Norsk senter for bioenergiforskning. Årsrapport

Transkript

1 Norsk senter for bioenergiforskning 2011 Årsrapport

2 Norsk senter for bioenergiforskning OM NORSK SENTER FOR BIOENERGIFORSKNING Norsk senter for bioenergiforskning er et forpliktende samarbeid mellom forskningsinstituttene Bioforsk og Norsk institutt for skog og landskap og Universitetet for miljø- og biovitenskap. Senterets mål er å styrke samarbeidet mellom eiernes forskere og dermed øke forskergruppenes kritiske masse, forskningskvalitet og produksjon. Vi skal framstå som en koordinert og ledende aktør innen bioenergiforskningen i Norge i tett samarbeid med norsk bioenergiindustri. Senterets satsingsområder er: Biovarme Biodrivstoff Biogass Bærekraft Størrelse Vi er om lag 50 forskere og doktorgradsstudenter som arbeider med satsingsområdene. Omtrent halvparten brukte mesteparten av sin tid på bioenergi forskning. Prosjektporteføljen har et årlig budsjett på omtrent 60 millioner kr. Organisering Norsk senter for bioenergiforskning er et virtuelt senter på Campus Ås. Forskerne er ansatt hos sentereierne og har sin arbeidsplass der. Senteret har et styre bestående av en representant for ledelsen ved hver av de tre eierne. Et sekretariat bestående av senterdirektør og forskningskoordinator står for den daglige driften. CenBio Bioenergy Innovation Centre (CenBio) er et av Norges 11 Forskningssentre for Miljøvennlig Energi (FME) finansiert hovedsakelig av Norges forskningsråd. CenBio er organisert som et prosjekt der UMB er prosjekteier og SINTEF energi er prosjektleder. Senterdirektøren i Norsk senter for bioenergiforskning er nestleder. CenBio er det største prosjektet vi har i Norsk senter for bioenergiforskning. OM FME-CENBIO BIOENERGY INNOVATION CENTRE Prosjektansvarlig: Universitetet for miljø- og biovitenskap (UMB) Prosjektledelse: SINTEF energi AS Tid: start 2009, varighet 5+3 år Forskningspartnere: NTNU, SINTEF, Skog og landskap, Bioforsk og Vattenfall R&D Industripartnere: Akershus Energi AS, Norges skogeierforbund, Agder energi AS, Hafslund ASA, NTE Holding AS, Statkraft Varme AS, Norske skog ASA, Vattenfall AB Nordic Heat, Norsk Protein AS, Avfall Norge, Norges bondelag, Oslo kommune Energigjenvinningsetaten, Cambi AS, Energos AS, Jøtul AS, Grant Kleber AS CenBio representerer det norske landslaget for stasjonær produksjon av biovarme og biokraft. Senteret dekker hele verdikjeder innen bioenergi, fra produksjon og høsting av jomfruelig biomasse og håndtering av organisk avfall, til konvertering til varme, kraft og gass, og bruk av biomasse og aske etter energiuttak. CenBio arbeider med å ta i bruk tilgjengelig biomasse, forbedre bioenergikjedenes samlede effektivitet (virkningsgrad) og dokumentere bærekraft for de ulike verdikjedene. Senteret har en egen forskerskole. Aktiviteten de to første årene har ført til innovasjoner og høyere virkningsgrad små og store forbrenningsanlegg. Biogassforskningen viser at nye prosesser og råstoffblandinger øker metan-utbyttet betydelig. Muligheter for å øke biomasseproduksjonen er kartlagt. 2

3 Årsrapport 2011 INNHOLD STYRELEDER HAR ORDET 4 SENTERDIREKTØREN HAR ORDET 5 FORSKNING 6 LABORATORIER 12 VITENSKAPELIGE ARTIKLER 16 FORSKERUTDANNING 19 INTERNASJONALT 20 SAMARBEID MED NÆRINGSLIVET 22 POPULÆRVITENSKAPELIGE ARTIKLER 24 Forsidefoto: Svein Grønvold. Grafisk design: Svein Grønvold, Trykk Follotrykk AS

4 Norsk senter for bioenergiforskning STYRELEDER HAR ORDET Metan: Bio gass eller bio brems i klima sammenheng Norsk senter for bioenergiforskning er etablert som et forpliktende samarbeid mellom Universitetet for miljøog biovitenskap, Bioforsk og Skog og landskap. Vi ønsker gjennom koordinering av forskningen på tvers av de statlige forskningsinstitusjonene å styrke våre leveranser og framstå som en ledende aktør innen bioenergiforskningen i Norge i tett samarbeid med norsk bioenergiindustri. Etter tre års drift har senteret etter styrets mening vist at et slikt samarbeid gir merverdi. Vi skal i 2012 evaluere samarbeidet, og lære av de forbedringspunkter omverdenens øyne setter på senterets arbeid. I 2011 har arbeidet med biogassforskning skutt fart, og et nytt laboratorium ble åpnet i januar Styret mener dette er et viktig redskap for å skaffe nødvendig kunnskap om biogass som fornybar energiressurs, og som klimaproblem når metanproduksjonen skjer ukontrollert. I media utropes vekselvis søppeldeponier, gjødselkjellere og verdens gassrapende drøvtyggere som miljøverstinger og «biobremser» i kampen for bedre kontroll med klimautviklingen. Derfor er det gledelig at våre Stortingsrepresentanter er opptatt av «biogassen» som ressurs, ikke bare som problem, og at opposisjonen jager på regjeringens arbeid med ny klimamelding, blant annet med Dokument 8 forslag. I prinsippet vet vi hva som skjer med organisk materiale som brytes ned etter at planter og dyr er døde. Når det mangler oksygen blir sluttproduktet CO 2 og metan, enten nedbrytingen skjer i jorda, i en innsjø, eller i et kammer konstruert for oppsamling av biogass. Vi vet likevel ikke nok om hvordan vi skal bygge reaktorer som gir høyt metanutbytte, hvordan vi kan styre gassproduksjonen stabilt og langsiktig med det biologisk «norske drivstoffet» vi har tilgjengelig i produksjonen, og hvordan vi skal forhindre at prosessene går i stå og at de nyttige mikrobene dør ut. Vi trenger også mer kunnskap for å gi dem som satser på biogass et sikkert økonomisk utbytte enten det foregår i en høyteknologisk setting i vesten, eller med formål å lage kokegass til erstatning for ved og trekull på et småbruk i Afrika. Årsrapporten viser at de faglige resultatene av samarbeidet kommer som et økende antall vitenskapelige publikasjoner på mange områder. Samarbeidet med NTNU, SINTEF og en rekke industripartnere gjennom forskningsprogrammet FME-Cenbio er viktig faglig og strategisk, og samarbeidet med Cambi AS har vært av uvurderlig verdi i biogassforskningen. Styret takker senterledelsen og alle forskere, stipendiater og andre bidragsytere for engasjerte bidrag til en positiv utvikling av bioenergiforskningen i 2011, og for samarbeidet innen rammen av Norsk senter for bioenergiforskning. Vi håper samtidig på muligheter for mer «gass» i bioenergiforskningen i 2012! Knut Hove Styreleder Knut Hove. Foto: Håkon Sparre, UMB 4

