Deponigasberäkning fastigheten Sköndal 1:1

Transkript

1 SKÖNDAL Deponigasberäkning Deponigasberäkning fastigheten Sköndal 1:1 Syfte Citres AB har på uppdrag av Tyréns genomfört en bedömning av gasbildningspotentialen inom fastigheten Sköndal 1:1. Fastighetens lokalisering framgår översiktligt ur Figur 1. Fastigheten avses exploateras för framtida bostäder. Figur 1. (Flyg)foto med aktuellt område (eniro.se). Allmänt om deponigas Med deponigas eller upplagsgas avses gas som bildas i avfallsupplag under anaeroba, dvs syrefria, förhållanden genom mikrobiell nedbrytning av organiskt material. Typiskt dominerar upplagt organiskt avfall av cellulosa och därför utgörs deponigasen av främst metan (CH 4 ) och koldioxid (CO 2 ) med en andel av ca 50% vardera. Mätningar på svenska upplag omfattar ett intervall om 35-60% metan men kan också vara så lågt som ett fåtal procent. De lägre metanhalterna kan förklaras av låg metanproduktion beroende på torrt eller väl nedbrutet avfall och pga stort luftinläckage i deponin. Det finns även små mängder av framförallt svavelväte och ammoniak i gasen. Tabell 1 visar generell deponigassammansättning från avfallsdeponier. Tabell 1. Typisk deponigassammansättning (baserad på torr gas). Gaskomponent Metan Koldioxid Kväve Svavelväte Koncentration vol-% vol-% 1-20 vol-% ppm Tekn.Dr. Sami Serti Citres AB Tfn (mobil): Örtagårdsvägen 65 E-post: sami.serti@citres.se Norsborg Org.nr Säte: Stockholms län 1(8)

2 Klor 250 mg/nm 3 Diklormetan 400 mg/nm 3 Tetraklorethylen 233 mg/nm 3 Freon mg/nm 3 Deponigas är den gas som finns i eller bildas i deponier och den påverkas av flera faktorer än den anaeroba nedbrytningen av organiskt avfall. Mängden deponigas som kan bildas i ett avfallsupplag beror på avfallets mängd och sammansättning. Den bildade gasens sammansättning i sin tur beror på avfallets typ och struktur, upplagsteknik och upplagets miljö. Mellan dessa faktorer finns ett komplext beroende. Ett avfall med hög halt organiskt material har en stor gasbildningspotential men andra faktorer kan trots det göra att gasbildningstakten blir låg. Ett avfall med en viss gasbildningspotential kan å ena sidan brytas ned betydligt snabbare i finfördelad form, å andra sidan kan en finfördelning i kombination med kompaktering medföra transportbegränsningar och inhibering av nedbrytningen bl a beroende på en ackumulering av nedbrytningsprodukter. Ytterliggare ett exempel på en hämmande faktor är löst sulfat som förhindrar omvandlingen av acetat till metangas. Normalt gynnas anaerob nedbrytning av högre fukthalt och värme. Figur 2 visar, schematiskt, de faktorer som påverkar gasbildning i avfallsupplag. Dessa faktorer är ofta suboptimala i avfallsupplag. Temperatur Avfallssammansättning Eh ph Alkalinitet Näring Toxiska föreningar Figur 2. Faktorer som påverkar gasbildning i upplag. Allmänt om deponigasens rörlighet och dess explosionsområde En farhåga med producerad metangas i deponier är att den migrerar horisontellt långa sträckor och därmed utgör risk för gasolyckor inom bostadsområde. På grund av att kompaktering av avfall normalt sker i horisontella lager har upplaget en högre horisontell permeabilitet (genomsläpplighet) än vertikal. Då gasen är lättrörlig kan detta medföra att gas letar sig ut från upplaget via dräneringar och kanaler, med explosionsrisk i omgivningen som följd. Risken är speciellt uttalad vintertid med anledning av att ett sk tjällock kan uppkomma i markens överska skikt vilket försvårar gasavgång genom markytan. I avfallet kan i vissa fall nästan 40 gånger större gasflöden transporteras i horisontell led än i vertikal led. Deponigas är brännbar och explosiv på grund av den höga halten metan. Eftersom metan är en brandfarlig gas inom vissa koncentrationer, kan det vid gasläckage i slutna rum uppstå en explosiv gasblandning. Metan är en energirik gas med en undre explosionsgräns på 5% och en övre explosionsgräns på 15% vid inblandning i luft. Energiinnehållet i deponigas är, beroende på Deponigas Fukt Luftning Infiltration 2(8)

