Processintern metananrikning för kostnadseffektiv produktion av biogas som fordonsbränsle

Transkript

1 1 Processintern metananrikning för kostnadseffektiv produktion av biogas som fordonsbränsle Åke Rasmuson, professor; Institutionen för kemiteknik, Kungl Tekniska Högskolan, Stockholm, Åke Nordberg, forskningsledare, agr dr; Institutet för jordbruks- och miljöteknik, JTI, Uppsala Syfte och mål Syftet med detta projekt är att klargöra de tekniska förutsättningarna för att med processintern metananrikning kunna uppgradera, till drivmedelskvalitet, biogas från anaerob rötning av avloppsslam. Avsikten är att inom projektet: med kemiska analyser klarlägga slammets förmåga att buffra den tendens till ph-förhöjning som följer av desorptionen av koldioxid och som kan vara ett hot mot metodens användbarhet med modellering klarlägga förutsättningarna för att vid kontinuerlig drift nå en hög desorption av koldioxid vid små metanförluster skapa ett vertyg för dimensionering av processintern metananrikning genom att utöka modellen till att omfatta både rötkammaren och desorptionskolonnen Kostnadsuppskattningar har visat att processintern metananrikning har förutsättningar att ge en väsentligt billigare uppgradering än de metoder som idag är i kommersiellt bruk. Resultaten av den planerade studien kommer att medge att en mer fullständig teknisk/ekonomisk analys av detta alternativ kan genomföras i samband med att biogasproduktionen i Sverige byggs ut. Institutet för jordbruks- och miljöteknik, JTI, i Uppsala och Kungl Tekniska Högskolan i Stockholm har i samarbetsprojekt stött av NUTEK, Energimyndigheten och stiftelsen FUTURA, experimentellt och teoretiskt studerat processintern metananrikning för uppgradering av biogas. Avsikten med den föreliggande ansökan är att finna ekonomiskt stöd för att fortsätta forskning och utveckling av en metod som kan leda till väsentliga kostnadsbesparingar vid produktion av biogas av drivmedelskvalitét från avloppsslam.

2 2 Bakgrund Många av de största miljöproblemen idag är förknippade med vår användning av energi. Fossila bränslen blir allt dyrare och deras användning är direkt förknippad med koldioxidproblematiken och den globala uppvärmningen. Samhället behöver därför utveckla förnybara energikällor och effektivisera energianvändningen. En väsentlig del av vår användning av energi är förknippad med transporter. I tätorter är dessutom biltransporter förknippade med flera andra stora miljöproblem såsom kväveoxider, kolväten, koloxid och stoft. I ett kretsloppsanpassat samhälle är det en synnerligen attraktiv lösning om avfall och avlopp kan återanvändas och omvandlas till fordonsbränsle med betydligt lägre miljöpåverkan. Ett intressant exempel på en sådan användning är att använda avloppsslam och biologiskt nedbrytbart avfall för att producera s.k biogas att användas som drivmedel för fordon. Biogas bildas vid en naturlig anaerob nedbrytning (rötning) av organiskt material. Den bildade gasen består av ca 60 % metan och ca 40 % koldioxid. För att kunna använda gasen som fordonsbränsle avskiljs koldioxiden varefter gasens metanhalt blir ca %. Gasen komprimeras därefter till ca 200 bar och kan sedan fyllas i en separat gastank i fordonet. Biogas är det både ekonomiskt och ur miljöhänsyn bästa fordonsbränslet idag och är det enda bränsle som hamnar i högsta miljöklassen enligt statliga Alternativbränsleutredningens betänkande SOU 1996:184. Ett byte från bensin eller diesel till biogas leder till en minskning av de totala utsläppen av kväveoxider, kolväten, stoft och koloxid. Mätningar har utförts som visar en klart förbättrad stadsmiljö efter införandet av biogasdrivna fordon. Biogas är ett fordonsbränsle som kan produceras i Sverige och lokalt nära brukaren, och är en förnybar energikälla som ingår i naturens eget kretslopp. Då det biologiska materialet bildas används koldioxid ur luften. Härigenom bidrar biogas inte till en nettoökning av koldioxidhalten på det sätt som förbränning av fossila bränslen gör. Tekniken för