5 Årsrapport 2011 SENTERDIREKTØREN HAR ORDET Grenseløse forskere Året 2011 bærer preg av fortsatt høy økonomisk omsetning i forskningen og god økning i produksjon av vitenskapelig artikler. Både finansieringen og publiseringen var i samsvar med målsettingene for året. Arbeidet med å sikre nye prosjekter de kommende årene resulterte i 16 søknader til Forskningsrådet og andre finansieringskilder. Vi har fått finansiert 9 nye prosjekter, verdt 19 millioner kr. Det viser at forskningen vår er etterspurt. I 2012 er vi nær ved å utnytte hele forskningskapasiteten hos senterets eiere, mens det er rom for nye, spennende prosjekter årene etter. Samarbeidet med næringsliv og andre brukere av forskningen er omfattende. Industri, bransjeorganisasjoner og offentlig virksomhet deltar i 75 % av forskningsprosjektene. Brukerne bidrar til å definere problemstillingene og å holde forskningen på rett spor. Vi må imidlertid passe på å fornye den vitenskapelige grunnkompetansen, noen som forutsetter at vi bruker en del av forskningskapasiteten til å identifisere neste generasjon problemstillinger. Alle deltagere i forskningen, både forskningsinstitusjonene og industripartnerne, forutsetter at vi publiserer resul tatene i vitenskapelige tidsskrifter. Den kvalitetssikringen som dette gir, er avgjørende for at brukerne trygt kan anvende resultatene. Den har også stor verdi for forskningens internasjonale anerkjennelse. Vi ser imidlertid at resultatene fra en del prosjekter ikke blir publisert i vitenskaperlige tidsskrifter av ulike grunner. Det bør ikke fortsette. Ingen er tjent med resultater som ikke blir publisert av økonomiske eller tidsmessige grunner. Vitenskapelig artikler sammen med fungerende nettverk er inngangsbilletten til de internasjonale konsortiene som får prosjekter fra EUs rammeprogram for forskning. Dessuten er innspill til arbeidsprogrammene viktige. Bioenergisenteret har spilt inn temaforslag til de siste utlysningene i det 7. rammeprogrammet og til det nye programmet Horizon Vi har nå lagt et grunnlag, men det kreves likevel bevisst og målrettet satsing for å lykkes med EU-prosjekter. Fire doktorgradsstudenter innen bioenergi fullførte sin forskerutdanning i 2011, og tre av disse har vi fortsatt med oss som forskere. To nye doktorgradsstudenter startet i fjor, den ene er ansatt i næringslivet og tar en nærings-ph.d. Til sammen er 16 studenter nå i gang med sine bioenergi-relaterte ph.d. -studier. Dette lover bra for rekrutteringen. Bioenergisenteret har i flere år bidratt organisatorisk og økonomisk til å etablere felles laboratorier og å skaffe vitenskapelig utstyr. Det er gledelig å se at dette skaper gode prosjekter og anerkjent kunnskapsproduksjon og reell forskerflyt over institusjonsgrensene. Jeg tror felles laboratorier er det beste interne samarbeidslimet vi har. Plattformen Norsk senter for bioenergiforskning er bygget for Campus Ås sine grenseløse forskere. Det opp til alle oss å bruke byggverket til felles nytte. Odd Jarle Skjelhaugen Senterdirektør Odd Jarle Skjelhaugen. Foto: Elin Judit Straumsvåg 5

