FoU för ökad biogasproduktion vid Mälardalens högskola

Transkript

1 FoU för ökad biogasproduktion vid Mälardalens högskola Erik Dahlquist, Lena Johansson Westholm, Monica Odlare, Adrian Rodriguez Akademin för hållbar samhälls och teknikutveckling

2 MERO, Miljö,Energi och ResursOptimering Miljö, energi och byggteknik med tillämpad matematik 60 doktorander och 29 forskare av vilka 13 professorer ( 7 full + 6 adj prof) Forskningsgrupper (antal forskare + doktorander): Effektiva processer inom energi och miljöteknik (12+33) Effektiv distribution och användning av energi (5+7) Säkerhet i infrastruktur (6+10) Tillämpad matematik (6+10)

3 Bioenergiforskning vid MdH Bränslekaraktäriseri ng Fukthalt RF Regionala system Optimering Fossilbränslefritt Avfall-till-energi: REMOWE Biogas BioGasOpt- Optimering Hög-konc på lantbruk Förgasning Kraftvärmeproduktion Simulering, Optimering, Integrering Med bränsleproduktion, Värmelager

4

5 The Project Facilitate the implementation of sustainable systems for waste-to-energy in the Baltic Sea region December December 2012 Budget: 1,6 MEUR 1,2 MEUR from Baltic Sea Region Program

6 The Project Increase the possibilities for waste-toenergy utilization by policies and strategies and thereby contribute to regional development Increase the support to SME:s in the farming, waste and energy areas for implementation and operation of waste-toenergy solutions

7 9 Project Partners Mälardalen University The County Administrative Board of Västmanland The Municipal Federation of Savonia University of Applied Sciences Centre for Economic Development, Transport and the Environment for North Savo University of Eastern Finland Marshal Office of Lower Silesia Ostfalia University of Applied Sciences-Campus Braunschweig / Wolfenbüttel Klaipeda University Estonian Regional and Local Development Agency (ERKAS)

8 BioGasOpt Projektet BioGasOpt Optimering av biogasproduktionen vid Växtkraft 3 år 2008 April 2011 KKS stiftelsen + partnerbolag total budget 6 MSEK

9 BioGasOpt Projektet Begränsa barlasten från organiskt mtrl I processvattnet som recirkuleras Förbättra massöverföringen av gas och näringsämnen I reaktorn Förbehandla substratet till reaktorn Använd restmaterialet på bästa möjliga sätt på åkrar

10 BioGasOpt Project Deltagare Mälardalens högskola Svensk Växtkraft AB Mercatus Engineering AB Nibble Lantbruk AB JTI Swedish Institute of Agricultural and Environmental Engineering

11 Växtkraft Biogasanläggning Start up 2005 Organiskt avfall hushåll, restauranger vallgrödor Mesophilic anaerob jäsning, uppehållstid 20 dagar Recirculation av rest till lantbruk som näring Produktion design MWh (1.5 millioner Nm3) biogas /år

12 Växtkraft Biogasanläggning

13 Fermentation m 3

14 Membranfiltering keramiska membran Möjligt sänka TS halt i filtrat från 4 % till under 2%. Filtreringstemperatur ca 100 C lagom Frigör energi som behöver återvinnas

15 Växtkraft biogas plant Substrate ton organic waste ton Liquid waste ton Lay crop Production The biogas produced is equivalent to MWh 1,5 miljon liters/year (Petrol equivalent) Organic Fertilizer for about ha of farmland.

16 Membrane filtration Capacity of the process Pre treatment of the incoming organic waste is one of the bottlenecks of the process. A slurry is prepared from organic waste and process water to facilitate the possibility to pump the mix. Dry solids has been accumulating in the process water during the plants operation and is today around 4 %. Experimental setup A Crossflow Ultra filtration setup. Higher temperatures to increase the flux.

17 Results Membrane filtration A good separation of suspended solids a final dry solid content between %. A high permeate flow starting from a temperature of 90 C. A decrease of dry solid content from 4.15 % to 1.6 % could mean an increased capacity of pre treating organic waste of 30%. Temperature ( C) flow (l/h) Dry solid content ,62 1, ,52 1, ,6

18 Mixing of a digester Gas outle t Centerlin e axis Liquid inlet Gas Gas inlet 2 inlet 1 Simulated cross section Liqui d outlet Illustration of the geometry that was used in the simulations (left) and an overview picture of the digester and the simulated surface (right).

19 Förbättra massöverföring CFD (computational fluid dynamics) modelling mass transfer and gas distribution in the digestor From the left100% of possible flow, 60%, 20 % respectively and 20 % gas flow with recirculation of fluid.

20 Results The effect of the liquid circulation on the overall mixing in the digester Velocity vectors of the gas injection and liquid outlet, showing the effect that the liquid outlet has on the flow pattern. Gas flow rate at 20 %. Velocity contours of the entire domain with the gas injected at 20 % flow rate, showing the effect that the liquid outlet has on the flow pattern.

