Foderbetor och kogödsel som substrat för biogasproduktion; anaerob mesofil samrötning i labbskala

Foderbetor och kogödsel som substrat för biogasproduktion; anaerob mesofil samrötning i labbskala Niklas Karlsson Högskolan i Halmstad, sektionen för ekonomi och teknik, SET Halmstad maj 2010 Magisterprogrammet i tillämpad miljövetenskap Examensarbete i tillämpad miljövetenskap, 30 högskolepoäng på D-nivå Handledare: Marie Mattsson & Johan Rundstedt

1. Sammanfattning Ett av våra sexton nationella miljömål strävar efter att minska påverkan på klimatet. År 2020 skall utsläppen av växthusgaser vara 40 % lägre jämfört med 1990-års nivåer och minst 50 % av Sveriges energianvändning ska komma från förnybara energikällor. Detta medför ett stort behov av att väsentligt öka produktionen av förnybar energi. Det är här biogasen kommer in som ett konkurrenskraftigt alternativ. Det finns dock ett problem. Det börjar råda brist på substrat för biogasframställning p.g.a. av den ökade efterfrågan på biogas. Syftet är att i labbskala samröta foderbetor och kogödsel och finna den/de blandning(ar) som ger bäst metanutbyte och med resultaten som grund, kunna avgöra om foderbetor är ett substrat som är värt att satsa på i större utsträckning. Det här kan visa sig vara ett sätt att möta dagslägets brist på biogassubstrat. Den mesofila samrötningen har skett i labbskala, där sju flaskor (800 ml) har fungerat som rötkammare. En rad analyser av viktiga parametrar som gasproduktion, gassammanstättning, kol/kväve-kvot, torrsubstanshalt och ph har utförts under och efter rötningsförsöken. Resultaten visar att när man använder betor som substrat är två av de känsligaste och mest angelägna processparametrarna ph och buffringskapacitet (förhållandet mellan alkalinitet och organiska syror). Anledningen är att rötkammaren i annat fall fort blir sur. De bästa resultaten (25-28 % metan) har erhållits då foderbetorna i blandningen har varit kring 5-15 % i förhållande till gödseln vilket visar att betorna fungerar bäst som ett komplement i mindre andel. Med resultaten från detta projekt som grund är det svårt att säga att det är värt att satsa på foderbetor i större utsträckning som komplement till enbart gödsel. Detta gäller särskilt för småskaliga biogasanläggningar där möjlighet till övervakning ofta kan vara begränsad eller bristfällig. Foderbetorna, med sin snabba nedbrytning och gasproduktion initialt, skulle passa bra som komplement i anläggningar där man rötar substrat som är mer svårnedbrytbart och därför har en långsammare gasproduktion. Även i de fall man önskar höja sin C/N-kvot är betorna ett lämpligt substrat att använda då de är rika på kol och fattiga på kväve. 2

2. Abstract One of Sweden s sixteen national environmental objectives strives to decrease the impact on the climate. By 2020, green house gas emissions should be 40 % less compared to the levels of 1990 and a minimum of 50 % of the energy consumption should come from renewable energy sources. Because of this there is a great need of increasing the production of renewable energy. This is where biogas comes in as a competitive alternative. However, there is a problem. Substrates for biogas production have become a scarcity due to the increasing demand for biogas that has been expressed lately. The objective is to co-digest fodder beet and cow manure in order to find the best methane yielding mixture(s), and based on these results be able suggest whether fodder beets are a suitable substrate to use in a greater extent. This might prove to be one possible way in dealing with today s substrate shortage. The mesophilic co-digestion has been performed in lab scale, where seven glass bottles (800ml) have served as digesters. Several analyses of important parameters i.e. gas production and composition, carbon/nitrogen-ratio, total solids and ph have been performed during and after the digestion tests. The best results (25-28 % methane) were obtained when 5-15 % beets were added to the digester. This shows that fodder beets is best used as a supplement in a smaller extent. Results also show that, when using fodder beets as substrate, two of the most important process parameters to control are ph and buffer capacity (alkalinity/volatile organic acid ratio). This is because the digester easily gets acidic. Based on these results it s hard to suggest fodder beet usage in a greater extent when being mixed with only cow manure for biogas production. This is especially true for smaller biogas plants where the possibility of observation often is limited or deficient. However, because of the rapid initial degradation and gas production, fodder beets would make a good complement in digesters where more persistent substrates with slower gas production are being digested. Also, since fodder beets are rich in carbon and poor in nitrogen they would also make a good complement when one desire to increase the carbon/nitrogen-ratio in the digester 3

3. Innehållsförteckning 1. Sammanfattning... 2 2. Abstract... 3 3. Innehållsförteckning... 4 4. Förord... 5 5. Inledning... 6 5.1 Bakgrund... 6 5.2 Syfte och avgränsningar... 6 5.3 Anaerob nedbrytning bildandet av biogas... 7 5.3.1 Hydrolys... 7 5.3.2 Syrabildning... 7 5.3.3 Metanbildning... 8 5.4 Rötning... 8 5.4.1 Mesofil rötning... 8 5.4.2 Samrötning... 9 5.4.3 Satsvis rötning... 9 5.5 Miljönytta med biogas... 10 5.5.1 Biogödsel... 10 5.5.2 Reducerade emissioner och minskad avfallsmängd... 10 5.6. Substrat... 11 5.6.1 Energigrödor... 12 5.6.1.1 Foderbetan... 12 5.6.1.2 Odling och lagring... 12 5.6.1.3 Skörd... 13 5.6.2 Olika betsorter... 13 5.6.3 Gödsel... 13 5.7 Substratsammansättning... 14 5.7.1 Fett... 14 5.7.2 Protein... 15 5.7.3 Kolhydrater... 15 5.8 Viktiga substratparametrar... 16 5.8.1 Torrsubstans, TS... 16 5.8.2 C/N-kvot... 16 5.8.3 ph och alkalinitet... 16 5.9 Odlingen av grödor till bioenergi kan öka i Sverige... 17 6. Metod... 18 6.1 Insamling av material... 18 6.2 Anläggningen... 18 6.3 Utförande... 18 6.4 Analyser... 19 6.5 Försök 1 Utvärdering av substratets påverkan på processen... 20 6.6 Försök 2 Mindre mängd substrat och justering av ph... 20 6.7 Försök 3 Optimering... 20 7. Resultat... 21 7.1 Försök 1 Utvärdering av substratets påverkan på processen... 21 7.2 Försök 2 Mindre mängd substrat och justering av ph... 23 7.3 Försök 3 Optimering... 25 8. Diskussion... 27 8.1 Försök 1 Utvärdering av substratets påverkan på processen... 27 8.2 Försök 2 Mindre mängd substrat och justering av ph... 28 8.3 Försök 3 Optimering... 29 8.4 Övriga reflektioner... 30 9. Slutsats... 31 10. Referenser... 32 4

4. Förord Biogasbranschen är något som idag är väldigt aktuellt och som i skrivandets stund befinner sig i en stor expansionsfas. Att skriva min magisteruppsats inom området kändes därför väldigt angeläget och rätt i tiden. Det är ett ypperligt tillfälle att fördjupa mina kunskaper inom något som verkligen intresserar mig och framförallt för att knyta viktiga kontakter inom branschen. Jag har sedan tidigare en kandidatexamen i miljövetenskap (180 hp) som togs sommaren 2008. Hösten 2009 bestämde jag mig för att bygga på min utbildning och började studera på magisterprogrammet i tillämpad miljövetenskap (60 hp) vid Högskolan i Halmstad. Under utbildningen har fokus lagts på en fördjupande insikt i dagens miljöproblem och hur man på bästa sätt arbetar för att kunna förebygga dessa samt hur man arbetar för att minska skadan av dem som redan skett. Som föreberedelse och introduktion till examensarbetet har också forskningsmetodik studerats. Det du håller i din hand är alltså ett examensarbete i tillämpad miljövetenskap på 30 hp på D-nivå vid Högskolan i Halmstad. Arbetet har pågått under vintern/våren 2010. Examensarbetet avslutar min utbildning och resulterar i en magisterexamen i tillämpad miljövetenskap Jag vill rikta ett stort tack till mina handledare Marie Mattsson och Johan Rundstedt. De har varit ett stort stöd och gett mig mycket hjälp, goda råd och nya infallsvinklar som har varit väldigt viktiga under framtagandet av detta arbete. Jag vill också tacka Siegfried Fleischer som ställt upp och hjälp mig med gaskromatografin. Ett stort tack riktar jag också till Sven Karlsson, Salltorps gård och Lars Hollman, Region Halland som försett mig med substrat som gjort rötningen möjlig. Slutligen vill jag också tacka övriga personer som bidragit med stöd och peptalk under arbetets gång. Halmstad maj 2010 Niklas Karlsson 5

