Om exergi Nedanstående är hämtat från Wall (1993) om inte annat anges. Olika energiformer är mer eller mindre omvandlingsbara i varandra. Elektrisk energi kan omvandlas till mekanisk energi, som vid drift av elmotor, eller till värme. El kan också användas för att driva värmepumpar. Värme med hög temperatur kan delvis omvandlas till mekaniskt arbete och ger som restprodukt värme vid en lägre temperatur. Värme med lägre temperatur kan dock svårligen omvandlas till annat energislag och betraktas som lågvärdig. Om värmen har en tillräcklig temperatur kan den användas för uppvärmning av exempelvis lokaler. När temperaturen sjunker ner mot omgivningstemperaturen blir värmen alltmer svåranvändbar. Värmens kvalitet är alltså beroende av temperaturen på värmen och dess omgivning. Det är olika energiformers kvalitet som exergibegreppet hjälper till att förklara. Exergibegreppet kan definieras som arbete (ordnad rörelse) eller förmåga till arbete. Energi däremot definieras som rörelse eller förmåga till rörelse. Skillnaden mellan exergi och energi är alltså hur ordnad rörelsen, eller möjligheten till rörelse, är. Energi är oförstörbar och kan endast omvandlas, analogt är energikonsumtion en omöjlighet. Vid alla energiomvandlingar minskar dock exergimängden. Det som ibland omnämns energiförbrukning är alltså snarare exergiförbrukning. Olika energislag har således olika kvalitet. Förhållandet mellan exergi och energi kan definieras genom den så kallade exergifaktorn (exergi/energi). Exempel på olika energiformer och dess kvalitet ges i tabell 1. Observera att tabellen främst illustrerar storleksordningen mellan olika energikvaliteter och särskilt för värme bör beräkningar göras för enskilda fall. För värme ur en värmereservoar med konstant temperatur (T) beräknas exergifaktorn enligt: E/Q = (T-T 0 )/T där T 0 är omgivningens temperatur (K). Detta betyder exempelvis att exergifaktorn för värme med temperaturen 90 C vid omgivningstemperaturen 0 C är 0,25 och för värme med temperaturen 15 C är exergifaktorn vid samma omgivningstemperatur 0,05 (notera dock att exergifaktorn, kvalitén, hos exempelvis spillvärme sjunker vid värmeutvinning allteftersom temperaturen sjunker). Tabell 1. Olika energiformers kvalitet ( Wall, 1993). Kvalitet Energiform Exergifaktor (%) Extra prima Lägesenergi 1 100 Elektrisk energi 100 Prima Kärnenergi ca 95 Kemisk energi omkring 100
kwh/pe/år Het ånga ca 60 Fjärrvärme ca 30 Sekunda Spillvärme ca 5 1 Exempelvis högt belägen vattenreservoar Skillnaden mellan att använda energi och exergi, vid analys av reningsverkens resursanvändning, illustreras av figur 1 och 2. Figur 1 visar några resursflöden för ett tänkt reningsverk uttryckt som kwh/pe,år och figur 2 visar respektive flöde som andel av den totala summan för de energi- respektive exergiflöden som ingår i exemplet. Det tänkta reningsverket har ett inkommande flöde på 300 l/pe,d och temperaturen på avloppsvattnet är 15 C. Omgivningstemperatur är i exemplet 0 C. Storleksordning på el och värme till drift samt biogasproduktion har tagits fram genom att välja ut ett antal representativa värden för större svenska reningsverk. Vid en energianalys, utan beaktande av energikvalitén, är det värmen i avloppsvattnet som är det helt dominerande energiflödet. Om kvalitén hos olika energiflöden beaktas är det omsättningen av organiskt material som dominerar, men det är flera andra flöden som också har signifikant betydelse för den totala resursanvändningen. 2500 2000 1500 1000 Biogas El-drift Värme-drift Avloppsvärme 500 0 Energi Exergi Figur 1-1. Några energi- och exergiflöden (kwh/pe,år) för ett tänkt reningsverk
100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Biogas El-drift Värme-drift Avloppsvärme 30% 20% 10% 0% Energi Exergi Figur 1-2. Några energi- och exergiflöden (som % av den totala summan för energirespektive exergiflöde som ingår iexemplet) för ett tänkt reningsverk. Genom att använda exergibegreppet tydliggörs vad som är termodynamiskt möjligt. Det finns dock en skillnad mellan vad som är praktiskt och ekonomiskt möjligt med dagens teknik och vad som enligt termodynamiken är teoretiskt möjligt. Referenser Wall G. (1993) Exergilära handledning för självstudier, egen utgivning.
