Biomassa

Wat is biomassa?

Biomassa is de verzamelnaam voor organisch afvalmateriaal zoals snoeihout, GFT en mest.
Onder invloed van zonlicht wordt CO2 uit de atmosfeer vastgelegd in plantaardig materiaal (fotosynthese). De CO2 wordt in de vorm van allerlei koolstofverbindingen vastgelegd (C). Bij dit proces komt zuurstof vrij (O2). Het plantaardig materiaal kan direct als energiebron dienen. Snelgroeiende gewassen zoals de populier, de wilg en olifantsgras kunnen speciaal voor dit doel worden geteeld (energieteelt).

Figuur 12: kringloop

Via de voedselketen kan het plantaardig materiaal ook omgezet worden in dierlijk organisch materiaal. Mest van koeien, varkens of kippen is daarom ook te zien als een vorm van bio-energie. Ook als water gekookt wordt boven een kampvuur, wordt er gebruik gemaakt van een vorm van bio-energie.

Duurzame energie
Bio-energie wordt gerekend tot een van de vormen van duurzame energie. Onder het begrip "duurzaam" wordt niet door iedereen hetzelfde verstaan. Over het algemeen wordt bio-energie als "duurzaam" beschouwd als aan een aantal voorwaarden is voldaan:
Bij de opwekking van bio-energie mag in de gehele energie voorzieningsketen geen sprake zijn van schadelijke milieueffecten;
Er mag geen sprake zijn van uitputting van natuurlijke grondstoffen: de hoeveelheid plantaardig materiaal dient op peil te blijven door voldoende aanplant en onderhoud van bossen;
De benutting van natuurlijke grondstoffen dient zo optimaal mogelijk te zijn: natuurlijke grondstoffen dienen zo hoogwaardig mogelijk te worden ingezet en de omzetting van biomassa in bruikbare energie dient met een zo hoog mogelijk rendement te gebeuren.

Hernieuwbare energie
Bio-energie is in alle gevallen te beschouwen als een vorm van hernieuwbare energie. Bio-energie is net als zonne-energie, windenergie en waterkracht afkomstig van een hernieuwbare, zeg maar onuitputtelijke bron. Planten en bomen halen bij hun groei CO2 uit de lucht en bij de omzetting van biomassa in elektriciteit en warmte komt deze CO2 weer vrij. Door de benutting van plantaardig materiaal wordt dus geen (extra) CO2 aan de atmosfeer toegevoegd. De opwekking van bio-energie is een continu cyclisch proces van vastlegging en vrijmaking van CO2, die past in de natuurlijke kringloop. Het verschil met het natuurlijke kringloopproces is dat we de vastgelegde CO2 in bruikbare energie omzetten, terwijl dat in de natuur volgens een proces van vertering en verrotting verloopt.

Wat zit er in biomassa?

Er zijn er twee hoofdstromen van biomassa:

Specifiek voor energiedoelen geteelde of geoogste biomassa (energieteelt) en organische reststromen. Voorbeelden van de organische reststromen zijn:

Snoeiafval (uit plantsoenen en bossen);
Dunningshout uit bossen;
Rest- en afvalhout uit industrie (bijv. houtzagerij);
Groente-, fruit- en tuinafval (GFT);
Agrarisch restmateriaal (stro en mest);
Oud papier;
Cacaodoppen.

Afval
Sommige reststromen vallen in de categorie afval. Als er niets anders meer met het afval gedaan kan worden dan storten, kan het beter gebruikt worden voor energieopwekking. Uit het brandbare deel van het afval, dat in belangrijke mate uit biomassa bestaat, kan via diverse conversietechnieken energie worden gewonnen. Voorbeelden van deze reststromen met een mix aan organische en anorganische materialen zijn:

Slib uit rioolwaterzuiveringsslib;
Baggerspecie;
Verpakkingsmateriaal;
Huishoudelijk afval;
Sloopafval.

Omzetting in energie

Biomassa en afval kunnen op veel verschillende manieren worden omgezet in bruikbare energievormen zoals elektriciteit, warmte en gasvormige of vloeibare brandstoffen (biofuels). Voor het zo efficiënt mogelijk omzetten van biomassa en afval in energie wordt meestal gebruik gemaakt van een warmtekrachtkoppeling.