att använda biogas för fordonsdrift finns redan utvecklad och storskaliga försök med fordon i reguljär drift har genomförts. Bilarna både ser ut och går precis som sina motsvarigheter med bensinmotorer. Bullernivån hos gasdrivna fordon halveras vid acceleration och körning i tätort, jämfört med dieseldrivna fordon. Gas är ett mycket effektivt bränsle och förbränns utan att det bildas slagg eller sot. Biogasen som framställs kan användas inte bara till fordonsdrift utan även för uppvärmning eller generering av elektrisk energi. Potentialen för biogas som drivmedel och möjligheterna att producera biogas i Sverige diskuteras i en rapport av Marita Linné (Biomil AB), som skrevs i samband med utredningen om förnybara bränslen (SOU 2004:4). Biogas kan framställas genom rötning av organiskt material såsom slam från avloppsvatten, hushållsavfall, avfall från livsmedelsindustrin, restprodukter från jord- och skogsbruk, eller från grödor som odlas för syftet att framställa biogas. I rapporten dras slutsatsen att biogasproduktionen i Sverige kan förväntas öka med en faktor tio från 2003 till År 2010 förväntas en tredjedel av fordonsgasproduktionen komma från slam från reningsverken och resten från samrötningsanläggningar med olika kombinationer av råvaror varav ca 40 % från gödsel och odlade grödor. Fordonsgaspotentialen från biogas år 2020 bedöms till 3,6 TWh/år. I ett längre perspektiv finns den största biogaspotentialen i att använda odlade grödor och gödsel som substrat. Men med tanke på att spannmålspriset mer än fördubblats det senaste året så är dock förutsättningarna för att använda vete för drivmedelsproduktion begränsade just nu. Det är dock intressant att notera att en energianalys visar att åkermarken utnyttjas mest energieffektivt när den används för att producera vete för biogasproduktion. Produktion av etanol från vete ger det lägsta energiutbytet räknat per ha åkermark även om dranken används till foder. Dessutom är nettodrivmedelsutbytet tre gånger högre om vetet används för

3 3 biogasproduktion. En ökad biogasanvändning stämmer väl överens med flera av de nationella miljömålen framförallt Begränsad klimatpåverkan, Frisk luft och Ingen övergödning Den produkt som blir kvar efter biogasprocessen innehåller all den växtnäring som fanns med i det ursprungliga materialet, och kan därför med fördel användas inom jordbruket. Av de växtnäringsämnen som ingår är fosfor det som vi bör vara mest mån om då ren fosfor anses kunna bli en bristvara i framtiden. Delar av det organiskt bundna kvävet har mineraliserats till ammoniumkväve. Detta är positivt ur gödningssynpunkt då ammonium snabbare kan tas upp av växterna än organiskt bundet kväve. Restprodukten kan ha olika namn, t ex rötrest, biogödsel och biomull. Biogastekniken medger därför även en långsiktig och hållbar avfallshantering där behandlat material, som innehåller växtnäring och mull kan återföras till jordbruksmarken. JTI har genomfört miljösystemanalyser åt Växjö kommun där det är aktuellt att samröta källsorterade matrester från hushållen, restprodukter från industrin (bland annat från livsmedelsindustrin) samt gödsel och vallgröda från jordbruket. De viktigaste resultaten är: Bland de etablerade metoderna för biologisk behandling av organiska restprodukter är rötning och kompostering de metoder som gör det möjligt att återföra växtnäring (bl.a. fosfor och kväve) till jordbruket, dvs. skapa ett kretslopp. Rötning har en lägre miljöbelastning i alla fem effektkategorierna, jämfört med kompostering. Huvudorsaken är att kompostering kräver en betydligt större insats av fossila bränslen än rötning. Vid jämförelse mellan deponering, förbränning, rötning och kompostering har rötning det lägsta behovet av fossil energi för omhändertagande av organiska restprodukter. Detta under förutsättning att biogasen används så att den ersätter fossila bränslen. Rötningens bidrag till växthuseffekten är betydligt lägre än förbränningens. Rötning ger upphov till biogas och den kan användas för att ersätta