6 Norsk senter for bioenergiforskning FORSKNING Inkludert FME-CenBio finansieringen omsatte Bioenergisenterets eiere prosjekter for ca 63 millioner kr i Kontraktfestede prosjekter for 2012 utgjør 53 millioner kr og 41 millioner kr for Forskerne og sentersekretariatet utarbeidet og sendte inn 16 prosjektsøknader i 2011 med samlet søknadsbeløp til Skog og landskap, Bioforsk og UMB på 55 millioner kr. Av disse ble 9 innvilget. De innvilgede prosjektene har verdi på 19 millioner kr for de samlede prosjektperiodene. Dette gir et tilslag på 56 % målt i antall og 35 % målt i kroner. Beløpene er inkludert i figuren under. De nye prosjektene fordeler seg på både bioressurser, biogass, biodrivstoff, alger og bærekraft. 70,0 UMB 60,0 Skog og landskap 50,0 20,3 22,9 Bioforsk Årlig budsjett, mill NOK 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 12,1 21,3 16,3 15,0 15,4 16,3 13,5 7,8 8,2 28,0 25,2 19,0 18,4 17,8 7,8 5,7 5,8 4,5 2, Samlet årlig omsetning for forskningsprosjektene for perioden og kontrakt-festede prosjekter for perioden GLIMT FRA FORSKNINGEN Miljøvennlig transport i dagligvarebransjen Per Kristian Rørstad, UMB Norges største transportbedrift ønsker å halvere sine klimagassutslipp målt pr m 3 transportert vare. Bedriften tar i bruk livsløpsanalyser for å finne smartest måte å nå målet på. UMB har inngått et prosjektsamarbeid med transportbedriften ASKO AS om å erstatte fossilt drivstoff med biodrivstoff. ASKO er NorgesGruppens engrosvirksomhet, har omtrent ansatte og omsatte for 41 milliarder kroner i Med 600 lastebiler på veien hver dag er ASKO en av Norges største transportbedrifter. I dag blir transporten i hovedsak utført med biler som går på fossilt drivstoff. ASKO ønsker å bidra i arbeidet med å redusere klimagassutslippene fra transportvirksomheten i Norge. Dette er uttrykt gjennom et konkret mål for reduksjon av utslipp av CO 2 pr m3 transportert vare. Målet er en reduksjon på 50 % fra 2008 til Målet med prosjektet er å gjøre en helhetlig vurdering av ulike drivstoff (biodrivstoff og deres fossile alternativer) for dagligvaredistribusjon med vekt på miljøeffekter, risiko og usikkerhet. Miljøeffektene vil bli kvantifisert gjennom livsløpsanalyser (LCA) med hovedvekt på utslipp klimagasser. Siden varedistribusjon bidrar til lokal luftforurensing (feks partikler og NOx) avhengig av type drivstoff og drivstoffteknologi vil også disse utslippene bli inkludert i analysene. 6

7 Årsrapport 2011 BIORESSURSER Prosjekttittel Finansiering Prosjektledelse Odling för bioenergi, vattenmiljö och Interreg Bioforsk markvård (BioM) Tormod Briseid Wood based energy systems from Nordic forests Nordic Energy 2050 Skog og landskap (Enerwoods) Nytt i 2011 Bruce Talbot Solid Biofuels from Forest Fuel Specification and NFR/Skogtiltaksfondet Skog og landskap Quality Assurance Simen Gjølsjø Biomass allocation of individual birch trees along an NFR UMB environmental gradient (Doktorgradsstipend) Andreas Brunner Bioenergy Promotion Interreg Skog og landskap Gunnhild Søgaard CenBio WP1.1 Feedstock supply NFR-FME UMB Tron Håkon Eid CenBio WP 1.2 Logistics NFR-FME Skog og landskap Bruce Talbot CenBio WP 1.3 Biomass and residue characteristics NFR-FME SINTEF and quality Judith Sandquist CenBio WP 1.4 Residues upgrading and use NFR-FME Bioforsk Trond K Haraldsen FOTO: ASKO 7

8 Norsk senter for bioenergiforskning BIOGASS Prosjekttittel Finansiering Prosjektledelse Robust processes for biogas production using manure and NFR-KPN/ UMB by-products (ROBUBIOGAS) Jordbruksavtalen Vincent Eijsink Biogas reactor technology for Norwegian agriculture (BIONA) NFR-KPN Bioforsk Nytt i 2011 Roald Sørheim Fixation of nutrient elements in digestate (FIXNUT) NFR-IPN Bioforsk Espen Govasmark Effect of farmyard manure biogas digestion on important NFR-KPN Bioforsk soil characteristics -establishment of a long-term study Anne-Kristin Løes under Norwegian conditions (SOILEFFECTS) Recycling of nutrients in biogas residues for robust and NFR/Matprogrammet, Bioforsk productive cropping systems Investigations at field, farm ERA-NET Organic Core II Anne-Kristin Løes and community level (REFILL) Documentation of energy production and GHG emissions in Jordbruksavtalen Bioforsk a farm level biogas plant digesting animal manure and various Nytt i 2011 Ingvar Kvande types of fish waste Evaluation of parameters in the methane model SLF/Klif UMB John Morken Upgrading biogas and dual-fuel technology SLF UMB Nytt i 2011 John Morken Documentation of biogas at Tomb SLF UMB Starter 2012 Kristian Fjørtoft CenBio WP 2.4 Anaerobic Digestion NFR-FME Bioforsk Roald Sørheim Biogass som del av landbrukets verdikjede Jordbruksavtalen UMB John Morken GLIMT FRA FORSKNINGEN Tørking og lagring av hele lauvtrærtrær Tore Filbakk, Skog og landskap Hele lauvtrær må tørkes i nærmere et år før de kan brukes i små flisfyringsanlegg som krever tørr flis. Dekking av heltreveltene med egnet duk gir raskere tørking. Gjengroing av kulturlandskapet er en utfordring, både på grunn av endringene i seg selv, og fordi utsikten i mange tilfeller blir redusert. Staten gir derfor tilskudd til rydding av slike områder. Slik «krattskog» har ingen verdi som trelast, men kan med fordel tas i bruk som råstoff til bioenergi-produksjon. Normal fuktighet i et nyhogd lauvtre ligger på rundt 50 %. Om slik biomasse skal brukes i små flisfyringsanlegg, som er konstruert for en fuktighet på flisa på ca. 35 %, må den tørkes. Tørkingen skjer ved å lagre virket utendørs. I forsøk med virke hogd på våren var tørkingen i heltrevelter best på Østlandet, men også på Vestlandet tørket virket ned til ønsket fuktighet. I velter dekket med GROT-papp om vinteren ble fuktigheten 8 % lavere enn i udekkede velter. 8