Figuur 13: vergelijking gescheiden opwekking en warmtekrachtkoppeling


	Verbranding Uit de warmte die vrijkomt bij de verbranding van biomassa en afval kan met behulp van een stoomturbine elektriciteit worden opgewekt. De restwarmte kan voor verwarmingsdoeleinden worden gebruikt. Het bijstoken van hout in kolencentrales en afvalverbrandinginstallaties (AVI’s) wordt reeds toegepast.
Figuur 14: Epon Weurt (Nijmegen). Meestoken van afvalhout in elektrische centrale. Overzicht afvalhoutverwerking en centrale.

	Vergassing Vaste biomassa wordt door verhitting zonder zuurstof omgezet in een gasvormige brandstof. Door verbranding kan de gasvormige brandstof worden omgezet in elektriciteit en warmte.
Figuur 15: Maquette demo 12 mwe vergasser bij 55 mwe verbrander Vermont USA

	Vergisting "Natte" biomassa en afval zoals mest en GFT kunnen door bacteriën in een zuurstofloze omgeving (anaëroob) en bij lage temperaturen worden omgezet in biogas. Ook op stortplaatsen ontstaat biogas, het zogenaamde stortgas. In Nederland wordt dit op tal van plaatsen opgevangen en gebruikt. Na zuivering heeft het stortgas praktisch dezelfde kwaliteit als aardgas.
Figuur 16: vergistingstanks SMB Tilburg

Omzetting in vloeibare brandstoffen
Omzetting van plantaardig materiaal in vloeibare brandstoffen kan plaatsvinden:

Met behulp van bacteriën: suikerbieten of suikerriet kunnen op deze manier worden omgezet in bio-ethanol;
Door extractie: uit koolzaad wordt biodiesel geperst;
Door pyrolyse: hierbij wordt in een zuurstofvrije omgeving door verhitting het plantaardig materiaal omgezet in gasvormige en vloeibare biobrandstoffen .

Door de relatief hoge energie-inhoud worden de meeste biofuels toegepast in de transportsector (auto’s, bussen, tractoren).

Het belang van biomassa in Nederland en over de wereld

Bio-energie wordt voor Nederland beschouwd als een belangrijke bron van duurzame energie voor de komende 50 jaar. Bio-energie is van belang om verschillende redenen. De belangrijkste redenen zijn:

De fossiele brandstoffen opraken en bio-energie, bij een toenemend energiegebruik, kan bijdragen aan het reduceren van dit probleem. Verwacht wordt dat het energieverbruik in de wereld in 2020 met minimaal 50% en wellicht zelfs met 100% zal zijn toegenomen ten opzichte van 1990. De afgelopen dertig jaar is het energieverbruik ook al bijna verdubbeld. Hierdoor dreigen de voorraden olie en gas binnen enkele decennia te zijn uitgeput. De voorraad kolen is nog voor ongeveer 200 jaar voldoende.
Het een bijdrage levert aan de reductie van de CO2-uitstoot en daarmee aan het verminderen van het broeikaseffect. Behalve dat kolen, gas en olie opraken, is de verbranding van fossiele brandstoffen de belangrijkste oorzaak van de verhoging van het CO2-gehalte in de atmosfeer (80% is hieraan toe te schrijven). Deze verhoging van het CO2-gehalte draagt wereldwijd voor meer dan de helft bij aan het zogenaamde broeikaseffect (opwarming van de aarde). De hierdoor mogelijk optredende veranderingen in het klimaat kunnen grote gevolgen hebben. Naast koolstofdioxide is er nog een aantal andere zogenaamde broeikasgassen, namelijk methaan (CH4), lachgas (N2O), ozon (O3) en de zogenaamde Cfk’s (koolwaterfluorstoffen). Het beleid van de overheid richt zich echter vooral op het terugdringen van CO2, omdat dit gas de belangrijkste bijdrage levert aan het broeikaseffect.
Reststoffen die toch al aanwezig zijn, kunnen nuttig worden toegepast;
Bio-energie is vanuit kostenoogpunt (al op korte termijn) aantrekkelijk ten opzichte van andere vormen van duurzame energie;
Bio-energie is relatief makkelijk in te passen in de bestaande energievoorziening, omdat biomassa als vaste of vloeibare brandstof kan worden opgeslagen en omdat deels gebruik gemaakt kan worden van bestaande installaties en technologie die voor fossiele bronnen is ontwikkeld.
Het opwekken van bio-energie draagt bij aan de Nederlandse economie. Projecten leveren een belangrijke economische toegevoegde waarde en dragen bij aan de werkgelegenheid o.a. in de land- en bosbouwsector. Bovendien kan Nederland op bepaalde technologische gebieden een voortrekkersrol vervullen, dat kan leiden tot een voorsprong voor het Nederlandse bedrijfsleven.
De grote afhankelijkheid van fossiele brandstoffen uit andere delen van de wereld maakt het aantrekkelijk zo veel mogelijk alternatieve energiebronnen te benutten. Door de inzet van plaatselijk beschikbare biomassa brandstoffen wordt de importafhankelijkheid van de energievoorziening enigszins verminderd.

