Prospects for biodiesel in Gävleborg County : Feedstocks and production

Open Access

Abstract

The increasing emissions from the transport sector have become a global concern as these emissions contribute to climate change. One way to reduce carbon dioxide (CO2) emissions from the transport sector is to replace fossil fuels with biofuels. The diesel engine is important for transports in society, especially since it is more efficient and more powerful compared with the gasoline engine. Therefore, replacing fossil diesel with biodiesel is one feasible option for achieving short and long-term emission targets. Fatty acid methyl esters (FAME) and hydrotreated vegetable oils (HVO) are the two kinds of biodiesel being used in Sweden. The raw materials are vegetable and animal oils and fats and the production method is esterification for FAME and hydrotreatment for HVO. HVO is more similar to fossil diesel and higher blends can be used in existing diesel engines if the vehicle manufacturer has approved it whereas FAME requires vehicle modifications when used in higher blends. Both HVO and FAME can be used as drop-in fuel with fossil diesel, but only up to 7% for FAME according to regulations. The Swedish consumption of HVO has increased rapidly in recent years. In 2017 it was more than 20% of the total globally produced HVO that year. Furthermore, the dependence on imported raw materials is heavy. Only 3% of the raw materials for FAME and only 5% of the raw materials for HVO sold in Sweden were of Swedish origin in 2017. Since the feedstocks used for biodiesel production are of limited availability and have competing uses, it is important to increase the knowledge of local resources. The County of Gävleborg has many large forest-related industries. The actors at different levels of the supply chain have important roles in the challenges to reduce fossil fuel dependence. The overall aim of this report is to investigate the current status and future prospects of biodiesel feedstocks and production technologies for FAME and HVO from a regional perspective. This is achieved by two separate approaches. First, a literature review is done through which potential feedstocks and production processes are described. The feedstocks are categorized into different generations. Second, ongoing and upcoming activities related to biodiesel production in Gävleborg County are explored through interviews with regional actors. The interviewees are representatives from companies with activities in Gävleborg County: Setra, BillerudKorsnäs, Iggesund, Rottneros and Colabitoil. Raw materials belonging to the first generation compete with food production. For biodiesel these raw materials are different types of vegetable oils. The main ones worldwide are palm oil, soybean oil, rapeseed oil and sunflower oil. These raw materials can be used as feedstock for both FAME and HVO. In Sweden the agricultural activity is relatively low and even lower in Gävleborg County. The extensive use of land and competition with food production makes these type of raw materials for biodiesel production questionable. But arguments can be made that the vegetable oils have good traceability and this can lead to better control to ensure a sustainable biodiesel value chain. Second-generation raw materials are non-food based. There are a variety of different types. Some are already being used and some are potential biodiesel feedstocks for the future. The ones presented in this report are animal fats, fish oils, waste cooking oils (WCO), pyrolysis oil, lignin and crude tall oil (CTO). Animal fats and fish oils can also be considered first-generation raw materials since they might be edible. There are strict health regulations for human food and the fats and oils that do not live up to the regulations can be used for other purposes. Animal fats and fish oils can also be used as animal feed and production of different chemicals. It is not obvious which use is best, but generally it seems that biodiesel and other energy uses are regarded as the least valuable in comparison. An important issue to consider is that the availability of animal fats and fish oils depends on the demand for meat. WCO is a feedstock for biodiesel which is