3 metaninnehåll, ca 4,5-5,5 kwh/nm 3. Deponigasens explosionsområde framgår av Figur 3. Deponigas är lättare är luft. Figur 3. Explosionsområde. Deponigasen kan dessutom genom sitt innehåll av koldioxid orsaka kvävning. Transportmekanismer för gas Det finns i princip tre olika transportprocesser som beskriver gastransporten. De är diffusion, konvektion och advektion. För att ge en förståelse för de faktorer som påverkar gasmigration presenteras de tre transportprocesserna översiktligt nedan. Diffusion är en icke-reversible process där deponigas transporteras från ett område med hög koncentration till ett område med lägre koncentration. Diffusion strävar efter att utjämna koncentrationsskillnader. Transporten kan kvantifieras med hjälp av Ficks lag: N D e c x där N är metanflödet (mol CH 4 /(m 2, s)), D e är den effektiva diffusionskoefficienten (m 2 /s), c är koncentrationsskillnaden mellan de punkter som gasen skall transporteras mellan och x är avståndet mellan de områden som gasen skall transporteras (mellan deponin och det slutna utrymmet). Den parameter som har störst inverkan på diffusionen är diffusionskoefficienten. Den effektiva koefficientens storleksordning beror bla av markens porositet, porstruktur, fukthalt etc. Som ett illustrativt exempel kan det nämnas att diffusion av gas sker gånger snabbare i omättad mark jämfört med fullständigt vattenmättad mark. Konvektion syftar på gasrörelser som uppkommer pga densitetsskillnader som i sin tur beror av temperatur- eller koncentrationsskillnader. Denna process kan illustreras med den sk skorstenseffekten, dvs när temperatur är högre i marken än i omgivningen ovan tenderar gasen att migrera uppåt. Hur mycket gas som transporteras med konvektion kan uppskattas med följande uttryck: (1) 3(8)

4 k q g T g c me tan (2) Utan att gå in på några detaljer kring ekvation (2) kan det nämnas att den första termen representerar temperaturberoendet och den andra termen tar hänsyn till koncentrationsskillnader i marken. Advektion styrs av tryckskillnader, där gasen strävar från det högre trycket till det lägre trycket. Ett annat och kanske lite mer populärvetenskapligt sätt att uttrycka advektion på är att referera till det naturliga flödet som uppkommer pga gravitationen. För att bespara läsaren en hel del matematiska ekvationer och härledningar kan det påpekas att den mest viktiga parametern som påverkar storleken på denna transportmekanism är markens (den som deponigasen migrerar i) permeabilitet. Notera att permeabilitet beror enbart av marken och är oberoende av vilket fluidum som strömmar. I tex hydrologisammanhang är fluidet vatten varför sk hydraulisk konduktivitet används. Med hjälp av matematiska uttryck som tar hänsyn till såväl gasens som markens egenskaper kan en sk hydraulisk konduktivitet för gasen beräknas. Sammanfattningsvis kan det konstateras att gasmigration påverkas av gasens effektiva diffusionskoefficient och markens permeabilitet vilka bägge delvis beror av markens porositet, porstruktur och fukthalt. Vidare beror gasmigration också av temperatur, koncentration av metangas samt tryck. Tryckvariation kan uppstå av tex atmosfäriska tryckförändringar eller i marken orsakad av grundvattenfluktuationer. Modellberäkningar med LaGas Att beräkna gasproduktion och gasuttagsmöjligheter ur en avfallsdeponi är en mycket komplex uppgift där avfallets sammansättning, ålder, nedbrytningsförutsättningar mm ska vägas samman. LaGas är ett simuleringsprogram som kan utföra kvalificerade beräkningar av gasproduktionen i ett avfallsupplag. LaGas beräknar, utgående från årlig statistik över avfallssammansättning och deponerade mängder, gasproduktionen i deponin vid olika tidpunkter i ett 100 års-perspektiv. Programmet kan användas för att bedöma aktuell gasproduktion i deponin samt för att göra framtidsprognoser. Resultatet bidrar normalt till en större förståelse för gasproduktionsutvecklingen i ett upplag. Det finns dock ett flertal olika uttryck som tar hänsyn till tidsaspekten. Ett av dem är det som presenterades av Tabasaran år 1976: G a G (1 e e kt ) där G a är ackumulerad gasmängd tom år t (Nm 3 /ton), G e är gasbildningspotentialen (Nm 3 /ton), k är nedbrytningskonstant (1/år) vilken är ett mått på hur snabbt materialet bryts ner och t är tiden i antal år (år). Det viktigaste antagandet vid gasberäkningar är att upplaget antas vara homogent och poröst. Beräkningen tar hänsyn till avfallets nedbrytningshastighet som tar hänsyn till avfallets sammansättning. För att erhålla ett värde från simuleringen som är så nära det sanna värdet som möjligt tar programmet hänsyn till att avfallet består av flera fraktioner så som lätt-, medel- och svårnedbrytbart avfall som sedan vägs samman. (3) 4(8)

