PROJEKTRAPPORT KEMITEKNIK 3 KEMITEKNIK HÖGSKOLEINGENJÖRSUTBILDNINGEN

Transkript

1 PROJEKTRAPPORT KEMITEKNIK 3 KEMITEKNIK HÖGSKOLEINGENJÖRSUTBILDNINGEN Rötning av bioavfall på Åland KTH Stockholm 2015

2 KTH Kemiteknik Högskoleingenjörsutbildningen PROJEKTRAPPORT TEMA: Kemiteknik 3 projekt TITEL: Rötning av bioavfall på Åland GRUPP: 1 PROJEKTPARTNER: Ålands Miljöservice (Mise) Ålands teknologicentrum DELTAGARE: Marcus Allerborg Johan Bergström Johan Englöf Josefine Holroyd Carl Hultin Oliver Reuter HANDLEDARE: Janne Vedin, Kemiteknik, KTH KONTAKTPERSON: Sofie Dahlsten, Ålands Miljöservice (Mise) Ralf Häggblom, Ålands teknologicentrum DATUM: EXAMINATOR: Sara Naumann, Kemiteknik, KTH

3 Sammanfattning Syftet med projektet var att göra en förstudie över hur Åland kan hantera sitt bioavfall genom rötning. Uppdragsgivare är Ålands Miljöservice. I dagsläget används kompostering, men de vill ersätta denna med en mer miljövänlig och kostnadseffektiv lösning. Att ersätta kompostering med en biogasanläggning ger ett minskat utsläpp av växthusgaser och övergödande ämnen. Totalt finns ton substrat tillgängligt för anläggningen. Det är en blandning av bland annat gödsel, vassle, hushållsavfall och slaktavfall. Anläggningen föreslås ligga vid Svinryggens deponi, då närheten till substrat och avsättningsmöjligheterna för producerad biogas är god. Lokaliseringsfrågan behöver dock utredas vidare. En mesofil rötningsprocess vid C föreslås. Först genomgår substratet en förbehandling, där det sönderdelas och slammas upp till en slurry. I förbehandlingen sker även en hygienisering, för att avdöda skadliga mikroorganismer. Slurryn leds sedan in i rötkammaren, som utgörs av två tankar á m 3. Uppehållstiden är 35 dygn. Därefter leds slurryn till en efterrötningskammare för ytterligare metanutvinning. Två produkter erhålls efter rötningen, rågas och biogödsel. Den årliga rågasproduktionen uppgår till 3,2 miljoner m 3 n, med en metankoncentration på 63 vol%. Detta motsvarar 2 miljoner m 3 n biogas, vilket kan jämföras med 5 miljoner liter bensin. Rågasen samlas upp och uppgraderas med membranteknik. Hur mycket gas som uppgraderas är beroende av framtida efterfrågan på el, värme och fordonsgas. Den årliga biogödselmängden är ton. Denna lagras och transporteras sedan ut till bönderna i oavvattnad form. Det uppskattade investeringsbehovet för anläggningen uppgår till 52 miljoner kr. Siffran kan jämföras med investeringskapital för Alvestas biogasanläggning beräknad med skalmetoden. Då beräknas investeringsbehovet till 70 miljoner SEK. Med ett investeringsbehov på 70 miljoner SEK, en kalkylränta på 5 % och 15 års ekonomisk livslängd uppgår annuiteten till 6,7 miljoner SEK. Den rörliga driftskostnaden uppskattas till 15 miljoner SEK/år. Med en årlig intäkt från såld gas på 19 miljoner SEK ger detta en återbetalningstid på 19 år. Dessa siffror baseras på att all gas säljs som fordonsgas. Biogödseln väntas inte generera några intäkter, men en möjlig inkomstkälla är att få betalt för substratmottagning.

4 Innehållsförteckning 1. Inledning Bakgrund Syfte och mål Metod Avgränsningar Förutsättningar för biogasanläggningen Tillgängliga substrat Lokalisering Miljö Förbehandling Tekniska lösningar Valda förbehandlingstekniker Rötkammare Design och dimensionering av rötkammaren Gasklocka Rening och uppgradering av rågas Val av uppgraderingsteknik Torkning till fordonsgaskvalité Behandling av restgas Lagring av fordonsgas Behandling av rötrest Alternativa tekniska lösningar Näringsinnehåll och transport av biogödsel Ekonomi Diskussion Slutsats Referenser Bilagor Bilaga I Beräkningar: förbehandling Bilaga II Beräkningar: rötkammare Bilaga III Beräkningar: uppgradering Bilaga IV Beräkningar: ekonomi Bilaga V Flödesschema: biogasanläggning... 44

5 1. Inledning 1.1. Bakgrund Hantering och behandling av avfall kan göras på flera olika sätt. På Åland bor det människor och i dagsläget komposteras merparten av bioavfallet. Ålands miljöservice vill undersöka möjligheten att utveckla och effektivisera sin avfallshantering genom att istället röta avfallet. Utöver matavfall kan tänkbara substrat vara fiskrester, gödsel, slaktavfall, bioavfall från kryssningsfärjor och odlad vall. Det är miljövänligare att röta ur flera perspektiv i jämförelse med kompostering. Bland annat minskar utsläppen av metan (små mängder bildas vid kompostering) och metanet som bildas vid rötning kan ersätta ett fossilt bränsle. Utöver avfallshanteringen så krävs det en efterfrågan på biogas för att anläggningen ska vara lönsam. Gasen kan exempelvis användas för uppvärmning, elproduktion eller som fordonsgas. Att använda biogas som drivmedel i innerstadstrafik har en hälsomässig fördel för människor. Mängden aromater och luftburna partiklar minskar avsevärt om biogas ersätter bensin eller diesel som drivmedel. Detta projekt ska ge Ålands Miljöservice ett underlag för beslutsfattning om en framtida rötningsanläggning. De berörda kommunerna är Hammarland, Jomala, Kökar, Lumparland, Mariehamn och Sottunga Syfte och mål Projektets syfte var att undersöka ett mer miljövänligt och kostnadseffektivt sätt att hantera bioavfall på Åland genom rötning. I dagsläget ger komposteringen inte någon större vinst då komposteringssubstratet innehåller oönskat material som exempelvis plaster, vilket gör kompostresten oattraktiv som gödsel. Vid rötning avlägsnas plasterna och ytterligare en värdefull produkt erhålls i form av biogödsel. Det primära målet med projektet var att göra en förstudie som underlag för konstruerandet av en biogasanläggning. Förstudien tillhandahålls uppdragsgivaren i form av en rapport. I förstudien har tillgängliga substrat för biogasproduktion undersökts utifrån rågaskvalité, miljö och kostnader. Olika alternativa tekniska lösningar, med avseende på förbehandling, rötning och upparbetning, har undersökts. Anläggningskomponenter och processflöden har tagits fram och den framtagna processen har jämförts med befintliga anläggningar. Investeringsbehov och driftskostnader har även tagits fram för processen. Dessutom har möjligheten att få fram en konkurrenskraftig gödselprodukt och olika alternativ för avsättning av producerad biogas gjorts. Lokaliseringsalternativ för anläggningen har även presenterats Metod Information om substratmängder och rötningsprocessen har främst inhämtats genom litteraturstudier och jämförelser med befintliga anläggningar. För ökad vetskap om lokalisering och logistik har ett studiebesök genomförts på Åland. Dessutom har 1

6 Kungsängens gård i Uppsala besökts för ytterligare kunskap om anläggningskonstruktion och olika komponenter. Utifrån insamlad data har vi värderat olika alternativ och gjort beräkningar och därefter dimensionerat anläggningen Avgränsningar Projektet har huvudsakligen behandlat processen från att substrat går in i anläggningen fram till färdigproducerad biogas och rötrest. Aspekter som tillgänglighethet av substrat och avsättning för biogas och rötrest har bara behandlas i korthet. 2

7 2. Förutsättningar för biogasanläggningen 2.1. Tillgängliga substrat Inkommande substrat till anläggningen är listade från uppdragsgivarna och är baserade på tillgängligt avfall på Åland. Tabell 1 visar totala flöden, VS och TS-halter för inkommande substrat. Siffror från Tabell 1 baseras på Tabell 9 i Bilaga I. Substratet delas upp i tre olika kvaliteter, källsorterat avfall och sorterat avfall (fast avfall) samt pumpbart avfall. Källsorterat avfall innefattar matavfall från hushåll och färjor. Sorterat avfall innefattar animaliskt avfall och blandade matavfall som fisk och slakteriavfall eller grönsaksavfall från Trädgårdshallen. Pumpbart avfall innefattar flytgödsel från kor och vassle. Som visas i Tabell 1 blir det totala inkommande substratet till ton avfall/år med en TS-halt på 16 % och en VS-halt på 14 %. TS och VS-halt är viktiga variabler för senare dimensionering av rötkammaren [1]. Eftersom substraten kräver olika förbehandlingar kommer substraten att delas upp innan de kommer in till processen baserat på kvalitén till olika buffertlager. Tabell 1: Tillgängligt substrat på Åland, TS och VS-halt. Fast avfall [ton/år] Pumpbart avfall [ton/år] Summa avfall [ton/år] TS* [%] 16 % VS* [%] 14 % Summa [ton TS/år] * TS= Torrsubstans, VS= Volatile solids 2.2. Lokalisering Det finns två tänkbara lokaliseringar för biogasanläggningen som ligger ungefär 25 km ifrån varandra. Det första alternativet är vid Ålandskomposten i Gunnarsby strax utanför Sund. Det andra alternativet är vid Svinryggens Deponi, en halvmil nordväst om Mariehamn. Vid val av lokalisering finns det en del aspekter att ha i åtanke. En är var substraten hämtas in. Figur 1 visar en karta över Åland, med symboler för var de huvudsakliga substraten finns tillgängliga. 3

8 Figur 1: Karta över Åland. Nyckel: A= Anläggning, M= Mjölkgård, H=Hästgård, Å=ÅCA mejeri, C=Chips AB. [2] Hushållsavfallet hämtas mestadels in i Mariehamn, då cirka 40 % av Ålands befolkning är bosatt där. Där är även slakteriet W.J. Dahlman AB beläget och merparten av färjetrafiken går via staden. Mjölkgårdar för insamling av kogödsel finns på flera platser runt om på Åland. Antalet kor på de största gårdarna listas nedan i Tabell 2. Tabell 2: Antal kor på de största gårdarna på Åland. [3] Gård Finnström Getå Jomala Saltå Sund Kor Hästgårdarna är lokaliserade vid Jomala, Getå och Lumparland. Vasslen hämtas vid ÅCA mejeri utanför Jomala, där även Trädgårdshallen är placerad. Chipsfabriken ligger strax väster om Sund. Fiskeriverksamheten är spridd över öarna. Det går dessutom ledningar mellan de större städerna, som eventuellt kan användas för transport av substrat och rötrest. Slutsatsen är att Svinryggens Deponi AB är gynnsammast med tanke på substratinsamling, då avståndet till de huvudsakliga substraten är som kortast. En nackdel är dock att en del substrat som i dagsläget går till komposten i Sund, kan gå förlorade. 4