9 Årsrapport 2011 BIODRIVSTOFF OG TERMOENZYMATISK FORBEHANDLING Prosjekttittel Finansiering Prosjektledelse Biomass2Products NFR/Borregaard UMB Vincent Eijsink Enzyme technology for next generation biofuels NFR UMB Starter 2012 Vincent Eijsink From biomass to biogas - an integrated approach towards NFR UMB sustainable recovery of energy and nutrients Vincent Eijsink Fundamentals of enzymatic turnover of recalcitrant NFR UMB polysaccharides Vincent Eijsink Innovative Enzyme technology for biomass conversion NFR UMB Starter 2012 Vincent Eijsink Lignoref - lignocellulosics as a basis for second generation biofuels and future biorefineries UMB Vincent Eijsink. Learning from the locals: A metagenomic investigation into EU Marie Curie IIE UMB the plant biomass degrading capacity in Norwegian native Nytt i 2011 Phil Pope herbivores Carbon in molten salts NFR UMB John Morken Miljøvennlig transport i dagligvarebransjen ASKO as UMB Starter 2012 Birger Solberg Forsøk med virke hogd på høsten viser at fuktigheten først blir betydelig redusert neste vår og sommer. Det betyr at virket da vil bli lagret i ett år før det brukes. FOTO: TORE FILBAKK, SKOG OG LANDSKAP 9

10 Norsk senter for bioenergiforskning ALGER Prosjekttittel Finansiering Prosjektledelse Conversion of solar energy to infrastructure-ready transport Nordic Energy Research Bioforsk fuels using aquatic photobiological organisms as the Nytt i 2011 Kari Skjånes hydrocarbon feedstock producer (AquaFEED) A multidisciplinary, biological approach using solar energy NFR Bioforsk and algae to capture CO2 while producing H2 (BioCO2) Stig Borgvang Use of solar energy for CO2 capture, algae cultivation and NFR Bioforsk hydrogen production (BioH2) Nytt i 2011 Stig Borgvang GLIMT FRA FORSKNINGEN Tilbud og etterspørsel av biomasse til varmeproduskjon i Norge år 2020 Erik Trømborg, UMB Regjeringens mål om å bruke 14 TWh mer bioenergi i 2020 forutsetter en kombinasjon av høye energipriser for olje og strøm og betydelig støtte til produsenter og brukere av biomasse. Produksjonen av bioenergi i Norge var 12 TWh i 2007 og 17 TWh i 2010, eller åtte prosent av vårt energiforbruk. Bruken av avfall og skogsflis i fjernvarmeanlegg øker jevnt, mens bruken av ved i husholdningen svinger i takt med temperatur og strømpriser. Potensialet for bruk av biomasse i nær- og fjernvarmeanlegg anslår vi fra energibehovet i nye bygninger og i ulike sektorer, befolkningsutvikling og temperaturforhold. Vi beregner etterspørselen etter biomasse ut fra kostnader for utbygging av fjernvarme og nærvarme, prisutvikling for strøm, olje og gass og kostnader for alternative oppvarmingsteknologier. En økning i bruken av biovarme i Norge vil være basert på skogsflis. Vi har modellert tilgang på skogsflis fra hogstavfall med grunnlag i svenske og finske studier samt hvordan avvirkningen i Norge fordeler seg på bonitet og avstand til vei. En flispris levert anlegg på 20 øre vil med dagens støtteordninger kunne øke produksjonen med omtrent 8 TWh, om lag 30 % fra hogstavfall, 50 % fra innenlands rundvirke og 20 % fra importert flis. Figuren viser hvordan bruk av energi fra skog varierer med flispris og energipriser i En bioenergiproduksjon på 21 TWh i 2020 er sannsynlig. Etterspørselen etter skogflis er prisfølsom. Øker prisen, så blir alternativer som varmepumper eller olje mer lønnsomme. 10

11 Årsrapport 2011 BÆREKRAFT - ØKONOMI OG ØKOLOGI Prosjekttittel Finansiering Prosjektledelse Ecological conseques of increased biomass removal from NFR Skog og landskap Norwegian forests (ECOBREM) Nicholas Clarke Bioenergy markets in Norway NFR UMB Birger Solberg The future role of biomass energy in Norway - an interdiciplinary NFR/SUP UMB technological, economical and environmental research program Birger Solberg Innovativ utnyttelse av aske fra trevirke for økt verdiskaping og NFR NTI bærekraftig skogbruk Starter 2012 Henning Horn Decision support models for increased harvest and NFR Skog og landskap climate-motivated forest policies (ClimPol) Nytt i 2011 Jogeir Stokland CenBio WP 4.2 Ecosystem management NFR/FME Skog og landskap Nicholas Clarke CenBio WP 4.3 Costs, markets, policies and integrated NFR/FME UMB sustainability analyses Birger Solberg CenBio WP 5.2 Knowledge transfer and dissemination NFR/FME UMB Odd Jarle Skjelhaugen GWh øre/kwh Tilbud av biomasse Etterpørsel spotpris strøm 36 øre pr kwh Etterspørsel spotprsis strøm 25 øre pr kwh Etterspørsel spotpris strøm 47 øre pr kwh 11