Exergi och avloppsreningsverk Daniel Hellström, Svenskt Vatten 1 Avgränsningar För nästan alla större reningsverk utgör rötning av slam, och därmed produktion av rötgas 1, en integrerad del av reningsverkens verksamhet. Många reningsverk behandlar även externt organiskt material i sina rötkammare (se vidare nedan). Detta innebär att detta material, även om det inte tillförts med inkommande avloppsvatten, kommer att ingå i det material som reningsverket har att processa. Detta gör att externt organiskt material, inklusive den gas som bildas från detta material, bör ingå i en exergianalys. Av praktiska skär bör analysen avgränsas till att enbart omfatta driftskedet, det vill säga exergi för exempelvis tillverkning av anläggningsdelar inkluderas ej. 2 Förbrukad exergi Det är i principiell mening relativt enkelt att beräkna den förbrukade exergin. Dock krävs en stringent kvalitetsvägning av de olika energislagen (jämför tabell 1-1). El-energi är relativt enkel att mäta och bör utgöra grundenhet även här, varefter andra energislags kvalitet relateras till el-energi. Lika kvalitet kan prima fossil energi och energi som direkt kan användas till fordonsdrift anses ha. Detta gäller exempelvis prima etanol. Insatsvaror i form av kemikalier kan antingen bedömas utifrån dess exergiinnehåll vid leverans till reningsverket eller utifrån den exergi som åtgått under framställningsskedet. Den förstnämnda metoden används eftersom systemavgränsningen då blir densamma som för övriga energiflöden (el, gas etc.) till och från reningsverket. För information om total energianvändning, och miljöeffekter, vid användning av fällningskemikalier hänvisas till livscykelanalyser. Produkter som i sig själva är direkta energiprodukter, exempelvis prima etanol, bedöms utifrån sitt exergiinnehåll vid leverans. Insatsvarornas exergiinnehåll bedöms kvalitetsmässigt vara lika med el-energi. Energivärden, och uppgifter om energislag (energikvalitet), kan hämtas från tillverkare eller egna bedömningar. En del värden finns redan sammanställda (Szargut et al. 1988, Hellström 1998). Även om en fullständig bild eftersträvas är det av praktiska skäl nödvändigt att exkludera faktorer som oftast är av mindre betydelse. Detta kan vara exempelvis persontransporter i verksamheten och exergiförbrukning för kontor som inte är förlagda vid det aktuella verket. En faktor som dock generellt kan förväntas ha viss betydelse är exergi för transporter till och från reningsverket samt övrig exergi som åtgår vid eventuell extern slambehandlingen. Frågan är dock om det ur datainsamlingssynpunkt praktiskt går att hantera dessa poster på ett bra sätt. 1 Här används begreppet rötgas för gas som ej renats/uppgraderats.
3 Exergiutvinning Som utvunnen exergi räknas sådan exergi som levereras ut till extern användare vid den punkt exergin lämnar avloppsverksamheten. För rötgas som levereras externt tas hänsyn till att en insats av el (och eventuell annan energi) behövs för att uppgradera den till fordonsgaskvalitet. Övriga leveranser kan bedömas på samma sätt, exempelvis gödningsmedel i form av slam, kväveföreningar etc. En del i utvinningen är gödningsmedel i form av slam alternativt kväve och fosforföreningar. Detta kan omsättas till exerginytta genom att beräkna de alternativa produkternas exergiinnehåll. Rötsubstrat Kemikalier, kolkälla El - drift El - Värme/VP Fjärrvärme Värme från gas Övriga bränslen Ventilation Ev. luftbehandling (lukt) Kontor, personalutrymmen, lagerlokaeler etc. El Förbehandling inklusive försedimentering Biologisk behandling baserad på aktiv slam (inklusive sedimentering) Eftersedimentering Flotation Filtering Värmepump Renat Avloppsvatten från "Biogas - VASS" Värme Rejektvattenbehandling Slambehandling: förtjockare, rötning, avvattning (Typ och mängd energi för uppvärmning särredovisas) Rötgas El Värme "Rågas" till extern Hantering av slam utanför ARV El Värme Uppgradering Fordonsgas Värme Figur 1. Systemavgränsning för exergianalys