fossila bränslen som diesel och bensin. Detta innebär en stor positiv miljöåtgärd genom att utsläpp av koldioxid och kväveoxider reduceras, vilket i sin tur minskar bidraget till samtliga fem miljöeffektkategorier. Biogas som drivmedel ger en betydligt lägre miljöbelastning i effektkategorierna övergödning, försurning och humanhälsa jämfört med diesel. Stadsmiljön gynnas påtagligt om innerstadsbussarna kan drivas med biogas. Skillnaden blir mindre om biogas ersätter bensin. Processintern metananrikning En av de största kostnadsposterna vid nyttjande av biogas som fordonsbränsle är att uppgradera primärgasen till drivmedelskvalitet. Kostnaderna för att producera fordonsgas (uppgraderad och trycksatt) från biogas uppskattas till mellan 2,70 och 5,00 kronor/bensinekvivalent exkl moms enligt Marita Linnés sammanställning. Kostnaderna för uppgradering av gasen till drivmedelskvalitet är storleksordningen 1/3 av hela kostnaden för biogasen. Vid uppgraderingen avskiljs framförallt det mesta av koldioxiden för att höja det specifika energiinnehållet. Dessutom önskar man avskilja spårmängder av t ex svavelväte och ammoniak för att minska korrosion och andra skador på de mekaniska komponenterna. De vanligaste reningsmetoderna i de anläggningar som finns för uppgradering är absorption av koldioxid i vatten och adsorption i molekylsikt. Även absorption i polyetylenglykol och i monoetanolamin, samt mebranteknik är beprövade tekniker. Det har dock visat sig hitills att alla dessa metoder är relativt dyra. Därför är det angeläget att utveckla ny teknik för att på ett

4 4 mer kostnadseffektivt sätt kunna producera biogas av drivmedelskvalitet. I ett examensarbete från Linköpings tekniska högskola 1 görs en sammanställning av nyare tekniker för uppgradering av biogas. Flera tekniker, däribland processintern metananrikning, bedöms vara intressanta för framtiden. Processintern metananrikning innebär att man istället för att rena gasen som avges vid rötning, genomför rötningsprocessen så att gasen redan från början håller en hög koncentration av metan. I processintern metananrikning cirkuleras slammet under själva rötningprocessen från rötkammaren genom en desorptionskolonn och sedan tillbaka igen, se figuren nedan. I kolonnen bubblas luft genom slammet varigenom den gas som finns i slammet desorberas. Beroende på hur desorptionen genomförs är det möjligt att företrädelsevis desorbera koldioxid och minimera förlusterna av metan. Processintern metananrikning utnyttjar att koldioxiden har en betydligt högre löslighet i slammet än metan. Bortsett från en bättre ekonomi får processintern metananrikning, för att vara konkurrenskraftig, inte negativt påverka rötningsprocessen, och gasen måste uppnå tillräckligt god kvalitet samtidigt som förlusten av metan minimeras. En minimering av metanförlusterna är av stor vikt dels därför att det innebär en förlorad produktion av drivmedel och dels därför att metan som släpps till atmosfären bidrar till växthuseffekten. Biogas (95% CH 4 ) Air (with desorbed CO 2 ) Liquid recycle Feed Anaerobic digester Organics -> CO 2 + CH 4 Desorption column Air Effluent Figur: Schematiskt beskrivning av processintern metananrikning 1 Benjaminsson, Johan; Nya renings- och uppgraderingstekniker för biogas; Examensarbete, Linköpings tekniska högskola, april 2006; SGC rapport 163 (Svensk Gastekniskt centrum)

5 5 Tidigare arbete och nuläge Samarbetet mellan JTI och KTH startade med det licentiatarbete 2 som Anna Lindberg genomförde som anställd vid JTI och som forskarstuderande vid Kemiteknik, KTH (med prof Åke Rasmuson som huvudhandledare). I det experimentella arbetet anslöts en halvstor desorptionskolonn (bubbelkolonn med 0,3 m diameter) till en fullstor anaerob rötkammare vid Uppsala reningsverk. Rötkammaren hade en volym av 1500 m 3 och arbetade vid mesofila betingelser med en uppehållstid för slammet på ca 20 dagar. Slammets torrhalt var ca 2 3 % med ca 50 % volatile solids content. Rötkammaren matades semi-kontinuerligt och var välomblandad. 