12 Norsk senter for bioenergiforskning LABORATORIER I stadig flere sammenhenger er det detaljene som driver oss fremover. Etter hvert som det blir nødvendig å avklare stadig flere detaljer, blir analysesystemene sentrale. Uten pålitelige metoder for å beskrive tilstand og prosesser kommer vi ikke videre, heller ikke med bioenergiforskningen. På Campus Ås satser vi derfor systematisk på videreutvikling av laboratorier. Vi skal beskrive bærekraftige og kostnadseffektive metoder for hele verdikjeden fra biomasse og biologisk avfall, til levering av varme, gass og drivstoff. I samarbeid med Trondheimsmiljøet, gjennom FME-CenBio, er det bygget opp komplementære laboratorier. Ved Termokjemisk laboratorium i Trondheim beskriver de forbrenningsprosessene. På Ås har vi etablert et «Biogasslaboratorium», et «Biokjemisk laboratorium» og et «Biomasselaboratorium» for å beskrive råstoffet. Biogasslaboratorium UMB og Bioforsk, i regi av Norsk senter for bioenergiforskning, etablerte biogasslaboratoriet i Laboratoriet er avgjørende for å beskrive hvordan gassproduksjonen foregår, og hvordan ulike blandinger og forbehandlinger av organiske fraksjoner påvirker biogassutbyttet. Biogass blir dannet i spesielle reaktorer der de ulike organiske fraksjonene blir brutt ned i fravær av oksygen til korte organiske syrer. Syrene blir så redusert til metan (CH4) av spesialiserte bakterier (Archea bakterier). Biogassen består av metan og CO 2 der andelen metan kan være rundt 65 %. Bioresten som blir igjen etter at metan er tatt ut, kan brukes som gjødsel. Gassutbyttet avhenger mye av hvilke substrater vi bruker. Vi arbeider derfor med å finne hvilke substratblandinger som egner seg for biogassproduksjon og beskrive blandinger som gir maksimal metanutbytte. På sikt vil vi også beskrive de mikrobielle samfunn i ulike biogassprosesser, blant annet de involverte organismene og samhandlingen mellom disse. Målet er å bidra til mer robuste og stabile biogassprosesser. Slik kunnskap får betydning for utforming og styring av biogassreaktorer. I biogassprosessen blandes ofte inn mye vann. Gjenbruk av prosessvann til reaktorene er en sentral oppgave. Vi vil ha vannforbruket ned for å spare energi til oppvarming, og for å få en tørrere biorest. I laboratoriet har vi 24 småskala reaktorer på 8, 10 og 20 l, to reaktorer med et volum på 30 l og en pilotreaktor på 6 m3. Vi disponerer dessuten ristemaskiner der vi tester biogasspotensialet til ulike råstoff og råstoffblandinger. Resultatene bruker vi til å finne optimale forhold for videre utprøving i biogassreaktorene. I reaktorene måler vi produksjonen av metan, CO 2 og andre gasser. Reaktorene har også ph og temperaturmålere for å overvåke prosessene. En væskekromatograf er satt opp for å måle organiske fettsyrer i substratene. Kunnskap om disse forbindelsene er vesentlig for å beskrive biogassprosessen og analysere hva som skjer når produksjonen av metan stopper opp som følge av for mye tilførsel av energirike substrater. Mange biologiske avfallsfraksjoner kan ikke benyttes til biogassproduksjon fordi karbonet foreligger i en utilgjengelig form. Derfor arbeider vi, i samarbeid med industriaktører, med å forbehandle substratet på ulike måter: oppmaling til mindre partikler med stor overflate, enzymatisk behandling, kjemisk behandling med lut eller syre og termisk behandling ved trykk-koking i damp med et hurtig trykkfall. Slik endrer vi substratene ved å sprenge cellene eller modifisere de kjemiske forbindelsene i substratene. Biokjemisk laboratorium Laboratoriet er bygget opp for forbehandling, prosessering, og detaljert analyse av den kjemiske sammensetningen av biomasse og de endringer som skjer ved ulike behandlinger. Til forbehandling av biomasse har vi et moderne anlegg for dampeksplosjon og annen varmebehandling, desig net og levert av Cambi AS. Anlegget er verd rundt 2,5 millioner kroner, er under kontinuerlig utvikling 12

13 Årsrapport 2011 FOTO: LARS SANDVED DALEN, SKOG OG LANDSKAP 13

14 Norsk senter for bioenergiforskning og er blant de aller beste og mest fleksible i verden. Anlegget brukes til forbehandling av de fleste råstoffene. Enzymatisk prosessering av biomasse foregår i spesielle enzymreaktorer der vi behandler biomasse med enzymer. Målet er å få ut mest mulig sukker fra biomassen, slik vi ønsker for produksjon av bioetanol, eller bare å gi en kort forbehandling for å oppnå mer effektive biogassprosesser. Å karakterisere biomassen og det som skjer i ulike prosessledd er komplisert og krever blant annet avansert kromatografi og massespektrometri. Derfor er det nødvendig med kontinuerlige investeringer, og innen sommeren 2012 har vi investert rundt 4 millioner kroner. Ytterligere investeringer er nødvendig, først og fremst for å øke kapasiteten, for å gjøre enda bedre karakterisering av råstoff og produkt, og gjøre mer presise analyser av lignin. Laboratoriet er koordinert nasjonalt, og alle relevante aktører, både akademiske og industrielle, bruker omtrent de samme metodene. Vi kan analysere kjemiske forandringer under biogass-produksjon, både i gass (metan), væske (flyktige fettsyrer) og sammensetning av råstoffer (sukkerpolymerer, lignin, acetat). Det er også mulig å beskrive hvordan potensielt nyttige enzymer påvirker biomassen sine substrater og hvor effektive enzymatiske nedbrytningsprosesser er. Biomasselaboratorium I dette laboratoriet arbeider vi med biomasse fra skog som skal bli til energi. Vi følger hele prosessen fra fast trevirke, gjennom forbrenningsprosessen og frem til alle sukkerartene i hemicellulosen og grunnelementene i asken. Som med alt biologisk materiale er det stor variasjon i råstoffet. Ulike treslag og ulike deler av et tre kan ha store forskjeller i fysiske og kjemiske egenskaper. For å utvikle effektiv forbrenningsteknologi, er det avgjørende å vite eksakt hva råstoffet inneholder. Vi trenger LAB GLIMT Biomasselaboratoriet: Analyser av mikrobiologisk aktivitet under lagring Praktisk talt alltid må skogsråstoff lagres for kortere eller lengre tid. Problemet er at all biomasse blir brutt ned av mikrobiologisk aktivitet under lagring. Det forringer råstoffkvaliteten. Ved hjelp av instrumentet Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction kan vi identifisere og kvantifisere mengde og aktivitet hos vednedbrytende organismer og sopper. Dermed kan vi optimalisere lagringsforholdene og redusere tap av råstoffkvaliteten. I tillegg kan vi vurdere om håndtering av råstoffet vil representere en helserisiko, slik som allergi forårsaket av soppsporer. Bildet viser langt fremskredende forråtnelse i granved etter angrep av rotråte. Foto: Ari Hietala, Skog og landskap 14

