel sker i tre huvudsakliga steg – förgasning, gasrening, och syntes. Efter syntesen har man
också en upparbetning av produkterna.
3.4.1 Förgasning
Det första steger, förgasningen, är liknande eller till och med identiskt oavsett om man vill producera metanol,
DME, eller FT-diesel (i tyskspråkig litteratur går för övrigt alla dessa tre synteser under namnet ”FT-syntes” [24]).
Syftet med förgasningen är genom att strypa tillförseln av syre producera de reaktiva gaserna vätgas och
kolmonoxid. Gasblandningen som man då får ut brukar gå under namnet ”syntesgas”. Från biomassa får man
ungefär lika många mol kolmonoxid som vätgas. Den grundläggande reaktionen är således:
HxCyOz → nCO + nH2 + mH2O
Där x, y, z, n, och m beror dels på förgasningsprocessens utformning, och dels på råvarans sammansättning.
11
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
I bild 1 visas en bild på en förgasare för biomassa. Biomassan släpps ner i en sluss med två kolvar. Först öppnar
den övre kolven och släpper in träflisen. Därefter stängs den övre slussen. Den nedre slussen öppnas därefter,
och träfliset faller ner i själva förgasaren. Detta förhindrar att den giftiga och explosiva syntesgasen,
innehållande vätgas och kolmonoxid, kommer ut utanför förgasaren.
Bild 2 visar en skiss på härden. Vid drift har man ett lager av cirka 1 meters höjd med träflis ovanför härden, som
sakta faller ner mot härden i takt med att träflisen i härden förgasas och askan faller ner mot förgasarens botten.
Bild 1. En bild av en typisk förgasare för biomassa av så kallad ”Imbert”-typ, bilden tagen vid Orrefors glasbruk år
2004. 1. Transportband för inkommande råvara, 2. Sluss för intag av träflis, 3. Schakt där råvaran pyrolyseras, 4.
Inkommande luft eller syrgas till förgasningen, 5 utgående syntesgas från förgasningen.
Bild 2. En skiss som visar själva härden i en Imbert-förgasare. Luft eller syrgas kommer in genom munstyckena
överst i bild. Träflisen förgasas vid själva härden (den horisontella öppningen). Syntesgasen tas ut under härden.
Källa för bild: SMP/Glafo.
3.4.2 Gasrening
Den utgående gasen kommer att innehålla en del föroreningar som syntes-steget tål dåligt, och som därför
behöver renas bort. De viktigaste föroreningarna att rena bort är:
12
Per Hedemalm
1)
2)
3)
4)
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Syrgas
Svavel
Tjära
Koldioxid
Det finns många olika sätt att göra detta på, ett enkelt sätt beskrivs i referens [33]. Aktivt kol används först för
att ta bort tjära. Därefter kommer en behållare med zinkoxid som tar bort svavel. Slutligen kommer en behållare
med kopparoxid som tar bort syrgas. I just denna referens bryr man sig inte om att ta bort koldioxiden, många
gånger är det inte nödvändigt i mindre system.
För hög total verkningsgrad och låg processkostnad i större anläggningar bör dock koldioxiden tas bort, vilket
kan göras med en skrubber. Vanliga typer av skrubber är karbonatskrubber, aminskrubber eller kyld metanol
(Rectisol) [45]. Funktionsprincipen för en skrubber beskrivs i referens [46], oavsett vilken vätska som används för
skrubbern är funktionsprincipen ungefär densamma.
Olika syntes-steg ställer lite olika krav på gasreningen. De två viktigaste FT-katalysatorerna är järn och kobolt.
-
-
-
FT-syntes med järn (järn-FT): Låga allmänna krav på gasreningen, katalysatorn tål höga halter av svavel.
Viktigast att aromater tas bort ur gasen, för att slutprodukten ska bli fri från aromater. Dock är det noga
att inget syre kommer in till reaktorn, då detta ger korrosion i katalysatorn. Ofta används
karbonatskrubber.
FT-syntes med kobolt (Co-FT): Höga krav på gasreningen, eftersom man har mycket dyra ädelmetaller
som tillsatser. Gasen måste renas mycket noga från alla cykliska föreningar, svavel och syrgas. Att döma
av kraven så torde Rectisol vara den mest realistiska metoden för gasrening.
Metanol-syntes (alternativt DME): Här ställs mycket höga krav på att slutprodukten metanol/DME är fri
från kolväten, och minsta spår av även lätta kolväten måste därför tas bort i gasreningen. Såvitt känt
idag är det bara Rectisol-processen, som görs vid ca 40 till 70 minusgrader som klarar av att rena
syntesgasen tillräckligt för metanol-produktion.
Gasen skickas därefter vidare till FT-syntes
3.4.3 FT-syntes
I bild 3 visas den enklaste typen av reaktor för Lågtemperatur FT-syntes (LTFT), så kallad ”fastbäddsreaktor”,
också kallad ”tryckvattenreaktor”. Det finns även syntes vid hög temperatur (HTFT), men då denna är väsentligt
mer komplicerad, så behandlas den inte i detta arbete. Till vänster i bilden en genomskärning av ett LTFT
reaktorrör, till höger en översiktsbild av en reaktor med 19 reaktorrör. I kommersiella LTFT-reaktorer kan upp till
4 000 reaktorrör användas i en enda reaktor.
13
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Bild 3. Till vänster syns en liten pilotreaktor för låg-temperatur Fischer-Tropsch (LTFT) med bara ett reaktorrör.
Gas kommer uppifrån in till katalysatorn. På katalysatorns yta produceras främst ogrenade icke-cykliska alkaner
och alkener, som droppar ner i den varmhållna vaxfällan. Gas som innehåller diesel-, nafta-, gasol- och
biogasfraktioner fortsätter till fler kylningssteg där de successivt tas om hand. Till höger en lite större reaktor,
man har där 19 reaktorrör av samma utformning i en gemensam vattenmantel. Reaktortypen är ur kemisk
synvinkel lätt att skala upp, det är bara att lägga till så många reaktorrör som behövs, alla rör kommer att
fungera på samma sätt. Processen genomförs vanligen vid ett tryck av 25-70 bar. Egen bild.
