Phytomanagement of Contaminated Land to Produce Biofuels for the Maritime Sector: a feasibility study

Chalmers tekniska högskola har fått i uppdrag av Soya Group AB att genomföra en förstudie om möjligheten att kombinera fytosanering av förorenad mark med biomassaproduktion och omvandling till biobränslen för sjöfartssektorn. Arbetet har gjorts i samverkan med forskare från Sveriges lantbruksuniversitet. Rapporten sammanfattar och sammanför befintlig kunskap samt ger goda exempel och insikter från intervjuade experter. Begreppet ”phytomanagement” används vilket är ett begrepp för att beskriva en typ av markförvaltning där man med hjälp av växter minskar föroreningar eller på annat sätt förbättrar mark och samtidigt får nyttor av den produktion som sker på platsen, dels direkt via värdefull biomassa, men också indirekt genom en ökad tillgång på ekosystemtjänster. Nedan följer en kort sammanfattning av rapporten.Kapitel 2 beskriver fytosanering som är en teknik för att efterbehandla förorenad mark och vatten genom att använda växter och associerade mikroorganismer, jordförbättringsmedel och agronomiska tekniker. Den här typen av metoder kan ta bort, stabilisera eller minska giftigheten hos miljöföroreningar. Tekniken inkluderar olika processer som fytoextraktion, fytodegradering, rhizodegradering, fytostabilisering och fytovolatilisering. Växter som används för fytosanering kan absorbera och lagra föroreningar, bryta ner organiska föroreningar, filtrera föroreningar från vatten och stabilisera föroreningar i marken. Effektiviteten kan förbättras genom att använda jordförbättringsmedel och mikroorganismer. Fytosanering är särskilt användbar för att hantera måttliga eller låga koncentrationer av föroreningar och kan ge ekonomiska, sociala och miljömässiga fördelar. Tidsåtgången för att helt ta bort föroreningar kan dock vara mycket omfattande beroende på den specifika situationen.Kapitel 3 beskriver olika typer av biobränslen som används inom den maritima sektorn samt olika produktionsprocesser. Det finns olika typer av biobränslen relevanta för sjöfartssektorn, inklusive konventionella ”drop-in” bränslen (kan användas direkt utan att modifiera fartygsmotorer), avancerade bränslen (kan behöva modifiera fartygsmotorer eller har komplicerade produktionsprocesser) och biogas (kräver viss typ av fartygsmotorer). Bioenergi kan produceras från olika typer av biomassa och produktionen av biobränslen involverar tre huvudsakliga steg: 1) förbehandling av biomassa, 2) konvertering (via termokemiska, kemiska, biokemiska, biologiska processer eller kombinationer av dessa) och 3) raffinering och uppgradering till biobränsle. Termokemiska processer som pyrolys och förgasning är väl lämpade för vedartad biomassa. Biokemiska processer som fermentering och anaerob nedbrytning använder mikroorganismer för att producera etanol och biogas. Kemiska processer omvandlar t.ex. vegetabiliska oljor till biodiesel. Flera europeiska projekt undersöker möjligheterna att kombinera fytosanering med biobränsleproduktion, t.ex. GOLD, Phy2Climate och CERESIS. Ett antal kommersiella produktionsanläggningar för biobränsle finns i Europa och det finns flera företag som arbetar inom området.Kapitel 4 handlar om olika växters potential för fytosanering och som biomassa för biobränsle. Inom transportsektorn används främst ett-åriga olje- och stärkelsegrödor, medan inom produktion av elektricitet och för uppvärmning används fleråriga vedartade växter. Första generationens bioenergigrödor (oljeväxter och stärkelse/spannmålsgrödor) omgärdas av många kontroverser gällande att odla dessa för att producera bränsle på bördig jordbruksmark istället för matgrödor. Andra och efterföljande generationens bioenergigrödor (vedartade grödor eller rester från jordbruks- och trävarusektorn), är inte livsmedelsgrödor och bidrar därför inte indirekt till konkurrens om matproduktion men kräver mer komplicerad teknik för att producera biobränslen av. Andra generationens bioenergigrödor är generellt bättre lämpade för förorenad och/eller lågproduktiv mark. Ett urval av oljeväxter och vedartade växter beskrivs utifrån odlingsförhållande, fytosaneringspotential, produktionskapacitet och hur färdig tekniken är både avseende jordbrukstekniker samt biobränsleproduktionsteknik. Oljeväxter som beskrivs är