5. Inledning 5.1 Bakgrund Ett av våra sexton nationella miljömål strävar efter att minska påverkan på klimatet. Som delmål för 2020 skall utsläppen av växthusgaser vara 40 procent lägre jämfört med 1990-års nivåer. För att nå detta har man satt upp tre handlingsplaner som innebär att minst 50 % av Sveriges energianvändning ska komma från förnybara energikällor till 2020 och att en energieffektivisering på 20 procent ska uppnås. Dessutom ska fordonsflottan vara oberoende av fossil energi år 2030 (Miljömålsportalen, 2010). Detta gör att det finns ett stort behov av att väsentligt öka produktionen av förnybar energi. Det är här biogasen kommer in som ett konkurrenskraftigt alternativ. Bogren och Stadmark (2009) menar att Halland är en region som är väl lämpad för biogasproduktion beroende på en väl utbyggd infrastruktur med ett bra klimat och jordmån, vilket gör odling av för ändamålet viktiga grödor fördelaktig. Halland bedriver också en omfattande jordbruksproduktion vilket gör att biogaspotentialen i länet är stor. Idag produceras ca 80 GWh biogas per år men potentialen har beräknats ligga avsevärt högre, kring 752 GWh/år. Det finns som synes väldigt stora möjligheter att utveckla och utöka dagens produktion i länet (Region Halland, 2010). Problemet enligt Bogren och Stadmark (2009) är att det idag börjar råda brist på substrat för biogasframställning i regionen. Man använder i dagsläget olika substrat från lantbrukssektorn (där gödsel utgör bassubstrat), industrier samt avloppsslam från reningsverken för biogasframställning. En stor potentiell sektor för biogassubstrat är matavfall från bl.a. hushåll och storkök. Men i dagsläget används inte detta avfall i särskilt stor utsträckning som biogassubstrat inom regionen, utan används i större omfattning till framställning av djurfoder genom kompostering och biologisk behandling. Dessa fakta tillsammans med biogasbranschens pågående expansion förutsätter en större tillgång på substrat. Ett sådant substrat skulle kunna vara foderbetor. Betor som substrat har fått mycket uppmärksamhet på senare tid främst p.g.a. EU:s sockerreform från 2006, som kortfattat innebär att priset på sockerbetor, foderbetor etc. har sjunkit (Scherer & Neumann et al.2008). En studie av Kling och Lindhagen (2009) visar att man, för att få en mer effektiv och mer ekonomisk gynnsam satsning på biogas, kan samröta energigrödor som t.ex. betor med någon form av avfallsprodukt. Vid tillskott av 50 procent gödsel vid rötning kunde man t.ex. påvisa ett avsevärt bättre resultat i gasproduktionen. Eftersom foderbetor kräver mycket sol och värme för sin tillväxt är det idag enbart möjligt att odla dem i landets södra delar (Bioenergiportalen, 2010). Då klimat och jordmån i Halland är bra lämpade för odling kan detta ligga till grund för vad som skulle kunna bli starten på en mer omfattande foderbetsodling där biogasproduktion skulle vara det primära syftet. Som tidigare nämnts är infrastrukturen i Halland också väl lämpad för biogasproduktion då man har naturgasledningen som löper genom länet samt ett lokalt biogasnät i Laholmsområdet. Detta gör det möjligt att direkt kunna distribuera den producerade biogasen till allmänheten i form av tankställen m.m. (Bogren & Stadmark, 2009). 5.2 Syfte och avgränsningar Syfte och målsättningar med detta examensarbete är: att i labbskala samröta foderbetor tillsammans med kogödsel och finna den/de blandning(arna) som ger bäst metanutbyte med resultaten som grund, kunna föreslå om foderbetor är ett substrat värt att satsa på i större utsträckning Projektet syftar alltså sammanfattningsvis till att belysa användandet av foderbetor som substrat för biogasproduktion. Det här kan visa sig vara ett sätt att möta dagslägets brist på 6

biogassubstrat och det kan således göra det möjligt för biogasen att expandera och att slå sig in som en av de mer betydande förnybara energikällorna på marknaden. Detta är såklart en viktig del i utvecklingen mot ett samhälle oberoende av fossil energi. Projektet avgränsar sig till att bara innefatta själva rötningsprocessen med fokus på gasutbyte. Detta innebär att rötresten inte kommer att analyseras och utvärderas. Inte heller kommer ekonomiska och rent praktiska detaljer kring eventuell ökad odling av betor att tas upp. Att avgränsa projektet på detta sätt är ett måste för att inte låta arbetet skena i väg vilket ökar risken för att resultatet blir lidande på grund av en allt för stor omfattning. Detta öppnar dock upp för vidare forskning inom området. Projektet kommer med fördel att kunna användas av regioner, kommuner och privatpersoner som ett underlag för planerade satsningar och utredningar kring foderbetor som substrat inom biogasbranschen. 5.3 Anaerob nedbrytning bildandet av biogas Den anaeroba nedbrytningen av organiskt material, som slutligen bildar biogas (metan och koldioxid), delas vanligen in i tre steg; hydrolys, syrabildning och metanbildning (se fig.1). För att nedbrytningsprocessen ska fungera optimalt är den beroende av att dessa tre steg fungerar lika bra och därmed hela tiden förser nästa steg med de substrat som krävs. Om exempelvis hydrolysen blir hämmad kommer substrat till det andra och tredje steget att bli begränsade och man får en minskad metanproduktion som följd (Gerardi 2003). 5.3.1 Hydrolys I det första steget spjälkar hydrolysiska bakterier kolhydrater, proteiner och fett till mindre organiska ämnen. Detta görs genom att kemiska bindningar klyvs under upptagande av vatten. Före delningen är kolhydraterna, proteinerna och fettmolekylerna olösliga i vatten och är helt enkelt för stora för att mikroorganismerna ska kunna ta in dem i cellen och använda dem som näring. Kolhydrater delas till enkla sockerarter, protein till aminosyror och fett till fettsyror. Det är substratets sammansättning som avgör hydrolysstegets hastighet. Komplexa kolhydratet som cellulosa och hemicellulosa bryts ner långsammare än exempelvis proteiner (Gerardi 2003). 5.3.2 Syrabildning I det syrabildande steget bryts de föreningar, som bildades i hydrolysen, ner genom fermentativa processer som utförs av anaerober. Produkterna av nedbrytningen är koldioxid, vätgas, alkoholer (etanol, butanol etc.) organiska syror (ättiksyra, propionsyra etc.) och en del organiska föreningar innehållande kväve och svavel (Gerardi 2003). Syrorna som bildas står i jämvikt mellan sin laddade form (anjon) och sin oladdade form. Det är därför syrakonstanten (pka) för varje syra och rådande ph som bestämmer vilken form som finns närvarande. Anledningen till detta är att huvuddelen av syran finns i sin laddade form om ph är högre än pka och i sin oladdade form om ph är lägre än pka. Den syra som är av störst intresse för en biogasanläggning är ättiksyra med sin anjon acetat. Det beror på att acetat direkt kan användas som substrat av metanbildarna. Då ättiksyra har en pka på 4,76 och biogasprocesser ofta har ph 7 finns ättiksyra i huvudsak närvarande som sin anjon acetat. Vissa av de andra produkterna som bildas under syrabildningsteget kan också användas som substrat för metanbildarna, dock indirekt (Jarvis & Schnürer 2009). 7