Den råa produkten som man får ut ur reaktorn separeras först genom stegvis nedkylning av den råa produkten,
man kan säga att det blir en sorts enstegs (omvänd) destillation. Baserat på volym produceras ungefär lika
mycket vatten som kolväten, eftersom huvudreaktionen är:
CO + 2 H2 → -CH2- + H2O
Där –CH2- står för ett segment i en kolvätekedja.
3.4.4 Upparbetning av FT-produkter
Den råa produktens sammansättning är lite olika beroende på om man använder järn- eller kobolt-katalysator.
Med kobolt-katalysator är det en relativt enkel produktsammansättning [33], så gott som uteslutande bestående
av n-alkaner. Samtliga biobaserade n-alkaner av denna höga kvalitet har en lättillgänglig marknad: C1 = biogas
C2-C4= biogasol, C5-C8=nafta , C9-C11 = jetbränsle, C12-C16=diesel. Tyngre vaxer kan antingen säljas till
kosmetika, eller krackas till diesel och jetbränsle.
14
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Bild 4. Den råa produktsammansättningen från kobolt-FT. Ur källa [33]. Så gott som uteslutande alkaner finns i
kolväte-fasen, små mängder oxygenater finns i det vatten som alltid produceras som en biprodukt från
processen.
I tabell 3 visas en jämförelse av kokpunkterna för vanliga alkaner och alkener. Skillnaden i kokpunkt mellan
närliggande alkaner är tiotals grader, och skillnaderna i ångtryck upp till C10 omkring en faktor tre, vilket ger en
relativt enkel destillation av de primära produkterna från Co-FT.
För att få dieseldrivmedel så behöver de råa produkterna från Co-FT hydrokrackas över en katalysator vid 200300oC och 20-60 bars tryck [51]. Man får då både diesel och lättare kolväten, men samtliga produkter från
denna process är fortfarande alkaner.
I motsats till kobolt-FT så produceras i järn-FT en blandning av alkaner och 1-alkener. Hur mycket 1-alkener som
produceras beror på förhållandet mellan vätgas och kolmonoxid i syntesgasen. Olika kolvätens beräknade andel
av totalvikt för järn-FT visas i Bild 5.
15
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Kolvätens andel av totalvikt för järn-FT, beräknat
8,00%
7,00%
6,00%
5,00%
4,00%
3,00%
2,00%
1,00%
0,00%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Bild 5. Kolvätens andel av totalvikt för järn-FT med en förgasare med ungefär förhållande ett mellan CO och H2,
beräknat enligt Botes [70] baserat på körning A3 i van der Laan [60].
Skillnaderna i kokpunkt och ångtryck mellan alkaner och motsvarande 1-alkener är dock betydligt mindre, vilket
för järn-FT troligen gör det nödvändigt med mer avancerade metoder om man behöver/vill skilja ut 1-alkenerna,
t.ex. någon typ av extraktiv eller reaktiv destillation [50].
I mindre anläggningar är det troligen inte ekonomiskt intressant att skilja av 1-alkenerna från järn-FT, men i
större anläggningar är det säkerligen kommersiellt intressant, då marknadspriserna typiskt ligger 50-100% högre
för 1-alkener än för n-alkaner. 1-alkenerna används framför allt i polyeten, men även för tillverkning av tensider
till t.ex. tvättmedel.
16
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Kokpunkter och mol-% 1-alkener från järn-FT
1alken
Antal kolatomer
nalkan
-162
1
2
-104
-89
3
-48
-42
mol-% 1-alkener
från järn-FT
-
38,5%
71,9%
4
-6
-1
67,7%
5
30
36
63,2%
6
64
69
58,4%
7
94
98
53,5%
8
121
126
48,5%
9
147
151
43,5%
10
172
174
38,7%
11
193
195
34,1%
12
210
216
29,7%
13
232
234
25,7%
14
251
254
22,1%
15
271
265
18,8%
16
281
284
16,0%
17
302
300
13,5%
Tabell 3. En sammanställning av kokpunkterna för vanliga alkaner (finns i produkten från både kobolt-FT och
järn-FT), och alkener (endast i produkt från järn-FT). Notera att kokpunkten för både alkaner och alkener är svår
att mäta över ca C10, varför värden över C10 kan ha fel på upp till +/- 5oC. Källor: [6] och [71] för kokpunkter,
egna beräkningar baserade på Botes [70] och van der Laan [60] för andel 1-alkener.
Med järnkatalysator så kommer cirka 50-70% av framför allt de lättare kolvätena att ha en final dubbelbindning,
dvs vara 1-alkener, se tabell 3. Eftersom alkenerna är reaktiva, så kan man med dessa producera en stor mängd
produkter som inte är möjliga/rimliga att producera med kobolt-katalysator, t.ex. alkylatbensin, diesel- och
jetbränsle med högt energiinnehåll per liter och kg [11], biobaserade tensider, och mycket mer.
Den utrustning som behövs för upparbetning av järn-LTFT är främst:
a) Två till tre reaktorer för upparbetning, som tillsammans väger ca en tiondel av en FT-reaktor. En av
reaktorerna används för hydrogenering, en för hydrokrackning, och en för polymerisering. Driftstrycket
är 20-60 bar, och driftstemperaturen ca 200-300oC [51],
b) Fem till sex destillationstorn,
c) Om 1-alkener ska skiljas ut, så behövs ytterligare två mindre destillationstorn per 1-alken, ett för
extraktiv/reaktiv destillation, och ett för att separera lösningsmedlet/reagensen från alkanen.
För upparbetning av produkt från kobolt-FT bortfaller en reaktor för polymerisering från (a), ett eller två
destillationstorn från (b), och samtlig utrustning från (c).
