Biogasproduktion från alger - en sammanfattning Emelie Schmidt Verksamhetsförlagdkurs för biologistudenter Högskolan Kristianstad

Transkript

1 SKÅNES HAV OCH VATTEN Biogasproduktion från alger - en sammanfattning Emelie Schmidt Verksamhetsförlagdkurs för biologistudenter Högskolan Kristianstad [Biogasproduktion är ett ämne som är väldigt hett idag. Många hoppas att detta kan vara en del av lösningen till Jordens framtida energiproblem. Man har börjat undersöka vad man kan använda som substrat vid biogasframställning och många blickar vänds till bl.a. havet. Alger är en heterogen grupp som finns i både salt- och sötvatten. Går det att odla alger kommersiellt i Sverige och finns det ekonomi i att använda dem i biogasproduktionen.]

2 1 Innehåll 2 Syfte Bakgrund Biogasproduktion Våtrötning Torrötning Alger Algodling Open ocean farming Öppna system Slutna system Metod Resultat Marin biomassa alger som energikälla EU life algae - Alger i överflöd skördas för livet Algprojekt i Umeå WAB Wetlands Algae Biogas Övriga studier Diskussion Referenser

3 2 Syfte Syftet med denna studie är att undersöka vad som har gjorts i Sverige inom biogasproduktion från alger. 3 Bakgrund Vi står inför stora problem i framtiden, bl.a. klimatförändringar med temperaturhöjningar samt ändrade havsnivåer, övergödning av våra hav och vatten med algblomningar som följd, vårt stora energibehov, som fortfarande ökar, samt vår begränsade oljeresurser. Allt hänger ihop och vi är alla en del av vårt globala ekosystem. Här i Östersjön så har vi ett ökat problem med övergödning. Övergödningen leder till ökade algblomningar, som i sin tur leder till en ökande syrebrist på vår havsbotten. En syrefri havsbotten släpper ifrån sig fosfor som annars skulle legat lagrad i sedimenten. Detta fosforläckage ger algerna en möjlighet att växa till ännu mer och vi får en ond cirkel. Idag är det många som vänder blickarna mot havet för att ta nästa steg i vår framtida överlevnad. Det kan gälla som en källa för mat, nya mediciner eller att utvinna energi. Man förstår att de fossila bränslena inte kommer räcka i all evighet och vi ser idag att vi kommer behöva en ny energikälla. Många tankar har vänts mot biogas men det är också väldigt tudelat då man odlar produkter till biogasframställning på mark som annars kunde ha producerat mat till jordens växande befolkning. Det är här som algerna kommer in, dvs. att skörda alger i havet/stranden, odla i öppna eller slutna system på land med avrinningsvatten från sopptippar eller från avlopp. Många gånger kan man också odla på platser som inte är attraktiva för matproduktion. 3.1 Biogasproduktion Biogasproduktionen börjar med att vi har ett organiskt substrat som vi kan röta. Det kan vara matavfall, gödsel, slam från reningsverk, alger ect. Olika substrat har olika stort metanutbyte och samrötning (en blandning av två eller fler substrat) ger ofta en större avkastning. Det är viktigt att man får rätt mängd näringsämnen för att optimera metanutbytet. Detta gäller speciellt C/N-kvoten som inte får bli för låg då det finns risk för ammoniakutveckling som kan vara toxiskt för de metanbildande mikroorganismerna. Vissa substrat behöver en viss förbehandling för att alla steg i processen ska fungera optimalt (detta gäller bland annat pumpning, omrörning och nedbrytning). Vissa material behöver en ökad vattenhalt medan andra behöver minska vatteninnehållet. När det gäller matavfall så kan det behövas en viss sortering för att tex utesluta felsorterade material. Själva rötningen går i huvuddrag till i tre steg: hydrolysen, fermentation och metanbildning. I hydrolysen så sönderdelas mer komplexa strukturer till socker och aminosyror av mikroorganismer med hjälp av enzymer. Fermentationen är en jäsning där flertalet mellanprodukter bildas, bland annat alkoholer, fettsyror och vätgas. Sedan kommer metanbildningen som sker med hjälp av metanbildande mikroorganismer som har väldigt speciella krav på sin miljö. Detta gäller bland annat temperatur, ph och att det är en anaerob miljö. Idag har man två olika metoder för att röta organisktmaterial, det är våtrötning och torrötning. Inom 3

