Mikroleväpohjaisten biopolttoainekonseptien teknillis-taloudellinen analyysi ja kasvihuonekaasupäästöt Suomen olosuhteissa

Microscopic organisms, algae, have gained an increasing interest during the last decades as a raw material for biofuels due their high growth rate, lipid concentration and low growth area requirement. Algae cultivated in open or closed systems are also remarkably versatile as algal biomass can be converted to, among others, biodiesel, bioethanol, bio-methanol and bio hydrogen. Currently major challenges in algal biofuel production are high energy and investment costs of proposed production concepts. In the thesis, the objective was to study techno-economics and greenhouse gas emissions (GHG) of different microalgae based biofuel concepts in Finnish conditions. Study was performed as a case study, which included four base cases: two photoautotrophic microalgae cases based on flue gas or pure CO2 as the carbon source and two heterotrophic microalgae cases based on sugars as the carbon source. Possible integration with wastewater treatment or energy production is considered in subcases of all the base cases. The general biofuel production concept considered in this study includes algae cultivation and harvesting, lipid separation from biomass, anaerobic digestion of residual biomass and either biogas upgrading or burning of biogas in boiler. In addition, sugars production from via hydrolysis of pre-treated wheat straw was a process step in heterotrophic cases. In the experimental part, the different cases were modelled using steady-state process simulation software and the economic and GHG emission evaluations are based on the results of simulation. The GHG emissions were evaluated with life cycle assessment (LCA) software by using literature and LCA databases. Selected system boundary was from cradle to gate, excluding the end use of the products. Sensitivity analysis was performed to study the impacts of uncertainties in process parameters and prices on the performance of the concept. The results of this study indicate that the biofuel production from microalgae is unprofitable with used assumptions. Other studies in the field have also shown similar performance. The most significant factors affecting profitability were high investment costs and high electricity consumption of the process. Cases which used wastewater did not reduce costs remarkably and the use of pure CO, instead of flue gas as a source of carbon increased costs and GHG emissions as expected. It was also noticed that the process is not able to provide enough biogas for energy production to satisfy the energy needs of the cultivation process. The highest GHG emissions originated from the energy production for the cultivation and the second highest emissions from the fertilizer production in photoautotrophic algae cases. In heterotrophic algae cases, hydrolysis was the biggest source of GHG emissions. In general, the GHG emissions were much higher than any estimated emissions for fossil fuels. There are several uncertainties in the process, which can have a large impact on its profitability. However, it would require considerable improvements to achieve profitable production of biofuels from algae. In addition, the GHG emission analysis indicated that the energy consumption of the process should be decreased to achieve lower GHG emissions. Based on the findings of this study, the process needs more development to produce profitable and low-emission algal biofuels.Mikroskooppinen organismi, levä, on herättänyt viime vuosikymmeninä kiinnostusta potentiaalisena biopolttoaineen raaka-aineena kasvunopeutensa, öljypitoisuutensa ja pienen kasvupinta-alavaatimuksensa vuoksi. Avoaltaissa tai suljetuissa reaktoreissa viljelty levä on monikäyttöinen, sillä leväbiomassasta voidaan valmistaa muun muassa biodieseliä, bioetanolia ja biovetyä. Tällä hetkellä suurimmat haasteet levän käytössä biopolttoaineiden raaka-aineena ovat korkeat energia- ja investointikustannukset. Diplomityön tavoitteena oli tutkia erilaisia mikroleväpohjaisia biopolttoainekonsepteja Suomen olosuhteissa teknistaloudellisesta näkökulmasta sekä arvioida konseptien kasvihuonekaasupäästöjä. Työ toteutettiin case-tutkimuksena, joka sisälsi neljä perusskenaariota: kaksi skenaariota perustui photoautotrofiseen levään, joka käyttää hiilen lähteenä savukaasua tai puhdasta ostohiilidioksidia. Toiset kaksi skenaariota perustuivat heterotrofiseen levään, joka käyttää hiilen lähteenä glukoosia, Kaikissa perusskenaarioissa tarkasteltiin mahdollista integraatiota jätevedenpuhdistamon ja energian tuotannon kanssa. Peruskonsepti sisälsi levän kasvatuksen ja harvestoinnin, lipidien erotuksen biomassasta, jäännösbiomassan mädätyksen biokaasuksi ja joko biokaasun puhdistuksen tai polton kattilassa. Lisäksi heterotrofisiin skenaarioihin kuului glukoosin valmistus hydrolyysillä esikäsitellystä vehnän oljesta. Kokeellisessa osassa eri skenaariot mallinnettiin prosessisimulointi-ohjelmalla, jonka antamiin tuloksiin taloudellinen ja kasvihuonekaasupäästöanalyysi perustuvat. Kasvihuonekaasupäästöt mallinnettiin elinkaarilaskentaohjelmalla käyttäen lähteinä kirjallisuutta ja elinkaariarviointitietokantoja. Systeemi rajattiin koskemaan tuotteiden elinkaarta kehdosta portille pois lukien tuotteiden loppukäytön. Analyysin tulosten epävarmuutta tutkittiin herkkyysanalyysilla. Työn tulokset osoittivat, että mikroleväpohjaisten biopolttoaineiden tuotanto ei ole kannattavaa tehdyillä oletuksilla, kuten myös muut vastaavat julkaistut tutkimukset ovat esittäneet. Kannattavuuteen eniten vaikuttavia tekijöitä olivat korkeat investointikustannukset ja prosessin korkea energian kulutus. Skenaariot, jotka käyttivät jätevettä raaka-aineena, eivät olleet merkittävästi parempia ja puhtaan ostohiilidioksidin käyttö hiilien lähteenä savukaasun sijaan kasvatti kustannuksia ja kasvihuonekaasupäästöjä odotetusti. Huomioitavaa on myös, että prosessin tuottama biokaasu ei riitä tuottamaan tarpeeksi energiaa tuotantoprosessin tarpeisiin. Suurimmat kasvihuonekaasupäästöt photoautotrofisissa skenaarioissa aiheutuivat energian tuotannosta prosessin tarpeisiin ja toiseksi suurimmat aiheutuivat ravinteiden tuotannosta. Heterotrofisissa skenaarioissa, hydrolyysi oli suurin kasvihuonekaasupäästölähde. Yleisesti kasvihuonekaasupäästötaso mallinnetuissa konsepteissa oli huomattavasti korkeampi kuin fossiilisilla polttoaineilla. Prosessi käsittää kuitenkin useita epävarmuustekijöitä, joilla voi olla suuri merkitys kannattavuuteen. Kuitenkin huomattavat muutokset ovat tarpeen, jotta biopolttoaineita voitaisiin tuottaa kannattavasti mikrolevistä. Kasvihuonekaasupäästöarviointi osoitti, että prosessin energian kulutuksen pitäisi pudota kasvihuonekaasupäästöjen alentamiseksi. Työn tulosten perusteella prosessia tarvitsee kehittää, jotta leväpohjaisia ja vähäpäästöisiä biopolttoaineita voitaisiin tuottaa kannattavasti