9 En annan aspekt att ta hänsyn till är bebyggelse i närheten, då luktproblem kan uppstå. Här verkar Ålandskomposten vara att föredra, då platsen ligger något mer isolerat. Avseende närhet till avsättning för biogas, så är Svinryggens Deponi att föredra. Placeringen är närmare Mariehamn Energi AB och sannolikt kommer biogasdrivna fordon att tankas i Mariehamn. Vägarna in till Svinryggens Deponi är mer farbara för fordon. Slutligen så är tillgänglig markareal viktigt. Det finns omkring m 2 mark att tillgå vid båda platserna, vilket är mer än tillräckligt för anläggningen. I Tabell 3 listas de olika lokaliseringsalternativen utifrån nämnda aspekter. Tabell 3: Jämförelse av lokaliseringsalternativ Transport av substrat Bebyggelse Vägar Biogasavsättning Marktillgång Svinryggens Deponi BRA OK BRA BRA BRA Ålandskomposten OK BRA OK OK BRA 2.3. Miljö Det finns flera miljövinster med att ersätta ett fossilt bränsle med biogas. Detta kan göras vid elproduktion, värmeproduktion och fordonsdrift. Hur stor miljövinsten blir beror på vilka substrat som rötas vid biogasframställningen och vad gasen i slutändan används till. Att använda biogas leder nästan alltid till ett minskat bidrag av växthusgaser, som koldioxid. Särskilt stor är vinsten vid rötning av gödsel och om den producerade biogasen används som ersättning för bensin eller diesel. Utöver att ett fossilt bränsle ersätts med ett förnyelsebart, så reduceras de spontana metanutsläppen från traditionell gödselhantering. [4] En förutsättning är dock att metanförlusterna hålls nere, alternativt att metan facklas till koldioxid. Då metan är en ungefär 20 gånger kraftigare växthusgas än koldioxid, bör utsläpp av oförbränd metan undvikas. [5] Även utsläppen av övergödande och försurande ämnen minskar vid byte från fossila bränslen till biogas. Återigen uppnås stora vinster när gödsel används som substrat, genom minskade utsläpp av ammoniak och nitrat. Att använda biogas som drivmedel leder dessutom till minskade utsläpp av ämnen som bildar fotokemiska oxidanter, exempelvis ozon. Detta gäller särskilt om bensin i personbilar ersätts med biogas. [5] Som fordonsbränsle är biogas ett av de bästa substituten till bensin och diesel i förbränningsmotorer. Biogas är ett koldioxidneutralt bränsle och släpper ut färre skadliga partiklar än andra drivmedel. Därför är det viktigt att se över lämpliga styrmedel, för att få människor att investera i biogasbilar eller konvertera existerande fordon för biogasdrift. Exempel på sådana styrmedel är miljöbilspremier och subventionerad biogas [6]. Bodens biogasfabrik testade även att erbjuda privatpersoner gratis biogas motsvarande 880 L bensin om de köpte en biogasbil. [1]. 5

10 3. Förbehandling Från det att materialet kommer in till anläggningen till själva rötningen krävs ett antal förbehandlingssteg för att ge substratet förutsättningar att ge så bra metangasutbyte som möjligt. Här krävs det att substratet blandas upp till en pumpbar slurry med rätt TS-halt och rätt partikelstorlek. Innehåller avfallet förpackningar och dylikt kommer dessa behöva avlägsnas. Dessutom så måste sjukdomsalstrande mikroorganismer avdödas innan rötningen [7]. Det inkommande avfallet till anläggningen kan antingen vara fast eller pumpbart. Stegen i förbehandlingen innefattar manuell utsortering, grov sönderdelning, separering av föroreningar som metall, plast och förpackningar, utspädning, finfördelning och uppblandning samt hygienisering. Processordningen kan variera lite beroende på materialet och val av delsteg Tekniska lösningar Det pumpbara materialet är enkelt att tillföra systemet genom pumpning direkt till ett utspädningssteg. När det gäller det fasta avfallet krävs först en sortering för att upptäcka föremål som inte hör hemma i bioavfallet och måste avlägsnas samt se om avfallet går att använda i rötningen eller om det ska skickas direkt till förbränning istället. På så sätt besparas biogasanläggningen från avfall som inte hör dit vilket kan leda till oväntade driftstopp. Därför är det fördelaktigt att ha en mellanlagringsplatta där inkommande material placeras för att sedan förflyttas till processen. En nackdel med öppna avfallshögar är att det kan uppstå dålig lukt. [8] Första steget i processen går ut på att sönderdela materialet. Detta kan göras på olika sätt där det absolut vanligaste är att mekaniskt sönderdela materialet med till exempel en kvarn, skruv, mixer eller roterande knivar. Ytterligare sätt att få till önskad partikelstorlek är att på kemisk, termisk eller biologisk väg sönderdela materialet. Detta kan bland annat göras genom tillsats av syror eller baser, ångexplosion (snabb avkokning av vätska) eller tillsats av hydrolytiska enzymer. Det är önskvärt att få partikelstorleken så liten som möjligt för att öka materialets tillgänglighet, den bör inte understiga en storlek på 2 mm. Anledningen till att partikeldiametern inte bör understiga 2 mm är att föroreningar med en storlek mindre än denna är problematiska att separera. [8] [7] Nästkommande steg är ett uppblandningssteg där en homogen slurry bildas, här sker även en utspädning av slurry till en lägre TS-halt med spädvätska eller pumpbart avfall om TS-halten är för hög. Beroende på vilken teknik som används vid nästkommande separationssteg av föroreningar späds materialet till passande TS-halt. Uppblandningsstegets huvuduppgift är att skapa en homogen blandning. Här kan en mixer eller en pulper användas. En pulper är en maskin som vanligen används inom massaindustrin för att bearbeta pappersmassan. Nu på senare tid har pulper även satts i bruk som en del av förbehandlingen på biogasanläggningar. [8] I följande steg ska oönskat material avlägsnas från den nu homogena blandningen. Detta görs för att undvika problem senare i processen, samt få en ren restprodukt efter rötningen. Vanliga tekniker för separering är skruvpress, silpress, metallavskiljare, hammarkvarn, trumsil eller sedimentering. Skruvpressen består av en cylinder med perforerade väggar, en kon och en skruv som pressar fram materialet. Blött och mjukt material pressas igenom hålen medan större material som plast eller papper avskiljs. Inställningar som kan justeras i en skruvpress är hålstorleken, skruvens hastighet och mottrycket från konen. Kapaciteten hos en skruvpress är vanligen 5 10 ton/timme och 6

11 vanlig hålstorlek är 10 mm. Studier visar dock visar att två anläggningar som använder skruvpressar som separationssteg förlorar 35 % respektive 37 % av inkommande organiskt material tillsammans med rejektet [8]. En liknande lösning är silpressen, den består av en skruv som trycker substratet fram till en silkorg med små perforerade hål. Metallavskiljning sker vanligen efter en grövre sönderfördelning där materialet tippas på ett transportband som avslutas med en mycket stark magnet som kan lyfta upp metallskrot från avfallet. Exempel på metallskrot kan vara bestick eller konservburkar. Trumsilen består av en silplåt med en rotor där oönskat material avskiljs medan mjuka delar rinner igenom perforeringen. För en effektiv separering av föroreningar bör TS-halten ligga på cirka 6-8 %. En sedimenteringsbassäng även kallat bufferttank, kan användas för att bli av med tunga föroreningar som metaller eller grus och sten. Bufferttankens funktion är för att uppehållstiden ska bli tillräckligt stor så att föroreningarna ska hinna sjunka till botten [8], samt skapa en jämn koncentration av substrat i det inkommande flödet till rötkammaren. Beroende på hur ojämnt olika typer av avfall inkommer, och storleken på rötkammaren anpassas bufferttankens volym därefter. Med en hammarkvarn så blir det en sönderdelning och separering av avfallet i ett och samma steg. Den fungerar på så sätt att i mitten av en liggande, cylindrisk trumma så finns det en roterande axel med flertalet hamrar. Hamrarnas uppgift är att sönderdela materialet i trumman så det kan ta sig ut från de hål som finns i trummans vägg. Hålen i väggen är oftast på 12 mm och det material som inte lyckas ta sig ut körs vidare till en utmatningsskruv. Från utmatningsskruven så avvattnas rejektet i en skruvpress där vätskan sedan rinner tillbaka in i trumman. Då denna metod inte har någon separering av mindre partiklar som sand, benflisor, plast eller glas bör metoden undvikas om materialet innehåller detta. En lösning till mindre partiklar kan vara ett sedimenteringssteg efter kvarnen. [8] Efter föreoreningsavskiljningen bör slurryn bestå av en ren blandning av organiskt material och vatten. Denna blandning måste hygieniseras för att avdöda sjukdomsalstrande mikroorganismer innan rötningen [7]. För att garantera att hygieniseringen ska avdöda mikroorganismerna krävs det enligt EU förordningen [7] att slurryn värms upp till 70 C i 60 minuter. Ett ytterligare krav är att partikelstorleken ska vara max 12 mm för att hygieniseringen ska fungera [7]. Hygieniseringen sker ofta som en semikontinuerlig process med tre stycken parallellkopplade hygieniseringstankar. På så sätt är det alltid en tank som fylls, en som töms och en som hygieniseras. Uppvärmningen av hygieniseringstankarna kan ske med hjälp av inblåsning med ånga eller med värmeväxling [9] [10]. Hygieniseringen fungerar även som en termisk förbehandling som möjliggör en ökad nerbrytning i rötningen då den skiljer flytande organiskt material från fasta ämnen och lösgör struktur hos fast material. [11] Ett alternativ till hygieniseringstankar är att köra hygieniseringen termofilt, på minst 52 C, direkt i rötkammaren. Efter tio timmar har blandningen hygieniserats och uppehållstiden måste vara minst sju dygn i rötkammaren. [12] Efter hygieniseringen behöver temperaturen sänkas för att passa temperaturen i rötkammaren. För att ta vara på värmen så värmeväxlas ofta det utgående flödet från hygieniseringstankarna med ingående flöde. Ingående flöde till hygienisering kan också värmeväxlas med utgående flöde från röttanken där temperaturen ligger på C beroende på termofil respektive mesofil process. [9] [10] 7

12 3.2. Valda förbehandlingstekniker Då det inkommande substratet består av bioavfall från färjor, källsorterat matavfall från hushåll och livsmedelsavfall behöver detta gå igenom en grovkross för att riva upp påsar, krossa konserver och dylikt. Det genomsnittliga flöde som ska krossas är kg/h, då avfallet inte kommer till anläggningen kontinuerligt behöver grovkrossen kunna hantera ett större flöde än så. Då detta avfall med största sannolikhet kommer innehålla metall av olika slag så används en magnetavskiljare för att få bort detta. Det sorterade avfallet som bland annat är slakteriavfall, fiskrens, trädgårdsavfall m.m. tippas inte in i avfallskvarnen utan går istället direkt till en omblandningstank där det möter avfallet från grovkrossen. Pumpbart avfall lämnas till en bufferttank där det sedan pumpas vidare till omblandningstanken. I omblandaren blandas avfallet för att få en så homogen slurry som möjligt. TS-halten i omblandningstanken blir då 16 % (se Tabell 1). Då TS-halten är på 16 % så behövs ingen utspädning av slurryn och slurryn kan fortsätta in i separeringen. Flödet ut från blandningstanken är i genomsnitt kg/h. Hammarkvarn har valts som separationsmetod för denna anläggning då metoden både separerar oönskat material och finfördelar materialet. Liknande anläggningar som använder metoden har varit verksam länge utan större problem [13]. I hammarkvarnen sker vidare sönderdelning av avfallet och separerar bort oönskat material från slurryn som ett rejekt till exempel plast. Rejektet transporteras bort från processen för förbränning. Efter separationssteget ska slurryn in i en bufferttank för att jämna ut flödet samt sedimentera bort mindre partiklar som sand, benflisor, plast eller glas. Bufferttankens uppehållstid kommer ligga på dryga sex dagar vilket kräver en tankvolym på 800 m 3. Från buffertankarna ska slurryn hygieniseras, detta görs i tre hygieniseringstankar som värms upp till 70 C för att avdöda skadliga mikroorganismer. Då rötningsprocessen är mesofil (se kapitel 4) faller alternativet att ha hygieniserinssteget i rötkammaren bort. Tre stycken hygieniseringstankar väljs för att få ett semikontinuerligt flöde. Slurryn befinner sig i en av hygieniseringstankarna i en timme för att sedan föras in i rötkammaren. För att klara av flödet krävs det att hygieniseringstankarnas volym är minst 1,7 m 3. Inkommande slurry till rötkammaren ska vara 37 C, därför behöver temperaturen efter hygieniseringen sänkas till denna temperatur. För att inte gå miste om värme så värmeväxlas in- och utgående flöde från hygieniseringen. Detta gör att det inte krävs lika mycket energi för uppvärmning i hygiensieringstankarna då inkommande flöde redan till viss del är uppvärmt. En värmeväxlare dimensioneras utifrån att temperaturen ut från hygieniseringen är 70 C. Denna ström sänks till 43 C för att sedan återigen sänkas till 37 C då ingående ström till rötkammaren späds till TS-halten på 12 %. därför späds slurryn med ett vattenflöde på kg/h så slurryn får ett flöde på kg/h. Temperaturen på inkommande substrat till värmeväxlaren antas vara 15 C. Utifrån flöden och värmekapaciteten beräknas temperaturen på inkommande flöde till hygieniseringen till 41 C. Reglerteknik kommer krävas för att justera temperaturer och flöden på inkommande slurry till rötningstankarna. Detta görs genom en ventil som reglerar flödet in till värmeväxlaren respektive direkt till rötningen. Värmeväxlaren behöver minst en area på 37,5 m 2 för en tubvärmeväxlare. Rördiametern väljs till 7 cm på yttersta röret och 5 cm på innersta röret med en väggtjocklek på 0,1 cm. Utifrån denna tubvärmeväxlare krävs en längd på 233 m. Tubvärmeväxlaren kommer delas upp i flera delar i en konsol av 58 rör á 4 m långa. Anledningen till att tubvärmeväxlare väljs är för att de är bra för att undvika igensättningsproblem och lätta att öppna och rengöra [14]. Figur 2 nedan visar hur en värmeväxlare kan se ut för hygieniseringen, bilden är tagen 8