5.3.3 Metanbildning I detta sista steg produceras biogas (metan och koldioxid) genom att metanogener, till största delen, använder sig av substrat som acetat, koldioxid och vätgas som bildades under föregående steg. Andra möjliga föreningar som indirekt kan fungera som substrat för metanproduktionen är bl.a. format, metylaminer och vissa alkoholer. Vanligast är att de acetotrofa metanogenerna klyver acetat i två delar där det ena kolet används för att bilda koldioxid och det andra används för att bilda metan (Liu & Whitman 2008). Enligt Jarvis & Schnürer (2009) finns en alternativ väg till att bilda metan som de hydrogenotrofa metanogenerna står för. De använder sig av vätgas och koldioxid som huvudsakliga substrat. Här bildas alltså inte biogas direkt genom acetatklyvning, utan acetat omvandlas istället till koldioxid och vätgas av en icke-metanogen. I nästa steg kan metan produceras ur dessa produkter av en hydrogenotrof metanogen. Detta samarbete mellan organismgrupper kallas syntrofi och denna alternativa metanbildningsväg kallas för syntrof acetatoxidation. Den syntrofa acetatoxidationen är långsammare än den väg som används av de acetotrofa metanogenerna och det innebär således att nedbrytningen och biogasproduktionen går långsammare. Koncentrationerna av acetat och ammoniak, samt vilka metanogener som är aktiva, är faktorer som påverkar om denna väg används. Utöver dessa faktorer är även temperaturen och uppehållstiden i rötkammaren av betydelse. Fig. 1. De olika stegen i biogasproduktionen (Plönninge Bioenergicentrum, 2009) 5.4 Rötning 5.4.1 Mesofil rötning Rötning i det mesofila området kan ske vid 25-40 C, men vanligast är att rötningen sker vid temperaturer kring 35-37 C då detta är den optimala temperaturen för mesofila metanbildare. Det viktigaste är dock att hålla en temperatur över 32 C för att få en så optimal gasproduktion som möjligt, eftersom metanbildarna växer långsammare vid lägre temperatur. Vid en temperatursänkning under den optimala temperaturen fortsätter fermenterande organismer, som inte är lika temperaturkänsliga, sin produktion av fettsyror, alkoholer etc. Då 8

metanbildarna inte längre är lika aktiva medför detta en ansamling av fermentationsprodukter och därmed förbrukas alkaliniteten och ph sjunker. Detta leder i värsta fall till att processen avstannar. I jämförelse med rötning i termofila temperaturområden har den mesofila rötningen två driftfördelar. Den första fördelen är att det inte är lika dyrt att upprätthålla en mesofil temperatur jämfört med termofil temperatur i rötkammaren. Den andra fördelen är att det i naturen finns fler anaeroba mesofiler än det finns anaeroba termofiler (Gerardi 2003). Till följd av detta har den mesofila processen större mångfald av mikroorganismer närvarande vilket gör processen mer stabil och mer motståndskraftig mot förändringar i olika driftparametrar. Mångfalden kan också förklara det faktum att mesofila processer ofta har en bättre nedbrytningsgrad av vissa organiska föreningar jämfört med termofila processer (Jarvis & Schnürer 2009) 5.4.2 Samrötning Samrötning innebär vanligen att en blandning innehållande en större del bassubstrat rötas tillsammans med ett eller flera andra substrat. Den vanligaste tillämpningen för samrötning är våtrötningsprocesser med en torrsubstans på kring 8-15 % (Carlsson & Uldal 2009). En blandning av olika substrat innebär ofta en mer effektiv och stabil rötningsprocess som därmed optimerar gasproduktionen. Exempelvis skriver Björnsson et al. (2008) att man vid samrötning av betblast och bortsorterad potatis har fått ut 60 % mer metan än vid enskild rötning av substraten. Anledningen till optimeringen är att man vid samrötning avsevärt förbättrar näringssammansättning, C/N-kvot och struktur hos substratet. Detta gynnar de nedbrytande mikroorganismerna som är beroende av en allsidig näringsämnestillförsel. Dessutom gynnas tillväxten av flera olika typer av mikroorganismer om substratet är komplext och inte alltför ensidigt. Det gör att processen får ett brett mikroorganismsamhälle och därmed också en ökad förmåga att bryta ner organisk material av olika slag som t.ex. socker, fett och protein. Carlsson & Uldal (2009) menar att det även, utöver rent ekologiska fördelar, finns ekonomiska och tekniska fördelar med samrötning. Till exempel får man genom samrötningen en effektivare användning av rötkammarens kapacitet, då den kan utnyttjas mer optimalt. En del substrats säsongsberoende kan med hjälp av samrötning utjämnas vid rötning av andra substrat. Det gör att man kan undvika under- eller överbelastning på grund av olika säsonger. Vidare innebär blandningen att processtekniska problem med pumpning, omblandning etc. underlättas då substrat som vanligen är svårhanterliga blandas med mer lätthanterliga substrat. Ytterligare en aspekt som samrötning påverkar är biogödseln, då all ingående växtnäring även kommer ut efter rötningen. 5.4.3 Satsvis rötning Vid satsvis rötning rötas allt material på en gång till skillnad från kontinuerlig rötning där nytt substrat pumpas in i rötkammaren med jämna mellanrum. Substratet som rötas ligger kvar på samma plats under hela förloppet och inget nytt substrat tillförs och ingen rötrest tas ut. Efter en färdig rötning töms behållaren och därefter kan nytt substrat matas in för nästa rötning. Den satsvisa rötningen är vanlig vid biogasproduktion i mindre omfattning som till exempel vid enskilda hushåll. Eftersom det organiska materialet i substratet minskar med tiden är det vid satsvis rötning vanligast att metanproduktionen är störst i början för att sedan klinga av allt mer. Ur en mikrobiologisk synvinkel är denna form av rötning fördelaktig eftersom organismerna ges god tid att anpassa sig och vänja sig vid det aktuella substratet. Detta gynnar deras arbete med att bryta ner det organiska materialet och optimerar på detta sätt gasproduktionen. En annan fördel är att organismerna inte riskerar att tvättas ur processen. Det kan dock ibland bli problem med att få en hög genomrötning av substrat med hög torrsubstanshalt (Nordberg & Nordberg 2007). 9