17
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
4 Kunskapsluckor om Fischer-Tropsch-syntes
Det finns stora kunskapsluckor om FT-teknik i allmänhet och järn-FT i synnerhet hos svenska och EUmyndigheter, forskare, och politiker. Dessa kunskapsluckor hindrar en expansion av FT-diesel i Sverige och inom
EU. Allmänheten känner i mycket ringa grad till begreppet FT-diesel, och skillnaderna mellan järn-FT och koboltFT förefaller inte vara spridda utanför en liten skara specialister.
De enda stora anläggningarna för järn-FT finns i Sydafrika, då med kol och naturgas som råvara. Kunskapen om
järn-FT finns främst bland forskare i Tyskland, Nederländerna, Frankrike, U.S.A. och Sydafrika. Kunskapen om
järn-FT är i mycket ringa grad spridd bland svenska forskare.
Det man inte förstår blir man lätt rädd för, och det finns då en risk att man börjar söka efter argument för att slå
ifrån sig. Vi ska titta närmare på två typer av argument som svenska myndigheter har använt sig av i både
formella och informella sammanhang för att slå ifrån sig FT-teknikens fördelar - dels well-to-wheel-studier, och
dels ”raffinaderi-argumentet”.
4.1 Well-to-Wheel-studier
Energimyndigheten, som är den anvariga myndigheten för alternativa drivmedel i Sverige, använder sig av så
kallade ”well-to-wheel”-studier (”WTW”) som grund för beslut [42]. Den rapport man främst hänvisar till är den
så kallade ”Joint Research Council WTW-studien” [62], som har tagits fram i flera upplagor, den senaste år 2014.
Vi betecknar denna rapport ”JRC WTW” i det följande.
I JRC WTW-studien hävdas att produktion av metanol, DME, och FT-diesel ger en energiförbrukning av
respektive 1,07, 1,07 och 1,20 MJ/(MJ drivmedel). Samtliga tre alternativ ger mycket små utsläpp av
växthusgaser. Man redovisar siffror för tre fall, ett ”best estimate”, ett ”worst case”, och ett ”best case”.
Det finns ett stort antal problem med denna studie, varav de viktigaste är:
1. En enda referens används för WTW-beräkningen för FT-teknik, en artikel från 2002 om kobolt-FT [63].
Man använder alltså en enda gammal artikel om kobolt-FT för att representera FT-teknik i allmänhet,
2. I den refererade artikeln [63] räknar man med att alla C1-C4-kolväten bränns för elproduktion. Detta var
inte helt orimligt år 2002, men i dagsläget vore detta ett enormt slöseri med ren och värdefull gas. C3-C4
(gasol) är lätta att separera ut, och bör istället användas till gasfordon. Bensinfordon kan relativt enkelt
byggas om för drift med bio-gasol. Använder man järn-FT så kan för övrigt propen och buten
polymeriseras till FT-diesel med högt energiinnehåll [11]. C1-C2 från hydrokrackning är också lätta att
separera för användning i biogasfordon. Gör man det i dagsläget högst realistiska antagandet att större
delen av C1-C4 används för fordonsdrift så påverkas jämförelsen med metanol och DME dramatiskt till
FT-dieselns fördel. Skulle man även lyckas lösa det svårare problemet med separation av C1-C2 från
övriga gaser från FT-reaktorn, så skulle man uppnå ytterligare positiva effekter,
3. Energiförbrukning vid raffinering av produkterna räknas inte alls in i jämförelsen mellan metanol, DME
och FT-diesel i JRC WTW-studien [63, 66]. I appendix A görs överslagsberäkningar som gör troligt att
raffinering av metanol förbrukar energi motsvarande ca 20% av den färdiga produktens värmevärde,
medan denna siffra med mycket hög sannolikhet är under 10% för FT-produkter. DME ligger troligen
någonstans mittemellan. Skulle JRC WTW-studien räkna med raffinering av produkterna, så skulle
situationen ändras dramatiskt till FT-dieselns fördel,
4. I inledningen av JRC WTW-studien så beskriver man en metod för att ta hänsyn till biprodukter, som man
därefter i tysthet låter bli att använda för åtminstone FT-produkter. Genom att inte ta hänsyn till
18
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
biprodukter så missgynnas järn-FT, eftersom biprodukterna från järn-FT uteslutande har högt värde
räknat såväl i energi som i pengar,
5. Den ena jämförelsepunkten i JRC WTW-studien är jämförelse av lägre värmevärde för olika ämnen.
Denna utgångspunkt är med dagens kunskapsläge en aning udda och riskerar att leda till felaktiga
slutsatser. Det är ju mekaniskt arbete som egentligen är det intressanta i fordonssammanhang. Därför
brukar man numera i mer seriösa vetenskapliga sammanhang istället använda det termodynamiska
begreppet ”exergi”, som är ett mått på hur mycket arbete som ett ämne eller medium i ett visst tillstånd
kan uträtta i förhållande till en viss referensomgivning [64],
6. Studien väljer att helt bortse från de tunga restoljor som alla raffinaderier producerar som biprodukt.
Dessa innehåller höga halter synnerligen giftiga polyaromater, och går numera inte att sälja inom EU, då
de på grund av sin toxicitet förbjudits för de flesta användningar inom EU. Istället exporteras detta
miljöproblem till största delen utanför EU, en mindre andel förgasas. Detta gör att de konventionella
drivmedlen ser mycket bättre ut i JRC WTW-studien än vad de verkligen är. Att man bortser från tunga
restoljor är i och för sig inte alls förvånande, då Europeska organisationen för raffinaderier varit med och
författat rapporten via sin organisation CONCAWE – de kan inte rimligen ha någon nytta av en offentlig
debatt om detta miljöproblem på export till utvecklingsländer,
En jämförelse mellan olika sorters teknik baserat på endast ett fåtal äldre referenser av ytterst tveksam relevans
och omfattning är förstås under alla förhållanden ett synnerligen tveksamt tillvägagångssätt – i vissa fall går det i
[62] inte ens att hitta en korrekt referens, t.ex. nämns en referens för metanol endast som ”Atrax 1999”. När
man bara ibland tillämpar de metoder man säger sig använda, plus att man väljer att helt bortse från den viktiga
och i vissa fall mycket energikrävande raffineringen av produkterna, så är det frågan om man bör fästa någon
tilltro alls till slutsatserna i JRC WTW-studien.