currently used by Colabitoil in their pilot plant for HVO. It seems that the profitability of using WCO is dependent on the production capacity of the WCO producers and the distance between them since these two factors affect the fuel consumption during collection. It is optimal to have one big WCO producer in order to minimize the collection costs. In theory, there could be a situation in which there are so many small producers that more fuel is required for collection than is gained in biodiesel production. Pyrolysis oil from biomass is an interesting future source for biodiesel. It is a heterogeneous mixture of compounds and contains a lot of oxygen. Pyrolysis oil is definitely a raw material that needs catalytic hydrotreatment for upgrading. It is therefore considered an HVO feedstock and not feasible for FAME. This study did not clarify how much pyrolysis oil will end up as diesel fuel and how much will end up as gasoline or other products. A pyrolysis plant for production of pyrolysis oil from sawdust might be built at Setra's sawmill Kastet in Gävle. The pyrolysis oil will then be used as a feedstock for diesel and gasoline fuels in Preem's refinery. Lignin is one of the main components of wood. In the production of pulp by the sulfate process lignin is separated from the pulp as a component in the black liquor. The lignin is then primarily burned for energy purposes in the recovery boiler. The three pulp mills within Gävleborg County all use the sulfate process. At the pulp mill owned by Rottneros in Vallvik a plant for extraction of lignin and a plant for conversion into a lignin oil might be built. This pulp mill has a surplus of energy and therefore a potential to extract some of the lignin. The lignin will be processed together with a bio-based carrier oil to the lignin oil. This lignin oil will then be used as a feedstock for gasoline and diesel fuel in Preem's refinery. It was not clarified in this study what the source of the bio-based carrier oil will be. Additionally, the composition of the lignin oil was not revealed and therefore it could not be determined what share of it can be used for biodiesel production. Lignin oil is very interesting as a feedstock due to the large amount of lignin that is available in the forests. However, the interviews with the two other pulp mills (i.e., Iggesund and BillerudKorsnäs) showed that the availability is limited by other factors. These two pulp mills are integrated with production of paper products and therefore they have no surplus of energy. If lignin is extracted the energy has to be replaced by other sources. An eventual extraction of lignin is associated with reconstruction of different parts of the plant and thereby large investment costs. CTO is a by-product from pulp mills that use the sulfate process. It is of limited availability and consists mainly of fatty acids and rosin acids. The fatty acids can be converted to biodiesel. One way to utilize the components of CTO is to fractionate it into different product streams through distillation. These product streams include one stream with fatty acids, one stream with rosin acids and one stream called pitch. The pitch can be seen as a residue. There are two main refineries to which the three pulp mills in Gävleborg County deliver their CTO: Sunpine in Piteå and Kraton in Sandarne. Sunpine produces tall oil diesel and other products from the CTO, and the tall oil diesel is used for HVO production by Preem. Kraton produces different chemicals from the CTO. For all three pulp mills an important factor is to get tall oil pitch back from Sunpine and Kraton to be used for energy purposes. A potential source of lipids for biodiesel production was mentioned in the interview with Colabitoil. This was the conversion of lignocellulosic material into lipids by microbes. A particularly suitable feedstock for the microbes would be waste fibers from pulp and paper industries. This still appears to be at the research stage, but it will be interesting to follow the development since it has promising opportunities if it can be achieved at a commercial scale. Third-generation feedstocks for biodiesel are oils obtained from microalgae. Microalgae are potentially superior to the