Edström och Nordberg (2004) menar att satsvisa processer i regel har högre utrötningsgrad än kontinuerliga dito och att man i teorin kan ha en utrötningsgrad på 100 %. Det är dock inte rimligt eller ekonomisk och praktiskt möjligt att räkna med en sådan total utrötning. Vid rötning av lättnedbrytbara substrat, som exempelvis pressvätska från sockerbetor, är det inte ovanligt med en utrötningsgrad på över 90 %. Under motsvarade tid i rötkammaren utrötas mer svårnedbrytbara substrat som fiberrika vallgrödor endast till kring 60 %. 5.5 Miljönytta med biogas Biogasproduktion påverkar miljön positivt på flera sätt. Gas och biogödsel som lämnar biogasanläggningen har en direkt miljöpåverkan. Dessutom använder biogasanläggningarna olika typer av organiska restprodukter vilket medför en indirekt miljöpåverkan (Christensson & Hansson 2005). 5.5.1 Biogödsel Biogasproduktionen ger utöver biogas även en restprodukt som, om den har bra kvalitet, kan användas som gödningsmedel. Att använda biogödsel innebär flera miljöfördelar. Genom minskad produktion och transport av mineralgödsel kan man spara mycket energi och minska användandet av fossila energikällor. Dessutom återförs växtnäringsämnen till marken. Växterna tar upp näringen och vid skörd försvinner således viktiga näringsämnen från marken. Jorden kommer på så vis att urlakas och produktionsförmågan kommer att avta om inte näringsämnen återförs igen. Det organiska materialet från biogödseln påverkar också markens kvalitet positivt. Bland annat ökar markens buffrande- och vattenhållande förmåga samt tillväxten av mikroorganismerna i marken då dessa använder organiska föreningar som energi (Jarvis & Schnürer 2009). Vidare menar Jarvis & Schnürer (2009) är det bättre att sprida biogödsel på åkrarna jämfört med vanligt stallgödsel. Anledningen till detta är att näringsämnena i stallgödseln är svårtillgänglig vilket leder till en ökad risk för läckage av näringsämnen till grundvattnet då växterna inte förmår att direkt ta dem till sig. Följden av detta blir en ökad risk för övergödning i sjöar och vattendrag. Vid rötning av gödsel mineraliseras istället en stor del av det organiskt bundna kvävet till det för växterna lättillgängliga ammoniumkvävet. Rötningen resulterar också i en mindre illaluktande gödsel. Enligt Christensson & Hansson (2005) har undersökningar visat att rötningen av gödseln reducerar lukten med ca 25 procent. Användandet av obehandlad gödsel innebär också alltid en risk för smittspridning då denna ofta innehåller patogener av olika slag. Vid rötning av gödseln, som vanligtvis sker i mesofil temperatur under ca 20 dagar, avdödas en rad av dessa patogener. För att få en helt säker hygienisering av gödseln krävs dock en temperatur på ca 55 grader under 7 timmar. Detta kan uppnås antingen med en termofil rötningsprocess eller med ett upphettningssteg efter den mesofila rötningen. 5.5.2 Reducerade emissioner och minskad avfallsmängd Uppgraderad biogas med ca 97 procent metaninnehåll kan med fördel användas som fordonsbränsle. Förbränning av biogas bidrar med mycket färre utsläpp av kväveoxider, kolväten och partiklar än bensin och diesel. Biogas är dessutom ett koldioxidneutralt bränsle vilket innebär att inga nettoutsläpp av koldioxid sker till atmosfären eftersom den koldioxid som frigörs omsätts i naturens egna kretslopp (Svensk biogas, 2010) Vidare är biogas en energiråvara som de svenska lantbrukarna kan producera genom förädling av sina restprodukter från gården. Ett naturligt kretslopp kan härmed slutas. På detta sätt uppnås en hög resurseffektivitet då avfallsprodukter kommer till nytta. Biogasen kan antingen säljas eller användas för egen del i form fordonsgas, el eller värme. Många 10

lantbrukare använder sig också av substrat från livsmedelsindustrin vilket minskar industrins kostnader för avfallsomhändertagande (Lantbrukarnas riksförbund 2010) Att på detta sätt kunna minska mängden avfall är av stor vikt då man under senare tid sett en ökande avfallstrend. De senaste åren har avfallsmängden ökat med ca 3-4 procent varje år, undantaget år 2008 vilket kan förklaras av en minskad konsumtion till följd av rådande lågkonjunktur. Det är dock troligt att denna trend att fortsätta när konjunkturen och den finansiella situationen åter stabiliserats. Den biologiska behandlingen av det organiska avfallet ökar dock allt mer. 2008 behandlades nästan 20 procent av hushållsavfallet med biologiska metoder, bland annat rötning för biogasproduktion. Under 2010 ska, enligt ett av våra miljömål, 35 procent av matavfallet behandlas med biologiska metoder vilket kommer att innebära att ännu större mängder biogas kan produceras om detta mål uppnås (Avfall Sverige 2010). En viktig aspekt med användandet av biogödsel, som inte nämndes i föregående stycke, är de minskande riskerna för utsläpp av växthusgaser. Anledningen är att stallgödsel innehåller en stor del organiskt material som under lagring kan brytas ned till metan och lustgas och läcka ut till atmosfären. Under rötning samlas dock metangasen upp under kontrollerade former och kan sedan användas till att producera elektricitet, fordonsgas eller värme (Jarvis & Schnürer 2009). Enligt Wahlander (2008) är emissioner av lustgas från jordbruk ett stort problem och användningen av biogödsel är ett steg i rätt riktning för att reducera dessa. Eftersom lustgas bildas vid nedbrytning av kväveinnehållande material leder detta till lustgasemissioner vid gödselhantering då förhållandena växlar mellan anaeroba och aeroba. De största utsläppen av lustgas inom jordbruket kommer dock från kväve i marken. Anledningen är att när spridningen av den kväverika gödseln sker orsakar den fortsatta kväveemissioner. Detta sker både genom denitrifikation och nitrifikation. Ammoniumkväve omvandlas genom nitrifikation till nitrat, och nitratet omvandlas sedan i sin tur till kvävgas via denitrifikation. Om nitrifikationen eller denitrifikationen av någon anledning blir ofullständig kan lustgas bildas som följd (Jordbruksverket 2009). Tillförsel av kväverik stallgödsel och mineralgödsel leder till direkta emissioner av lustgas. Emissionerna av lustgas sker i två steg. Det första steget är som en direkt följd av gödselspridningen. Dessa emissioner brukar i regel vara i två månader. Det andra steget är den långtidseffekt man får när kvävet ackumuleras i marken. I regel varierar lustgasavgången med spridningsteknik, gödselmedel, tidpunkt, dränerings- och vattningsteknik etc. (Wahlander 2008). Av lustgasemissionerna från mark är ca 40 % av dessa direkta utsläpp från kväve som tillförts åkermark. Vidare uppskattas 20 % vara indirekta emissioner som härrör från platser utanför jordbruksmarken och slutligen beräknas 7 % komma från betesgödsel. Resterande procent kommer från nedbruten mull etc. (Jordbruksverket 2009). 5.6. Substrat Substratet är det organiska material som tillförs biogasanläggningen och som mikroorganismerna ska bryta ner under anaeroba förhållanden för att producera biogas. Substratets karaktär är väldigt viktig då den påverkar processens effektivitet och stabilitet. Dessutom spelar substratets sammansättning är avgörande roll för hur mycket gas som bildas samt sammansättningen på densamma. I slutändan är det också kvaliteten på substratet som avgör kvaliteten på rötresten (biogödseln) vad gäller innehåll av växtnäring, föroreningar m.m. Att välja rätt substrat påverkar således hela processen, från början till slut, och gör det möjligt att påverka och maximera processen samtidigt som man kan producera högkvalitativt biogödsel (Jarvis & Schnürer 2009). Flera typer av organiskt avfall är lämpliga som substrat för rötning. Vanligt förekommande substrat är bland annat matavfall från hushåll, restauranger och butiker, slam från avloppsreningsverk, gödsel, växtmaterial, slakteriavfall m.m. (Biogasportalen 2010). Vid 11