21 Results The effect of the liquid circulation on the overall mixing in the digester Mean liquid speed Mean liquid turbulent kinetic energy

22 Results The gas flow rates effect on the mixing Mean liquid speed Mean liquid turbulent kinetic energy

23 Electroporation elektroder electriska pulser ma, pulses, kv/m, 187 Wh/ kg VS Upp till 100% ökning av gasproduktion Förbehandling

24 Rest åteföres till lantbruk Har gjort labförsök och i fält. Följer N2O och CH4 emissioner. Två jordtyper (lera och humusrik) Högre emissioner från organogena jordar. Viktigast lägga ut kväve då gröda nått någon dm höjd

25 Pågående forskning Karaktärisering av flöden från membranfilter (näring, biogaspotential) Försök med omrörning Mekanisk förbehandling Labförsök med effekt av återfört material på grödor

26 Biogas reactor 100 m3 for farm land crops

27 Ecologic farmer Kurt Hansson, also PhD student at MDH

28 Bioenergy research Sweden Academic Partners Sweden: MDU, SLU,LiU,LTH Cooperation with China Academic partners China: Tsinghua, NCEPU, SJTU Industries Sweden Industries China

29 Samarbete med Kina Stimulera forskning såväl som industrisamarbete mellan Sverige och Kina Stöd av Energimyndigheten och IVA

30 Forskningssamarbete Förbehandling, processoptimering, nya substrat, som inte går att äta Ny kunskap forskningssamarbete, seminarier, konferenser Deltagande i demonstrationsanläggningar Gemensamma forskarkurser

31 Avloppsvattenrening ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

32 KKS projekt runt aktivslamprocessen Förstå mekanismerna bakom hur högt alfavärde kan erhållas Mål reducera energianvändningen, men även slippa dosera kolkälla Ta fram metoder för att följa DNAsammansättning/mikroorganismer mer långsiktigt Använda enzymaktivitet för mer on line kontroll

33 MICROBIOLOGISK ANALYS DNA ANALYSIS (A)Activated sludge sampling (B)Polymerase Chain Reaction (PCR) (C)Cloning/ (D) Sub culturing of clones/ (E) PCR (F) Sequencing (G) Phylogenetic Analysis ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

34 DNA ANALYSIS From J.L. Sanz, T. Ko chling / Process Biochemistry 42 (2007) ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

35 FISH METHOD From J.L. Sanz, T. Ko chling / Process Biochemistry 42 (2007) ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

36 FISH METHOD ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

37 FISH METHOD ACTIVATED SLUDGE PROCESS OPTIMIZATION ADRIAN RODRIGUEZ

38 Water treatment technology Optimization of water treatment systems Removal of NO3 in water using constructed wet land ponds Active sludge process optimization (KKS) Biogas production (KKS) Development of adsorption systems from natural materials Toxicology in connection with water treatment New kluster MDH,UU,KTH,SLU,LTH and IVL + waste water treatment plants in Mälardalen joint plattform as strong research environment SVU.

39 Aktivslamprocessen Anox zon Aerob zon

40 Avloppsvattenrening i framtiden Delvis Rötkamm are Biogas Biosteg, aktivt slam Slambehandling Försedimentering Mellansedimenter ing Hydroly s UF Hydrolys Åkermark Gel - kromatog rafi Rent vatten C/N hög C/N låg Åkermark RO

41 Waste water Pre sedimentation Sludge handling Partly Fermenta tion Biogas Activated sludge Hydrolysis Hydrolysis Farmland Sedimentat ion Gel chromatografi to remove pharmaceutics Clean water C/N high C/N low Farmland UF Precipitation by Mg or Ca of NH3/PO4 RO

42 Vad gör vi inom PRO? Sol Production: Biogas, Förgasning Lokal produktion och konsumtion TPV Diagnostik, styrning, Beslutsstöd, optimering Ekonomisk styrning, Handel med rättigheter, el, värme Nya prismodeller s W ed gi ng Modellering, simulering Metall Industri Vatten Papper 42

43 VAFIM = Vatten och avfallsforskning i Mälardalen VAFAB, SRV Huddinge, Eskilstuna Energi och Miljö, Mälarenergi, Örebro tekniska verken, Atleverket, MDH, ÖrU Utbyte av erfarenheter Gemensamma forskningsprogram

44 Dynamic data reconciliation Mälarenergi *Deviation between models and measurements including dynamics and time evolution *High interest from industry and international research. *High potential for Maintenance on demand.

45 Combining simulation models with diagnostics, decision support and process optimization Unique combination in Sweden. Both power plants and process industries Vattenfall, Mälarenergi (Power), Korsnäs (P&P), Sura (Metal)

46 Moisture content measurement in biomass Delivery control of biomass for right pricing RF (Radio frequency scan) is a bulk method developed by MDH together with Eskilstuna Energy and Environment (Värmeforsk) World unique bulk method 8 years R&D. Now time for commercialization Dragon power, Chinas biggest company on biomass combustion is very interested. North China electric power univ wants to start cooperation

47 Energy and environmental balance for a complete region Monitor consumption of energy in different forms. Follow key figures. Investigate possible resources in the region together with the farmers Evaluate and develop techniques for reaching a sustainable balance between consumption and available resources.