15 Årsrapport 2011 derfor instrumenter som kan beskrive alle fysiske og kjemiske egenskaper. Vi analyserer ekstraktivstoffer med gasskromatograf, koblet til flammeioniserende detektor eller massespektrometer. Variasjonen i råstoffet beskriver vi også ved hjelp av ulike varianter av infrarød spektrometri. Råstoffet kommer til laboratoriet som helt trevirke, flis eller pellets. De grunnleggende egenskapene som densitet og fuktighet beskriver vi ved hjelp av standardiserte metoder. Små prøver målt med en halogenvekt gir oss presis bestemmelse av fuktigheten på mindre enn fem minutter. Brennverdien i ulike deler av råstoffet bestemmes med et svært nøyaktig bombekalorimeter. For å bestemme mengden av cellulose, lignin og hemicellulose med tilstrekkelig nøyaktighet i helt trevirke, er vi helt avhengige av våre gravimetriske analysatorer. Vi har nylig fått på plass siste generasjons gravimetrisk analyseutstyr (Simultan Termisk Analysator) koblet til infrarød spektrometer og gasskromatografi med påfølgende massespektrometer. Denne instrumentpakken er særlig sentral i laboratoriet. Se tekstboks. Vi utvikler molekylære metoder for kvantitativ og kvalitativ analyse av sopp i biomasse, spesielt for å beskrive det som skjer under lagring. Vår Quantitative Polymerase Chain Reaction-metodikk beskriver samspillet mellom nedbrytende og helseskadelige sopper og biomasse. Se tekstboks. Ved å pelletere trevirket kan variasjonen i brenselet reduseres. Men i prosessen fra flis til pellets vil sentrale egenskaper endres. For en vellykket produksjon er det avgjørende å ta hensyn til disse endringene. Vi har derfor laget en meget presis testrigg for produksjon av pellets under strengt kontrollerte betingelser. Vi kan styre temperatur, trykk og hastighet. Ved hjelp av videoutstyr kan vi overvåke deformering av pellets til en hver tid under produksjonen. LAB GLIMT Biomasselaboratoriet: Analyser av kjemiske bestanddeler på nano- og molekyl nivå Vi har lenge brukt termogravimetrisk analyse til å bestemme innholdet av kjemiske bestanddeler i trevirke, inkludert flis og pellets. Vårt nye og betydelig bedre instrument «Simultaneous Thermal Analyzer» måler på molekylnivå, både kvalitativt og kvantitativt. Det nye utstyret har en vektoppløsning på 250 nano gram. Det måler i tillegg til massetap som følge av oppvarming, hele tiden hvor mye energi som skal til for å varme det opp. Dette betyr at vi får energiutbytte definert ved forskjellige temperaturer. I tillegg til å utvide vår forståelse av forbrenningen av biomasse, kan vi også få bedre innsikt i nedbrytningsmekanismene i forbindelse med lagring, ofte under ugunstige forhold. Vi kan også analysere gass og aske etter forbrenning. Foto: Lars Sandved Dalen, Skog og landskap 15

16 Norsk senter for bioenergiforskning VITENSKAPELIGE ARTIKLER Produsjonene av vitenskapelige artikler kom opp på et akseptabelt nivå i 2011, 22 publiserte. Her er bare artikler med et betydelig fokus på bioenergi tatt med. Dette betyr at den enkelte artikkelen har bioenergi eller direkte bioenergirelatrerte ord i tittelen eller som søkeord. Artikler der bioenergi bare er nevnt sporadisk i teksten er utelatt fra oversikten. 25 UMB/Skog og landskap 20 UMB/Bioforsk UMB 4 Antall publikasjoner Skog og landskap Bioforsk År Bioenergirelaterte vitenskapelige artikler trykket i internasjonale tidsskrift med referee-ordning i perioden GLIMT FRA FORSKNINGEN Karbonbinding i skog ved økt avvirkning og ulike forvaltningsstrategier Jogeir Stokland, Skog og landskap Eksisterende modeller for karbonopptak og karbonlagring i skog er ikke tilpasset skog eldre enn hogstmoden alder. Derfor vil vi utvikle et mer nøyaktig og fleksibelt modellverktøy. Hva skjer med karbonbindingen og klimapåvirkningen ved ulike forvaltningsstrategier i skogen? Hva skjer med miljøverdiene ved ulike avvirkningsalternativ? Bør skogen stå og bli eldre enn hogstmodenhetsalder eller bør den avvirkes da, for å gi plass til ny og ung skog i god vekst? Spørsmålene skal besvares i det nye prosjektet «Scenarier for karbonbinding i skog ved økt avvirkning og ulike forvaltningsstrategier» (ClimPol). Når prosjektet er gjennomført skal det foreligge scenarier for karbonlagring og karbonopptak, biomassetilgang til bioenergi og effekten på biodiversitet og økonomi, ved ulike værforhold og avvirkningsnivåer. Vi skal vurdere ulike hogstalternativer der bioenergi erstatter fossilt brensel og finne den beste kombinasjonen. Vi vil legge vekt på skogens lange tidsløp i vurderingene. Vi vet at eksisterende modeller ikke er tilpasset karbonbinding i skog ut over hogstmodenhetsalder. De gir dessuten begrenset informasjon om skogstruktur og dermed biodiversitet. I prosjektet skal vi utvikle et mer nøyaktig og fleksibelt modellverktøy. Resultatene fra prosjektet vil også beskrive råteomfang og karbonutslipp fra levende trær, og effekter av skogbehandling og avvirkning på biodiversitet. 16