4 varje metod kan det finnas flera olika tekniker, men jag kommer ta det i stora drag (3,5,7) Våtrötning Våtrötning innebär att man rötar ett organiskt material (blandning) med en torrsubstanshalt (TS) på under 10 %. Substratet förbehandlas genom att det sker en viss finfördelning och vattenhalten justeras för att det ska kunna pumpas in i rötkammaren. Ofta värmer man upp materialet innan det når rötkammaren för att hålla en så optimal miljö som möjligt för de metanbildande bakterierna. Rötresterna blir i detta fall av typen flyttgödsel ifall det inte avvattnats(3,6) Torrötning Vid torrötning använder man substrat med en TS-halt på %. Man kan även säga att substratet är staplingsbart. Det finns som sagt olika tekniker, men man skiljer på en- och två-stegsrötning. I en-stegsrötning så staplar man in substratet i en passivbädd. Detta kan ske genom att man gör det i en slang (tänk ensilering) eller i en perkolationsbädd (garageliknande rötkammare). Sedan tappas metangasen ut. Detta till skillnad mot att i en två-stegsrötning låta vatten rinna över substratet och lakvattnet som blir förs in i rötkammaren där de metanbildande bakterierna finns(10). 3.2 Alger Det som vi kallar alger är en heterogen grupp som vi kan dela in i tre olika grupper: grön-, röd- och brunalger. Man pratar även om makro- och mikroalger, detta är en uppdelning som har gjorts eftersom alger kan vara mellan 1 µm till 70 m långa. Enkelt kan man säga att makroalger är de man kan se med blotta ögat medan man behöver förstoring för att se mikroalger. Undantaget är vid algblomningar då mikroalgerna tillväxer mycket kraftigt till antalet och kan ses på mycket långt håll(1,3,4). 3.3 Algodling När man nu har fått upp ögonen för den resurs som algerna är så vill man kunna odla dem på ett produktivt sätt som både är ekonomiskt och lätthanterligt. Eftersom algerna är en så skiftande grupp så finns det ingen universal lösning. Flera olika sorters algodling har man testat beroende på vilken alg/alggrupp som avses. Problemen man möter har att göra med odlingssystem, skördesystem, omvandlingssystem och underhåll av algodlingen(1,3,4) Open ocean farming Större eller mindre storskalig odling av t.ex. alger ute till havs på artificiella substrat. I USA har man till största del tittat på möjligheterna att odla kelp, Macrocystis pyrifera, eftersom den växer naturligt längs bland annat Kaliforniens kust. I Japan har man sedan länge odlat alger för den humana konsumtionen, detta gäller speciellt rödalgssläktet Porphyra. Detta gör man genom att fästa ut nät som är förankrade samt besådda med sporer. Ett problem som man har stött på är hur man ska kunna tillgodose algernas näringsbehov; anlägger man dessa odlingar längre ut till havs så är ofta ytvattnet ganska näringsfattigt. För att komma till rätta med problematiken så har man i vissa fall tillsatt näring i form av konstgödsel eller pumpat upp näringsrikt bottenvatten(4). 4