13 från biogasanläggningen i Uppsala. Flödesschema för förbehandlingen visas i figur 3. Hela flödesschemat kan ses i Bilaga V. Beräkningar för siffror ovan redovisas i Bilaga I. Figur 2: Värmeväxlare vid biogasanläggning i Uppsala Figur 3: Flödesschema för förbehandlingen 9

14 4. Rötkammare All framställning av biogas sker via rötning. Beroende på typ av substrat och rötningsteknik så varierar typen av rötkammare. Principen är att substratet befinner sig i en syrefri miljö där bakterier använder substratet som kolkälla, vilket genererar bland annat metan som restprodukt. Gasblandningen tas sedan om hand i ett separat steg. Rötning kan ske genom torrötning och våtrötning. Då halten vätska är hög på grund av stor mängd flytgödsel och vassle, leder det till att substratet har en mycket hög vattenhalt och torrötning inte ansetts lämplig, då avlägsnandet av vattnet blir kostsamt. Rötning sker vanligtvis enligt 2 metoder, termofil eller mesofil. Den termofila rötningen sker vid cirka 55 C medan den mesofila sker vid cirka 37 C [1]. De olika metoderna har för och nackdelar. Den termofila rötningen sker snabbare och tål högre belastning vilket ger en kortare uppehållstid för substratet i rötkammaren. Nackdelen för termofil rötning är att mera energi måste tillföras den stora mängden material i rötkammaren, vilket leder till en högre energiförbrukning. Den mesofila rötningen däremot kräver en väldigt låg tillförd energimängd och till och med kylning kan behövas om temperaturen utanför reaktorn är hög, då rötningsprocessen är en exoterm process. Den mesofila rötningen är även mindre känslig för ändringar i miljön och ger en mycket god driftstabilitet. Nackdelen är att biogasproduktionen går långsammare vilket får som följd att en längre uppehållstid i rötkammaren krävs för samma mängd producerad biogas som den termofila. Uppehållstid och volym av rötkammare är direkt proportionella till varandra vilket gör att den mesofila rötningen är mer utrymmeskrävande gentemot den termofila (se Bilaga II). För en optimal rötning krävs det även att förhållandet mellan kol och kväve är bra. Trots att kolet är näringskällan krävs vissa essentiella näringsämnen för att bakterierna ska trivas varav kväve är den viktigaste. Animaliskt substrat tenderar att ha en hög kvävehalt medan det vegetabiliska istället har en hög kolhalt. En annan mycket viktig aspekt är belastningen av rötkammaren. Bakterierna i rötkammaren har en viss maximal hastighet för nedbrytningen av substratet. Eftersom en kontinuerlig avtappning sker så förs även bakterierna ut från rötkammaren. Därför kommer bakteriehalten och substratkoncentration vara konstant. För att garantera en bra rötning krävs då en längre uppehållstid desto högre halt substrat som införs. Ett mått på detta är belastningen. För mesofila rötningsprocesser bör detta värde ligga mellan 2-3 kg VS/m 3 dygn. [1]. Efter rötkammaren så används vanligtvis en efterrötningskammare. Denna används för att ta till vara på en extra del av substratet som inte hunnit rötas i den ordinarie rötkammaren. Denna rötkammare är mycket mindre och har kortare uppehållstid än den primära rötkammaren och är i dess direkta närhet. Denna tank agerar även delvis som en buffert och kan vanligtvis hålla några dygns flöden Design och dimensionering av rötkammaren Rötkammaren för biogasproduktion på Åland har designats och dimensionerats utifrån tillgängligt substrat och omgivning. För att garantera en stabil drift som tål större förändringar gentemot den termofila, samt minska behovet av tillförd energi till rötkammaren anses den mesofila rötningsprocessen vara bäst lämpad trots en större reaktorvolym. Beräkningar och antaganden baseras därför på mesofil rötning. Det tillförda substratet till rötkammaren är en blandning av animaliskt avfall, grönsaksavfall 10

15 och gödsel. Substratblandningen måste dock uppfylla kol/kväve kvoten för en effektiv rötning. De olika substraten påverkar bland annat hur omrörningen sker i rötkammaren då olika substrat ger olika problem, mycket fibrer och plastremsor kan resultera i ackumulation på propelleromrörare och en hög densitet på blandningen ger en högre belastning på alla omrörare. Den mest lämpade och driftsäkraste omrörningen för rötkammaren är propelleromrörning. För att garantera kontinuerlig omrörning och mindre turbulens (uppkomst av skum) används två propellrar insatta på motsatt sida av varandra i rötkammaren enligt Figur 4. Två propellrar ger även en bättre driftstabilitet. Om en propeller slutar fungera kommer den andra kunna hålla en viss omrörning och akut reparation blir inte lika nödvändig. Figur 4: Rötkammare Hänsyn till uppkomst av fettlager på ytan i rötkammaren samt ansamling av fibrer och plast på propellerbladen har tagits. Då fettrikt substrat bara utgör en mindre del av det totala substratet kommer ansamling av fett vara mindre troligt. Då halten av sådant skadligt material håller sig låg i förhållande till resterande substrat antas det inte föreligga något problem. Dock bör man beakta att under inkörningsperioden av rötkammaren kontrollera hur ofta rengöring och övrig service för omrörningen bör ske, då en viss ackumulation av plast/fibrer alltid kommer ske på propellerbladen. TS-halten in till rötkammaren har satts till 12 % vilket är den högsta möjliga halten för att undvika större problem med pumpar, rör och värmeväxlare samt hålla omrörningsbelastningen låg. VS-halten är den del av substratet som används vid beräkningar av belastning för rötkammaren. VS-halten i ingående flöde till rötkammaren är 10 %. Då denna VS-halt är högre än för rötkammare i reningsverk kommer det kräva en längre uppehållstid. Belastningen sattes till 3 kg VS/m 3 dygn varefter volym och 11

16 uppehållstid kunde beräknas. Med uppehållstiden 35 dagar beräknades rötningskammarvolymen till m 3 (se Bilaga II). Då denna volym inkluderar en överdimensionering om 25 % kan uppehållstiden förlängas och driften av rötkammaren alltid ske vid full volym oavsett substrattillgången. Då den relativt stora volymen skulle vara problematisk för omrörningen sker rötningen i två tankar om m 3 [15] För att bibehålla temperaturen runt 37 C har rötkammaren ingjutna värmeslingor i betongväggarna där varmvatten pumpas igenom, eller vid behov kallvatten. Denna värmemantel får energin från en varmvattencentral på anläggningen och är ett slutet system som värms genom förbränning av producerad biogas. Efter den primära rötkammaren används en efterrötningskammare. Denna rötkammare har en uppehållstid om sex dagar med en volym om m 3 (se Bilaga II). Efterrötningskammarens uppgift blir att röta en del av det kvarvarande substratet och agera som en tillfällig bufferttank. Ekonomi Rötkammare En rötkammare består av flera olika komponenter inkluderat till ett, bland annat omrörare, värmesystem, gasavledning m.m. För att få en uppskattning av kostnaden för rötkammaren användes ett specifikt investeringsbehov på 380 /m 3. Detta ger ett investeringsbehov om 20,2 miljoner SEK för den primära och strax över 3,6 miljoner SEK för efterrötningskammaren. [16] 4.2. Gasklocka Den utgående rötgasen mellanlagras i en gasklocka vars huvudsyfte är att ge ett jämnt tryck i systemet även vid mindre driftsstörningar. Den ingående rötgasen till gasklockan har mättats med vatten vilket leder till korrosionsproblem. Gasklockan verkar också som avvattnare vilket minskar korrosionsproblematiken i senare steg. Gasklockans volym har satts till att kunna bibehålla ett jämt gasflödet i systemet vid ett totalstopp på 40 minuter. Detta ger gasklockan en volym på 300 m 3. Investeringskapital för gasklockan uppskattas till SEK baserat på data från [17]. 12

17 5. Rening och uppgradering av rågas Rågasen som kommer ur rötkammaren innehåller till största del metan, koldioxid och vatten. Beroende på vad biogasen ska användas till ställs olika krav, där förbränning för värme har låga kvalitetskrav medan gas som fordonsbränsle har betydligt högre. [18] Fordonsgasens kvalitetskrav redovisas i Tabell 4 nedan. Avlägsning av vatten, svavelväte, ammoniak, siloxaner och partiklar kallas för rening. Dessa ämnen orsakar korrosion och igensättning när gasen behandlas. Uppgradering syftar på minskandet av koldioxidhalten för att öka gasens energidensitet, vilket minskar mängden gas som behöver lagras och transporteras. [18] Tabell 4: Visar krav för fordonsgas och injektion till naturgasledning i Sverige. Tabell för typ A bränsle [19]. Parameter Enhet Halt Metan Vol% 97±1 CO 2 +O 2 och N 2 Vol% <4 H 2 S Ppm <10 Total Svavel mg/m 3 n <23 H 2 O Daggpunkt < -9 C vid 200 bar <32 mg/m 3 n Partiklar mg/m 3 n < 1 µm I de flesta fall är det koldioxid och svavelväte som ligger i fokus, eftersom dessa alltid finns i rågasen. Ammoniak finns oftast i låga halter och siloxaner förekommer när substrat innehåller mycket organiska kiselföreningar som finns i bland annat hudkrämer, schampo, tandkräm och vissa matprodukter. [20] Vattenskrubber Vattenskrubbning är en metod som utnyttjar gasens löslighet i vatten. Vattenskrubbningen sker i en kolonn där gasen tas in i botten och vätska sprutas in i toppen. Vattnet rör sig nedåt och kommer i kontakt med den uppåtstigande gasen. Kolonnen har oftast packning för att öka kontaktytan mellan gas och vätska. [21] Metoden kan användas för både rening och uppgradering, men fokus ligger på uppgraderingen. Eftersom ammoniak och svavelväte också absorberas i vattnet behövs det inte alltid ett separat reningssteg för dessa, det betyder också att utloppsgasen ifrån regenereringen innehåller dessa ämnen. Absorptionen sker vid 7-10 bars tryck och en slutlig metankoncentration kan uppnå 97 vol%. [22] Ett vanligt skrubbersystem visas i Figur 5 nedan. 13

