Exploring the Potential of Biomass Resources Available in Western Norway

Abstract

Fornybare energikilder som vind, sol, vannkraft og geotermisk energi kan bidra til å erstatte fossile ressurser for å dekke et energibehov, men de kan ikke erstatte vanlig brukte fossilbaserte kjemiske produkter og byggeklosser. Plast, fargestoffer, medisiner og plattformkjemikalier i farmasøytisk og kjemisk industri blir i dag produsert fra fossile kilder. Følgelig blir overgangen til nye og alternative tilnærminger nødvendig for å supplere energiteknologi og industriell produksjon. Fra et sirkulærøkonomisk perspektiv viser biomasse stort potensiale som erstatning for petroleum-baserte produkter, da det er den primære kilden til naturlige, fornybare organiske karbonforbindelser.

Det overordnede målet med dette prosjektet er å evaluere hvordan biomasse i Nordhordaland UNESCO biosfæreområde kan utnyttes i et bioraffinerikonsept for konvertering til høyverdiprodukter og biodrivstoff. Dette innebærer å vurdere de tilgjengelige biomassene i dette området og kartlegge kvalitet og kjemisk sammensetning. Ved å bruke Lignin-to-Liquid-metoden som inkluderer hydrotermisk omdanning med maursyre som hydrogendonor, blir disse biomassene konvertert til bio-olje. Bio-olje er en substans som kan raffineres videre til biodrivstoff og spesialkjemikalier. Prosjektets mål utvides deretter til å etablere best mulige forhold for konvertering av biomasse til gunstige produkter, finne korrelasjoner mellom biomassekvalitetene og egenskapene til bio-oljen, og til slutt utforske de mest lovende mulighetene gitt ressursene i på Vestlandet.

Gitt den heterogene naturen til biomasse, oppstår variasjoner i kjemisk sammensetning på grunn av faktorer som art, geografisk beliggenhet og avlingssesong. Denne mangfoldigheten påvirker konverteringsprosessen og sammensetningen av de resulterende produktene. For eksempel, hvis biomassen er rik på lignin, vil bio-oljen som produseres inneholde en høyere andel fenolforbindelser. Derfor er en grundig forståelse av biomassesammensetningen avgjørende for å tilpasse konverteringsprosesser og optimalisere kvalitet og egenskaper til de produserte biodrivstoffene.

For å forbedre denne karakteriseringsprosessen utviklet vi en kalibreringsmetode som bruker både infrarød (IR) og nær-infrarød (NIR) spektroskopi for å predikere lignininnholdet i biomasse. I tillegg utviklet vi robuste prediktive modeller for sukkerkonsentrasjoner i vannprøver fra behandling av biomasse, ved hjelp av 1H-NMR-spektroskopi. Disse modellene tillater preliminær, sanntids overvåking av råstoff i et bioraffinerikonsept, noe som deretter åpner for muligheten til å tilpasse prosessbetingelsene for optimal konvertering av spesifikke batcher til verdifulle kjemikalier og biodrivstoff.

Når det gjelder konvertering av biomasse til bio-olje, utforsket vi utbyttet, kjemisk sammensetning og energiinnholdet i bio-oljene oppnådd gjennom LtL-metoden. Vårt første fokus var effektene av tømmerkvalitet. Resultatene antyder at påvirkningen av tømmerkvalitet på utbyttet er ubetydelig. LtL-metoden viser en enestående konverteringsrate og produserer en bio-olje med høyt energiinnhold uavhengig av kvaliteten på råstoffet. Å utnytte lavkvalitets tømmer som råstoff for hydrotermisk omdanning gir en fordel med tanke på den betydelige prisforskjellen i markedet. I 2022 ble markedsprisen for høykvalitets trelast rapportert å være 2.7 ganger høyere enn den for lavkvalitets tømmer.