Referenser Hellström D. (1998) Nutrient Management in Sewerage Systems Investigations of Components and Exergy Analysis. Ph. D. Thesis, Dep. of Environmental Engineering, div. of Sanitary Engineering, Luleå University of Technology, Report 1998:2. Szargut, J., Morris, D.R., Steward, F.R. (1988). Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes. Springer, New York, N.Y. Ödegaard H. (1995) An evaluation of cost efficiency and sustainability of different wastewater treatment processes Vatten 51, No 4, 291-299
El drift 33 64 Kolkälla 0 29 Kemikalier 2 5 Värme 8 16 (25 40) substrat rötning 0 13 COD + N ca 250 Reningsverk med rötkammare Exergiflöden för fem större verk 2008 Värme 150 200 biogas 84 108
Parameter Förklaring, enhet Värde BODpe g BOD/pe 70 Npe g N/pe 14 COD/VS EG COD/VS Energigröda 1,5 COD/VS ES COD/VS Externslam 1,5 COD/VS FS COD/VS Fettslam 2,9 COD/VS LA COD/VS Avfall från livsmedelsindust 1,5 COD/VS OA COD/VS Organiskt avfall 1,5 COD/VS ÖS COD/VS Övrigt Substrat 1,5 ExFV Exergi/Energi köpt (fjärr)värme 0,3 ExPV UppGrad Exergi/Energi producerad värme vid förbränning av gas 0,3 Exergi för uppgradering/ Exergi i rågas 0,07 Verkningsgrad inloppspump 0,7 Sp. pumpning kwh/m3/m 0,0027
MJ/kg Parameternamn Ämne Aktiv substans aktiv substans ExAlSO4 Aluminiumsulfat Al2(SO4)3 1,5 ExAlCl3 Aluminiumklorid AlCl3 3,3 ExFe2 Tvåvärt järn FeSO4 (kg Fe/d) 1,1 ExFe3 Trevärt järn Fe2(SO4)3 1,3 ExFeCl2 Järn(II)klorid FeCl2 1,6 ExFeCl3 Järn(III)klorid FeCl3 1,4 ExPol polymer akrylamid 15,2 ExAn ej definierad kolkälla 16,8 ExEt etanol C2H6O 29,5 ExMe metanol CH4O 22,4 99,5 % alkoholer varav 37% ExMoss Mosstanol isopropanol och 63 % etanol 26,7 ExProp isopropanol C 3 H 8 O 33,3 ExCH4 Metan CH4 51,8 ExCOD COD COD 13,6 ExN kväve NH4OH ExP kalciumfosfat Ca3(PO4)2
Rötkammaren kan den optimeras? Bilder lånade från Lars-Erik Olsson AnoxKaldnes Rötning Viktiga parametrar Uppehållstid Organisk belastning ph Metanhalt Avfallsmix Temperatur Flyktiga syror Omrörning Processlösning Tillsatser 1
Behovstrappa för rötning Nivå 4 optimera näringsförhållanden Dosering av spårämnen, enzymer etc Nivå 3 optimera processlösning Hydrolys, efterrötning, seriedrift Nivå 2 optimera omrörning Effektivitet, byte av typ, omrörningstester Nivå 1 kontrollera befintlig process VFA, temperatur, TS-halt, belastning, substratmix, ph Grunden i att bemästra en rötkammare Biogasprocessen är en LEVANDE ORGANISM betrakta den som ett HUSDJUR inte som en ÅNGPANNA!! Om man förstår de olika stegen i nedbrytningen från avfall till biogas är man en bra bit på vägen! 2
Anaerobt nedbrytningsförlopp Komplexa organiska föreningar Fetter, proteiner, kolhydrater 1. Hydrolys 2. Syrabildning 3. Ättiksyrabildning 4. Metanbildning Enkla föreningar (monomerer) Aminosyror, fettsyror, enkla sockerarter Ättiksyra Intermediära föreningar VFA Biogas Metan, koldioxid Koldioxid, vätgas Hur kan vi blanda olika avfall och avlopp? primär- och bioslam från kommunala reningsverk hushållsavfall och restaurangavfall avfall från slakteri, mejeri, bränneri, bryggeri, matoljeindustri avloppsvatten från livsmedels- och massaindustri grödor såsom vall, betor, majs, rester från olika grödor typ betblast 3
Hur mycket metangas ger olika substrat per kg Substrat Metan (Nm 3 /kg) Fett 1,01 Protein 0,50 Kolhydrat 0,42 COD 0,35 BOD 0,35 Nedbrytning av protein Protein Metan Ammonium-Ammoniak Ammonium hämmar > 3 000 mg N-NH 4 /l Ammoniak hämmar > 250 mg N-NH 3 /l Högre temperatur och ph högre andel ammoniak Tänk på C/N-förhållandet 20-30 4