Förutom dessa problem är ett stort problem att de som använder siffror från JRC WTW-studien ofta refererar
endast till ”best estimate” helt utan presentation av eller resonemang om felmarginaler eller osäkerheter i
studien [42]. Effekten blir att debatten om alternativa drivmedel får en slagsida som knappast skulle ha funnits
om felmarginalerna från ursprungsrapporten hade återgetts, och definitivt inte skulle ha funnits om punkterna
(1) till (6) ovan skulle ha åtgärdats i WTW-studierna.
19
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
4.2 ”Raffinaderi-argumentet”
Svenska forskare och myndigheter verkar i både formella och informella kontakter tro att den blandning av
produkter som man får ut ur Fischer-Tropsch-syntesen skulle vara mycket svår att hantera. En från svenska
forskare och myndigheter ofta hörd invändning är att ”det krävs ett helt oljeraffinaderi för att ta hand om FTprodukterna”. Som vi argumenterat för i avsnitt 3.4.4 ovan så är det för en kemist elementärt att destillera isär
de enkla ogrenade alkanerna från kobolt-FT. Hydrokrackning av FT-produkter är också en tämligen enkel
process, där det finns ett antal publicerade artiklar om hur man gör detta, se t.ex. [73].
En kemist beväpnad med både kunskap och praktisk erfarenhet av FT- eller raffinaderi-teknik har inga stora
bekymmer att ta hand om de aningen mer komplicerade, men mycket mer kommersiellt intressanta 1-alkenerna
från järn-FT.
Ett exempel på hur 1-alkenerna kan användas är att producera rena drivmedel med högre energiinnehåll per
liter och kg än de konventionella drivmedlen [11]. I mindre anläggningar bryr man sig nog inte ens om att
separera alkenerna från järn-FT-vilket reducerar destillationerna till liknande enkla fall som kobolt-FT.
En reflektion som man kan göra i sammanhanget är att vi i avsnitt 3.4.4 argumenterar för att det räcker med 5-6
destillationstorn för upparbetning av FT-produkter. Kommersiella metanol-anläggningar använder vanligen 5
destillationstorn, men det finns artiklar som visar ökad effektivitet med 6 destillationstorn [66,67].
I appendix A görs överslagsberäkningar som indikerar att energiförbrukningen vid raffinering av metanol är
ungefär dubbelt så stor som vid raffinering av FT-diesel, detta innebär att mer förångad produkt cirkulerar i en
metanol-destillation, vilket innebär större diameter på destillationstornen. Detta innebär i sin tur ca 60% högre
investeringskostnad för raffineringen i en metanol-anläggning jämfört med raffineringen i en FT-anläggning
enligt beräkningen i Appendix A.
Det är bara när man har en råvara som är mycket komplicerad och som innehåller höga halter högtoxiska
polycykliska kolväten, såsom råolja, som man behöver ett helt oljeraffinaderi. När man producerar FT-produkter
har man ingen som helst nytta av ett oljeraffinaderi, det finns ingen rimlig anledning till att man skulle vilja
blanda de högvärdiga och rena FT-produkterna med strömmarna i ett oljeraffinaderi, som så gott som alltid är
förorenade med större eller mindre mängder toxiska aromater och högtoxiska polyaromater.
20
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
4.3 Slutord
När det gäller såväl anläggningarnas uppbyggnad som upparbetning/raffinering av FT-produkter, så är det viktigt
att skilja mellan lågtemperatur FT och högtemperatur FT. Lågtemperatur FT ger en betydligt enklare anläggning
och en betydligt enklare upparbetning av produkterna.
På liknande sätt är det viktigt att skilja mellan kobolt-FT och järn-FT. Produkterna från kobolt-FT är relativt enkla
att behandla till färdiga drivmedel, men saknar å andra sidan de kommersiellt och miljömässigt intressanta 1alkenerna. Den enda komplicerande faktorn vid upparbetning av järn-FT är separation av 1-alkener från nalkanen med samma antal kolatomer, men denna separation behöver inte alls göras i mindre/enklare
anläggningar.
Om man ska jämföra olika tekniker för produktion av alternativa bränslen så är det mycket viktigt att ta med
hela kedjan inklusive upparbetning/raffinering av bränslena. Studier som förutsätter att man bränner prima
drivmedel som t.ex. C1-C4-kolväten bör inte fungera som underlag för några jämförelser eller slutsatser.
Avslutningsvis så skulle man önska sig ett ordentligt kompetenslyft inom kemi i allmänhet och FT-teknik i
synnerhet hos ansvariga myndigheter, politiker och forskare i Sverige och i EU för att vi på allvar ska kunna ta tag
i och lösa transportsektorns stora utsläpp av såväl lokala hälsofarliga ämnen som växthusgaser.
21
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
5 Redovisning av intressekonflikter
Författaren är VD och delägare i ett bolag som använder järn-FT för att tillverka FT-diesel ur träflis i liten skala,
Biras Technology AB (www.biras.se). Författaren är också starkt allergisk mot avgaser från konventionella
drivmedel, såväl bensin som diesel och jetbränsle.
22
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
Appendix A Uppskattning av energiförbrukning
och anläggningskostnad vid raffinering av
metanol, DME och FT-diesel
Produktion av metanol, DME och FT-diesel är ur kemisk synvinkel mycket snarlika processer. Samtliga processer
börjar med förgasning och gasrening. Samtliga tre kan i sin enklaste utformning använda fastbäddsreaktorer vid
måttliga tryck (20-60 bar) enligt bild 3 sidan 14. I tyskspråkig kemilitteratur behandlas samtliga dessa tre
processer ibland under rubriken ”Fischer-Tropsch-syntes” [24]. I förbifarten kan nämnas att produktion av
syntetisk naturgas är ett specialfall av FT-syntes, då främst metan produceras.