I jakten på tilgjengelig råstoff utforskes co-HTL ved bruk av behandlet kloakkslam og lavkvalitets tømmer som råstoff. Denne forskningen fremmer co-HTL-feltet ved å vise effekten av å konvertere disse råstoffene til bio-olje med et imponerende utbytte som befinner seg i den øvre regionen av rapporterte verdier i den tilgjengelige litteraturen. I tillegg gir dette arbeidet ikke bare en verdifull metode for optimalisering av co-HTL-betingelser, men understreker også de synergistiske effektene av sambehandling av behandlet kloakkslam og lavkvalitets tømmer, og produserer bio-olje med høyt utbytte og energiinnhold.

While renewable energy sources like wind, solar, hydropower, and geothermal power can contribute to replacing fossil resources for energy and power, they fall short in replacing commonly used fossil-based chemical products and building blocks. Plastics, dyes, resins, and critical components in the pharmaceutical and chemical industry are deeply rooted in fossil fuels and resources. Consequently, transitioning to new and alternative approaches becomes imperative to supplement existing energy technology and industrial production and address the sustainability challenges posed by finite resources on our planet. From a circular economy perspective, biomass shows excellent potential for replacing petroleum-based products as it is the primary source of natural, renewable organic carbon compounds.

The overarching objective of this project is to evaluate how residual biomass in the Nordhordaland UNESCO biosphere region can be utilized within a biorefinery concept for the conversion to high-value products and biofuels. This involves assessing the available biomasses in this area and mapping the quality and chemical composition. These biomasses are converted into bio-crudes by utilizing the Lignin-to-Liquid method, which includes formic acid-assisted HTL. Bio-crude is an oil-like substance that can be further refined into biofuels and specialty chemicals. The objective of the project is then extended to establishing optimal conditions for converting residual biomass into beneficial products, finding correlations between the qualities of the biomasses and the properties of the bio-crudes, and ultimately exploring the most promising opportunities given the resources of Western Norway.

Given the heterogeneous nature of biomass, variations in chemical compositions arise due to factors such as species, geographical location, harvest season, and botanical fractions. This diversity directly impacts the ensuing conversion process, influencing the composition of the resulting products. For instance, if the biomass is rich in lignin, the bio-crude produced will contain a higher proportion of phenolic compounds. Therefore, a comprehensive understanding of the biomass composition is imperative for tailoring conversion processes and optimizing the quality and characteristics of the biofuels produced. To enhance this characterization process, we have developed a rapid calibration method employing both infrared (IR) and near-infrared (NIR) spectroscopy to predict the lignin content in biomass. Additionally, we have developed robust predictive models for sugar concentrations in aqueous samples derived from the treatment of biomass using 1H-NMR spectroscopy. These models allow for preliminary, real-time feedstock screening in a biorefining concept, which subsequently unlocks the potential to tailor processing conditions for optimal conversion of specific batches into valuable chemicals and biofuels.

Concerning biomass conversion into bio-crudes, we have explored the bio-crude yield, chemical composition, and energy content of bio-crudes obtained through formic acid-assisted HTL. Our first focus was the effects of lumber quality. The results suggest that the influence of lumber quality on bio-crude yield is found to be insignificant. Formic acid-assisted HTL demonstrates an exceptional conversion rate and produces a bio-crude with a high energy content regardless of the quality of the feedstock. Utilizing low-quality wood as a feedstock for HTL offers an advantage, considering the significant price disparity in the market. In 2022, the market price for high-quality lumber was reported to be 2.7 times higher than that of low-quality lumber.

In the pursuit of feedstock availability, co-HTL is explored using digested sewage sludge and lignocellulose as feedstocks. This research advances the field of co-HTL by demonstrating its viability in converting these feedstocks into bio-crude with an impressive yield that stands in the upper region of reported values in the available literature. In addition, this work not only contributes a valuable method for optimizing co-HTL conditions and underscores the synergistic effects of co-processing DSS and LC, offering both high yield and consistent energy content.