Samrötning slam-matavfall i Klippan Matavfall i Klippans rötkammare Försiktig upptrappning under noggrann övervakning 15-20% mer TS/månad inte mer rötslam och rejektvattenbehandling utan problem ph och metanhalt Vid belastningsökning följ ph och metanhalt. Stabila värden ökning oftast OK Sjunkande värden ingen ökning 5
Flyktiga syror (VFA) Viktigaste parametern att följa vid rötning Optimalt med ett jämnt och lågt värde (0-100 mg/l) för slamrötning och under 1 000 mg/l för samrötning Förhållande VFA/alkalinitet < 0,3 Höga g VFA värden beror oftast på överbelastning eller hämning Svårt med kontinuerlig övervakning Temperatur Lämplig temperatur är: 35-38 o C mesofil 49-55 o C termofil Varierande temperatur kan ge ostabil drift Viktigt med värmeåtevinning för ekonomin 6
Temperatur mesofil/termofil GASPRODUKTION MOT BELASTNING VID 37 RESPEKTIVE 55ºC 0,8 0,7 0,6 Nm3/kg VS 0,5 0,4 0,3 37ºC 55ºC 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 Belastning (kg VS/m3/d) 60 30 20 15 12 10 Uppehållstid (d) Organisk belastning (TS/VS) MESOFIL TS-belastning: 4 kgts/m3/d VS-belastning 3 kgvs/m3/d TERMOFIL TS-belastning: 5 kgts/m3/d VS-belastning bl i 4 kgvs/m3/d 7
Uppehållstid 18-20 dygn för mesofil 12-1515 dygn för termofil (gäller ej vissa grödor) kan höjas genom att slamhalten höjs för kort uppehållstid kan ge överbelastning TS-halt Normala värden inkommande slam: 3-6%TS Förtjockning av slammet före rötkammare ger: 1. Minskade uppvärmningskostnader 2. Ökad uppehållstid ger oftast mer gas 3. Mindre rötkammarvolym krävs 4. Mindre flöden mindre pumpar p mm 5. Negativt är högre viskositet vilket kräver större omrörnings- och pumpeffekt mm 8
TS-halt Besparingen per dygn i uppvärmningsbehov om slammet förtjockas från 2 till 6 % uppgår till ca 1200 kwh/ton TS i slammet. Omrörning Mekanisk med en eller flera propellrar Gasomblandning Andra typer 9
Omrörningens syfte Kort inblandningstid för inkommande slam/avfall Sörja för god omblandning i hela rötkammaren Förhindra flytslam och svämtäcke Förhindra sedimentering av slam mm Toppmonterad omrörare 10
Rota mix Rotamix utrötningsgrad Utrötningsgrad rötkammare 12:1 och 12:2 Västra strandens ARV, Halmstad kommun 56 54 52 50 48 tningsgrad % Utröt 46 44 42 40 38 36 34 32 Rötk. 12:1 Rötk. 12:2 30 51 49 47 45 43 41 39 37 35 33 30 28 26 24 22 20 17 15 13 11 9 8 7 Vecka 7-51 2008 11
Exempel på olika processlösningar Enkel rötkammare eller två i parallelldrift Två rötkammare i serie Hydrolys och vanlig rötkammare Rötkammare följd av efterrötning Parallella rötkammare 12
Seriekopplade rötkammare Ger 5-10 % högre gasutbyte Hydrolys före rötkammare Beroende på substrat 0-30 % högre gasutbyte 13
Anox-BioMils förstudie visade på följande fördelar med metoden: Ökad utrötningsgrad / högre metanproduktion Effektivare patogenreduktion Effektivare utlösning av mineraler och spårämnen viktiga för rötningsprocessen Eliminering av skumbildande ämnen Efterrötkammare Beroende på substrat 5-10 % högre gasutbyte 14
Spårämnen För vissa substrat exempelvis drank, vallensilage, majsensilage, slakteriavfall, sockerbetor, svartlutskondensat har dosering av spårämnen betydelse för gasproduktionen och i vissa fall är doseringen helt nödvändig. Enzymer Dosering av enzymer i slamrötkammare har i vissa fall givit upp till 25 % mer metan. Tester måste utföras. 15
Sammanfattning Behandla rötkammaren som ett Följ VFA, ph, metanhalt Välj lämplig substratmix för optimalt C/N Utvärdera och vid behov förbättra omrörning Kanske hydrolys men definitivt efterrötning Utvärdera behov av spårämnen/enzymer 16