I samtliga dessa tre processer produceras ungefär samma substansmängd vatten som produkt. Rena n-alkaner
och n-alkener och vatten separeras enkelt genom att kyla blandningen till rumstemperatur, eftersom de har
mycket låg blandbarhet. Som exempel kan nämnas att n-oktan har en i sammanhanget försumbar
vattenlöslighet av 0,7 mg/l, 1-okten har en låg vattenlöslighet av 4,1 mg/l [6].
DME har en hög vattenlöslighet av 71 g/liter, vilket kan förväntas då DME är en svagt polär molekyl (”lika löser
lika”). I detta fall krävs alltså destillation för att separera DME från processvattnet. Vi väljer dock här att inte i
detalj gå in på DME, utan konstaterar bara att den kan förväntas ligga mellan FT-diesel och metanol i
energiförbrukning vid destillation, eftersom DME är en svagt polär molekyl.
Metanol och vatten är båda starkt polära molekyler, och kan därför förväntas vara energikrävande att separera.
Raffinering av metanol sker industriellt vanligen genom destillation i fem-sex steg [66,67].
Energiförbrukning vid raffinering av metanol
I referens {66] beräknas energiförbrukningen för ett destillationstorn som separerar 50 mol-% vatten från 50
mol-% metanol till en 99%-ig renhet för metanolen. Vid ett totalt flöde av 100 kmol/h förbrukas 3 838 MJ/h.
Divideras dessa siffror med 3 600 så får man flödet per sekund:
•
•
•
Flöde av etanol/vattenblandning: 27,7 mol/s
Flöde av metanol: 13,8 mol/s
Energiförbrukning: 1,066 MJ/s
Förbränningsentalpin för metanol är 0,72 MJ/mol, vilket innebär att flödet av metanol motsvarar en energi av ca
10 MJ/s. Energiförbrukningen för den första destillationen till 99% renhet motsvarar alltså ca 10% av
värmevärdet för metanolen.
I referens [67] beskrivs kommersiella metoder för rening av rå metanol med 7,7% vattenhalt till metanol av
kommersiell kvalitet. Flödet av metanol är i denna artikel 84 ton/h, vilket motsvarar ett flöde ca 2600 kmol/h,
eller 730 mol/s. Metanolen motsvarar ett flöde av ca 525 MJ/s
Energiförbrukningen för reningen är ca 50 GW för den vanligaste kommersiella metoden – då enheten Watt är
detsamma som J/s, så kommer energiförbrukningen även i detta fall att bli cirka 10% av den renade metanolens
energiinnehåll.
Sammantaget kommer således raffinering av metanol enligt referenser [66] och [67] att förbruka en mängd
energi som motsvarar ungefär 20% av den producerade metanolens energiinnehåll. Nu kan man i och för sig
invända att [66] renar metanolen till 1% vattenhalt, medan [67] förutsätter 7,7% vattenhalt i den råa metanolen,
23
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
men å andra sidan så blir energiläckage och andra energiförluster större i de mindre anläggningarna som är
nödvändiga för effektiv insamling av biomassa, så i slutänden kommer man nog ändå att hamna omkring 20%,
med felmarginalen främst mot högre värden.
Energiförbrukning vid raffinering av FT-produkter
För kolväten har det tagits fram en metod för förenklad uppskattning av energiförbrukningen [68], baserat på
praktiska erfarenheter vid Shell [69]. Metoden är enligt författaren användbar för en första grov uppskattning av
energiförbrukningen, för att för nya processer bedöma lämpliga processvägar.
För denna beräkning förutsätter vi att så mycket drivmedel som möjligt ska produceras. Vi väljer därför att
behandla de olika fraktionerna på följande sätt:
•
•
•
•
•
•
•
C1 (Metan) i restgaserna från reaktorn, tillsammans med små rester av främst vätgas, bränns i gasturbin
för elproduktion
C2 (Eten och etan) separeras från restgasen från FT-reaktorn och används i biogas.
C3-C4 separeras och används som biogasol för fordonsdrift
C5-C8 hydrokrackas enligt en process liknande referens [72] för produktion av alkylatbensin
C9-C11 används i jetbränsle
C12-C16 används i diesel
C16+ hydrokrackas till främst diesel och jetbränsle
En beräkning av vikts-% av dessa fraktioner har gjorts baserat på Botes [70] och körning A3 i van der Laan [60].
Resultatet av beräkningen redovisas i tabell 4.
Antal
kolatomer
Vikts-%
Skillnad i kokpunkt till
nästa högre kokande
fraktion [oC]
Andel
”Duty resistance” enligt
Lange [69]
C1
5,1%
5
58
0,09
C2
3,4%
3
41
0,08
C3-C4
13,0%
13
29
0,45
C5-C8
18,9%
19
21
0,90
C9-C11
9,6%
10
15
0,64
C12-C16
11,6%
12
19
0,61
C17+
38,3%
38
-
Total "duty
resistance"
2,77
Tabell 4. Vikts-% av de olika fraktionerna som ska separeras, skillnad i kokpunkt samt ”duty resistance” enligt
Lange [69]. ”Duty resistance” beräknas som andelen (vikts-% x 100) dividerat med skillnaden i kokpunkt till
fraktionen med högre kokpunkt.
Total ”duty resistance” multipliceras med faktorn 0,57 enligt Lange, vilket ger det beräknade resultatet 1,6 GJ
per ton inkomande kolväten. Värmevärdet för de flesta kolväten ligger omkring 44 GJ/kg, vilket innebär att
motsvarande knappt 4% av energin i råvaran kommer att behöva användas för destillationen.