5 Tillförlitligheten i resultat från LaGas -beräkningar är mycket beroende av kvaliteten på de indata som används dels om avfallet, dels antaganden om nedbrytningsförhållanden i deponin. LaGas - beräknar t ex inte förluster i gaspotential som uppstår på grund av bränder. Erfarenheter från tidigare gjorda beräkningar är dock mycket goda. Förutsättningar deponerat avfall För att kunna göra en uppskattning av gasproduktionen inom fastigheten Sköndal 1:1 krävs bl.a. kännedom om vilka avfallsslag som ger upphov till deponigasbildning samt vilka mängder som har deponerats under årens lopp. Som underlagsmaterial har följande dokument använts: 1. Sammanfattande PM mark och grundvatten Sköndal Etapp 2, Slutrapport, Planritning provtagningspunkter mark, Bilaga 3, Planritning provtagningspunkter porluft, Bilaga 4, Resultattabell jord, inkl jordartsbestämning och fältanteckningar, Bilaga 5, Resultatsammanställning jord Platsspecifika riktvärden, Bilaga 1, Resultatsammanställning Sköndal etapp 2B, Bilaga 4, Planritning med miljöpunkter och GV-rör. 8. Flygfoto med aktuellt område markerat 9. Grundkarta Planområdet upptar en yta av ca 10 ha. Det aktuella området kan i princip delas upp i tre delområden, se Figur 4, där: delområde 1 (norra delen som utgör ca 20% av hela området) har ett fyll på max 3 m, delområde 2 (mellersta området, mellan norra och södra delområdet, som utgör ca 50% av hela området) har en fyll på mindre än 6 m medan delområde 3 (södra delen, som utgör 30% av hela området) har en fyll på upp till 10 m. 5(8)

6 Figur 4. Aktuellt område uppdelat i tre delområden. Området har sedan 1960-talet fyllts ut med bygg- och rivningsavfall. Enligt uppgift har rivningsavfall från Klarakvarteren i Stockholm lämnats här. Även massor från byggandet av Globen har hanterats på platsen. Fyllningen i området utgörs av sand, grus, sten, block, rivningsmassor etc. NCC Ballast har fram till 2011 använt området som sorterings- och krossyta. Från sammanställningen över provtagningspunkter i mark, jordartsbedömningen och fältanteckningar kan det noteras att det ej har deponerats organiskt material i delområde 1 och 2. Provtagningar har omfattat delområdets fyllmäktighet. I delområde 3 (den södra delen) förefaller det som att provtagning har utförts till max 4 meters djup. Dessa översta 4 m av fyll innehåller ej deponerat organiskt avfall. Utifrån befintligt underlagsmaterial bedöms inte fyllnadsmassorna ge upphov till deponigas då de är oorganiska. Då de underliggande sex (6) metrarna av fyll ej har omfattats av provtagning görs här ett konservativt antagande betr massornas innehåll av organiskt material. Detta i syfte att inte underskata ev gasproduktion från de underliggande massorna. Om det, som ett konservativt värde, antas att 1% av de underliggande massorna består av organiskt material (plast och trä från bygg- och rivningsavfall) samt att denna deponerad mängd fördelas jämt över åren innebär det att ca 317 ton organiskt avfall deponerades årligen. Detta motsvara hushållsavfall som ca personer årligen genererar. Det bör dock påpekas att mängden organiskt avfall i massorna med detta antagande troligtvis är starkt överskattad. Föreliggande gasberäkningar bygger på att deponering har skett (8)

7 Beräkning Gassimuleringsberäkningarna har gjorts med normal nedbrytningshastighet i upplaget. Det har antagits att nedbrytningsförhållandena är gynnsamma under utvinningsperioden och påverkas ej negativt av en ev exploatering av området. Detta antagande resulterar i en överskattning av gasproduktionen. I beräkningarna har det ansats att deponigasutvinning kan starta 2013 samt pågå till och med år 2032, dvs 20 år. Med givna förutsättningar visar beräkningarna att möjligt deponigasuttag ur det aktuella området kommer att uppgå till totalt ca Nm 3 under utvinningsperioden, dvs ringa m 3 /år. Det motsvarar en gasutvinningsanläggning med en gaseffekt på ca 2,3 kw. I Figur 5 nedan redovisas deponigasproduktionen från den södra delen av exploateringsområdet Deponigasproduktion (Nm 3 /år) Year Figur 5. Resultat från simulering av deponigasproduktion i uppskattat avfall i den södra delen av exploateringsområdet. Ur grafen i Figur 5 kan det noteras att deponigasproduktionen avklingar kraftigt med tiden, efter det att deponering har upphört. Vidare kan det noteras det mesta av gasen har bildats och lämnat området. Ovan beräknad gasproduktion har förutsatt att allt avfall ligger inom området där gasuttag kan ske, bl a där mäktigheten är minst 4-5 m. Detta innebär en mindre överskattning av de verkliga gasutvinningsmöjligheterna. Som en känslighetsanalys har också mängden organiskt avfall i avfallsfraktionen bygg- och rivningsavfall fördubblats. Detta innebär att mängden organiskt material skulle motsvara lika mycket hushållsavfall som personer årligen genererar. Beräkningarna med den högre andelen organiskt innehåll som kan omvandlas till deponigas visar att deponigasproduktionen endast skulle öka till Nm 3 /år under utvinningsperioden (20 år). Uttryckt i gaseffekt innebär det en ökning från 2,3 kw till 4,9 kw. Bygg- och rivningsavfall Uppskattad framtida gasutvinningsperiod 7(8)