other raw materials. Biodiesel from microalgae is not commercially available so it is up to the future to determine its destiny. Due to the cold climate of Gävleborg County it is questionable if it is a good place for large-scale cultivation of microalgae. The optimal feedstock for FAME are triglycerides. Therefore, first-generation raw materials are wanted. Catalytic hydrotreatment can handle more complex raw materials and the feedstock range can thereby be increased to second-generation feedstocks. There is no producer of FAME in Gävleborg County, but there is a company (Colabitoil) that distributes HVO produced by Neste. Colabitoil also has a pilot plant for HVO production and might build a large-scale production plant in the future. The activities in Norrsundet, which Colabitoil is part of, has a potential to provide synergy effects if different companies settle there. There can then be knowledge-sharing and utilization of different by-products between the companies. There are two aspects about the limitations of the report that should be mentioned. First, the environmental performance of the different raw materials and production technologies is not considered. This is an important issue since the main purpose of biofuels is to reduce the environmental impact of fossil fuels. Second, it cannot be ruled out that there could have been intentional or unintentional bias in the interviews, even though there is no reason to suspect this. Additionally, it is very tricky to assess the certainty behind different statements from different persons since they have different backgrounds and different expectations about the future. Apart from this, the aim of the report was met to a large extent by shedding light on the future prospects of biodiesel through the challenges, uncertainties and success factors related to projects that the different actors described in the interviews. The challenges are technical and financial. The uncertainties are related to political stability but also to the environmental permit and future availability of raw materials. The success factors are the high demand for transport fuels and cooperation with other companies. ; De ökande utsläppen från transportsektorn har blivit en global angelägenhet, eftersom dessa utsläpp bidrar till klimatförändringen. Ett sätt att minska koldioxidutsläppen från transportsektorn är att ersätta fossila bränslen med biobränslen. Dieselmotorn är viktig för transporter i samhället, speciellt eftersom den är effektivare och mer kraftfull jämfört med bensinmotorn. Att ersätta fossil diesel med biodiesel är därför ett möjligt alternativ för att uppnå korta och långsiktiga utsläppsmål. Fettsyrametylestrar (FAME) och vätebehandlade vegetabiliska oljor (HVO) är de två typerna av biodiesel som används i Sverige. Råvarorna är vegetabiliska och animaliska oljor och fetter och produktionsmetoden är förestring för FAME och vätgasbehandling för HVO. Sammansättningen hos HVO är mer lik fossil diesel och högre inblandningsnivåer kan därmed användas i befintliga dieselmotorer om fordonstillverkaren har godkänt det. FAME däremot kräver modifiering hos dieselmotorsystemet vid användning i högre blandningar. Både HVO och FAME kan användas som drop-in bränsle med fossil diesel, men bara upp till 7 procent för FAME enligt föreskrifter. Den svenska konsumtionen av HVO har ökat snabbt de senaste åren. År 2017 var den över 20 procent av den totala globala produktionen det året. Det finns ett starkt beroende av importerade råvaror. Endast 3 procent av råvarorna för FAME och endast 5 procent av råvarorna för HVO som säljs i Sverige var av svenskt ursprung 2017. Eftersom råvarorna som används för biodieselproduktion har begränsad tillgänglighet och konkurrerande användningsområden är det viktigt att öka kunskapen om lokala resurser. Gävleborgs län har många stora skogsrelaterade industrier. Aktörerna på olika nivåer i försörjningskedjan har viktiga roller i utmaningen att minska beroendet av fossila bränslen. Det övergripande syftet med denna rapport är att undersöka nuvarande status och framtidsutsikterna för biodieselråvaror och produktionsteknologier för FAME och HVO ur ett regionalt perspektiv. Detta uppnås genom två separata tillvägagångssätt. För