5 3.3.2 Öppna system Öppna system innebär ofta att man odlar makro- eller mikroalger i bassänger eller så kallade race-ponds. Dessa kan med fördel anläggas i närheten av kraftverk eftersom man då skulle få tillgång till CO 2 som man då bubblar genom odlingen. Dessutom behövs det ofta en viss omrörning för att få en jämn spridning av både näringen och algerna. Nackdelen är dock att man har en risk för kontaminering från andra alger eller bakterier. Detta kan man försvåra genom att odla algerna i extrema miljöer, till exempel genom att ha en hög salthalt. Men då får man också färre antal arter att välja på och just dessa kanske inte har de eftertraktade egenskaperna som man vill ha fram (2,3) Slutna system Om man odlar alger i slutna system så gäller det ofta att man odlar mikroalger i någon form av bioreaktor. Detta kan ske genom att man odlar dem i genomskinliga påsar, plattor eller rör av plast eller glas. I alla fallen så låter man CO 2 bubbla igenom behållarna. Odlingarna belyses med antingen solljus, speciella lampor eller en kombination av dessa. Även dessa kan med fördel placeras nära kraftverk för att få tillgång till CO 2 (1,2). 4 Metod Detta har varit ett helt teoretiskt arbete där jag har undersökt vad som har gjorts när det gäller biogasproduktion av alger. Jag har sök information på nätet (hemsidor och vetenskapliga artiklar) samt varit med på ett möte i Trelleborg om WAB-projektet. 5 Resultat Vad som har gjorts i Sverige: 5.1 Marin biomassa alger som energikälla Detta projekt utfördes av Nämnden för energiproduktionsforskning mellan De undersökte vad som har gjorts hittills angående algodling, biogasproduktion från alger, biogasprocesser och vad som kan anpassas till våra svenska miljöer. I USA hade man framförallt tankar på att odla kelp eftersom man redan hade utvecklad teknik för skörd. Tanken var även att man skulle kunna odla kelpen med Open ocean farming. Man hade en del problem med näringstillskottet och testade att tillsätta konstgödsel eller att pumpa upp bottenvatten. Man tittade även på att de i Japan odlade rödalger genom att sätta ut nät för skörd av rödalgen Porphyra. I Sverige har vi dock inte dessa förutsättningar, även om vi har en mycket lång kust, på grund att den låga salthalten i Östersjön utesluter flera arter. Open ocean farming har funnits i tankarna att testa på Västkusten men det skulle antagligen medföra problem med fiskeriverksamheten. Man har istället tittat på att odla alger i grunda havsvikar, men det känns som ganska problematiskt med tanke på strandskyddet. Man har även tittat på att ha algerna som ett substrat för biogasproduktion. Detta gav lovande resultat men behöver undersökas mer(3). 5

6 5.2 EU life algae - Alger i överflöd skördas för livet Ett EU-projekt som är ett samarbete mellan Sverige, Åland och Finland. Projektet pågick mellan Idén är att man kan minska den belastning som vikarna i havet utsätts för av den massiva tillväxten av fintrådiga alger som sker idag. För att vi ska få ett mer hälsosamt hav på sikt måste vi delvis också ta tag i problemen de orsakar idag. Tanken är att vi ska minska belastningen genom att ta upp de fintrådiga algerna och utnyttja dem till att göra biogas istället. Man har utvecklat en skördeteknik för att skörda algerna ute i vikarna. Algskördaren ska kunna skörda de flyttande algerna om vattendjupet är minst 30 cm utan att det blir för stor påverkan på botten och faunan. Man ville även se ifall de alger som man skördade kunde användas till något användbart. Man testade att tillverka papper med alger som ingående material, vilket gav ganska stor framgång. Här finns det viss potential att utveckla. Att använda algerna som gödning eller jordförbättring lyckades inte heller så bra eftersom de har ett högt innehåll av både salt och kadmium. Dessutom så är fosfor innehållet lågt. Man provade även att samröta alger med hushållsavfall men det gav mycket dålig utdelning. Fler studier behövs(5,8,11). 5.3 Algprojekt i Umeå Algprojektet är ett samarbete mellan SLU och Umeå Energi och startade Det började i liten skala både i laboratorium och vid Umeå Energis kraftvärmeverk Dåva strax norr om Umeå. Man har testat både mikro- och makroalger som har odlats i det kommunala avloppsvattnet och lakvattnet från avfallsupplag. De har fått CO 2 tillskott genom rökgaser från kraftvärmeverket. Resultaten var väldigt lovande då både kväve och fosforhalten i avloppsvattnet minskade ordentligt under tiden som algernas biomassa växte och dessutom minskade även CO 2 -halten i rökgaserna. Detta har gjort att projektet har ökat i omfång och man har byggt fyra öppna dammar (mellan 6-20 m 3 ) för vidare försök. Man testar fortfarande olika algarter och kombinationer med vatten, ljus och djup. Två av dammarna kommer att vara täckta med isolerade växthus. Detta är ett projekt som både kommer att pågå i flera år samt är unikt i sitt slag. Detta är världens nordligaste algodling(9). 5.4 WAB Wetlands Algae Biogas WAB- projektet är ett EU-projekt som är ett samarbete mellan Polen och Sverige. 11 olika parter har varit delaktiga, men det var i Trelleborg, Sverige, och i Sopot, Polen, som försöken utfördes. Projektet startade 2007 och avslutas nu under vintern Projektet går ut på att man skördar alger som växer till på grund av näringsläckage från land. Man försöker även minska läckaget genom att konstruera våtmarker som ska fånga upp näringen, gärna i form av alger eller vass. Algerna och vassen ska sedan rötas till biogas. Rötresterna som blir ska sedan kunna användas som gödning på åkrarna. Man kommer då att hjälpa Östersjön som är övergödd genom att ta tillbaka näring upp på land igen. När det gäller algerna så har man utvecklat maskiner som kan ta upp algerna på stranden och i vattenbrynet. När det gäller rötningen av alger så har man här satsat på att göra en tvåstegstorrötning. Detta gör man genom att lägga algerna i en stor behållare. Här låter man vatten rinna genom algerna och vidare in i en rötkammare där metanproduktionen sker. Här har man även sett att kadmiumet lakas ur algerna och kan fångas med ett kolfilter. Vattnet återanvänds sedan igen genom att det är ett slutet system och rinner återigen genom algerna. Man har även börjat 6