17 Årsrapport 2011 Vitenskapelige artikler publisert i 2011 Forfatter Tittel Tidsskrift Scarlat, N., Dallemand, J.-F., Skjelhaugen, O.J., Asplund, D. and Nesheim. L Moiseyev, A., Solberg, B., Kallio, A., Maarit I. and Lindner, M Estevez, Maria M., Linjordet, R, and Morken. J Haraldsen, T.K., Andersen, U., Krogstad, T. and Sørheim, R Horn, S.J., Estevez, M.M., Nielsen, H.K., Linjordet, R. and Eijsink, V.G.H Ward, A.J. and Løes, A.K Blomqvist, J., South, E., Tiukova, I., Momeni, M.H., Hansson, H., Ståhlberg, J., Horn, S.J., Schnürer, J. and Passoth, V Bioressurser An overview of the biomass resource potential of Norway for bioenergy use. An economic analysis of the potential contribution of forest biomass to the EU RES target and its implications for the EU forest industries. Biogass Effects of steam explosion and codigestion in the methane production from Salix by mesophilic batch assays. Liquid digestate from anaerobic treatment of source separated household waste as fertilizer to barley. Biogas production and saccharification of Salix pretreated at different steam explosion conditions. The potential of fish and fish oil waste for bioenergy generation : Norway and beyond. Biodrivstoff Fermentation of lignocellulosic hydrolysate by the alternative industrial ethanol yeast Dekkera bruxellensis. RENEWABLE AND SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS 15(1): JOURNAL OF FOREST ECONOMICS 17( )2 SI: BIORESOURCE TECHNOLOGY. doi: /j.biortech WASTE MANAGEMENT & RESEARCH 29(12): BIORESOURCE TECHNOLOGY 102 (2011) doi: /j. biortech BIOFUELS 2(4), Letters in APPLIED MICROBIO- LOGY doi: /j x x FOTO: SVEIN GRØNVOLD 17

18 Norsk senter for bioenergiforskning Forfatter Tittel Tidsskrift Forsberg, Z., Vaaje-Kolstad, G., Westereng, B., Bunæs, A.C., Stenstrøm, Y., MacKenzie, A., Sørlie, M., Horn, S.J. and Eijsink, V.G.H Sunde, K., Brekke, A., and Solberg, B Sunde, K., Brekke, A. and Solberg, B Filbakk, T., Hoibo, O. and Nurmi, J Filbakk, T, Hoibo, O.A., Dibdiakova, J., and Nurmi, J Filbakk, T., Skjevrak, G., Hoibo, O., Dibdiakova, J. and Jirjis, R Filbakk,T., Jirjis, R., Nurmi, J. & Høibø, O Trømborg, E., Havskjold, M., Lislebø, O. and Rørstad, P.K Haraldsen, T.K, Pedersen, P.A and Grønlund, A Helmisaari, H.-S., Hanssen, K. H., Jacobson, S., Kukkola, M., Luiro, J., Saarsalmi, A., Tamminen, P. and Tveite, B., Hovi, I.B., Madslien, A., Sjølie, H., Solberg, B., Tromborg, E. and Veisten, K Nybakk, E., Niskanen, A., Bajric, F., Duduman, G., Feliciano, D., Jablonski, K., Lunnan, A., Sadauskiene, L., Slee, B. & Teder, M Sjølie, H. K. and Solberg, B Valente, C., Hillring, B. G. and Solberg, B Valente, C., Spinelli, R. and Hillring, B. G Cleavage of cellulose by a CBM33 protein. Environmental Impacts and Costs of Hydrotreated Vegetable Oils, Transesterified Lipids and Woody BTL. A Review. Environmental impacts and costs of woody Biomass-to-Liquid (BTL) production and use. A review. Biovarme Modelling natural drying efficiency in covered and uncovered piles of whole broadleaf trees for energy use. Modelling moisture content and dry matter loss during storage of logging residues for energy. The influence of storage and drying methods for Scots pine raw material on mechanical pellet properties and production parameters. The effect of bark content on quality parameters of Scots pine (Pinus sylvestris L.) pellets. Projecting demand and supply of forest biomass for heating in Norway. Bærekraft Mixtures of bottom wood ash and meat and bone meal as NPK fertilizer. Logging residue removal after thinning in Nordic boreal forests: Longterm impact on tree growth. Impacts of combining partial and general equilibrium modelling in freight transport analyses - a forest sector case study from Norway. Innovation in the wood bio-energy sector in Europe. Greenhouse gas emission impacts of use of Norwegian wood pellets: a sensitivity analysis. Bioenergy from mountain forest: a life cycle assessment of the Norwegian woody biomass supply chain. LCA of environmental and socioeconomic impacts related to wood energy production in alpine conditions: Valle di Fiemme (Italy). PROTEIN SCIENCE 2011 VOL 000:1-5 ENERGIES 4 (6): FOREST POLICY AND ECONOMICS 13(8): BIOMASS & BIOENERGY 35 (1): SCANDINAVIAN JOURNAL OF FOREST RESEARCH 26 (3): doi: / FUEL PROCESSING TECHNOLOGY 92 (5): BIOMASS & BIOENERGY 35: ENERGY POLICY doi: / j.enpol H. Insam and B.A. Knapp (eds.), Recycling of Biomass Ashes, doi: / _3, SPRINGER-VERLAG Berlin Heidelberg FOREST ECOLOGY AND MANAGE- MENT 261 (11): TRANSPORTATION PLANNING AND TECHNOLOGY 34(3): In: Weiss, G., Pettenella, D., Ollonqvist, P. & Slee, B. (eds.): Innovation in forestry: territorial and value chain relationships, pp CABI, Wallingford. ISBN ENVIRONMENTAL SCIENCE & POLICY 14: SCANDINAVIAN JOURNAL OF FOREST RESEARCH 26 (5): doi: / JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION 19 (17-18):