18 En vattenskrubber kan förväntas förbruka mellan m 3 vatten per dag. [23] Figur 5: Visar ett skrubbersystem för upgradering till biogas, avvattning innan kompressorn är exkluderat. [23] Aminskrubber Aminskrubber är lik vattenskrubber på så sätt att gas absorberas i en vätskefas, Aminskrubbningen förlitar sig däremot inte enbart på fysikalisk absorption utan även kemisk. Eftersom den största delen av drivkraften är kemisk brukar trycket i kolumnen vara 1-2 bar till skillnad från 7-10 bar i vattenskrubbern. [22] Skrubbervätskan är oftast en vattenlösning med MEA (etanolamin) eller DEA (Dietanolamin). Aminerna förstärker absorptionen av koldioxid genom att binda det kemiskt. [23] Den kontaminerade skrubbervätskan regenereras i en separat kolumn där temperaturen är C och trycket är bar. [22] Ett vanligt skrubbersystem visas i Figur 6 nedan. Figur 6: Visar systemet för aminskrubbning med regenerering, för och efterbehandling är inte inkluderat [23]. 14

19 Rågasflödet kommer in i skrubbern med en temperatur på C. Eftersom koldioxidens reaktion med aminerna är exoterm ökas temperaturen till C i kolonnen. Den utgående skrubbervätskan leds till toppen av en packad regenerationstank där det kommer i kontakt med ånga. När temperaturen ökar frigörs den absorberade koldioxiden, i botten av regenerationstanken är temperaturen C om regenerationstrycket är mellan bar. Det finns fall där regenereringen sker vid 90 C men det kräver ett undertryck i tanken. Utgående gasflöde innehåller koldioxid, ånga och en viss del svavelväte. Ifrån denna gasblandning kondenseras ångan och gasen flödar vidare. Vätskan från regenereringen flödar tillbaks till absorptionskolonnen och kyls på vägen. [23] Den renade gasen innehåller mest koldioxid och metan, över 99 % av koldioxiden kan avlägsnas med aminskrubbning. Detta innebär att metanhalten begränsas av eventuellt syre- och kväveinnehåll. [22] PSA Pressure Swing Adsorption PSA teknik används endast för uppgradering, där koldioxid adsorberas i adsorptionsbäddarna. Adsorptionen sker oftast vid 4-7 bars tryck och regenereras genom att sänka trycket och spola igenom med gas. [22] Bäddmaterialet är oftast aktivt kol, zeoliter, kisel gel eller CMS (carbon molecular sieves). Nyare PSA teknik kan uppgradera rågasen till 98 vol% biogas, med cykeltider på 2-10 minuter. [23] En grundläggande uppställning visas i Figur 7. Figur 7: Visar en grundläggande PSA uppställning, tidigare rening av svavelväte och torkning är exkluderat [24]. Avsvavling behöver ske före PSA apparaturen eftersom svavelväte adsorberas permanent till adsorptionsbäddarna och minskar därmed effekten över tid. Om zeoliter används behöver även vatten avlägsnas innan eftersom regenereringen annars blir för krävande. [25] Membranteknik Membranteknik används i huvudsak för uppgraderingssyfte. I kommersiella tekniker är det huvudsakligen koldioxiden som diffunderar genom membranet. [23] 15

20 Innan membranen komprimeras gasen till 6-20 bar för att sedan ledas in i membranmodulen. Retentatsidan har oftast ett vakuum för att få tillräcklig drivkraft för separationen. För att öka membranens livslängd avlägsnas partiklar, vatten och svavelväte innan kompressionen, om det finns risk för att smörjoljor hamnar i gasströmmen bör även de renas bort. [23] Tekniken kan användas för att nå metanhalter över 96 vol%, men då krävs att flera membran kopplas ihop och att återcirkulering av permeat sker för att minska metanförlusten. Membrantekniken kan vara tillgänglig 95 % av året. Membranen har en livslängd på mellan 5-10 år med rekommenderad förbehandling och metanförlusten ligger mellan 0,5-2 % beroende på processdesign. [23] I Figur 8 nedan visas hur ett membransystem med låg metanförlust kan se ut. Figur 8: Exempel på hur flera membran kan kopplas samman [24] Gemensam för- och efterbehandling Det är vanligt att svavelväte avlägsnas med aktivt kol. Adsorptionen måste ske innan metoder som PSA och membran för att livslängderna inte ska bli för korta [23]. Fastän aminskrubber kan avlägsna svavelväte renas oftast svavelväte bort innan skrubbern för att undvika oönskade reaktioner [22]. Alternativa metoder för avsvavling är biofilter med bakterier där svavelväte och koldioxid konverteras till svavelsyra. [26] Vattenskrubber kan absorbera svavelväte och behöver nödvändigtvis inte svavelseparation tidigare. [23] Halten svavelväte kan minskas redan i rötkammaren genom att tillsätta järnklorid, men ytterligare svavelrening behövs för att få låg halt i biogasen. Sulfiden binds som järnsulfid (FeS (S) ). [27] Jämförelse av uppgraderingstekniker De tekniker som jämförs här är vattenskrubbning, aminskrubbning, PSA och membran. Metoderna är likvärdiga med avseende på möjlig uppgraderingsgrad, med undantag för aminskrubber som väldigt enkelt kan nå hög uppgraderingsgrad. Olika jämförelse parametrar redovisas i Tabell 5 nedan. 16

21 Tabell 5: Jämförelse av de olika uppgraderingsteknikerna. Gäller för 500 m 3 n/h rågas, siffrorna är per normalkubikmeter rågas [23]. Teknik Investering Underhållskostnad Tillgänglighet Metanförlust Energikonsumption [euro/m 3 n] [% av investering] [%] [vol%] [kwh/m 3 n] Vattenskrubber ,2-0,3 Aminskrubber 4 000* 3 96 ~0,1 0,68 PSA ,8-2 0,2-0,3 Membran ,5 0,2-0,3 *Grov uppskattning för värde utanför källans diagramområde De billigaste teknikerna för ett flöde på 500 m 3 n/h rågas är membran och vattenskrubber, där membran har den lägsta investeringskostnaden men den har däremot högre underhållskostnad. Alla teknikerna har likvärdig energikonsumtion förutom aminskrubber som behöver extra mycket på grund av uppvärmning i regenereringen. Aminskrubbern har den lägsta metanförlusten och seriekopplade membran med återcirkulering den näst lägsta. [23] 5.1. Val av uppgraderingsteknik För den tänkta anläggningen skulle en uppgraderingsteknik som inte genererar ett smutsigt vatten, kan uppgradera rågasen till fordonsgaskvalité, är driftsäker samt har låg investerings- och driftskostnad vara optimal. Membranteknik och vattenskrubbning är de tekniker som är lämpligast utifrån dessa aspekter. Membranteknik är ett bättre alternativ än vattenskrubbning med avseende på investeringskostnad och metanförlust, men har en högre driftskostnad och lägre drifterfarenhet. Då anläggningen inte har möjlighet att skicka smutsvatten till ett reningsverk, är en vattenfri process som membran att föredra. Det som talar för att välja vattenskrubbning före membran är att vattenskrubbning är en mer etablerad teknik och har lägre underhållskostnad. Den uppgraderingsteknik som är bäst för denna anläggning är membranrening eftersom hög metanhalt kan uppnås, tekniken är billigast vid satt flöde, tekniken har ingen vattenkonsumtion och metanförlusten är låg. Därför väljs membran som uppgraderingsteknik. Metanförlusten ska behandlas med RTO teknik (regenerativ termisk oxidation) för att den inte kräver stödbränsle och kommer drivas autotermt. För denna anläggning kommer avgasen ha en metankoncentration på 6,38 g/m 3 baserat på ett 462 m 3 n/h rågasflöde, med 63 vol% metan och en metanförlust på 0,5 % (Se Bilaga III). Men eftersom syre behöver tillsättas avgasen för att förbränningen ska kunna ske kommer luft tillsättas. Lufttillförseln kan då anpassas så att metankoncentrationen till slut hamnar på 1,5 g/m 3. 17

22 5.2. Torkning till fordonsgaskvalité För att nå en vattenhalt lägre än 32 mg/m 3 n behöver torkning ske så att daggpunkten ligger kring -44 C vid atmosfäriskt tryck (grovt uppskattat med Antoines Ekvation). [28] Den vanligaste torkningstekniken är adsorption, antingen PSA, TSA (Temperature swing adsorption) eller frystorkning. [23] Adsorptionen kan bland annat ske med hjälp av kisel gel, aluminiumoxid eller magnesiumoxid. Torkningen sker då i två adsorptionskolonner som adsorberar och regenereras växelvis. [27] Teknikerna som förlitar sig på adsorption kan nå daggpunkter på -10 till -20 C vid atmosfäriskt tryck. Därför behöver adsorptionen ske vid högre tryck för att uppnå torkningskravet. [29] Kondensation till låga daggpunkter sker genom att gasen först komprimeras och kyls i en värmeväxlare. Kondensatet tas ut och gasen expanderas till det önskade trycket. [27] 5.3. Behandling av restgas Metanförluster i uppgraderingsutrustningen är oundvikligt, denna låga metanmängd förbränns lämpligtvis med metoder som regenerativ katalytisk förbränning eller annan metod som kan behandla lågkoncentrerade metanflöden. Fördelen med regenerativ termisk oxidering (RTO) är att förbränningen blir autoterm vid koncentrationen 1,5 g/m 3. RTO kan anpassas för att förbränna högre koncentrationer. [22] Ett annat alternativ är att förbränna metanförlusten från uppgraderingsprocessen med rågas som stödbränsle, energin kan tas tillvara för värme- och/eller elproduktion. Denna utrustning skulle i så fall leda till extra kostnader. [23] 5.4. Lagring av fordonsgas Den uppgraderade biogasen transporteras till en kompressor som höjer trycket till 330 bar, vilket är trycket i lagringstanken. Det höga trycket ger krav på säkerheten och ackrediterade kontroller enligt Arbetsmiljöverkets föreskrifter i Sverige [1]. Det höga trycket gör även överföring av gasen lättare, både till såväl fordon som transportcistern. Det höga trycket innebär till större mängd gas kan lagras för samma tankvolym. Nackdelen är att priset för lagringstanken ökar med dess tryckbeständighet. Det kan ses som mycket rimligt att bussar eller andra kommunalt ägda fordon inom en 10-årsperiod väljer att gå över till biogas med nuvarande samhällsutveckling. Då biogas hör till det absolut bästa substitutet ur miljösynpunkt till fossila bränslen, är det därför ett naturligt val om en kommunal omställning sker till ett miljövänligt drivmedel. Tankvolymen för högtryckstanken har satts till 23 m 3, motsvarande m 3 n. Vid full tank ger detta en möjlighet att leverera bränsle till 6 bussar, 3 tunga fordon och 150 personbilar [1]. Investeringsbehovet för lagringen beräknas till 2 miljoner SEK [30]. 18

