Small-scale biodiesel production based on a heterogenous technology

Abstract

In a world where the growing concern for global warming and the problems concerning planet earth is confirmed by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) . Thesearch for alternatives to replace the use of finite fossil fuels and cut green house gas (GHG)emission has commenced. Biodiesel, a biofuel derived from fat and vegetable oil based feedstock is one such alternative. However, a large enough biodiesel production to supply the demand for fuel is beinglimited by cost in terms of raw materials and a sustainable production. The feedstock limitations and failing biodiesel production strategy in Norway necessitates the development of more efficient production technology more suited for the Norwegian marked. This thesis examines an alternative viable biodiesel system based on heterogenous production technology in a small-scale plant were the feedstock is mainly waste vegetable oil. In order to identify the most suitable technology, the following three objetive were set:

Identify a suitable heterogenous technology for a small-scale biodiesel plant. Present a model for the suggested production method. Determine the economical sustainability of the model.

In order to achive these goals a detailed litterature review of conventional biodiesel production technology and a comparison of it to heterogenous technology will be performed. From this review, heterogenous catalysed technology was identified as a suitable method for small-scale biodiesel production from waste vegetable oil. As a continuation, a review of some existing heterogenous acid and alkaline catalysts was preformed. From the review, it was purposed that combining a heterogenous acid catalyst such as “Amberlyst BD20” and an alkaline catalyst like “Calcium oxide” (CaO) in a two-step heterogenous process. This process could result in a more efficiant conversion of waste feedstock and create a viable biodiesel production model. The two-step production model, based upon small-scale operations, was presented and simulated in the software “Aspen Plus”. The Aspen simulation provided a flowsheet of a potential plant, data for the operation parameters and the mass flow over the plant. The flowsheet gained from Aspen made it possible to create a conceptual design of small-scale plant in “Solidworks” and a review of proposed equipment for use in a potential plant. As a practical supplement to the thesis some critical modules were constructed that later could be implementet in a larger plant, but also work as a standalone. An example of this was the centrifuge modul created during the run of this thesis. In addition, a conceptual design of the small-scale plant was made using the solid modelling program “Solidworks”. To create an economic analysis of the plant, the data gained from Aspen was transferred to the economical evaluation tool “SuperPro” and a new simulation was preformed focusing on the economical aspect. Two scenearios was simulated: one for a commercial use small-scale plant in a Renovation company and one simulation for a single producer, in this case a Norwegian farmer. The aim was to determine the payback time of the investment in a biodiesel plant by varying the selling price of the final product in the two scenerios between $ 1, 75 down to $ 0, 83 pr liter biodiesel and changing the production intervall. The most realistic results showed that a resonable payback time of 1.9 years (singel producer) and 4.2 years (commerical scenario) could be achived even if the retail price was much lower than the ordinary retail price. Based on the data collected and the results from the simulations, the combination of a heterogenous technology and a small-scale production model, seems to be a very interesting option for the future biodiesel production in Norway.

I en verden der bekymringen for oppvarming planeten vår setter større preg på hverdagen, en bekymring som blir bekreftet av FNs klimapanel (IPCC). Har letingen etter alternativer for å erstatte bruk av fossile brensler for å kutte drivhusgasser (GHG) utslipp blitt påbegynt. Biodiesel, et biobrensel produsert fra vegetabilsk olje basert råstoff er et slikt alternativ. Det produserers imidlertid ikke nok biodiesel til å forsyne etterspørselen etter drivstoff som blir begrenset av kostnadene i råvarer og en lite bærekraftig produksjon. Som et resultat av begrenset råstofftilgang og en sviktende biodiesel produksjonsstrategi i Norge, undersøker denne avhandlingen en alternativ levedyktig biodiesel system basert på heterogene produksjonsteknologi i et småskala anlegg som bruker avfall som råstoff. I jakten på en levedyktig biodiesel produksjon, er følgende tre mål satt:

Identifisere en passende heterogen teknologi for en småskala biodieselanlegg. Presentere en produksjonsmodell for den foreslåtte teknologien. Bestemme om modellen er økonomisk levedyktig.

Målene som er satt fører til et behov for en detaljert gjennomgang av konvensjonell biodiesel produksjonsteknologi og sammenligne det med heterogen teknologi. Fra denne gjennomgangen, ble heterogen katalysert teknologi identifisert som en egnet metode for småskala produksjon av biodiesel fra avfall. Som en fortsettelse, ble en gjennomgang av noen spennende heterogene syre og alkaliske katalysatorer gjennomført. Fra denne sammenligningen, ble det teoretisert at ved å kombinere en heterogen syrekatalysator som f.eks Amberlyst BD20 og en alkalisk katalysator som "Kalsiumoksyd (CaO) i en to-trinns prosess kan resultere i en effektiv omdannelse av avfallsråstoff og skape en levedyktig biodiesel produksjonsmodell. Denne to-trinns produksjonsmodell, basert på småskala operasjoner, ble presentert og simulert i programvaren "Aspen Plus". Aspen simulering produserte en flytskjema av et mulig anlegg, data for operasjonsparametere og massestrømmen over anlegget. Flytskjemaet fra Aspen gjorde det mulig å lage et konseptdesign av småskala anlegg i "Solidworks" og en gjennomgang av foreslått utstyr for bruk i en potensiell anlegg. Som et praktisk supplement til avhandlingen ble noen kritiske modulene bygget som senere kan bli brukt i et større anlegg, men også fungere som en frittstående modul. Et eksempel på dette var sentrifugemodulen bygd under denne masterperioden. I tilegg ble et konseptuelt design av biodieselanlegget tegnet i «Solidworks». For å utføre en økonomisk analyse av anlegget, ble data fra «Aspen» overført til det økonomiske evalueringsverktøy "SuperPro" og en ny simulering ble gjennomført med fokus på det økonomiske aspektet. To senarioer ble simulert: en for kommersiell bruk av småskala anlegg i et Renovasjonsselskap og en simulering for enkelt produsent, i dette tilfellet en norsk bonde. Målet var å bestemme tilbakebetalingstid på investeringen i et biodieselanlegg ved å variere salgspris på sluttproduktet i de to senarioene mellom $ 1.75 ned til $ 0.83 pr. kg biodiesel produsert og endre produksjonenintervallet. Resultatene viste at en rimelig tilbakebetalingstid kunne oppnås på 1.9 (enkelprodusent) og 4.2 år (renovasjonselskap), selv om salgspris var mye lavere enn den ordinære utsalgspris. Basert på innhentet data og oppnådde resultater, kan det bety at kombinasjonen av en heterogene teknologi og et småskala anlegg er en meget interessant alternativ for fremtidens biodieselproduksjon i Norge.