38 desorptionsexperiment genomfördes vid olika slamflöden och luftflöden 3. Experimenten kördes till steady-state i desorptionskolonnen varefter halt koldioxid, ph och total alkalinitet bestämdes i utgående slam, liksom halten metan och koldioxid i utgående luft. Resultaten visar att desorptionen av koldioxid per m 3 slam i desorptionskolonnen är jämför med produktionen av koldioxid i rötkammaren. Dessutom visar resultaten att lägst metanförluster (2 %) uppnås vid lågt slamflöde och högt gasflöde, och att svavelväte kan förväntas desorberas tillsammans med koldioxiden. Inom arbetet utvecklades en matematisk modell över desorptionsprocessen 4. I modellen beskrivs både gasfasen och vätskefasen med en axiell dispersionsmodell för att uppnå en realistisk beskrivning av omblandningsbetingelserna. Modellen tar hänsyn till bikarbonatreaktionen, men antar att denna är konstant genom kolonnen eftersom halten bikarbonat är väsentligt mycket högre än halten fri koldioxid. Dessutom antas ph vara konstant genom kolonnen. Modellen omfattar även en beskrivning av eventuell (oönskad) desorption av metan. Resultaten av simuleringar visar att modellen kan beskriva processen på ett kvalitativt korrekt sätt. Kvantitativa skillnader bedöms vara orsakade av både begränsningar i experimentella mätdata och av förenklande antaganden i modellen. Särskilt noteras det problematiska i att vare sig halten av metan eller halten bikarbonat i slammet är väl bestämda experimentellt, och att total alkalinitet inte tycks vara ett bra mått på halten bikarbonat. I ett fortsättningsprojekt 5, finansierat av Energimyndigheten, anslöts desorptionskolonnen till en rötkammare i pilotskala med syftet att främst studera hur själva rötningsprocessen påverkas av processintern metananrikning. Rötkammarvolymen var m 3 och desorptionskolonnen höll L. Resultaten från försöken visar att desorption av koldioxid med luft inte hade någon negativ påverkan på den metanbildande aktiviteten vid rötningen eftersom metanutbytet var i princip detsamma med eller utan desorption. Under försöken testades flera kombinationer av slam- och luftflöden. Den högsta metanhalten i biogasen som uppnåddes med den befintliga utrustningen var ca 87 %. Kvävgasinnehållet var då ca 2 % och metanförlusten ca 8 %. Dessa resultat skall dock inte uppfattas som en gräns för processens möjligheter utan mer som ett exempel som uppmuntrar till fortsatt arbete och optimering. 2 Lindberg, Anna; Development of in-situ methane enrichment as a method for upgrading biogas to vehicle fuel standard, Licentiate Treatise, Department of Chemical Engineering and Technology, KTH Lindberg, A. and Å. C. Rasmuson; Selective desorption of carbon dioxide from sewage sludge for in-situ methane enrichment part I: pilot-plant experiments, Biotechnology and Bioengineering, 95(5), (2006) 4 Lindberg, A. and Å. C. Rasmuson; Selective desorption of carbon dioxide from sewage sludge for in-situ methane enrichment part II: modelling and evaluation of experiments, Biotechnology and Bioengineering, 97(5), (2007) 5 Nordberg, Å, Edström, M., Uusi-Penttillä, M, Rasmuson, Å.C.; Processintern metananrikning; Rapport till Energimyndigheten, 2004

6 6 Dessutom genomfördes simuleringar med desorptionsmodellen för att klargöra förutsättningarna för att i fullskala uppgradera metanhalten till drivmedelskvalitet. Försöksoch simuleringsresultaten visar att för att minimera förlusten av metan bör slamflödet vara så lågt som möjligt, samtidigt som tillräcklig mängd koldioxid totalt sett måste föras till kolonnen för desorption. Desorptionen av koldioxid ökar främst med ökande luftflöde. Enligt simuleringsresultaten kan processintern metananrikning i fullskala genomföras med en kolonn som endast är några meter i diameter och några meter i höjd, och med en uppehållstid för slammet på storleksordningen en timme eller lägre. Simuleringarna indikerar att rent tekniskt kan processen genomföras så att metanförlusterna hålls tillräckligt låga (< 2%) samtidigt som tillräcklig