23 6. Behandling av rötrest Det material som inte bryts ned under rötningsprocessen bildar en så kallad rötrest. Den består utöver vatten och organiskt material av mikroorganismer och näringsämnen. Rötresten fungerar bra som gödningsmedel, då den ger ett näringstillskott till jorden. Detta utgörs främst av kväve, fosfor och kalium. Vid rötning av gödsel och hushållsavfall brukar rötresten kallas för biogödsel. Biogödsel som ska användas för livsmedelsproduktion får inte innehålla höga halter av föroreningar som exempelvis tungmetaller eller bekämpningsmedel. Biogödselns konsistens påminner om flytgödsel från nötkreatur och svin. [15] Det är mycket vanligt att ta till vara på rötresten, 99 % av alla samrötningsanläggningar i Sverige använder rötresten som gödsel [31]. I Sverige genereras cirka ton biogödsel per år. Biogödseln består vanligtvis av % vatten och 5-10 % organiskt material. [32] När den oavvattnade rötresten lämnar rötkammaren behöver den först lagras. Lagring kan ske antingen vid själva rötningsanläggningen eller som ett satellitlager, exempelvis ute hos bönderna. Om lagring sker vid anläggning bör efterrötning ske. Idag dominerar betongbehållare eller enklare jorddammar med tätning av PE-dukar. Täckning bör ske för att minimera luktproblem samt ammoniak- och metanutsläpp. Investeringskostnaden per m 3 blir lägre om en större behållare används [32]. Lagringstiden varierar mellan 6-10 månader, detta tidsspann är ofta ett krav från tillsynsmyndigheter [33]. Biogödseln kan nu antingen distribueras oavvattnad till mottagarna eller så genomförs en förädling. Det är inte ovanligt att sprida den oavvattnad, biogasanläggningen vid Kungsängens gård i Uppsala använder sig exempelvis av en sådan lösning [34]. Syftet med förädlingen är att separera gödseln i en fastfraktion och en vätskefraktion. Det finns både lågteknologisk och högteknologisk separation. Exempel på lågteknologisk separation är skruvpress och dekantercentrifug, där den sistnämnda tekniken är vanligast förekommande. Av tio svenska anläggningar använder nio centrifug och en skruvpress [32]. En dekantercentrifug består av en solid cylindrisk trumma som roterar med hög hastighet, där separationen sker med hjälp av centrifugalkraften. Den har god verkningsgrad och är inte så utrymmeskrävande. [35] Här separeras gödseln i en fastfraktion (TS-halt = 30 %) och en vätskefraktion (TS-halt = 3 %). I den fasta fraktionen sker en uppkoncentrering av fosfor och organiskt bundet kväve, denna kan säljas som en fast gödselprodukt. [32] Polymerer kan tillsättas under centrifugeringen för ytterligare förtjockning. Dock är det inte tillåtet att använda polymerer enligt bland annat EU:s regler för ekologisk odling. [32] Den våta fraktionen från den lågteknologiska separeringen kan sedan ledas vidare till högteknologisk separering. Vid denna sker ytterligare uppdelning i en fast och flytande fraktion. Teknikerna används ofta för kväverening av rejektvattnet, för att det ska kunna avgå till recipient eller återföras till processen. Några tillgängliga tekniker är ultrafilteromvänd osmos (UF-RO), indunstning och ammoniakstripping. Teknikerna är dock inte så beprövade i samband med rötrestbehandling. [36] Som exempel har Heljestorp anläggning i Vänersborg använt ultrafiltrering, men fick sluta då det inte var ekonomiskt. [37] Från anläggningen transporteras sedan oavvattnad eller förädlad biogödsel ut till intressenter. Den största mängden biogödsel sprids idag i våt form, utan raffinering. Tankbilar är det klart dominerande transportsättet för oavvattnad biogödsel. [32] Det är 19

24 viktigt att det finns en avsättning för biogödseln. Anläggningar som baserar substratet på gödsel kan ofta leverera tillbaka till gårdarna. Överlag så varierar utformning på rötrestbehandling stort från anläggning till anläggning Alternativa tekniska lösningar Det finns ett antal tänkbara utformningar på rötrestbehandlingen. Uppskattningsvis kommer rötrestmängden efter rötkammaren uppgå till ton/år. TS-halten uppskattas till 5 %. Nedan presenteras tre olika alternativ i fallande ordning efter teknikernas lämplighet. Vilket alternativ som ska premieras beror på rötrestens näringshalter och närvaro av tungmetaller. Det är även avgörande vilket intresse som finns hos bönderna att ta emot produkten och om de föredrar att ta emot den i fast eller flytande form. Alternativ 1 Oavvattnad biogödsel Först lagras rötresten i en efterrötningstank med gasutvinning. Ett filter placeras innan lagringstanken för att plocka ut eventuell kvarvarande plast. Sedan säljs (eller skänks) rötresten till bönderna. Se Figur 9 för skiss. Figur 9: Behandling av rötrest Fördelen med detta alternativ är att rötresten inte behöver avvattnas. En dyr anläggning för detta behöver inte byggas. Avgörande för denna lösning är om biogödseln är lämplig ur näringssynpunkt och om tillräcklig efterfrågan för en flytande produkt finns hos bönderna i närområdet. Detta alternativ rekommenderas för anläggningen på Åland. Alternativ 2 Avvattning med dekantercentrifug Efter lagring i efterrötningstank för gasutvinning, så leds rötresten vidare till avvattning med dekantercentrifug, exempelvis en DC10 från Noxon [38]. Här kan polymerer tillsättas, men då får biogödseln inte säljas som ekologisk enligt EU:s direktiv. Den fasta fasen efter avvattning säljs eller komposteras. Färskvatten tillsätts den flytande rejektvattenfasen för spädning och denna leds tillbaka till rötningsanläggningen. Vid 20

25 behov kan flytande biogödsel framställas från en del av rejektvattnet, exempelvis genom en kombination av skruvpress och filter. Fördelen med detta alternativ är att rejektvattnet kan återföras till processen, men lösningen är samtidigt dyrare än det första alternativet. Alternativ 3 Avvattning med dekantercentrifug + avancerad separering Först sker lagring och avvattning enligt alternativ två. Sedan leds den flytande rejektvattenfasen vidare för ytterligare förädling. Några alternativ är vakuumindunstning, stripping-ro eller UF-RO. Ingen av dessa tre metoder är dock vidare utredd och vanlig vid förädling av biogödsel. De är även dyra. Alternativa lösningar är biologiska steg, som SBR (satsvis biologisk rening) eller biodamm men även dessa är dyra alternativ. Detta alternativ är inte så sannolikt, det är lämpligare för större anläggningar och kommer att bli alltför kostsamt Näringsinnehåll och transport av biogödsel Från reaktorn produceras cirka ton rötrest/år, med en TS-halt på omkring 5 %. Siffran är en uppskattning, i verkligheten kan den variera något. I Tabell 6 visas mycket grovt näringsinnehållet i rötresten för de huvudsakliga substraten. Nästan hälften utgörs av kogödsel. Siffrorna utgår från inkommande substratmängder till anläggningen listade i Tabell 9. Då inte alla substrat är medräknade, blir totalsumman i Tabell 6 lägre än ton. Tabell 6: Beräknat näringsinnehåll i rötresten [33] [39] [40] Ingående substrat Mängd (ton/år) N-Tot (kg) P (kg) K (kg) Matavfall Slakteriavfall (flyt) Kogödsel Vassle Hästgödsel (fast) * Summa Näringsinnehåll (kg/ton) 2,6 0,5 3,0 *Svår att beräkna då stora förluster sker vid lagring. 21

26 Värt att ha i åtanke är att gödselns slutliga näringsinnehåll kommer att ändras beroende på vilka substrat som används för rötning. Som exempel ger stora mängder av vassle och hästgödsel en lägre kvävehalt, medan det omvända gäller för stora mängder slakteriavfall. Om bioavfall och fiskrens används kommer även dessa substrat att föra med sig högre kvävenivåer. Stora mängder kogödsel för även med sig en högre kaliumhalt. För exakta siffror på näringsvärden behöver upprepade prover tas på den producerade rötresten och skickas till analys. Samma tillvägagångssätt gäller för att få fram metallhalter i rötresten. Beteckningen giva används för att beräkna hur mycket biogödsel som kan spridas per hektar. Ett schablonvärde är ton per hektar. [33] Med ton producerad rötrest och en giva på 30 ton näring/ha, blir det i detta fall omkring ha spridningsbar yta. På Åland finns cirka odlingsbara hektar [41]. All yta är troligen inte tillgänglig, men trots detta finns det tillräckligt med åkermark och en avsättningsmöjlighet för gödseln. Kostnaderna för lager, distribution och spridning varierar beroende på om dessa bekostas av mottagarna (bönderna) eller inte. Biogödseln hämtas med lastbilar för att transporteras till bönderna, då detta alternativ är lönsammare än pumpning. Ett alternativ skulle dock vara att nyttja befintliga avloppsledningar för distribution. Vid distribution av ton biogödsel med lastbil (20 km) är kostnaden cirka 20 SEK/m 3 [33]. Om även spridning medräknas blir kostnaden omkring det dubbla. Kostnaden ökar sedan vid distribution över större avstånd. Om även lagringen av biogödseln (i form av satellitlager) ska bekostas varierar denna stort beroende på lagringsform. Som prisexempel kostar ett lagunlager på m 3 (20 års avskrivning och 6 % ränta) SEK/år. [33] Kostnaden kan minskas om mottagarna är villiga att betala för biogödseln, ett genomsnittligt pris är på SEK/m 3. [33] Överlag brukar biogödselhanteringen i sin helhet dock vara en förlustaffär. 22

27 7. Ekonomi Investeringskapital, driftskostnader och intäkter för den planerade biogasanläggningen tas fram genom olika beräkningsmetoder. Beräkningsmetoderna som används är skalmetoden, annuitetsmetoden och payback-metoden. Anläggningskapitalet uppskattat med skalmetoden jämförs med en uppskattning av det totala kapitalet där huvudkomponenternas investeringskapital listas. Detta har gjort för att få en högre säkerhet i kalkylen. Investeringskapital Investeringskapitalet är en uppskattning där huvudkomponenters kostnad listas och summeras. Det totala kapitalet uppskattas till 52 miljoner SEK och redovisas för varje huvudkomponent nedan i Tabell 7. 23

28 Tabell 7: Anläggningens investeringskapital för huvudkomponenter. Komponent Förbehandling Investeringskapital (SEK) Grovkross I Kvarn/separering II Värmeväxlare V Buffert tank II Hygieniseringstankar I Rötning Rötkammare II Efterrötningskammare II Uppgradering Membran III Ultrafilter VII --- Adsorption (torkning) & RTO (Regenerativ termisk oxidering) VI Adsorption (H 2 S rening) VII --- Slutlig kompressor VII --- Gaslagring Rötrestbehandling Lager rötrest IV Totalt I. Uträknade med hjälp av skalmetoden där befintlig anläggning använts för uträkning. [42] [43] II. Tagna från anläggningar med liknande förutsättningar. [44] [16] [13]. III. Baserat på priser från leverantör. [23]. IV. Baserat på siffror från biogödselhandboken [33]. V. Baserat på uträkningar med Ulrich-metod [42]. VI. Baserat och omräknat från en klumpsumma med skalmetoden. [34] [23]. VII. Uppgift saknas. 24