8 Slutord Med givna förutsättningar visar beräkningarna att möjligt deponigasuttag inom del av fastigheten Sköndal 1:1 uppgå till ringa m 3 /år vilket motsvarar en gaseffekt på ca 2,3 kw. Generellt gäller som regel att en deponigasanläggning bör ha en effekt på ca kw (vilket motsvara ett gasutttag på Nm 3 /år) för att vara tekniskt intressant. Utförda beräkningar visar att genererade gasmängder är långt ifrån tillfredsställande för att det ska vara tekniskt möjligt och ekonomiskt rimligt att tillvarata deponigasen från fastigheten Sköndal 1:1. Detta trots att det organiska innehållet i avfallet bedöms ha överskattats i beräkningarna. Sammanfattningsvis görs bedömningen att den beräknade mängden deponigas är ringa och inte utgör ett hinder för att anlägga bostäder inom fastigheten Sköndal 1:1. Aspekter kring deponigasutvinning blir mer nyanserad om den organiska mängden sätts i relation till mängden oorganiskt material i deponin. Även om mängden organiskt material ensamt skulle visa sig tillräckligt för deponigasproduktion kan gasbildningsprocesserna hämmas genom att det organiska avfallet drunknar i de inerta massorna som är åtskilliga gånger större. Provgrävningar som utfördes i omgångar mellan åren visar att avfallet inom fastigheten i huvudsak utgörs av sand, grus, sten, block, etc. Resultaten från utförda grävningar ger ytterligare tyngd åt att den beräknade gasproduktionen förmodligen är överskattning jämfört med reella förhållanden. Det bör dock poängteras att vid uppskattning av den mängd gas som bildas i deponin har det antagits att hela deponin är homogen och porös vilket i praktiken innebär att nedbrytning sker överallt och samtidigt i deponin. Emellertid ser inte verkligheten ut så utan en deponi är ett heterogent system. I vissa områden sker nedbrytning av organiskt material och därmed deponigasproduktion medan det t ex bara en armslängd bort inte förekommer någon gasproduktion. Om inte de rätta förhållandena (med avseende på fukt, temperatur etc.) utvecklas kommer dessa sk inaktiva delar av deponin att förbli passiva. Detta innebär att gasproduktionen förmodligen inte sker jämt fördelad över hela deponin utan endast i vissa delar av deponin. Mot bakgrund av detta och de antaganden som gjordes vid deponigasproduktion inses därmed att de gasmängder som nämndes för fastigheten Sköndal 1:1 är de teoretiskt maximala, dvs överskattningar jämfört med reella förhållanden. En osäkerhetsfaktor i dessa beräkningar är bedömningen av hur förhållandena i deponin kommer att bli pga ev exploateringsaktiviteter. Det bör noteras att i beräkningarna har hänsyn ej tagits till att gasproduktionen kommer att påverkas negativt vid ev exploatering. Tänkbara aktiviteter som kan påverka gasproduktionen negativt är schaktning som resulterar i att aeroba förhållanden uppstår i de deponerade massorna (deponigas bildas under anaerob förhållanden), kompaktering och överdäckning som resulterar i att mindre nederbörd infiltrerar till massorna som i sin tur resulterar i lägre fukthalt med konsekvensen att gasproduktionen avtar helt eller delvis. Detta betyder att gasproduktionen överskattats. Den gasmängd som är praktiskt möjlig att utvinna är betydligt mindre än den teoretiska gasbildningspotentialen. Anledningen är dels att inte allt avfall bryts ned på grund av t ex inkapsling, inhomogena förhållanden mm. Dessutom kan andra produkter än gas bildas. Halten metangas kan variera t ex på grund av att viss del av nedbrytningen sker aerobt och då bildas ingen metangas. Sami Serti Citres AB 8(8)