desorption av koldioxid uppnås (95% metan i rötkammargasen) Preliminära ekonomiska beräkningar över en desorptionsanläggning för ett gasflöde under 100 m 3 /h tyder på att processintern metananrikning ligger på i storleksordningen en tredjedel av priset av konventionell teknik. Från resultaten av detta projekt drogs slutsatsen att simuleringsmodellen behöver vidareutvecklas att innefatta även balanser för ph och karbonat. Det är också angeläget att koppla ihop modellen över desorptionskolonnen, med en modell som beskriver själva rötningsprocessen. Med modellarbete kan desorptionsprocessen optimeras. Med en desorptionsprocess som är optimerad för en given rötkammare, kan en verklig experimentell utvärdering ske av möjligheterna att nå 95% metanhalt i rötkammargasen samtidigt som metanförlusten hålls under 2%. I samband med detta bör även långtidstester över flera månader genomföras, där bl.a. utfällningar på kolonnväggarna och membranluftare bör beaktas. I ett just avslutat projekt 6 finansierat av stiftelsen FUTURA, har simuleringsmodellen utökats till att nu även beskriva hur bikarbonathalten och ph ändras i slammet genom kolonnen. Dessutom omfattar modellen även en balans över ammonium/ammoniak jämvikten. Modellen beskrivs i bilagan. Arbetet visar att desorptionen av koldioxid är på ett avgörande sätt beroende av den kapacitet slammet har för att buffra den tendens till ph-ökning som finns då koldioxiden desorberas. Om ph blir för högt avstannar desorptionen helt därför att reaktionshastigheten för omvandling av bikarbonat till fri koldioxid blir för låg. De experimentella resultaten från Lindbergs studie redovisar dock en mycket måttlig ph-ökning som inte är i närheten av att motsvara den desorption av koldioxid som uppmäts. Förklaringen är att slammet innehåller ämnen som genom syra-bas reaktioner motverkar den ph-ökning som annars skulle ske. Simuleringarna visar att en bidragande reaktion är omvandlingen av ammonium till ammoniak men det förefaller som om detta inte är tillräckligt. Med den utökade modellen och en mer omfattande utvärdering av Lindbergs experiment har det blivit möjligt att faktiskt beräkna vad bikarbonathalten i slammet är. Det visar sig att halten bikarbonat alltid är lägre än halten total alkalinitet men ibland faktiskt är högre än vad som motsvarar jämvikt med halten fri koldioxid och uppmätt ph i slammet. Arbetet visar att en ökad kunskap om slammets kemi är av stor vikt för att kunna bedömma de tekniska förutsättningarna för framgångsrik processintern metananrikning och för att få en riktig modellering och därmed dimensionering av processen. Resultaten av denna studie visar också att materieöverföringskoefficienten för den transport av koldioxid och metan i slammet som är av stor vikt för en effektiv desorption kan variera väsentligt mellan olika experiment. 6 Ziyun Yu; Rasmuson, Å.C.; Selective desorption of carbon dioxide from sewage sludge for in-situ methane enrichment a comprehensive model; Report to FUTURA, January 2008

7 7 Vi har haft upprepade kontakter med potentiella bidragsgivare för gå vidare med detta arbete och dessa kontakter fortsätter med avsikten att kunna utöka verksamheten. I den senaste kontakten har personal från JTI under december 2007 provkört en pilotskalekolonn för selektiv desorption av koldioxid vid olika anläggningar hos en intressent. Projektplan Projektet består av tre olika delar som tillsammans bidrar till att en mer fullständig teknisk/ekonomisk analys av processintern metananrikning kan ske och att optimala driftbetingelser kan klarläggas. Kemisk karaktärisering av rötslam från rötkammare vid reningsverk. Det tidigare arbetet har visat experimentellt att slammet har en betydande förmåga att buffra förändringar i ph vid avdrivning av koldioxiden. Simuleringar har visat att denna egenskap är av avgörande betydelse för att processintern metananrikning skall kunna genomföras på ett framgångsrikt sätt. Vare sig experiment eller simuleringar har dock lyckas fastställa vilken kemi