29 Driftskostnad Rörliga driftskostnader innefattar personalkostnader, energikostnader samt underhållskostnader. Dessa kostnader är uppskattade enligt skalmetoden från en befintlig anläggning [45] till 15,3 miljoner SEK per år och redovisas i Tabell 8. Tabell 8: Anläggningens driftskostnader Driftkostnader (SEK) Drift, personalkostnader m.m El- och uppvärmningskostnader Totalt Annuitetsmetoden För att ta reda på årskostnaden för anläggningen så räknas annuiteten ut med hjälp av annuitetsmetoden [46]. Annuiteten räknas ut att bli 6,7 miljoner SEK per år om den ekonomiska livslängden antas vara 15 år och om kalkylräntan sätts till 5 %. En aspekt att ha i åtanke vid val av kalkylränta är att denna sätts högre än låneräntan. Det är också viktigt att överväga risker och inflation vid val av kalkylränta. [47] Intäkter Intäkterna kommer från försäljning av producerad gas samt försäljning av biogödsel. Beroende på om gasen säljs som ren fordonsgas eller om gasen genererar ström som i sin tur kan säljas tas olika försäljningspriser. Idag ligger det aktuella biogaspriset för ren biogas på 17,6 SEK/kg för privatpersoner [48]. Anläggningen förväntas producera ton biogas per år vilket motsvarar MWh per år [49] ton biogas motsvarar 2 miljoner m 3 n biogas, som i sin tur motsvarar energiinnehållet i 5 miljoner liter bensin. Om gasen säljs som fordonsgas antas nettointäkterna bli 12 SEK/kg gas. Om gasen säljs för elproduktion, kan den förväntas säljas för 250 SEK/MWh el [50]. Intäkterna för biogödsel varierar mycket beroende på dess kvalité. Därför förväntar vi oss inte några intäkter för denna post, utan endast att bönder hämtar gödsel kostnadsfritt. Det är osäkert om bönderna står för transporten eller inte. Intäkterna för gasen blir således 19 miljoner SEK per år för fordonsgas och 5 miljoner SEK per år för elförsäljning. Primärt kommer gasen säljas som fordonsgas. Skalmetoden Med hjälp av skalmetoden går det att uppskatta det totala anläggningskapitalet för den planerade biogasanläggningen. Om kapaciteten för den nya anläggningen är given går det att jämföra mot en befintlig anläggning där dess kapacitet och anläggningskostnad är känd. 25

30 Alvesta har nyligen byggt en biogasanläggning som producerar 1,6 miljoner m 3 n biogas per år. Denna anläggning kostade 60 miljoner SEK att bygga [51]. Anläggningen på Åland beräknas producera 2,0 miljoner m 3 n biogas per år och enligt skalmetoden skulle en sådan anläggning kosta 70 miljoner SEK. (För ovanstående beräkningar se Bilaga IV). Payback-metoden Metoden används för att få en uppfattning om under hur lång tid investeringen kommer att återbetalas. Den ställer investeringskapitalet och vinsten mot tiden i ett diagram, där vinsten skär investeringskapitalet är tiden det tar för investeringen att återbetalas [46]. Investeringskapitalet är uppskattat till 70 miljoner SEK och vinsten som är intäkterna minus rörliga kostnader uppskattas till 3,7 miljoner SEK per år. Tiden det tar för anläggningens investering att betala sig själv blir således 19 år. Payback-metoden redovisas i Figur 10 nedan Paybacktiden Investering År Figur 10: Paybacktiden baserat på payback-metoden 26

31 8. Diskussion Det är svårt att slå fast den lämpligaste anläggningslokaliseringen, då osäkerheten är stor. Utifrån givna substratmängder och föreslagna avsättningsmöjligheter för biogasen, lutar det något mer åt Svinryggens deponi. Närheten till Mariehamn är även en fördel, då det gör att transportsträckan för merparten av matavfallet blir kortare till anläggningen. Men närheten till bebyggelse kan möjligen ställa till med luktproblem framöver. Det har även funnits tankar från uppdragsgivaren att bygga en gemensam enhet för ett nytt avloppsreningsverk och en biogasanläggning. Detta skulle kunna utredas vidare framöver. Vid dimensionering av biogasanläggningen har det funnits många alternativ. De valda metoderna för både förbehandling och rötning gjordes efter att ha studerat avfallets typ och sammansättning. Ett antagande att allt substrat som anges i Tabell 9 i Bilaga I är tillgängligt för rötning har också gjorts. Eftersom materialet till stor del utgörs av fast och källsorterat avfall valdes grovkross för en grov sönderdelning och för att öppna avfallspåsar. Avseende det källsorterade matavfallet, antas det att metallföroreningar förekommer, därför placeras en metallavskiljare efter grovkrossen. Utöver metall förekommer även andra föroreningar som plast, glas, papper m.m., därför krävs ett ytterligare separeringssteg. Att en hammarkvarn valdes för detta steg, är för att den även finfördelar materialet, vilket krävs innan rötning. Innan hygienisering placerades en bufferttank, denna tank är avsedd för att jämna ut flödet på slurryn för att få flödet in till rötningen jämt fördelat och omblandat. Bufferttanken har även till funktion att sedimentera tyngre partiklar som sten och glas. Dessa kan annars skada processen i senare steg. Hygieniseringen består av tre parallellkopplade tankar för att få ett semikontinuerligt flöde då varje hygienisering måste ske satsvis i minst en timme. En energibesparande åtgärd är att värmeväxla hygieniseringstankens utflöde med dess inflöde, då flödet måste kylas innan den mesofila rötningen. Valet av den mesofila processen gjordes med tanke på att den är stabilare och tål variationer i belastning och substratsammansättning bättre än den termofila processen. Genom att välja den mesofila processen före den termofila minskar energiförbrukningen för anläggningen, då den termofila behöver mer energi för att hålla högre temperaturer i rötkammaren. Den mesofila processen behöver däremot en längre uppehållstid än den termofila processen. Detta leder till att rötkammaren för den mesofila processen blir något större än för en termofil process. En större rötkammare innebär en större investeringskostnad, men den mesofila processen har en lägre energiförbrukning vilket gör att driftskostnaden blir något lägre. Dimensioneringen av rötkammaren beräknades med hänsyn till att belastningen skulle vara 3 kg VS/m 3 dygn. Detta var för att kunna säkerställa en stabil drift i processen. Dimensioneringen gav att rötkammaren skulle vara m 3. För att säkerställa en effektiv omrörning med propelleromrörare delades volymen i två mindre rötkammare á 2800 m 3. Att använda två mindre rötkammare istället för en stor ökar också driftsäkerheten, om en rötkammare tas ur drift eller om en propeller går sönder så fungerar fortfarande den andra. Utan en effektiv omrörning kan man inte garantera en effektiv värmeöverföring, då det är viktigt att temperaturen för den mesofila processen ligger runt C. Anledningen till att membran rekommenderas som uppgraderingsteknik är att investeringskostnaden är bland de lägsta för låga rågasflöden och att metoden inte 27

32 konsumerar vatten. Att tekniken inte producerar smutsvatten väger tungt med tanke på att Lotsbroverket i Mariehamn är överbelastat och därmed inte kan ta emot mer vatten. Det är av intresse att studera om investeringskostnaden för membranmodulerna kan minskas. Detta kan göras genom att acceptera ett högre metanläckage och därmed strunta i att koppla membranen i ett system med hög recirkulering, enligt Figur 8. Att modifiera anläggningen på detta vis kan vara att föredra ifall det inte finns en tillräcklig stor marknad för metan. I så fall skulle det inte vara lönsamt att ta tillvara så mycket metan som möjligt, om en sådan lösning väljs bör det finnas användning för den läckta metanen som värmekälla. Användningen av ett fåtal membran kan vara fördelaktigt när anläggningen är nybyggd. Sedan när marknaden efterfrågar mer metan kan flera membranmoduler kopplas på för att få ett membransystem med låg metanförlust. Valet att använda membran för uppgradering är lämpligt för anläggningens flöde sett ifrån ett investeringsperspektiv. Men eftersom användningen av membran för detta syfte fortfarande är ovanligt finns det fortfarande inte mycket drifterfarenheter. Vattenskrubbning är också en bra uppgraderingsmetod och har en lite högre investeringskostnad än membrantekniken. Eftersom vattenskrubbning är en väletablerad metod med flera bra egenskaper rekommenderas den som ett alternativt teknikval. Tyvärr producerar systemet rejektvatten. För att biogasanläggningen ska gå med vinst krävs att en större del av den producerade biogasen kan säljas. Då det tidigare inte har existerat någon kommersiell biogasanläggning på Åland, har heller inte efterfrågan på biogas varit stor. Av denna anledning är avsättningen för producerad biogas en viktig fråga. Då kommunen i stor utsträckning är involverad i biogasanläggningen, är det tänkbart att även staten (Finland) har ett intresse av att byta fossila bränslen mot förnyelsebara energikällor. Ett sätt att få utvecklingen att gå i denna riktning är skattelättnader för förnyelsebara drivmedel, alltså att det blir billigare att köra på exempelvis biogas jämfört med bensin och diesel. Liknande subventioner har prövats i Sverige med goda resultat. Det kan vara lämpligt att ha viss framförhållning, så att biogasdrivna bussar och sopbilar finns tillgängliga när biogasverket är klart. Om anläggningen drivs i privat ägo blir det svårare att få subventioner jämfört med om den är statligt ägd. Då det idag inte existerar en biogasproducerande anläggning på Åland, ger det ägaren ett monopol på biogas. Att i det läget få subventioner från staten kan ses som mycket svårt. En möjlighet är då att anläggningen erbjuder en viss mängd gratis gas till alla som väljer att köpa en biogasbil eller konvertera en redan existerande bil till biogas. Detta testades i Boden som ett sätt att få invånarna att köpa biogasbilar. Ett annat alternativ för avsättning av biogasen är att låta en pipeline gå in till Mariehamns kraftvärmeverk. Anläggningen drivs idag till stor del av förnyelsebart bränsle, men en viss del av bränslet som nyttjas är olja; denna skulle kunna ersättas med biogas. Att avsätta närproducerad biogas till ett kraftvärmeverk är lönsamt ur flera aspekter: lägre användning av fossilt bränsle, kortare transport av bränslet samt färre föroreningar vid förbränning. Då en stor del av materialet som förbränns i Mariehamn är i fast form kan det även lagras på ett enkelt sett. Inmatningen av det fasta materialet varieras beroende på belastningen i kraftvärmeverket och ett kontinuerligt gasflöde direkt från biogasproduktionen kan användas. Detta alternativ gör placeringen av anläggningen vid Svinryggens deponi mer attraktiv då den ligger närmare Mariehamn. 28

33 För den bildade rötresten är det mest lämpliga alternativet att sända iväg rötresten i oavvattnad form till bönderna. Som referens använder Biogasanläggningen vid Kungsängens gård i Uppsala sig av denna metod. De har en större andel husavfall som substrat, trots detta får de en rötrest med bra näringssammansättning och tillräckligt låga metallhalter. De använder sig av ett filter innan efterrötningstanken för att bli av med kvarvarande plast, en lösning som föreslås även för anläggningen på Åland. Alternativet att istället avvattna rötresten är problematisk, då Lotsbroverket i Mariehamn inte kan ta emot vattnet. Att återföra vattnet i processen leder till kväveackumulation och extra färskvatten kommer då behöva tillsättas för spädning, vilket är kostsamt. Att använda sig av avancerad separering är inte heller lämpligt, tekniken har inte visat sig fungera vidare bra för gödsel. Som referens har Heljestorp anläggning i Vänersborg använt ultrafilter, men fick sluta då kostnaden blev för hög. Det är svårt att beräkna den exakta näringssammansättningen i biogödseln, detta kommer att kräva upprepade analyser. Men sannolikheten för att den ska vara attraktiv är ganska hög, då de stora gödselmängderna ger ett bra näringstillskott. Det är däremot svårt att avgöra om bönderna kommer att vilja betala för produkten eller om distributionen kommer att bekostas av anläggningen. Oavsett vilket så finns det stora miljövinster med att bönderna lämnar sin gödsel till anläggningen i utbyte mot biogödsel. Om lagring kan ske hos bönderna i befintliga behållare eller om dessa måste byggas är också en ekonomisk aspekt att ha i åtanke. Om inte befintliga ledningar kan användas för att pumpa gödsel till bönderna, är det mest ekonomiskt att transportera det med lastbil. Investeringskapitalet för anläggningen blev med skalmetoden 70 miljoner SEK. Som jämförelse gav en uppskattning av huvudkomponenterna en kostnad på 52 miljoner SEK. I skalmetoden framgår det inte hur referensanläggningen i Alvesta är uppbyggd, utan det är endast investeringskapitalet och kapaciteten som jämförs med den planerade anläggningen. Denna jämförelse kan bli felaktig om de två anläggningarna valt helt olika metoder. Kapitaluppskattningen för anläggningen baseras på huvudkomponenternas kostnader, mindre apparatur är inte medräknat. Dessa uppskattningar ger tillsammans en bra fingervisning om kapitalbehovet för den planerade anläggningen. Intäkterna för anläggningen beror mycket på gasens försäljningspris, om det finns köpare av biogödseln samt om avfallsmottagningen kan göras mot betalning. Detta kommer även att påverka återbetalningstiden för anläggningen. Utifrån givna antaganden så uppgår vinsten till 3,7 miljoner SEK/år utan annuitetskostnaden medräknat, vilket ger en återbetalningstid för anläggningen på 19 år. Annuiteten för investeringskapital uppgår till 6,7 miljoner SEK per år. 29