samrötning av olika substrat kan man ofta uppnå ett högre metanutbyte, vilket innebär att den producerade mängden metan per inmatad mängd substrat är högre jämfört med om varje substrat hade rötats var för sig. I dagsläget står slammet från avloppsreningsverken för den största andelen producerad biogas, men i framtiden tros grödor och avfall från jordbrukssektorn bli allt viktigare substrat. Dessutom utvärderas i dagsläget biogaspotentialen hos mer ovanliga substrat som till exempel gräs, alger och träråvaror (Jarvis & Schnürer 2009) 5.6.1 Energigrödor Grödor och växtmaterial är lämpliga substrat för biogasproduktion då de har hög andel organiskt nedbrytbart material som kan resultera i ett högt gasutbyte (Nordberg et al 1997). När det gäller energigrödor som substrat måste man vara uppmärksam på parametrar som odlingsplats, lagring och skördetid som alla kan påverka metanutbytet. Dessa faktorer påverkar grödans kemiska egenskaper vilket i sin tur påverkar mikroorganismernas förutsättning att använda substratet för sin tillväxt (Jarvis & Schnürer 2009). Ensilering av grödorna är ett bra lagringsalternativ då försök har visat att gasproduktionen är densamma för färskt och ensilerat material. Generellt sett kräver energigrödor alltid någon form av förbehandling som exempelvis kan vara finfördelning eller spädning (Carlsson & Uldal 2009). Lehtomäki et al (2008) menar att det inte är ovanligt att energigrödor har hög torrsubstanshalt (10-50%) vilket betyder att det är lämpligt att samröta materialet med ett annat substrat med högre vattenhalt (lägre torrsubstanshalt), exempelvis gödsel, om en våtrötningsprocess ska användas. Blandningen kan också medföra andra fördelar som t.ex. högre koncentration av spårämnen. Utan tillräckligt med spårämnen hämmas mikroorganismerna och kan inte verka vid full effektivitet. Vidare har många energigrödor hög C/N-kvot. Även då är samrötning nödvändigt, i detta fall med ett kväverikt substrat, för att uppnå optimala förhållanden. Vid samrötning av energigrödor och gödsel har man kunnat se ett ökat metanutbyte med 16-65 %. 5.6.1.1 Foderbetan I dagsläget ger foderbetor högst avkastning av alla fodergrödor som finns tillgängliga för lantbrukare. Den energirika betan är ett bra komplement till gräs och proteinrika balgväxter i boskapens föda. Foderbetan fungerar som ett tillförlitligt alternativ när det gäller lagring av föda över vintern, samtidigt som den också spelar en viktig roll under torra perioder på sommaren då betorna kan förse boskapen med foder (DLF Trifolium 2010) 5.6.1.2 Odling och lagring Eftersom betan behöver ett varmt klimat med mycket sol kan betorna idag bara odlas i södra delen av landet. Förutom det rätta klimatet krävs också höga krav på jordmån och skötsel som t.ex. ogräsbekämpning för att få en bra skörd. Den optimala jordmånen för betan är lätta leror innehållande mycket humus och kalk (Bioenergiportalen 2010). Något annat som är väldigt avgörande för betans tillväxt är ph. För bästa skörd krävs ett ph-värde kring det neutrala och för att undvika att det sjunker kan det vara nödvändigt med underhållskalkning (Nordic Sugar 2010). Nilsson (2006) menar att det, bortsett från klimat och jordmån, också ställs krav på jordbrukarens kunskap för att få ett högt ekonomiskt utbyte. Kunskap om tillförsel av näringsämnen, bekämpning, jordbearbetning och övrig skötsel är viktigt. Betor har en lång växtperiod och sås därför tidigt på våren och på grund av den långsamma tillväxten behövs förhållandevis stora mängder näringsämnen tillföras. Ogräsbekämpning kan också bli nödvändigt. 12

Normalt ligger torrsubstanshalten på 16-19 % i foderbetor. Traditionellt har betorna lagrats i stukor täckta med halm. Eftersom denna lagringsmetod begränsar användningen till vintermånaderna, p.g.a. dålig hållbarhet finns det risk för förluster på ca 15-20 % torrsubstanshalt under 4-5 månaders lagringstid. Vid ännu längre lagringstid kan man se förluster på upp till 40 % torrsubstanshalt. Med anledning av detta lagrar man bäst foderbetor genom förvaring i kylda lagerlokaler. Denna metod är dock dyr (Bönner & Fast 2003). Bönner och Fast (2003) menar också att försök att ensilera foderbetorna, med avsikt att underlätta lagring och utfodring, har gjorts med goda resultat. Betorna är lätta att ensilera tack vare sitt höga sockerinnehåll. Dock leder även ensileringen till stora torrsubstansförluster då stora mängder pressvatten bildas. 30-50 % av näringen kan försvinna med pressaften. Trots detta kan ensileringen vara att alternativ till att minska förlusterna jämfört med långvarig lagring i stukor. Att kombinera stuklagring med ensilering är också en möjlighet. Man har normalt inga förluster under vintern vid stuklagring men när våren närmar sig finns det en ökad risk för temperaturökning och det kan då vara lämpligt att ensilera det som återstår. 5.6.1.3 Skörd Skörden av betorna sker normalt i september-november. Om möjligt är det att föredra att skörda betorna så sent som möjligt på säsongen eftersom sockerinlagringen då är som störst. Vid skörd används speciella upptagare som slår av blasten samtidigt som man skördar. Det finns även betupptagare som möjliggör helskörd av betorna. Blasten är proteinrik och kan användas som foder. Såväl färsk utfodring som ensilering fungerar bra (Bönner & Fast 2003) 5.6.2 Olika betsorter Det finns en del olika betsorter och det kan vara svårt att veta vad de har gemensamt samt vad som skiljer dem åt. I Tyskland, som har kommit längst vad gäller användning av betor för biogasproduktion, råder delade meningar om vilka betor som är bäst lämpade för ändamålet. Oavsett så är det klart att det i år kommer att odlas 8 000 hektar sockerbetor för biogasproduktion (Nilsson 2010). Foderbetan och sockerbetan tillhör samma familj, Beta vulgaris (Gauffin & Spörndly 1991). Detta innebär att de i princip inte finns några rent botaniska skillnader mellan betsorterna. Foderbetan har lägst socker- och torrsubstansinnehåll, men har istället det högsta innehållet av råprotein vilket är den största anledningen till varför de är så lämpliga som foder. När det gäller sockerbetan menar Nilsson (2010) att den framför allt odlas för sockerutvinning och inte för foder. Det beror på att kvaliteten på sockersaften är så bra att sockerbruken kan optimera sin utvinning av rent socker. Vid produktion av socker fås biprodukter som t.ex. betfor, betfiber, melass och betsnitsel. Dessa biprodukter är väldigt vanliga i de svenska foderstaterna. Vidare är sockerbetan tämligen hård och har en betydligt högre torrsubstanshalt och sockerhalt än foderbetan. Dessutom har sockerbetan en betydligt bättre tolerans mot sjukdomar och då speciellt mot Rhizomania som man idag finner i så gott som alla betodlingsområden. Sockerbetorna har en rotskörd som beräknat på torrsubstanshalten ligger i nivå med de bästa foderbetorna och har i allmänhet en större blastskörd. En annan betsort som har kommit i ropet på senare tid är den s.k. energibetan som är tänkt att användas till biogasproduktion. Energibetan är i all enkelhet en maxad sockerbeta d.v.s. en utveckling av sockerbetan i vilken man inte behöver ta hänsyn till sockersaftens egenskaper vid sockerkristallisationen. Detta ger en större avkastning (Nilsson 2010) 5.6.3 Gödsel Sammansättningen i gödsel ser olika ut beroende på vilket djur den kommer ifrån. Dock kan man säga att de generellt är kolhydrater som är huvudkomponenten. Vidare innehåller den ofta låg andel fett och aningen högre andel protein. Det organiska innehållet i gödsel är ca 80 13