Nu komt het merendeel van de energie nog uit fossiele brandstoffen. In Nederland is 93% van de elektriciteit die wordt gebruikt, afkomstig uit kolen-, aardolie- en aardgasgestookte centrales. Slechts maximaal 3% is afkomstig uit duurzame bronnen en 4% komt uit kernenergie.

Energieopbrengst
De opbrengst van bio-energie is in grote mate afhankelijk van de "natuurlijke grondstof" en van het omzettingsproces. In een kilogram hout zit behoorlijk wat energie. Bijstook in een centrale levert hoogwaardige elektriciteit. In een gewone open haard levert het energetisch gezien niets op. In de onderstaande tabel staat een aantal nu gangbare toepassingen de energieopbrengst weergegeven.

PRIVATE Hout (droog)	18000 (MJ/ton)	Bijstook centrale	1650 kWhe/ton
	18000 (MJ/ton)	Houtverwerkende industrie	1000 kWhe/ton 114 m3 a.e./ton
		Open haard	Negatief
Afval	10000 (MJ/ton)	Verbranding	460 kWhe/ton 85 m3 a.e./ton
Groente-, Fruit- en Tuinafval (nat)	3375 (MJ/ton)	Vergisting	150 kWhe/ton
Stortgas	19000 (kJ/m3)	Vergisting	1,5 kWhe/m3 0,5 m3 a.e./m3
Koolzaad (droog)	27600 (MJ/ton)	Extractie	675 liter biodiesel/ton

Figuur 17: toepassingen energieopbrengst

De energie die opgewekt is uit biomassa en afval leverde in 1999 elektriciteit (1.408 GWh) voor ruim 408.000 huishoudens, warmte voor ca. 226.100 huishoudens (13,5 PJ) en gas voor ca. 27.500 huishoudens (vergelijkbaar met 55 milj. m3 aardgas). In de onderstaande taartdiagram wordt de herkomst van bio-energie over 1999 gegeven.

Figuur 18: herkomst bio-energie

Doelstelling
In het jaar 2020 moet 120 PJ worden opgewekt met duurzame bio-energie. Dat komt overeen met het gasverbruik van ca. 1,4 miljoen huishoudens. Met bio-energie moet in 2020 42% van de totale doelstelling voor duurzame energie worden ingevuld.

Bio-energie optiesPRIVATE	2000	2007	2020
Afvalverbrandingsinstallaties	30 PJ	40 PJ	45 PJ
Houtverbrandin huishoudens *	8 PJ	8 PJ	8 PJ
Industrie	5 PJ	5 PJ	5 PJ
Bijstook kolencentrales	3 PJ	18 PJ	20 PJ
Verbranding / vergassing	2 PJ	6 PJ	30 PJ
Stortgas / vergisting	6 PJ	8 PJ	8 PJ
Overig	-	-	4 PJ
Totaal	54 PJ	85 PJ	120 PJ

Figuur 19: doelstelling

*Opgewekt met behulp van efficiënte en milieuvriendelijke houtkachels en tegelkachels.

In de bovenstaande tabel zijn de streefwaarden voor de diverse bio-energieopties nader uitgesplitst. De verschillende onderdelen zijn uitgedrukt in vermeden fossiele brandstof (PJ). Uit de tabel blijkt eerst dat afvalverbrandingsinstallaties voor elektriciteitsopwekking centraal staan. Vervolgens verschuift het accent naar bijstook van biomassa (afvalhout en slib) in kolencentrales. In de laatste tien jaar tot 2020 komt meer de nadruk te liggen op toepassingen van geavanceerde technieken, zoals vergassing.

Kosten
Het bijstoken van hout in kolencentrales en de winning van stortgas voor elektriciteitsopwekking zijn al zonder financiële stimuleringsregelingen rendabel (resp. 2,2 en 3,2 €cent per kWh). Ook het omwerken van stortgas naar aardgas en het opwekken van bio-energie uit afval in afvalverbrandingsinstallaties zijn rendabel. Op lange termijn kunnen ook de meeste andere bio-energieopties kosteneffectief worden.