34 9. Slutsats Substratet som behandlas i biogasanläggningen utgörs huvudsakligen av flytgödsel och vassle, men även hushålls- och animaliskt avfall tas emot. Anläggningen har överdimensionerats med 25 % utifrån givna substratmängder på ton/år. Genom att röta flytgödsel minskar det totala utsläppet av metangas, vilket annars frigörs i gödseltankar. Ytterligare miljövinster sker då den producerade biogasen ersätter fossila bränslen. Möjliga lokaliseringar är vid Svinryggens deponi alternativt Ålandskomposten i Gunnarsby. Baserat på närhet till substrat och avsättning för biogas, föreslås Svinryggens deponi. Frågan behöver dock utredas ytterligare. För biogasproduktionen har en mesofil rötningsprocess tagits fram. Förbehandlingen har initialt delats upp för fast och flytande substrat. Det fasta substratet måste först genomgå en förbehandling i form av sönderdelning och magnetavskiljning, där viss metall kan avskiljas som kan finnas i substratet. Efter grovsönderdelningen slammas det fasta substratet upp med det flytande till en slurry. Sedan sker ytterligare sönderdelning och separering med en hammarkvarn, här avlägsnas också plast. För att avdöda skadliga mikroorganismer måste substratet även hygieniseras vid 70 C under en timme. Slurryn leds sedan in i rötkammaren, som består av två tankar á m 3. Uppehållstiden beräknas till 35 dygn, med en temperatur på C. Slurryn pumpas sedan in i en efterrötningskammare, som agerar bufferttank och tar till vara på mer biogas. Efter rötningen erhålls två produkter, rötgas samt biogödsel. Rötgasen samlas upp i en gasklocka, varefter den kan uppgraderas till önskad kvalité. Hur mycket gas som uppgraderas beror på framtida efterfrågan på exempelvis fordonsgas. Rågasproduktionen från rötkammaren uppgår till 370 m 3 n/h, vilket ger 3,2 miljoner m 3 n/år, med en metankoncentration på 63 vol%. Biogödseln genomgår en filtrering för att avlägsna kvarvarande plast och transporteras sedan oavvattnad ut till bönderna. Den årliga produktionen av biogödsel beräknas till ton. Det uppskattade investeringsbehovet för anläggningen uppgår till 52 miljoner SEK. Med skalmetoden, baserat på siffror från Alvestas biogasanläggning, beräknas investeringsbehovet till 70 miljoner SEK. Intäkter från såld gas beräknas till 19 miljoner SEK/år om gas säljs som fordonsbränsle. Biogödseln förväntas inte generera några intäkter. Räknat på ett investeringsbehov på 70 miljoner SEK, ger payback-metoden en återbetalningstid på 19 år. Annuiteten för investeringskapitalet uppgår till 6,7 miljoner SEK/år vid 5 % kalkylränta och en ekonomisk livslängd på 15 år. 30

35 Referenser [1] J. Held, A. Mathiasson och A. Nylander, Biogas from manure and waste products - Swedish case studies, Gas center, Swedish Gas Association, Swedish Biogas Association, Stockholm, [2] [Online]. Available: [Använd 13 Februari 2015]. [3] S. Pettersson, Gårdsbaserad biogasproduktion på Åland, Högskolan på Åland, [4] Näringsdepartementet: SOU 2007:36, Bioenergi från jordbruket - en växande resurs: betänkande, Fritze, Stockholm, [5] P. Börjesson och M. Berglund, Miljöanalys av biogassystem, Lund: Avd. för miljö- och energisystem, Institutionen för teknik och samhälle, Univ., [6] B. Carén, Etanolen minskar inte koldioxidutsläppen!, Expertgruppen för Miljöstudier, [7] Å. Jarvis och A. Schnürer, Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, Svensk Gastekniskt Center AB, [8] M. Fransson och E. Persson, Förbehandling av matavfall för biogasproduktion, BioMil AB, [9] F. Nilsson, Säffle biogas, Pöyry Sweden AB, Säffle, [10] J. Grim, P. Malmros, A. Schnürer och Å. Nor, Comparison of pasteurization and integrated thermophilic sanitation at a full-scale biogas plant Heat demand and biogas production, Energy, vol. 79, p , [11] S. Luste och S. Luostarinen, Anaerobic co-digestion of meat-processing byproducts and sewage sludge Effect of hygienization and organic loading rate, Bioresource Technology, vol. 101, nr 8, p , [12] Jordbruksverket: Biogasanläggning: Rötning av animaliska biprodukter, [Online]. Available: /Information+r%C3%B6tning+abp pdf. [Använd 25 Februari 2015]. [13] D. Tamm, E. Persson och A. Hjort, Nya förbehandligstekniker för ökad koncentration av växtnäring i biogödsel, BioMill AB, [14] W. L. McCabe, J. C. Smith och P. Harriot, Unit operations of chemical 31

36 engineering, New York: Mc Grew Hill, [15] Biogas ur gödsel, avfall och restprodukter: goda svenska exempel., Naturvårdsverket, Stockholm, [16] M. Edström, M. Lantz, U. Nordberg, Å. Nordberg, L. E. Jansson och L. G. Johansson, Gårdsbaserad biogasproduktion: System, ekonomi och klimatpåverkan, JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik, [17] Arbetsmiljöverket, Användning av trycksatta anordningar, [18] IEA Bioenergy, Biogas Production and Utilisation, IEA Bioenergy, 31 December [Online]. Available: [Använd 23 Februari 2015]. [19] P. Huguen och L. G. Saux, Perspectives for a european standard on biomethane: a Biogasmax proposal, Biogasmax, Lille Métropole, [20] S. Rasi, J. Läntelä och J. Rintala, Trace compounds affecting biogas energy utilisation - A review, University of Jyväskylä, Jyväskylä, [21] H. Bosch och A. D. Haan, Industrial separation processes fundamentals, Netherlands: Walter de Gruyter GmbH, [22] M. Beil och U. Hoffstede, Guidelines for the implementation and operation of biogas upgrading systems, Biogasmax, Bremen, [23] F. Bauer, C. Hulteberg, T. Persson och D. Tamm, Biogasuppgradering - Granskning av kommersiella tekniker, Svenskt Gastekniskt Center, Malmö, [24] M. Scholz, T. Melin och M. Wessling, Transforming biogas into biomethane using membrane technology, Aachen University, Aachen, [25] C. A. Grande, Biogas Upgrading by Pressure Swing Adsorption, i Biofuel's Engineering Process Technology, Norge, SINTEF Materials and Chemistry, 2011, pp [26] R. Lems och E. Dirkse, Making pressurized water scrubbing the ultimate biogas upgrading technology with the DMT Carborex PWS system, DMT Environmental Technology, The Netherlands, [27] M. Persson, Evaluation of upgrading techniques for biogas, SGC - Svenskt Gastekniskt Center AB, Göteborg, [28] D. M. U. Bäbler, Separation Processes for the Process Industry and the Environment Lecture Script, Stockholm: Royal Institute of Technology, [29] E. Ryckebosch, M. Drouillon och H. Vervaeren, Techniques for transformation of 32

37 biogas to biomethane, Biomass and Bioenergy, vol. 35, nr 5, pp , [30] Wiens tekniska högskola, Handbok för samverkan vid uppgradering av biogas till biometan, Intelligent energy europe, [31] Produktion och användning av biogas och rötrest år 2013, Statens energimyndighet, Eskilstuna, [32] Översikt över metoder för biogödselhantering, Avfall Sverige, [33] Rapport U2010:11; Biogödselhandbok Biogödsel från storskaliga biogasanläggningar, Avfall Sverige, [34] P. Malmros, Interviewee, Processingenjör: Uppsala vatten. [Intervju]. 17 Februari [35] A. Records och K. Sutherland, Dekanter Centrifug Handbook, Elsevier, [36] C. Dahlberg, Biogödselförädling: tekniker och leverantörer, Svenskt gastekniskt center (SCG), Malmö, [37] R. Davidsson, Interviewee, Kvalitets- och miljöspecialist: Ragn-sells, Heljestorp. [Intervju]. 12 Februari [38] Noxon Dekantercentrifug, [Online]. Available: [Använd 16 Februari 2015]. [39] J. Malgeryd och T. Persson, Hästgödsel: en naturlig resurs, Jönköping: Jordbruksverket, [40] Svenskt sigill: Stödmaterial lantbruk: Växtodling och växtskydd: Manual och info för att beräkna växtnäringsbalans, [Online]. Available: Certifiering/Stodmaterial-Lantbruk/B-Vaxtodling-och-vaxtskydd/. [Använd 26 Januari 2015]. [41] Ålands landskapsregering: Om det åländska jordbruket, [Online]. Available: [Använd ]. [42] G. D. Ulrich, A guide to chemical engineering process design and economics, New York: Wiley, [43] E. Norin, Alternativa hygieniseringsmetoder, Avfall sverige, Malmö, [44] K. Sjöstrand, Interviewee, Ing. F:a R. Sjöstrand AB. [Intervju]. 3 Mars

38 [45] C. Johansson och U. Wigzell, Biogaspruduktion i Motala kommun, LRF Konsult, [46] J. Olsson och P. H. Skärvad, Företagsekonomi 100 fakta, LIber, [47] B. Lilja, Expowera, 22 September [Online]. Available: [Använd 2 Mars 2015]. [48] Tekniska verket: Tankställen: Aktuella priser, 4 Mars [Online]. Available: [Använd 4 Mars 2015]. [49] M. Carlsson och M. Uldal, Substrathandbok för biogasproduktion, Svenskt Gastekniskt Center AB, [50] Nord Pool Spot, 9 Mars [Online]. Available: [Använd 9 Mars 2015]. [51] M. Lindberg, Permiär för Alvestas biogasanläggningq, Land Lantbruk, p. 7, 5 Januari [52] D. Hellström, L. Jonsson och L. Vallin, Uppföljning av biogasproduktionen vid Henriksdals reningsverk, Stockholm vatten, Stockholm,