Efter den inledande destillationen så kommer man att behöva hydrokracka fraktionen C17+ och därefter
destillera produkterna från hydrokrackningen. I referens [73] redovisas ett liknande fall av hydrokrackning, där
C21+ vaxer från FT hydrokrackas. Efter hydrokrackning kommer produkten att vara en blandning av grenade och
24
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
ogrenade alkaner. Vi antar att skillnaderna i kokpunkt är den som gäller för motsvarande n-alkaner enligt tabell
4. Beräkningen redovisas i tabell 5.
Antal kolatomer
C1-C4
C5-C9
C10-C20
C21+
Andel
ΔT
7,1
34,5
37,0
21,4
"duty resistance"
29
0,24
21
1,64
14
2,64
summa "duty resistance"
4,53
Tabell 5. Beräkning av “duty resistance” efter hydrokrackning av fraktionen C21+ enligt referens [73].
Summa ”duty resistance” enligt tabell 5 multipliceras med 0,57 enligt Lange, vilket ger det beräknade resultatet
2,6 GJ per ton inkommande kolväten till hydrokrackningen. Det kommer att finnas en rest av 21,4% tunga vaxer,
som motsvarar ca 8% av totala inkommande mängd kolväten till raffineringen. Dessa skulle möjligen kunna
hydrokrackas ytterligare en gång, men då dessa har ett högt värde mätt såväl i energi som i pengar, så väljer
man förmodligen i praktiken att sälja dessa som de är snarare än att behandla dem ytterligare en gång.
Om vi nu räknar ihop resultaten från tabell 4 och tabell 5, så får vi:
61,7% x 1,6 GJ/ton + 38,3% x 2,6 GJ/ton ≈ 2 GJ/ton.
Detta motsvarar mindre än 5% av energiinnehållet i produkterna. Nu är detta en osäker uppskattning, Lange
anger marginaler om -50% - +100%. Om vi då för att vara mycket konservativa väljer +100%, så blir slutsatsen att
raffineringen med mycket hög sannolikhet kommer att förbruka en mängd energi som är mindre än 10% av
energin i de utgående produkterna.
Jämförelse av investeringskostnader för raffinering av metanol och raffinering av FTprodukter
I förbifarten kan noteras att Lange [69] visar att investeringskostnaden för en raffineringsanläggning är
proportionell mot den förbrukade effekten upphöjt till 0,65. Då raffineringen av metanol som vi visat här
förbrukar i storleksordningen dubbelt så mycket energi, så kommer investeringskostnaden för raffineringen i en
metanol-anläggning sannolikt att vara omkring en faktor 20,65 ≈ 1,6 gånger högre än investeringskostnaden för
raffineringen i en FT-anläggning.
25
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
6 Referenser
1. World Health Organisation, WHO fact sheet ambient (ourdoor) air quality and health, 2:a maj 2018,
http://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health
2. Naturvårdsverket, Territoriella utsläpp och upptag av växthusgaser, 2:a januari 2018,
http://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Statistik-A-O/Vaxthusgaser-nationella-utslapp-ochupptag/
3. Ullmann´s encyclopedia of industrial chemistry, 4th Ed. uppslagsord “diesel”,Wiley-VCH Verlag GmbH &
Co. KgaA 2002
4. Ullmann´s encyclopedia of industrial chemistry, 4th Ed. uppslagsord “gasoline”, Wiley-VCH Verlag GmbH
& Co. KgaA 2002
5. Hedemalm, Per, Carlsson, Per, Palm, Viveca, Waste from electrical and electronic products : a survey of
the contents of materials and hazardous substances in electric and electronic products, ISBN 92-9120674-1, Copenhagen : Nordic Council of Ministers [Nordiska ministerrådet], cop. 1995. Serie: TemaNord,
0908-6692 ; 1995:554
6. Institut für Arbeitsschutz der DGUV [Institutet för arbetsskydd inom tyska lagstiftade
olycksfallsförsäkringen], databasen GESTIS, http://www.dguv.de/ifa/gestis/gestisstoffdatenbank/index.jsp
7. Yi, Shouzhi; Ma, Peisheng; Ruan, Yongsi, Determination of very low vapor pressures of seven organic
compounds. Journal of Chemical Industry and Engineering (China). 45 (1994) 102-105
8. Burrows, Andrew, Holman, John, Parsons, Andrew, 2017, Chemistry-3, 3rd Ed., Oxford: Oxford University
Press,
9. Andersson, Camilla, Alpfjord, Heléne, Robertson, Lennart, Karlsson, Per Erik and Engardt, Magnuz
Reanalysis of and attribution to near-surface ozone concentrations in Sweden during 1990–2013, Atmos.
Chem. Phys., 17, 13869-13890, 2017
10. Svenska Petroleum- och biodrivmedelsinstitutet, faktadatabas bensin, 2014-10-10,
http://spbi.se/blog/faktadatabas/artiklar/bensin-2/
11. Hedemalm, Per, Sweden Green Tech Energy AB, Svenskt patent 534 608 C2
12. Preem AB, drivmedelspriser, läst 2018-05-23, http://preem.se/foretag/kund-hospreem/drivmedelspriser/
13. Regeringen, Alkylatbensin för vinterbruk, lagrådsremiss 2016-05-04
14. Energimyndigheten, Kortsiktsprognos: Alltmer biodrivmedel inom vägtrafiken, 2017-07-05,
http://www.energimyndigheten.se/nyhetsarkiv/2017/kortsiktsprognos-alltmer-biodrivmedel-inomvagtrafiken/
15. Liljas, Per, snart på en mack nära dig, 2016-09-07, https://www.naturskyddsforeningen.se/sverigesnatur/2016-4/snart-pa-en-mack-nara-dig
16. Naturvårdsverket, miljömål begränsad klimatpåverkan, 2017-06-17
http://www.naturvardsverket.se/Miljoarbete-i-samhallet/Sverigesmiljomal/Miljokvalitetsmalen/Begransad-klimatpaverkan/
26
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
17. Pelz, N., Dempster, N., Hundleby, G., and Shore, P., The Composition of Gasoline Engine Hydrocarbon
Emissions - An Evaluation of Catalyst and Fuel Effects, SAE Technical Paper 902074, 1990,
https://doi.org/10.4271/902074
18. Überall, Annegret, Otte, Roderich, Eilts, Peter, and Krahl, Jürgen, A literature research about particle
emissions from engines with direct gasoline injection and the potential to reduce these emissions, Fuel
147 (2015) 203–207
19. Energimyndigheten, Projektdatabas, sökord “etanol”, http://www.energimyndigheten.se/forskningoch-innovation/projektdatabas/?AdvancedSearch=False&SimpleQueryText=etanol&page=1
20. Yinhui, Wang, Rong, Zheng, Yanhong, Qin, Jianfei, Peng, Mengren, Li, Jianrong, Lei, Yusheng, Wu, Min,
Hu, Shijin, Shuai, The impact of fuel compositions on the particulate emissions of direct injection