19 Årsrapport 2011 FORSKERUTDANNING Fire doktorgradsstudenter avsluttet sitt studium med disputas i 2011, og to nye kom til. Ved slutten av året var 16 doktorgradsstudenter i gang med sine studier i bioenergirelaterte emner. Doktorgradsstudenter(ph.d.) innen bioenergirelaterte fagområder Institutt Student Fagområde Veileder Disputas Bioressurser UMB-INA Paulo Borges Modell for bioenergi fra skog Tron Eid 2014 UMB-INA Belachew Zeleke Optimering av skogbiomasse Andreas Brunner 2012 Skog og landskap Aron Smith Modell for skogbiomasse Andreas Brunner 2013 UMB-Noragric Lars Kåre Grimsby Bioenergi fra Jatrophaplanten Jens Aune 2012 Biovarme Skog og landskap Tore Filbakk Brenselkvalitet Olav Høibø 2012 Biogass UMB- IMT Kristian Fjørtoft Biogass teknologi gårdsskala John Morken 2013 UMB-IMT Maria M. Estevez Optimering av biogassprod. John Morken 2012 Biodrivstoff og enzymer UMB- IMT Heidi Nygård Saltsmeltepyrolyse av biomasse Espen Olsen 2013 UMB-IKBM Zarah Forsberg Enzymer for biomasse til energi Vincent Eijsink 2013 UMB- IMT Geoffry Gilphin Livssyklusanalyse biodrivstoff Petter Heyerdahl 2012 Alger UMB-IPM 1) Daria Markina Hydrogen fra mikroalger Hans R Gislerød 2014 Bærekraft UMB-IPM Per-Ivar Hanedalen LCA av jordbruksråvarer til energi Trine Sogn 2013 UMB-IPM Silje Skår Økologimodell av skog til energi Trine Sogn 2013 UMB-INA Åsa Grytli Tveten Markedsmodell kraft/varme Torjus Bolkesjø 2014 UMB-INA 1), 2) Iliana Shandurkova Markedsmodell kraft/varme Torjus Bolkesjø 2015 UMB-IØR Shuling C. Lillemo Forbrukerpreferanser energi Mette Wik ) = nye i ) = nærings-ph.d Doktorgradsstudenter som disputerte i 2011 Bioforsk Kari Skjånes Biohydrogen fra mikroalger Gjert Knutsen 1) 28. januar UMB-INA Hanne Sjølie Skogsektormodellering Birger Solberg 17. juni Skog og landskap Helmer Belbo Tynningsvirke fra skog til energi Rolf Björheden 2) 27. oktober UMB-INA Clara Valente Bioenergi fra fjellskog Gunnar Hillring 3) 16. desember 1) Universitetet i Bergen 2) Linnéuniversitetet 3) Høgskolen i Hedmark FOTO: ERLING FLØISTAD, BIOFORSK FOTO: ELIN JUDIT STRAUMSVÅG, UMB FOTO: STEIN GORDING, KNIPS AS, STEINKJER Kari Skjånes Hanne Sjølie Helmer Belbo Clara Valente FOTO: CLARA VALENTE 19

20 Norsk senter for bioenergiforskning INTERNASJONALT Norden Prosjektsøknader til Nordic Energy 2050: tre innsendt, en finansiert Ph.d.-grad ved Skogforsk og Linnéuniversitetet i Sverige: Helmer Belbo, Skog og landskap Deltidsstilling ved UMB i biogass: Anna Schnürer fra Sveriges Lantbruksuniversitet Deltidsstilling ved UMB i biogass: Jens Bo Holm-Nielsen fra Universitetet i Ålborg Europa Prosjektsøknad til EU FP7: en innsendt, ikke innvilget Prosjektsøknad til ERA-NET Wood Wisdom: fem innsendt, en innvilget Prosjektsøknad til ERA-NET CORE Organic II: en innsendt og innvilget Innspill til siste utlysning EUs 7 rammeprogram, FP7; Temaene Energy og Food, Agriculture and Fisheries, and Biotechnology (KBBE) Innspill til EUs kommende rammeprogram FP Horizon 2020 Komitedeltakelse i COST: Development and Harmonisation of New Operational Research and Assessment Procedures for Sustainable Forest Biomass Supply. Simen Gjølsjø og Helmer Belbo, Skog og landskap Utenlandsopphold: doktorgradsstudent Heidi Nygård, UMB, 3 md til Universitetet i Twente, Nederland, om saltsmeltepyrolyse USA og New Zealand Utveksling til Massey Universitetet, Senter for energiforskning, New Zealand: Forsker Erlend Nybakk, Skog og landskap, gjesteforsker i 10 md innen markedsutvikling for ved GLIMT FRA FORSKNINGEN Enzymteknologi for neste generasjon biodrivstoff Svein Jarle Horn, UMB Enzymatisk omdanning av mange typer lignocellulose til drivstoff er fortsatt ikke særlig effektiv. I et nytt prosjekt knytter vi ny kunnskap om enzymene CBM33 og GH61 oppdaget av UMB-forskere til Borregaards nye pilotanlegg for bioetanolproduksjon basert på norsk biomasse. Bruk av ikke-spiselige biomasser til produksjon av biodrivstoff er en lovende strategi for å erstatte fossile drivstoff. Nye teknologier for omdanning av biomasse utvikles i hele verden, tilpasset mange forskjellige råvarer som trevirke, gras, bagass (rørsukkerplante), halm og avfall fra matforedling. Alle leter etter optimal teknolog for å bryte ned polymer biomasse. Den såkalte biokjemiske ruten anvendt av mange aktører omfatter bruk av enzymer til å bryte ned polymere karbohydrater til monomere sukker som igjen kan prosesseres videre, for eksempel ved gjæring. Mens slik enzymatisk nedbrytning er relativt enkel for polymerer som stivelse i mais og korn er den fortsatt en utfordring for de tungt nedbrytbare og komplekse polysakkaridene i planter og trær. Disse kalles med et fellesnavn for lignocellulose og består hovedsakelig av lignin, hemicellulose og cellulose. Tross den senere tids framskritt er enzymatisk omdanning av mange typer lignocellulose fortsatt ikke særlig effektiv. Det er et stort behov for å finne bedre prosesser, enzymer og enzymblandinger. En kompliserende faktor er at enzymbehovet er ulikt for ulike biomasser og ulike forbehandlinger. Norsk biomasse og norske bioraffinerier trenger dermed skreddersydde norske løsninger. Vi skal undersøke hastighet og begrensende faktorer, optimere prosesser med og uten forbehandling med damp, finne minimum enzymbehov og de beste enzymblandinger, og få enzymene til å bli stabile. 20