% av torrsubstanshalten (Carlsson & Uldal 2009). Beroende på torrsubstanshalt kan gödsel delas in i två kategorier; flytande och fast fas. I den fasta fasen finner man normalt en högre kolhalt och självklart högre torrsubstanshalt (27-70%). Den flytande fasen är mer tillgänglig i biogassammanhang, dels beroende på en högre kvävehalt och dels på en lägre torrsubstanshalt (5-10%). Det gör den lättare att pumpa in i anläggningen (Nordberg 2006). Generellt sett är gödsel dock väldigt allsidigt sammansatt och fungerar därför väldigt bra som ett bassubstrat för biogasanläggningen. Gödsel bidrar med stabilitet i processen och de fodertillskott djuren matats med innehåller många för rötningen viktiga mineraler och näringsämnen som sedan återfinns i gödseln. Vid processtörningar kan gödsel från idisslare ha en stabiliserande inverkan på biogasprocessen eftersom gödseltillförseln bidrar till inympning av fler mikroorganismer. Dessutom kan man vid samrötning av gödsel och exempelvis jordbruksgrödor utvinna ett större gasutbyte än om substraten rötades var för sig (Carlsson & Uldal 2009). Gödsel från idisslare ger dock mindre biogas än gödsel från svin och höns p.g.a. att det organiska materialet i fodret redan börjat brytas ned till metan i idisslarnas magar. Å andra sidan innehåller svin- och hönsgödsel mer protein vilket kan bli ett problem i form av ammoniakinhibering vid rötning i frånvaro av något mer kolhydratinnehållande substrat (Möller et al. 2004). Svingödseln är inte heller lika fiberrik som gödseln från idisslare, och dess höga innehåll av mineraler kan orsaka en snabb sedimentering vilket ger en bottensats. I hönsgödseln har man även ofta ett högt fosforinnehåll i jämförelse med andra näringsämnen eftersom hönsfoder i regel innehåller höga halter fosfor. När det gäller hästgödsel är denna rik på fosfor, precis som hönsgödseln, men även kalium. Gödseln är ganska torr och den tillförs ofta stora mängder strö som bidrar till ett lågt biogasutbyte per volymenhet, men kolinnehållet i strömaterialet kan fungera som kolkälla vid rötning av kväverika substrat (Carlsson & Uldal 2009). 5.7 Substratsammansättning Beroende på vilka olika komponenter det ingående substratet består av kommer rötningen att generera olika mängder biogas (se tab.1). Detta beror till största delen på skillnader i energiinnehåll mellan kolhydrater, protein och fett. Förutom detta kan även andra faktorer i processen påverkas av substratets sammansättning. Information till detta stycke om substratsammansättning är hämtat från Jarvis & Schnürer 2009. 5.7.1 Fett När man talar om fettrika substrat till biogasprocesser handlar det ofta om avfall från mejeriindustri, slakteriavfall och oljor. Eftersom fett innehåller mycket energi kan fettrika substrat generera mycket biogas med högt metaninnehåll. Beroende på vilka fetter substratet innehåller kan förbehandling genom uppvärmning vara fördelaktigt. Det görs för att fettet ska bli mer biologiskt nedbrytbart och gäller främst de substrat med högt innehåll av mättat fett, då mättat fett har högre smältpunkt än t.ex. omättat- och fleromättat fett. Fettrika substrat kan dock orsaka problem i form av processtörningar. Detta kan ske när fettet bryts ner till långa fettsyror som t.ex. stearinsyra och palmitinsyra. Orsaken är att nedbrytningen av dessa långa fettsyror är ganska komplicerad, vilket kan resultera i en ansamling med inhibering av bl.a. metanogenerna som följd. Ett annat potentiellt problem med fett är de ytaktiva egenskaperna hos de långa fettsyrorna som vid höga koncentrationer lätt kan bilda skum. För att minska problem med processtörningar och skumbildning behövs en långsam nedbrytningstakt av fetterna vilket leder till en lägre och för mikroorganismerna mer hanterbar koncentration av fettsyror i rötkammaren. 14

5.7.2 Protein Proteinrika substrat kommer främst från organiska avfall som t.ex. drank, gödsel från svin, nöt och fågel samt slakteriavfall. Protein är precis som fett energirikt och kan därför generera biogas med relativt högt metaninnehåll. När protein bryts ned i rötkammaren frigörs ammoniak eller ammonium. Dessa föreningar står i jämvikt med varandra vilket gör att parametrar som ph och temperatur därför är avgörande för vilken form som kommer att vara dominerande. Ammoniak är den form som vid höga koncentrationer verkar inhiberande och avdödande på mikroorganismerna (särskilt metanogenerna). Jämvikten förskjuts mot ammoniak vid högt ph och hög temperatur. Termofila processer löper därför större risk för att drabbas av ammoniakinhibering jämför med mesofila processer. För att undvika instabilitetsproblem och processtörningar är det alltid viktigt att kontroll av ammoniakkoncentrationen i rötkammaren sker regelbundet. Överlag är det dock unikt för varje process hur höga halter ammoniak den klarar av. En förklaring till detta är att vissa processer har mikroorganismer som fått möjlighet att långsamt anpassa sig till sakta ökande ammoniakhalter, medan mikroorganismer i andra processer inte har fått chans att vänja sig och ammoniakhalten har där istället ökat snabbt. Generellt leder en snabb ökning av ammoniakhalten till hämning vid lägre koncentrationer än vid tillvänjning och långsam ökning. 5.7.3 Kolhydrater De kolhydratrika substraten är främst växtbaserade och består till största delen av olika grödor, frukter etc. Den olika karaktären hos kolhydrater innebär att de har olika nedbrytningshastighet i rötkammaren. Enkla sockerarter och disackarider bryts ner enkelt och snabbt, medan polysackarider bryts ner långsammare. Att de enkla sockerarterna bryts ner snabbt kan leda till instabilitetsproblem eftersom hydrolysen och syrabildningen går väldigt fort, vilket gör att processen får en ökad halt av fettsyror. Metanogenerna, som är viktiga för nedbrytningen av fettsyror, tillväxer långsamt och blir flaskhalsen då de inte hinner driva nedbrytningen av fettsyror i samma takt som de bildas. Fettsyrorna ansamlas och detta, tillsammans med den dåliga buffringskapaciteten hos kolhydratrika substrat, leder till en ökad risk för sjunkande alkalinitet med ett sjunkande ph som följd. För att de inledande stegen inte ska gå för fort, och för att få en balans i processen, är samrötning med substrat rikt på svårnedbrytbara föreningar och med högt kväveinnehåll därför att rekommendera. Tab. 1. Teoretisk mängd och sammansättning av biogas producerad från fett, protein och kolhydrater. (Jarvis & Schnürer 2009) Bildad biogas (m 3 /kg VS) Biogasens sammansättning; CH 4 : CO 2 (%) Fett 1,0 70:30 Protein 0,53 60:40 Kolhydrater 0,38 50:50 15

5.8 Viktiga substratparametrar 5.8.1 Torrsubstans, TS Ett substrats innehåll av kvarvarande föreningar efter att vatteninnehållet indunstats vid 105 C anges som dess torrsubstanshalt, TS. För att substrat med hög torrsubstanshalt, >10-15 %, ska kunna fungera med avseende på pumpning och omrörning krävs i regel en spädning av substratet. Det finns dock undantag. Det är exempelvis fullt möjligt att pumpa fettrika substrat som grädde (ca 60 % TS), melass (85 % TS) och ren glycerol (100 % TS). Om man istället har ett substrat med låg torrsubstanshalt (<10 %) kan det med fördel användas till att späda tjockare substrat vilket kan förbättra de mekaniska egenskaperna i biogasprocessen (Carlsson & Uldal 2009). 5.8.2 C/N-kvot Kvoten mellan kol och kväve i det organiska materialet i biogasprocessen är av stor betydelse då denna reglerar till vilken omfattning nedbrytningen sker, och därmed vilken effektivitet processen uppnår. Vid för låg kvot finns risk för ammoniakinhibering och för hög kvot kan innebära att mikroorganismerna blir hämmade p.g.a. kvävebrist (Yen & Brune 2007). Det är därför viktigt att man hamnar någonstans i mitten. Generellt kan man säga att en kvot på 25 ger optimal gasproduktion (Gerardi 2003). Liu et al (2008) menar att C/N-kvoten i hög grad påverkar vilken mängd och typ av fettsyror som produceras. Vid en kvot mellan 10-30 ser man en ökning av fettsyror i processen. Vid för höga koncentrationer av fettsyror verkar de inhiberande på biogasproduktionen men om nivåerna inte blir för höga kan detta istället stimulera metanbildningen. Det är således nödvändigt att göra en avvägning vad gäller C/N-kvot, fettsyreproduktion och vilket substrat som i sammanhanget är optimalt att använda för bästa möjliga gasproduktion. Även om man har ett bra värde på sin C/N-kvot är det även nödvändigt att ha kunskap om tillgängligheten i sitt substrat. Till exempel kan kol finnas tillgängligt i många former; lättnedbrytbara, svårnedbrytbara eller rent av icke-nedbrytbara. Samma resonemang gäller för kväve. Så fastän man har samma C/N-kvot när två blandningar jämförs kan tillgängligheten vara helt olika beroende på substratens sammansättning. Samrötning är ett mycket bra sätt att avhjälpa eventuella brister i näringsförhållanden. Att samröta sockerbetor utan blast, som har lågt kväveinnehåll, med gödsel eller slakteriavfall är ett bra alternativ för att skapa balans mellan kol- och kväveinnehåll i substratblandningen (Carlsson & Uldal 2009) 5.8.3 ph och alkalinitet Det optimala ph-värdet för en biogasprocess är kring det neutrala, d.v.s. runt 7.0-7.5. Vid detta ph trivs de flesta mikroorganismer som bäst och uppvisar en stabil tillväxt. Trots att mikroorganismerna trivs bäst vid neutralt ph finns det organismer som är aktiva vid både lägre och högre ph-värden. Syrabildande-och fermenterande organismer klarar förhållandevis sura miljöer (omkring ph 5) och metanbildande organismer klarar av att vara aktiva i intervallet ph 4.8-10 (Whitman et al 2006). Vad gäller mikroorganismerna tillväxt finner man den högsta tillväxthastigheten väldigt nära det ph-värde som leder till celldöd. Att på detta sätt försöka optimera tillväxthastigheten är inte att rekommendera då det är svårhanterligt och framförallt väldigt riskabelt för processen. Det vanligaste är att man strävar efter att upprätthålla neutralt ph som resulterar i en stabil process med en bra tillväxt hos mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer 2009) För att behålla ett neutralt och stabilt ph krävs att processens alkalinitet är hög och jämn. Alkaliniteten är ett mått på processens buffringskapacitet som är ett resultat av koncentrationen av alkaliska joner (främst bikarbonater) som står i jämvikt med koldioxid. Alkaliniteten motverkar kraftiga svängningar i ph och i och med det risken för att processen 16