solros, raps, senap, oljedådra (camelina), senap, oljekål (crambe) och tistel. Vedartade träd och gräsarter som beskrivs är sälg/vide/pil, poppel, elefantgräs, rödhirs, durra, pålrör, rörflen och hampa.Kapitel 5 handlar om produktion av biobränslen med förorenad biomassa. Föroreningarnas öde under omvandlingsprocesserna till biobränsle är komplext och varierar beroende på typ av förorening och temperatur. Det finns ännu inte tydliga regler och standarder för etablerade föroreningsgränser i biomassan. Metaller i biomassan kan orsaka problem som slaggformation, skador på katalysatorer eller korrosion i anläggningen. Föroreningar kan även påverka kvaliteten på biomassa och slutprodukten. För stärkelse- och oljebaserade energigrödor behöver den förorenade biomassan som blir över efter att stärkelse eller olja har extraherats hanteras på ett korrekt sätt, eventuellt för bioenergiproduktion genom förbränning, då med krav på rökgasfilter och ansvarsfull hantering av aska. Askan kan ha förhöjda halter av metaller och i dessa fall bör den ej spridas i naturen. Ett annat sätt att hantera problemen med förorenad biomassa är att odla grödor som specifikt inte tar upp föroreningar.Kapitel 6 handlar om markens förbättring över tid och andra typer av nyttor med fytosanering. Odling av bioenergigrödor kan ge flera fördelar, inklusive ökad kolinlagring, förbättrad markhälsa, ökad biologisk mångfald och andra ekosystemtjänster. Vid fytostabilisering kan spridning av föroreningar begränsas. Markens biologiska mångfald kan förbättras genom odling av bioenergigrödor, särskilt om grödorna odlas i så kallad polykultur. Vedartade växter ger habitat för fåglar och insekter, vilket främjar ekosystemtjänster som pollinering. Agroekologiska metoder, som växtföljd och samodling (intercropping), kan öka avkastningen och förbättra markens kvalitet. Agroforestry-system, där träd integreras med andra grödor, kan maximera ekosystemtjänster som kolinlagring och minskning av erosion. Markförbättring genom tillsats av organiskt material som kompost och biokol kan vara nödvändiga för att stödja växtlighet och öka avkastningen, speciellt om marken inte är av god kvalitet.Kapitel 7 ger en översikt över tillgången på mark som kan vara lämplig. Inom EU är mer än 1/3 av den förorenade marken påverkad av metaller, ca 1/3 med oljeföroreningar och ca. 13% med PAHer. Globalt uppskattas 380 – 470 miljoner hektar mark vara olämplig för livsmedelsproduktion på grund av föroreningar men kan vara lämplig för bioenergigrödor. I Europa finns det miljontals hektar förorenad mark som kan användas för att producera bioenergigrödor, vilket kan motsvara ca. 10 – 50 % av den nuvarande globala konsumtionen av flytande bränsle. En undersökning inom GOLD-projektet uppskattade att cirka 2 miljoner hektar av den förorenade marken i EU är lämpliga för fytosanering. Frankrike, Tyskland, Spanien och Storbritannien har de största områdena av potentiellt förorenade platser. Det finns också landspecifika uppskattningar, inklusive cirka 900 tusen ha i Rumänien och 750 tusen ha i Sverige. Europa, främst centrala och östra Europa, norra Italien, östra Tyskland och norra Frankrike, har goda möjligheter för odling av bioenergigrödor på övergiven jordbruksmark som kan också eventuellt ligga nära befintliga eller potentiella biobränsleproduktionsanläggningar.Sammanfattningsvis så är idén om phytomanagement av förorenad mark för att förbättra jordar och producera användbar biomassa för biobränsleproduktion till konkurrenskraftiga priser genomförbar. Det finns dock en del frågeställningar som kvarstår för att säkerställa ekonomisk genomförbarhet. Höga kostnader för biomassa och produktion gör biobränslen mindre konkurrenskraftiga jämfört med fossila bränslen, varför en effektiv bioenergiproduktion och hantering av förorenad restbiomassa är avgörande. Transportavstånd från biomassaproduktion till biobränsleproduktion och sedan för färdig produkt får inte vara för långt. En affärsmodell krävs även för de lantbrukare som äger mark och/eller brukar mark så att investeringar i bioenergigrödor kan löna sig. På kort sikt är första generationens grödor med oljeväxter på övergiven jordbruksmark mest genomförbart, men på längre sikt, när tekniken för att producera biobränslen från vedartade växter har mognat blir även andra möjligheter större.