gasoline engine, Fuel 166 (2016) 543–552,
21. Yao, Chunde, Pan, Wang, Yao, Anren, Methanol fumigation in compression-ignition engines: A critical
review of recent academic and technological developments Fuel 209 (2017) 713–732
22. Rumble, John (Ed.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, 98th ed.
23. Higman, Christopher and van der Burgt, Maarten, Gasification (2nd ed.), Gulf professional publishing
2008, ISBN: 978-0-7506-8528-3
24. Falbe, J. (Ed.), Chemierohstoffe aus Kohle, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1977
25. Ren, Shuojin, Kokjohn, Sage L., Wang, Zhi, Liu, Haoye, Wang, Buyu, Wang, Jianxin, multi-component wide
distillation fuel (covering gasoline, jet fuel and diesel fuel) mechanism for combustion and PAH
prediction, , Fuel 208 (2017) 447–468
26. Maritime Knowledge Centre, TNO and TU Delft, Public final report, Methanol as an alternative fuel for
vessels, public final report, 2018-01-15
27. Kasumba, John ,Holmén, Britt A., Heterogeneous ozonation reactions of PAHs and fatty acid methyl
esters in biodiesel particulate matter, Atmospheric Environment, Volume 175, February 2018, Pages 1524
28. Börjesson, Pål, , Lundgren, Joakim, Ahlgren, Serina, , Nyström, Ingrid, Dagens och framtidens hållbara
biodrivmedel – i sammandrag, the Swedish knowledge centre for renewable fuels, Rapport f3: 2016,
2016-03-31
29. Arkell, Anders, Method and system for treating spent pulping liquor, svenskt patent nr. 165 12 05 A1
30. Swärd, Lasse, Han gör drivmedel av svartlut, Dagens Nyheter, 2008-02-09,
https://www.dn.se/arkiv/motor/han-gor-drivmedel-av-svartlut/
31. Dagens Industri, Preem och RenFuel skapar världens första ligninanläggning för biodrivmedel, 2018-0524, https://www.di.se/pressreleaser/2018/5/24/preem-och-renfuel-skapar-varldens-forstaligninanlaggning-for-biodrivmedel/
32. Neslen, Arthur, EU dropped climate policies after BP threat of oil industry 'exodus', The Guardian, 201604-20, https://www.theguardian.com/environment/2016/apr/20/eu-dropped-climate-policies-after-bpthreat-oil-industry-exodus
33. BioFiT (TU Wien) – Biomass-to Fischer-Tropsch – production of Fischer-Tropsch liquids,
http://www.ficfb.at/ft.htm, läst 2018-05-27
34. Biras Technology AB, http://biras.se/products/gasifiers.html
27
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
35. Czernichowski, Albin, Etudes Chimique et Physique, , Orléans, Frankrike, Personlig kommunikation 201806-10
36. Energimyndigheten, Statsstöd för biodrivmedel, 2015-12-07,
http://www.energimyndigheten.se/fornybart/hallbarhetskriterier/statsstod-for-biodrivmedel/, läst
2018-05-27
37. Oxygen removal from syngas by catalytic oxidation of copper catalyst, Jun Han a,b, Xiang He a, Rui Li b,
Caixia Wan c, Qiangu Yan b, Fei Yu, Journal of the Energy Institute 87 (2014) 246–252
38. Georgia State University, Hyperphysics - The Diesel Engine, http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/thermo/diesel.html#c1, läst 2018-05-28
39. Wikipedia (english version), Otto cycle, https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle, läst 2018-05-28
40. Lönnström, Anna-Carin, Jonsson, Mattias, Fordon- grundkompetens, Liber 2010, ISBN 47-08493-7
41. Wang, Wanpeng, Shao, Zongze, Enzymes and genes involved in aerobic alkane degradation, Front
Microbiol. 2013; 4: 116.