39 Bilagor Bilaga I Beräkningar: förbehandling Flöden, TS-halt och bufferttank Det fasta inkommande flödet beräknades genom att göra om ton per år till kg per timme, flödet överdimensionerades med 25 %. Sifforna är inte avrundade och kommer från Tabell [ ton kg ] [ år ton ] 1,25 kg 365 [ dagar = [ år ] 24 [ h dagar ] h ] Det pumpbara avfallet med 25 % överdimensionering: [ ton kg ] [ år ton ] 1,25 kg 365 [ dagar = [ år ] 24 [ h dagar ] h ] Det totala flödet i anläggningen beräknades genom att de olika substraten och eventuell spädning adderades, där 1 % antogs separeras bort. ( ) [ kg ] 0,99 = [kg h h ] Volymen på bufferttanken räknades ut med inkommande flöde och den valda uppehållstiden på 6 dygn (164 timmar). För att få volym antas vattnets densitet till [ kg m 3]. Densiteten för slurryn beräknades med Ekvation 1: ρ Slurry [ kg ] = 1 000[ kg h Volymen blir då: h ] (100+TS[%]) [ kg h [11] Ekv 1 ] 164 h 0,001 [m3] = 716 m3 kg I hygieniseringen späds slurryn med 57 kg ånga/h (se beräkning nedan) och efter hygieniseringen späds slurryn från 16 % TS-halt till 12 % TS-halt. Flödet spädvatten som krävs blev: (5 030 [ kg h ] 0,16) 0, [ kg ] = [kg h h ] Och totalflödet blev in till rötkammaren [ kg h ]. Temperaturen som eftersträvades direkt efter hygieniseringen och innan utspädningen blev 43 C och beräknades enligt Ekvation 2 där C p togs fram med Ekvation 6. 35

40 m 1 [kg] C 1 [ kj kg C ] T 1[ C] + m späd [kg] C späd [ kj kg C ] T späd[ C] = m tot [kg] C tot [ kj kg C ] T tot[ C] Ekv 2 Gasproduktionen beräknades från den totala substratmängden, den totala TS-halten och gaspotentialen för respektive substrat. Beräkningarna redovisas i Tabell 9 nedan [49]. Flödet in till rötkammaren är [ kg ], totala mängden TS per år från Tabell 9 är [ ton år h Rågas ] och totala mängden rågas per år är [Nm3 ]. Dessa siffror gav rågaspotentialen 581 [ Nm3 ] för substratet (förutsatt fullständig rötning) och mängden Ton TS rågas som produceras i rötkammaren blev: 581 [ Nm3 ton TS ] [kg h ] 12[%] 100 år 0,001 [ton] = 457 [Nm3 kg h ] Rågasen antas innehålla 63 vol% metan och resten koldioxid [49] samt att gasen är en ideal gas. Med gasens molvikt och allmänna gaslägen beräknades massflödet rågas till 548 [ kg ]. Detta gör att flödet ut från rötkammaren (rötresten) blir: h [ kg h ] 548 [kg] = [kg ]. h h TS-halten in till rötkammaren är 12 %, vilket gav TS-flödet in till tanken [ kg ] h 0,12 = 787 [ kg ], eftersom 548 [kg] avgår i gas blev den nya TS-halten i utgående flöde h h 787 [ kg ] 548 [kg h h ] [ kg 100 = 4 % h ] 36

41 Tabell 9: Gaspotentialen för respektive tillgängligt substrat på Åland, siffror från uppdragsgivare och biogasportelen [49]. Substrat Inkommande substrat [ton/år] TS[%] m 3 n CH4/ton TS Biogaspotential för Inkommande substrat [m 3 n CH4] Källsorterat matavfall - hushåll % Animaliskt avfall och blandat matavfall * Bioavfall % * Djurfett % * Livsmedelsavfall % * Fiskrest % * Vassle % * Slaktavfall (klass II) (mag/tarminnehåll) % Bioavfall från färjor % Grönsaksavfall från Trädgårdshallen * Trädgårdsavfall % * Frukt och grönavfall, kompost % * Lökrester % * kasserad potatis % Gödsel * Häst, 350 st * 9 [ton/år] % * Ko 1800 st * 9 [ton/år] % * Höns st * 1kg/år % Summa [m 3 n CH4/år] Summa [m 3 n Rågas/år] Summa [MWh/år]

42 Hygienisering Hygieniseringstankarnas storlek beräknades med inkommande flöde, uppehållstiden på en timme och delades på tre stycken tankar: ,001 = 1,667 = 1,7 m 3 3 Mängden ånga för att värma upp tanken med dess innehåll till 70 C beräknades med Ekvation 3: q[kj] = m ånga [kg] λ [ kj kg ] = m tank[kg] C p,slam [ kj kg C ] (T tank T in )[ C] Ekv 3 [14] q beräknades med densiteten för slam, tankens volym, slammets C p samt temperaturen i hygieniseringstanken och temperaturen på inkommande flöde. q delades därefter med ångbildningsentalpiteten (λ) för ånga vid 140 C för att få mängden ånga som krävs. För att beräkna ångflödet till tanken som krävs för att hålla temperaturen vid 70 C i en timme användes Ekvation 4. q[kj] = m ånga [kg] λ [ kj kg ] = U tank [ kj m 2 C ] A[m2 ] (T tank T omgivning )[ C] Ekv 4 [14] där U tank är det totala värmemotståndet för tankens isolering. I beräkningar för ångflödet antas inga värmeförluster från tanken. Resultaten för beräkningarna redovisas i Tabell 10: Tabell 10: Värden för hygieniseringen Hygieniseringstank volym 1,7 m 3 m,tank m,ånga kg 56,6 kg TS 0,16 % T,in 53,3 C T,tank 70 C T,ånga 140 C λ Cp q J/kg 3 679,2 J/kg*C 1,21*10 8 j 38

43 VVX Beräkningar för VVX antar att ingen värmeförlust sker. Temperaturerna ut från värmeväxlarna innan hygieniseringen räknades ut då ingående ström från bufferttanken antogs ha en temperatur på 15 C, utgående temperatur från hygieniseringssteget är 70 C och temperaturen ut från värmeväxlaren vidare mot röttanken bör vara 37 C med Ekvation 5 med givna flöden och C p -värden: q = m h Cp h (T ha T hb ) = m c Cp c (T cb T ca ) Ekv 5 [14] Vilket gav temperaturen T k,ut till 43 C. Värmekapaciteten C p antas vara konstant vid temperaturförändringar och beror på TShalt och beräknades med Ekvation 6: C p,slurry [ kj kj kj ] = 4,180 [ ] (1 TS[%]) + 1,050 [ ] TS[%] Ekv 6 kg C kg C kg C [14] Eftersom slurryn in till värmeväxlaren har en TS-halt på 16 % blir C p = 3,86 [ kj kg C ] Storleken på värmeväxlaren räknades ut med Ekvation 7: q = u i A i T L = m h Cp h (T ha T hb ) = m c Cp c (T cb T ca ) Ekv 7 [14] T L är den logaritmiska medeltemperaturen och togs fram med Ekvation 8: T L = T 2 T 1 ln T 2 T1 Ekv 8 [14] u i är värmegenomgångskoefficienten på rörens insida och beräknades med Ekvation 9 där D L togs från Ekvation 10. X w är rörets tjocklek och k m är materialets värmekonduktivitet. u i = 1 1 h i + X w Km ( D i D L )+ 1 ho ( D i Do ) Ekv 9 [14] D L = D i D o ln D i Do Ekv 10 [14] h i är värmeöverföringskoefficient på rörens insida och h o är värmeöverföringskoefficient på rörens utsida, se Ekvation 10 och 11: h i = μ m cp 2 ( D i k m L )1/3 Ekv 11 [14] μ m cp h o = 2 ( D u D o k m L )1/3 Ekv 12 [14] Kraven för Ekvation 11 och 12 är att flödet är laminärt. Viskositeten antogs för slammet vara 150 [ kg m,s ] Resultaten efter beräkningarna redovisas i Tabell 11 med temperaturprofil och VVXprofil i Figur

44 Tabell 4: Värden för värmeväxlare Data för VVX Figur 11 Temperaturprofil för värmeväxlare Area på VVX 37,5 m 2 Längd på VVX 233,2 m Antal rör á 4 m 58 st Massflöde kallt, m v 1,6 kg/s Massflöde varmt, m v 1,63 kg/s Temp kallt in, T k,in 15 C Temp kallt ut, T k,ut 41,3 C Temp varmt in, T v,in 70 C Temp varmt ut, T v,ut 44 C Diameter insidan, D i 5 cm Diameter utsidan, D o 5,2 cm Diameter insidan yttre rör, D u 7 cm h i h o 202 W/m 2, C 562 W/m 2, C 40

45 Bilaga II Beräkningar: rötkammare Uppehållstid [dygn] = Belastning [ kg VS m 3 d Rötkammarvolym[m 3 ] volym inkommande flöde per dygn [ m3 dygn ] Ekv 13 [52] kg VS dygn ] rötkammarvolym [m 3 ] ] = kg inpumpad VS per dygn[ Ekv 14 [52] Beräkning av volymen på rötkammaren. Ingående flöde till rötkammaren är 160 m 3 /dag. Med en uppehållstid på 35 dagar blir beräkningen med Ekvation 15 följande: Rötkammarvolym[m 3 ] = Uppehållstid [dygn] volym inkommande flöde per dygn [ m3 dygn ] 35[dygn] 160 [ m3 dygn ] = [m3 ] Beräkning av belastningen i rötkammaren. kg VS Ingående flöde av VS till rötkammaren är [ ] dygn Ekv 15 Med rötkammarvolymen på m 3 beräknas belastningen enligt Ekvation 14 till följande: kg VS [ dygn ] 5600 [m 3 ] kg VS = 2,9838 [ m 3 dygn ] Volymen för efterrötkammaren beräknades nedan med en uppehållstid på 6 dagar och ett flöde på 160 m 3 /dygn blev volymen följande: 6[dygn] 160 [ m3 dygn ] = 960 [m3 ] Volymen för efterrötningskammaren sattes då till m 3 41

46 Bilaga III Beräkningar: uppgradering Nedanstående beräkningar baseras på Figur 12 nedan. Figur 12: Materialbalans för uppgraderingen. Parametrar Q F = 462 [ m3 n h ], Z CH 4 = 0,63 [ volym CH 4 total volym ], X CH 4 = 0,97 [ volym CH 4 total volym ], a = 0,005 [ CH 4 förlust ], ρ Total CH CH4, = 0,717 [ kg 4 m 3] Materialbalanser Q F = Q ut + Q off Ekv 16 Q F Z CH4 = Q ut X CH4 + Q off Y CH4 Ekv 17 Q F Z CH4 a = Q off Y CH4 Ekv 18 Balanserna löses genom att först sätta in värden i Ekvation 18 och sedan sätta in erhållna värde för Q off Y CH4 i Ekvation 17. Då fås ett värde på Q ut, Q off löses ifrån Ekvation 16 och Y CH4 ifrån Ekvation 18. Volymfraktionen konverteras till g/m 3 med Ekvation 19 nedan: Y CH4 [ g m 3] = Y CH 4 [ m3 m 3] ρ CH 4 [ kg m3] Ekv 19 Resultatet från beräkningar ovan redovisas i Tabell 12. Tabell 5: Relevanta resultat från materialbalansen Q ut [m 3 n/h] Q off [m 3 n/h] Y CH4 [m 3 /m 3 ] Y CH4 [g/m 3 ] ,0089 6,38 42

47 Bilaga IV Beräkningar: ekonomi Vid beräkningar med skalmetoden användes Ekvation 20: Kostnad 1 = Kostnad 2 (Kapacitet 1 Kapacitet 2 )n Kostnad 2 = Kostnad 1 Ekv 20 [42] ( Kapacitet 1 Kapacitet 2 )n där n = 2/3 för hela processanläggningen och n = 0,80 för lagringstankarna (hygienisering) Vid beräkningar av annuiteten användes Ekvation 21: A = N k 1 (1+k) n Ekv 21 [46] där A = annuitet, N = investeringskostnad (kapital), k = kalkylräntan och n = ekonomisk livslängd 43

48 Bilaga V Flödesschema: biogasanläggning Nedan i Figur 13 visas flödesschemat för processen. Flöden, temperaturer och TS-halter redovisas i Tabell 13. Figur 13: Anläggningens flödesschema, Tabell 14 tar upp flödenas temperaturer och TS-halter. 44