kollapsar. I de fall man ser en fallande alkalinitet kan orsaken vara att metanbildarna är hämmade på något sätt, vilket får en ackumulering av flyktiga fettsyror (VFA) som följd (De Lemos Chernicharo 2007). Detta är vanligt vid uppstart, temperatursvängningar, överbelastning eller då mikroorganismerna utsätts för toxiska ämnen. Som resultat av denna ackumulering förbrukas alkaliniteten varvid systemets buffringskapacitet, och därmed ph, sjunker. Vid nedbrytning av kväverika substrat som protein och aminosyror genereras alkalinitet till processen. Detta beror på att den ammoniak som frigörs kan reagera med löst koldioxid och bilda ammouniumbikarbonat (Jarvis & Schnürer 2009). Vidare menar Björnsson et al (2004) att substrat som slam och gödsel kan bidra till ökad alkalinitet, men de ger relativt lågt biogasutbyte. Trots detta kan dessa substrat vara bra att föra in i processen p.g.a. dess stabiliserande och kompletterande effekt av näringsämnen. Precis som att en låg alkalinitet påverkar processen negativt gör även en för hög alkalinitet det. Det beror på att ammoniak frigörs och hämmar metanbildarna. Därför är det viktigt att man har koll på alkaliniteten så att den ligger på en nivå som anses lagom för processen i fråga. För att göra detta kan man tillsätta en rad olika kemikalier. I syfte att höja alkaliniteten är tillsats av natriumbikarbonat eller kaliumbikarbonat att föredra p.g.a. den lämpliga lösligheten, den minimala påverkan på processen som de medför samt det faktum att det är lätthanterliga kemikalier. I de fall då man önskar sänka alkaliniteten kan detta göras genom tillsats av järnklorid eller citrat (Gerardi 2003). 5.9 Odlingen av grödor till bioenergi kan öka i Sverige Kling & Lindhagen (2009) menar i sin rapport att bioenergiproduktion är på frammarsch och utgör en allt viktigare roll för energiförsörjningen men även för att minska utsläppen av växthusgaser genom att på sikt göra oss mindre beroende av fossila bränslen. Detta innebär ett ökat behov av bioenergi och här kan jordbruket komma att spela en viktig roll genom odling av energigrödor till bioenergiproduktion. Vid ändringar i grödfördelningen eller vid införandet av nya grödor och odlingstekniker påverkas en mängd miljöaspekter. Användning av herbicider och pesticider, växtnäringsläckage, biologisk mångfald, växthusgasutsläpp m.m. kan påverkas i olika riktningar, såväl positivt som negativt. I Sverige står jordbruket idag för en procent av den totala produktionen av bioenergi. Vid en ökad odling av energigrödor krävs naturligtvis en ökad areal men också en effektiviserad odling då livsmedelproduktionen inte ska bli lidande. Detta är viktigt för att undvika att flytta odlingen av livsmedel till andra länder vilket i sin tur leder till en export av miljöeffekterna. Vidare menar Kling & Lindhagen (2009) att något som kan vara problematiskt med odlingen av energigrödor är osäkerheten kring vilka skördar som kan förväntas. Den omfattning som energigrödorna kan breda ut sig i påverkas av pågående struktur- och teknikutveckling, men också av på geografisk lämplighet, odlingsekonomi och inte minst lantbrukarnas flexibilitet, effektivitet och tillgängliga resurser i form av mark och maskinpark. En annan potentiell problematisk aspekt med energigrödeodlingen är bevarandet av miljömålet Ett rikt odlingslandskap där målet är att bevara ett öppet och variationsrikt odlingslandskap. Sveriges totala åkerareal var 2009 ca 2,7 miljoner hektar. En areal på 100 000 hektar kan på kort sikt tas i bruk för odling av energigrödor och genom intensifiering och teknikuppgradering av odlingen skulle ytterligare 200 000 550 000 hektar kunna användas för ändamålet. I slutändan är det efterfrågan på biobränslen och priskonkurrens från livsmedel- och foderproduktion som kommer att avgöra hur mycket av åkermarken som kan komma att användas. 17

6. Metod 6.1 Insamling av material Foderbetor och kogödsel som använts i försöken hämtades den 26:e februari och den 8:e april 2010 vid Salltorps gård som är lokaliserad i utkanten av Falkenberg. Ympen (rötrest från en fungerande biogasanläggning) som använts kommer från Plönninges biogasanläggning utanför Halmstad där kogödsel, vall, potatis och frukt rötas i mesofil temperatur. Vid insamlandet av betorna, som är av sorten Magnum, togs både hela betor och betor som delades i mindre bitar med hjälp av en sönderdelningsmaskin på gården. Foderbetor av sorten Magnum har aningen högre torrsubstanshalt (ca 19-21%) i jämförelse med många andra sorter av foderbetan (16-19 %). Eftersom säsongen inte var den bästa för betorna hade de legat på lagring i halmtäckta stukor under ett par månaders tid. Betorna var aningen mjuka och hopskrumpna och man kan därför misstänka sockerförluster under lagringstiden. Detta innebär att kvaliteten nu var sämre jämfört med om betorna hade tagits färska strax efter skörd. Vad det gäller gödseln togs den ifrån en gödselbrunn utan tak vilket gör att det finns anledning att tro att gödseln har högt vatteninnehåll då den inte har skyddats mot nederbörd. Under försökens gång har den gödsel som blivit över förvarats i ett uterum och betorna i kylskåp vid 5 C. 6.2 Anläggningen Anläggningen består av sju 800 ml glasflaskor med gummikork som fungerar som rötkammare (se fig. 2). Flaskorna är placerade i ett vattenbad vari temperaturen kan kontrolleras. I gummikorkarna finns det ett hål där en slang fästs med hjälp av epoxylim. Slangen går sedan från flaskan till en annan kork som sitter på ett U-rör innehållande vatten till en bestämd nivå. Allt eftersom gas produceras i flaskan höjs vattenpelaren i U-röret för att slutligen nå en IR-fotoelektrod. Man får då en bubbling och detta registreras av ett räkneverk. Efter varje bubbling återgår vattennivån till startnivån igen. Räkneverket registrerar t.ex. datum, tid, temperatur, luftryck samt vilken volym gas som producerats. Dessa data hämtas vid försökets slut och kan sedan sammanställas. Före start sker en kalibrering genom att luft pumpas genom slangen in i U-röret tills man får en bubbling. Man kan då läsa av hur många ml varje bubbling bidrar med. Detta görs åtta gånger per flaska. Före starten dokumenteras även data på rådande temperatur och lufttryck. När försöket startats övervakas det dygnet runt av en webkamera som ställs in att ta en bild på U-rören inom önskat tidsintervall. På så vis finns möjlighet att titta på bilderna i efterhand för att kontrollera att bubblingar som registrerats verkligen har skett. Felmarginalen är därför mycket liten. 6.3 Utförande Först preparerades foderbetorna genom att sköljning i vatten och rensning från jord. De hackades sedan ner till bitar av storleken 5 mm med hjälp av en hushållsmixer. Hackningen syftar till, förutom rent praktiska skäl, att få en minskad partikelstorlek och på så vis öka ytstorleken på det organiska materialet. Därefter blandades dem med gödsel och ymp av olika mängder. Före försök 2 och 3 tillsattes natriumbikarbonat (NaHCO 3 ) i olika mängder för att höja alkaliniteten i blandningarna (se tab.3 & 4). Under försök 2 tillsattes även natriumbikarbonat under försökets gång i försök att stabilisera ph-värdet. Detta gjordes genom att använda en spruta innehållande en lösning av ämnet. Här användes korkar med två hål och sprutan fästes då i det ena hålet på samma sätt som slangen fästs. Man kan på detta sätt tillsätta lösningen utan att behöva öppna korken. När det gäller ph-mätning finns ingen automatisk kontroll tillgänglig utan detta har skett manuellt med ph-meter. Eftersom man på detta sätt får in luft i flaskorna som kan störa processen preparerades två flaskor med samma 18