42. Energimyndigheten, 2014-06-30, Beslut om projekt “Högtrycksförgasning i SMP förgasaren och FTsyntes”, DNr. 2013-003319
43. Segerberg, Tomas, A life cycle assessment of two capacitors - comparison of two manufacturing
alternatives cradle to gate with the EPS method, IVF report 95001
44. Ljungstedt, Hanna, Pettersson, Karin, Harvey, Simon, Evaluation of opportunities for heat integration of
biomass-based Fischer-Tropsch crude production at Scandinavian kraft pulp and paper mill sites, Energy
62 (2013) p. 349-361
45. Kohl, Arthur L., and Nielsen, Richard B. Gas Purification (Fifth Edition) Author(s): ISBN: 978-0-88415-2200
46. https://www.flickr.com/photos/saskpower/18932266775, läst 2018-05-28
47. Pour, Ali Nakhaei, Zare, Masoud, Zamani, Yahya, Studies on product distribution of alkali promoted iron
catalyst in Fischer-Tropsch synthesis, , Journal of Natural Gas Chemistry 19(2010)31–34
48. Steynberg, André and Dry, Mark (Eds.) Fischer-Tropsch Technology, Volume 152, 1st Edition, eBook ISBN:
9780080472799, Hardcover ISBN: 9780444513540 , Elsevier Science, 30th October 2004
49. Bosch behauptet kühn: «Wir haben das Diesel-Problem gelöst», Neue Zürcher Zeitung, 2018-04-25,
https://www.nzz.ch/wirtschaft/bosch-behauptet-kuehn-wir-haben-das-diesel-problem-geloestld.1380588
50. Lei, Zhigang, Arlt, Wolfgang, Wasserscheid, Peter, Selection of entrainers in the 1-hexene/n-hexane
system with a limited solubility, Fluid Phase Equilibria 260 (2007) 29–35
51. Botes, F.G., Dancuart, H.G., Nel, A.P., Steynberg, A.P., Vogel, A.P., Breman, B.B., Font Freide, J.H.M.,
Middle distillate fuel production from synthesis gas via the Fischer–Tropsch process, Advances in Clean
Hydrocarbon Fuel Processing, 2011, Pages 329-362
52. Swärd, Lasse, Miljöprofessorn: Omställningen av vägtrafiken går alldeles för långsamt, Dagens Nyheter,
2018-06-08, https://www.dn.se/ekonomi/motor/miljoprofessorn-omstallningen-av-vagtrafiken-garalldeles-for-langsamt/
53. Wikipedia, Engine efficiency, läst 2018-06-13, https://en.wikipedia.org/wiki/Engine_efficiency
28
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
54. Deutsche ForschungsGemeinschaft, Ständige Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher
Arbeitsstoffe, http://www.dfg.de/dfg_profil/gremien/senat/arbeitsstoffe/index.html
55. Houlton, Geoff, Global Crude Oil Supply and Quality Trends, COQA – San Antonio 2011, February 24,
2011
56. Lüning, Björn, Nordlund, Stefan, Norrby, Lars Johan, Peterson, Anna, Modell och verklighet, Kemi 2/B
lärobok, andra upplagan, Natur & Kultur, 2009
57. Svenska Petroleum- och biodrivmedelsinstitutet, faktadatabas diesel, 2014-10-10,
http://spbi.se/blog/faktadatabas/artiklar/dieselbransle-mk-2-och-3/
58. Svenska Petroleum- och biodrivmedelsinstitutet, faktadatabas FAME, 2014-10-10,
http://spbi.se/blog/faktadatabas/artiklar/fame-2/
59. Svenska Petroleum- och biodrivmedelsinstitutet, Statistik, http://spbi.se/statistik, läst 2018-06-13
60. IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the
Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K.
Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 pp.
61. van der Laan, G. P. (1999). Kinetics, selectivity and scale up of the Fischer-Tropsch synthesis, Ph.D. thesis,
University of Groningen
62. Joint Research Council, Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the
European context WELL-TO-TANK (WTT) ReportVersion 4a, January 2014 (available from
http://iet.jrc.ec.europa.eu/about-jec)
63. Tijmensen, Michiel J.A., Faaija, André P.C., Hamelinck, Carlo N., van Hardeveld, Martijn R.M., Exploration
of the possibilities for production of Fischer-Tropsch liquids and power via biomass gasification, Biomass
and Bioenergy 23 (2002) 129 – 152
64. Cruz, Pedro L., Iribarren, Diego, Dufour, Javier, Exergy analysis of alternative configurations of a system
coproducing synthetic fuels and electricity via biomass gasification, Fischer-Tropsch synthesis and a
combined-cycle scheme, Fuel 194 (2017) 375–394
65. Ahlvik, Peter, EcoTraffic, Well to wheel efficiency for heavy duty vehicles, Comparison of various
biofuels in a long distance lorry and a city bus, september 2009
66. Larson E.D., Katofsky R.E. (1993) Production of Hydrogen and Methanol via Biomass Gasification. In:
Bridgwater A.V. (eds) Advances in Thermochemical Biomass Conversion, Springer, Dordrecht
67. Abolpour, Bahador, Abolpour, Roozbeh, Kamyabi, Saideh, Hamzehee, Farahnaz, Shamseddini, Arash
Optimization of the reflux ratio for methanol–water stage distillation column, Res Chem Intermed (2013)
39:681–692, DOI 10.1007/s11164-012-0589-7
68. Zhang, Juntao, Liang, Shengrong, Feng, Xiao, A novel multi-effect methanol distillation process, Chemical
Engineering and Processing 49 (2010) 1031–1037
69. Katzenstein, Philipp, Distillation Resistance: A quick cost and duty estimation for a simple distillation
columns train, Master Thesis in Chemical and Biochemical Engineering, NOVA University of Lisbon,
september 2015
70. Lange J. Don ’ t Forget Product Recovery in Catalysis Research — Check the Distillation Resistance.
ChemSusChem. 2016:1-9. doi:10.1002/cssc.201600855.
29
Per Hedemalm
Självständigt arbete kurs KEGB20
2018-06-09
71. Botes, F. Gideon, Proposal of a New Product Characterization Model for the Iron-Based LowTemperature Fischer-Tropsch Synthesis, Energy & Fuels 2007, 21, 1379-1389
72. NIST webbook, National Institute of Standards and Testing, USA,
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?Name=undecane&Units=SI
73. Chang, Clarence D., Han, Scott, Morrison, Roger A., Santiesteban, Jose G., Process for naphtha
hydrocracking, US patent 5993643A
74. Lee, Joongwon, Hwang, Sunhwan, Seo, Jeong Gil, Hong, Ung Gi, Jung, Ji Chul, Song, In Kyu, Pd catalyst
supported on SiO2–Al2O3 xerogel for hydrocracking of paraffin wax to middle distillate, Journal of
Industrial and Engineering Chemistry 17 (2011) 310–315
75. Baker, Eddie G., and Elliott, Douglas C., Method of upgrading oils containing hydroxyaromatic
hydrocarbon compounds to highly aromatic gasoline, U.S. Patent 5180868A
30