Voor en nadelen van biomassa

Voordelen

Bij de verbranding van fossiele brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van het klimaat kan leiden. Door gebruik te maken van bio-energie komt er geen extra CO2 vrij. Weliswaar komt er bij het omzettingsproces CO2 vrij, echter die is kort daarvoor vastgelegd door de fotosynthese. Door evenveel biomassa aan te planten als er wordt verbruikt, wordt een toename van CO2 voorkomen.
Daarnaast zullen de fossiele brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Door nieuwe aanplant is bio-energie een onuitputtelijke energiebron. Bio-energie levert zo ook geen bijdrage aan het broeikaseffect.
De toepassing van bio-energie maakt nuttig gebruik van afvalstoffen die aan het eind van hun gebruikscyclus zijn gekomen. Ook wordt voorkomen dat er een ongecontroleerde emissie van het sterkere broeikasgas methaan uit stortplaatsen plaatsvindt doordat het afval verbrand wordt in plaats van gestort.
Bio-energie kan op wereldniveau een grote bijdrage leveren aan de energievoorziening.
Bio-energie is relatief makkelijk in te passen in de bestaande energievoorziening, omdat biomassa als vaste of vloeibare brandstof kan worden opgeslagen en omdat deels gebruik gemaakt kan worden van bestaande installaties en technologie die voor fossiele bronnen is ontwikkeld.

Nadelen

Het ontwikkelen van areaal voor energieteelten en het beheer van bossen ten behoeve van bio-energie heeft positieve effecten op de werkgelegenheid in land- en bosbouw. Daarentegen kan de beschikbaarheid van biomassa een probleem vormen voor bio-energie, omdat Nederland te weinig biomassa bezit om de doelstellingen te halen. Teelt en import van biomassa kunnen deze tekorten compenseren.
Alhoewel het gebruik van bio-energie geen netto bijdrage levert aan het broeikaseffect, komen er bij de omzetting van biomassa en afval in energie ook (rook)gassen vrij die schadelijk zijn voor het milieu. Om deze schadelijke effecten te beperken, worden aan de uitstoot van stookinstallaties beperkingen opgelegd. Afhankelijk van soort biomassa, afval en de omzettingstechnologie is o.a. de volgende regelgeving relevant:
- Besluit emissie-eisen stookinstallaties milieubeheer (Bees-A, 1992);
- Besluit Luchtemissies Afvalverbranding (BLA, 1993);
- Nederlandse Emissierichtlijn (NER, 1992)
Door de verschillende regelgevingen ontstaan onduidelijkheden op het gebied van de emissie-eisen. De overheid is momenteel bezig deze regelgevingen te stroomlijnen.

---------------------------------------------------------------------------

Onderzoekers van het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) hebben in een Proof Of Principle test (POP) aangetoond dat brandstofcellen van het type Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) in principe goed werken op gas, dat afkomstig is uit vergassing van biomassa.

Het gebruik van afval en biomassa voor de opwekking van energie levert een bijdrage aan het terugdringen van de CO2-uitstoot. ECN beschikt over expertise, zowel op het gebied van biomassavergassing als ook op het gebied van brandstofcellen. Dit leverde de mogelijkheid op om deze verschillende energiesystemen aan elkaar te koppelen. In het kader van een door NOVEM gesubsidieerd project (programma EnergieWinning uit Afval en Biomassa) heeft ECN de POP uitgevoerd met een van haar vergassingsinstallaties, waarin wilgenhout en een reject materiaal uit de papierindustrie is vergast. Het ontstane stookgas, bestaande uit koolmonoxide en waterstof, is na uitgebreide gasreiniging naar een SOFC-stack geleid om stroom mee op te wekken.

Schematische weergave van de werking van SOFC-cel op biomassagas

Uit de POP test blijkt dat de SOFC, gekoppeld met biomassavergassing, een elektrisch rendement van 41 procent haalt. Dit is veelbelovend voor decentrale systemen. Volgens systeemberekeningen is een rendement van 50 procent mogelijk. Dit ligt flink boven de huidige rendementen van 30 tot 40 procent voor gasmotoren in vergelijkbare biomassasystemen. Het praktijkresultaat kan verder richting theoretisch maximum worden verbeterd door de opgetreden neveneffecten zoals roetvorming te voorkomen, systeemvereenvoudiging en door de voortgaande ontwikkeling van brandstofcellen, zo verwachten de onderzoekers.

verwante link: http://www.ddep.nl