som ligger bakom denna buffring. Avsikten är därför att göra en fördjupad kemisk karaktärisering av rötslam från rötkammare vid reningsverk. Med titreringar och kemiska analyser skall klarläggas dels hur stor buffringskapaciteten är och dels vilka reaktioner som framförallt är väsentliga. Arbetet kommer att bestå av att samla in prover på ett antal olika slam, genomföra titreringar med en bas upp till ca ph 10, samt bestämma halten av bl.a. ammoniak/ammonium. Desorptionsmodellen har hitills jämförts med de experimentella data som togs fram av Anna Lindberg. I dessa experiment bestämdes: total alkalinitet, ph och halten fri koldioxid i slammet. Dock gjordes ingen bestämning av metanhalten eftersom detta är svårare att genomföra. Det har vid analys av resultaten också visat sig att total alkalinitet inte kan användas som ett mått på bikarbonathalten. Avsikten är att i det planerade arbetet även bestämma slammets metanhalt och att noggrannare karakterisera hur stor del av den totala alkaliniteten som härör från bikarbonat. Mängden metan som finns löst i slammet kommer att bestämmas med metodik enligt Brown (226) 7 och jämföras med teoretiska beräkningar Optimering av desorptionskolonnen Med en korrekt beskrivning i desorptionsmodellen av de reaktioner som buffrar slammet skall modellen och simuleringsprogrammet användas för att klarlägga de driftbetingelser som maximerar desorptionen av koldioxid och samtidigt minimerar förlusten av metan. Dessa simuleringar kommer bl a att studera effekten av kolonngeometri, gasbelastning och vätskebelastning. Integrering av modeller för rötningsprocess och desorptionsprocess Vid processintern metananrikning pumpas slammet från rötkammaren genom desorptionskolonnen och tillbaka till rötkammaren. Desorptionen av koldioxid i desorptionskolonnen kommer att leda till att halten av koldioxid i slammet i rötkammaren 7 Brown, N Methane Dissolved in Wastewater Exciting UASB Reactors: Concentration Measurement and Methods for Neutralisation. Masters thesis project, KTH, Projektpublikation nr 31, Stockholm Vatten AB, Sweden.

8 8 kommer att minska tills ett steady-state etableras. En lägre halt koldioxid i slammet till desorptionskolonnen kommer att förändra betingelserna för desorptionen. För att klarlägga på vilken nivå koldioxidhalten i rötslammet etableras vid steady-state, skall desorptionsmodellen kopplas ihop med en modell över rötkammaren. JTI har tidigare erfarenhet 8 av modellering av rötkammaren med ADM1 (Anaerobic Digestion Model no 1) 9. Denna modell är implementerad i Matlab, samma programspråk som KTH har använt i desorptionsmodellen. Härigenom räknar vi med att modellerna skall kunna kopplas ihop utan att en helt ny modellering måste genomföras. Med den mer fullständiga modellen över hela systemet kan desorptionsprocessen undersökas vid de betingelser som svarar mot ett helt system i steadystate. Modellen kommer också att klarlägga vilka betingelser som då kommer att råda i rötkammaren, vilket ger möjlighet att prediktera vad sammansättningen på rötgasen kan bli vid olika driftfall Rapportering Resultaten från denna undersökning kommer att presenteras i JTI:s rapportserie samt via JTI:s webbplats ( Nyhetsnotiser om projektet skickas dessutom via e-post till ca 950 prenumeranter samt till knappt 100 mediaföretag som ofta publicerar texterna i dess helhet. Direktkontakter med fackpress leder ofta till längre artiklar och reportage. Publicering kommer att ske i vetenskapliga tidskrifter. 8 Hansson, M., Hidén, S., Nordberg, Å., Carlsson, B Application of the IWA anaerobic digestion model no 1 (ADM 1) to a lab-scale digester operated on the source-sorted fraction of municipal solid waste. In: Proceedings of the 10th world congress of anaerobic digestion, vol. 3, Aug 29 Sep 2, 2004., Montreal, Canada 9 Batstone, D.J., Keller, J., Angelidaki, I., Kalyuzhnyi, S.V., Pavlostathis, S.G., Rozzi, A., Sanders, W.T.M., Siegrist, H., Vavilin, V.A., In Anaerobic Digestion Model No.1 (ADM1). IWA Publishing, Bedfordshire.