det första görs en litteraturöversikt där potentiella råvaror och produktionsprocesser beskrivs. Råvarorna kategoriseras i olika generationer. För det andra undersöks pågående och kommande aktiviteter relaterade till biodieselproduktionen i Gävleborgs län genom intervjuer med regionala aktörer. Intervjuerna är gjorda med representanter för företag med aktiviteter i Gävleborgs län: Setra, Billerud, Korsnäs, Iggesund, Rottneros och Colabitoil. Första generationens råvaror konkurrerar med livsmedelsproduktionen. För biodiesel är dessa råvaror olika typer av vegetabiliska oljor. De vanligast förekommande i världen är palmolja, sojabönsolja, rapsfröolja och solrosolja. Dessa råvaror kan användas till produktion av både FAME och HVO. I Sverige är jordbruksverksamheten relativt låg och i Gävleborgs län är den lägre än det Svenska genomsnittet. Den omfattande användningen av mark och konkurrensen med livsmedelsproduktionen gör att denna typ av råvaror för biodieselproduktion kan ifrågasättas. Men det kan argumenteras att vegetabiliska oljor har bra spårbarhet vilket kan leda till bättre kontroll för att säkerställa en hållbar biodieselvärdekedja. Andra generationens råvaror är icke-livsmedelsbaserade. Det finns en mängd olika typer. Vissa används redan och vissa är potentiella biodieselråvaror. De som presenteras i denna rapport är animaliska fetter, fiskoljor, spilloljor (WCO), pyrolysolja, lignin och råtallolja (CTO). Animaliska fetter och fiskoljor kan också betraktas som första generationens råmaterial eftersom de kan vara ätbara. Det finns höga hälsokrav för livsmedel och de fetter och oljor som inte uppfyller kraven kan användas för andra ändamål. Animaliska fetter och fiskoljor kan också användas som foder och produktion av olika kemikalier. Det är inte uppenbart vilken användning som är bäst, men i allmänhet verkar det som biodiesel och annan energianvändning anses vara den minst värdefulla. En viktig fråga att beakta är att tillgången på animaliska fetter och fiskoljor är beroende av efterfrågan på kött. WCO är ett råmaterial för biodiesel som för närvarande används av Colabitoil i deras pilotanläggning för HVO. Det verkar som om lönsamheten för att använda WCO är beroende av produktionskapaciteten hos WCO-producenterna och avståndet mellan dem, eftersom dessa två faktorer påverkar bränsleförbrukningen vid insamling. Det är optimalt att ha en stor WCO-producent för att minimera insamlingskostnaderna. Teoretiskt sett kan det uppstå en situation där producenterna är så små och så många att mer bränsle krävs för insamling än som uppnås i biodieselproduktionen. Pyrolysolja från biomassa är en intressant framtidskälla för biodiesel. Det är en heterogen blandning av föreningar och den innehåller mycket syre. Pyrolysolja är definitivt en råvara som behöver katalytisk vätgasbehandling för uppgradering. Den anses därför vara en råvara för HVO och inte för FAME. Denna studie klargör inte hur stor del av pyrolysoljan som kan omvandlas till dieselbränsle och hur mycket som kan omvandlas till bensin eller andra produkter. En pyrolysanläggning för produktion av pyrolysolja från sågspån kan komma att byggas vid Setras sågverk Kastet i Gävle. Pyrolysoljan kommer då att användas som råvara för diesel- och bensinbränsle i Preems raffinaderi. Lignin är en av huvudkomponenterna i trä. Vid framställning av massa genom sulfatprocessen separeras lignin från massan som en komponent i svartluten. Lignin bränns sedan i första hand för energianvändning i samband med återvinningen av kokningskemikalierna. De tre massafabrikerna i Gävleborgs län använder alla sulfatprocessen. Vid massabruket som ägs av Rottneros i Vallvik kan en anläggning för utvinning av lignin och en anläggning för omvandling till ligninolja komma att byggas. Denna massafabrik har ett överskott av energi och därmed en potential att extrahera en del av ligninet. Ligninet kommer att processas tillsammans med en biobaserad bärar-olja till ligninoljan. Denna ligninolja kommer då att användas vid produktion av bensin och dieselbränsle i Preems raffinaderi. Det framgår inte i denna studie vad källan till den biobaserade bäroljan kommer att vara. Dessutom avslöjas inte ligninoljans sammansättning och därför kan det inte fastställas hur