7 återskapa våtmarker i landskapet för att fånga näringsämnena innan de når till havet. Här har man planer på att odla både alger och vass för att öka upptaget av näringsämnen. Algodlingarna har än så länge inte gett de resultat man hade önskat. Slutkonferensen kommer att vara i Trelleborg den 28 november (12) 5.5 Övriga studier I Sverige har flera examensarbeten blivit gjorda i detta ämne. De har både handlat om algodling och alger för biogasproduktion. Man har kunnat se potential, men tekniker behöver utvecklas ytterligare för att vara konkurrenskraftiga. När det gäller rötning av alger har man nästan bara tittat på våtrötning, eftersom det är den dominerande tekniken i Sverige idag. Problemet har ofta varit det höga kväveinnehållet som ger risk för ammoniakutveckling samt vad man ska göra med rötresterna som har högt kadmiuminnehåll(1,4,6,7). 6 Diskussion Som sagt så är alger ett hett ämne idag, men det behövs mer forskning och studier för att vi med säkerhet kan ha det som ett alternativ när det behövs som energikälla. En del har hänt sedan 1980-talet, men inte så mycket. Det som har hänt är att man idag inriktar sig på att ta hand om det överflöd av alger som bildas i den övergödda Östersjön, men även att odla alger på land i öppna eller slutna system. Man ser att algerna kan få bli en del av vårt reningsverk för att minska näringsutsläpp, men även minska CO 2 -utsläppen från industrin. Här kan man se att algerna har effekt, dessutom så kan de komma till nytta i till exempel i biogasproduktion. Här har man sett en större effekt än när man skördar alger i våtmarker. Nu är det viktigt att ta steget vidare för en bättre framtid. 7

8 7 Referenser 1) Axelsson, L., Frick, B. & Neselius, T. (2010). Konstruktion av en fotobioreaktor för odling av alger - ett småskaligt försök. SLU [Elektroniskt] 2) Campbell, J.E, McKuin, B & Wiley, P.E. (2011). Production of Biodiesel and Biogas from Algae: A review of Process Train Options. Water Environment Research, vol. 83, number 4, ss ) Edler, L., Emmelin, L. & v.wachenfeldt. (1980). Marin Biomassa - Alger som energikälla. Nämnden för Energiproduktionsforskning (NE projekt nr ) 4) Fredin, M. (2009). Alger som energikälla - en svensk möjlighet? Tekniska Högskolan i Jönköping. Examensarbete 5) Harlén, A. & Zackrisson, A-C. (2001). Ekonomisk analys av algskörd och användning av fintrådiga alger. Länsstyrelsen Västra Götaland (Rapportnr: 2001:42) Projektnr: EU Life algae LIFE96ENV/S/380 6) Hedenfelt, E. (2011). Mikroalgbaserad biogas - ett raffinerat bidrag till en hållbar stadsutveckling. Malmö Högskola 7) Livbom, M. & Niemelä, J. (2006). Biogas - för en hållbar utveckling. Luleå Tekniska Universitet (ISSN: ) 8) Melin, Y. (2001). Alternativ användning av marina fintrådiga alger. Länsstyrelsen Västra Götaland (Rapportnr: 2001:41) Projektnr: EU Life algae LIFE96ENV/S/380 9) Nihlén, M. (2012). Alger i avloppsvatten renar och gör nytta. Cirkulation VA-tidskriften. [Elektroniskt] [ ] 10) Nordberg, U. & Nordberg, Å. (2007). Torrötning - kunskapssammanställning och bedömning av utvecklingsbehov. Institutet för jordbruks- och miljöteknik (JTI-rapport 357) 11) EU Life Algea. [ ] 12) WAB-project. [ ] 8