innehåll för varje blandning under försök 2 och 3. En av de två flaskorna för varje blandning fungerade därför som en referens där ph mättes medan den andra lämnades orörd. Testen utgår därefter från att det ser likadant ut i båda flaskor. Flaskor innehållande ymp och gödsel fungerar som referens i syfte att kunna kontrollera dess bidrag till metanproduktionen. Att variera betinnehållet i flaskorna förväntas ge en bra bild över betornas potential som substrat. Anledningen till att endast tillsätta så lite ymp (5 procent av flaskans totala volym) är att hålla mängden substrat så stor som möjligt för att kunna minimera felmarginaler när det gäller biogaspotentialen. Därför ses tillsatsen av ymp mer som rent principiell. Rötningen är av mesofil karaktär. Lufttemperatur och lufttryck var 21-23 C respektive 970-1000 hpa under försöken. Samtliga försök har utförts på Högskolan i Halmstad. Fig. 2. Bild på biogasanläggningen där försöken har utförts. 6.4 Analyser Analys av torrsubstanshalt i foderbetorna, gödseln, ympen och de olika blandningarna gjordes genom att ta en del av materialet och lägga i en aluminiumbehållare. Först vägdes behållarna tomma, vågen tarerades och sedan vägdes dem med innehåll. Behållarna placerades i en ugn med temperaturen 105 C i 24 timmar. Efter behållaren tagits ur ugnen vägdes den igen och torrsubstanshalten i materialen kunde räknas fram genom att dividera den nya massan på substratet (allt vatten har förångats) med massan före insättningen i ugnen. Detta material användes sedan vidare i en elementaranalys för att fastställa innehållet av kol och totalkväve och därmed C/N-kvoten. Analysen utfördes med en elementaranalysator av märket FlashEA 1112 Series NC Soil Analayzer. Materialet krossades med mortel och sedan vägdes 15-20 mg upp i små tennformar. Formarna slöts och placerades i maskinen. Efter att elementaranalysen utförts upptäcktes ett mätfel på ca 10 %. Resultaten kommer därför att presenteras med denna felmarginal inräknad. Mätning av ph-värde hos gödseln, betor, ymp och de olika blandningarna utfördes med en ph-meter från Denver Instrument modell 15. För att mäta ph-värdet hos betorna gjordes en lösning med betor och vatten genom att blanda detta med köksmixern. Analys av gassammansättningen gjordes med hjälp av en gaskromatograf av märket Varian 3300. Vid analyserna användes två kolonner. Den ena 19

(Hayesep Q) för att mäta koldioxid och metan och den andra (Molecular sieve 5A) för att mäta kväve, syre och argon. 6.5 Försök 1 Utvärdering av substratets påverkan på processen Det första försöket hade en rötningstid på 19 dagar och sammanfattas i tab. 2. Tab.2. Sammanställning av rötkammarnas innehåll samt parametrar för försök 1 Flaska Ymp (ml) Gödsel (%) Gödsel (g) Beta (%) Beta (g) ph (slut) TS-halt (%) C/N-kvot 1(Ref.) 40 100 630 0 0 6,9 6,7 13-15 2 40 90 567 10 63 5,9 6,9 13-15 3 40 80 504 20 126 4,3 7,9 14-16 4 40 70 441 30 189 3,7 8 14-16 5 40 60 378 40 252 3,7 9,4 18-22 6 40 50 315 50 315 3,5 10,8 19-23 7 40 40 252 60 378 3,5 10,7 19-23 6.6 Försök 2 Mindre mängd substrat och justering av ph Detta försök introducerade tillsats av natriumbikarbonat (NaHCO 3 ) i syfte att höja alkaliniteten. Utöver tillsatsen vid försökets start tillsattes natriumbikarbonat vid ytterligare tre tillfällen under försökets gång. Det andra försöket hade en rötningstid på 18 dagar och sammanfattas i tab.3. Bokstäverna A, B och C indikerar vilka två flaskor som hör ihop, dvs. har samma innehåll. Flaska 5, 6, och 7 fungerade som ph-referenser under försökets gång. 6.7 Försök 3 Optimering Vid detta försök tillsattes en större mängd natriumbikarbonat från start i försök att undvika svängningar och därmed hålla ph på en jämn nivå. Flaskorna tillsattes med 1 gram NaHCO 3 per procent beta som flaskan innehöll. Det tredje försöket hade en rötningstid på 26 dagar och sammanfattas i tab.4. Bokstäverna A, B och C indikerar vilka två flaskor som hör ihop, dvs. har samma innehåll. Flaska 2, 4 och 6 fungerade som ph-referenser under försökets gång. Tab.3. Sammanställning av rötkammarnas innehåll samt parametrar för försök 2 NaHCO 3 NaHCO 3 ph TS-halt C/Nkvot Flaska Ymp(ml) Gödsel(%) Gödsel (g) Beta (%) Beta (g) start (g) tillsatt (g) (slut) (%) 1(Ref.) 700 0 0 0 0 0 0 7,5 1,6 11-13 2(A) 35 90 598,5 10 67 3 2 6,6 6,3 12-14 3(B) 35 80 532 20 133 3 7 - - - 4(C) 35 70 465,5 30 200 3 12 - - - 5(A) 35 90 598,5 10 67 3 2 6,6 4,5 12-14 6(B) 35 80 532 20 133 3 7 6,3 8,1 18-22 7(C) 35 70 465,5 30 200 3 12 6,5 7,9 18-22 Tab.4. Sammanställning av rötkammarnas innehåll under försök 3 Flaska Ymp (ml) Gödsel (%) Gödsel (g) Beta (%) Beta (g) NaHCO 3 start (g) ph (slut) TS-halt (%) C/Nkvot 1(A) 40 95 598,5 5 31,5 5 6,8 7,7 17-21 2(A) 40 95 598,5 5 31,5 5 6,8 7,6 17-21 3(B) 40 90 567 10 63 10 6,9 8,3 18-22 4(B) 40 90 567 10 63 10 6,9 8,6 18-22 5(C) 40 85 535,5 15 94,5 15 7 7,5 18-22 6(C) 40 85 535,5 15 94,5 15 7 8,3 18-22 7(Ref.) 40 95 598,5 0 0 0 6,7 7,4 13-15 20