stor del som kan användas för biodieselproduktion. Ligninolja är mycket intressant som råmaterial på grund av den stora mängd lignin som finns i skogen. Intervjuerna med de två andra massafabrikerna (dvs Iggesund och BillerudKorsnäs) visade emellertid att tillgängligheten är begränsad av andra faktorer. Dessa två massafabriker är integrerade med produktion av pappersprodukter och har därför inget överskott av energi. Om lignin extraheras måste energin ersättas med andra energikällor. En eventuell extraktion av lignin är förknippad med ombyggnad av olika delar av fabriken och därmed med stora investeringskostnader. CTO är en biprodukt från massafabriker som använder sulfatprocessen. Den är av begränsad tillgänglighet och består huvudsakligen av fettsyror och hartssyror. Fettsyrorna kan omvandlas till biodiesel. Ett sätt att utnyttja komponenterna i CTO är att fraktionera den till olika produktflöden genom destillation. Dessa produktflöden innefattar en ström med fettsyror, en ström med hartssyror och en ström som kallas beckolja, som kan ses som en restprodukt. Det finns två raffinaderier till vilka de tre massafabrikerna i Gävleborgs län levererar sin CTO: Sunpine i Piteå och Kraton i Sandarne. Sunpine producerar talloljediesel och andra produkter från CTO. Talloljediesel används för HVO-produktion av Preem. Kraton producerar olika kemikalier från CTO. För alla tre massabruken är det viktigt att få tillbaka beckolja från Sunpine och Kraton. En potentiell källa till lipider för biodieselproduktion nämns i intervjun med Colabitoil. Detta är omvandling av biomassa till lipider av mikrober. Ett särskilt lämpligt råmaterial för mikroberna skulle vara en typ av restprodukt från massa- och pappersindustrin som kallas fiberslam eller nollfiber. Intrycket är att detta fortfarande är i en forskningsfas, men det kommer att vara intressant att följa utvecklingen eftersom det finns lovande möjligheter om detta kan nå kommersiell skala. Tredje generationens råvaror för biodiesel är oljor erhållna från mikroalger. Mikroalger är potentiellt överlägsna de övriga råvarorna. Biodiesel från mikroalger är inte kommersiellt tillgänglig så framtiden avgör dess öde. På grund av det kalla klimatet i Gävleborgs län är det tveksamt om detta är ett bra ställe för storskalig odling av mikroalger. Den optimala råvaran för FAME är triglycerider. Därför är första generationens råvaror önskade. Katalytisk vätgasbehandling kan hantera mer komplexa råvaror och råvarubasen kan därmed ökas till andra generationens råvaror. Det finns ingen producent av FAME i Gävleborgs län, men det finns ett företag (Colabitoil) som distribuerar HVO producerat av Neste. Colabitoil har även en pilotanläggning för HVO-produktion och kan i framtiden komma att bygga en storskalig produkt-ionsanläggning. Verksamheten i Norrsundet, som Colabitoil ingår i, har potential att ge synergieffekter om olika företag etablerar sig där. Det kan då ge förutsättning för kunskapsdelning och utnyttjande av olika biprodukter mellan företagen. Det finns två aspekter kring rapportens begränsningar som bör nämnas. För det första beaktas inte miljöpåverkan från de olika råmaterialen och produktionsteknologierna. Detta är en viktig fråga eftersom biobränslenas huvudsakliga syfte är att minska miljöpåverkan jämfört med fossila bränslen. För det andra kan det inte uteslutas att intervjuerna kan vara avsiktligt eller oavsiktligt partiska, även om det inte finns anledning att misstänka detta. Dessutom är det väldigt svårt att bedöma säkerheten i uttalanden från olika personer eftersom de har olika bakgrund och olika förväntningar på framtiden. Bortsett från detta, uppnåddes i stor utsträckning målsättningen med rapporten att bedöma framtidsutsikterna för biodiesel genom belysning av utmaningar, osäkerhetsfaktorer och framgångsfaktorer relaterade till de projekt som de olika aktörerna beskrev i intervjuerna. Utmaningarna är tekniska och finansiella. Osäkerheten är relaterad till politisk stabilitet, men också till miljötillstånd och framtida råvarutillgång. Framgångsfaktorerna är den höga efterfrågan på drivmedel och samarbete mellan olika företag. ; Forskningsfinansiärer: Europeiska regionala utvecklingsfonden (ERUF), Region Gävleborg, Högskolan i Gävle