Energioptimering av biogasproduktion Hur primärenergibehov till biogasanläggning kan minskas med energiåtervinning och isolering Johan Svahn Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)
Svahn J I. Förord Examensarbetet som ligger till grund för denna rapport är ett avslutande moment på civilingenjörsutbildningen i energiteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har utförts för SWECO VIAK AB, Avfallsteknik i Stockholm. Jag vill här passa på att tacka min handledare Lars Brolin vid SWECO för inspiration och hjälp under arbetets gång samt övriga medarbetare i gruppen Avfallsteknik. Vill även tacka min handledare vid Umeå Universitet Robert Eklund. Stockholm, september 2006, Johan Svahn I
Energioptimering av biogasanläggning II. Summary Energy efficiencies of biogas production make the biogas an even more environmentally frily biofuel. Biogas is often used for local heat production of a biogas plant. Less biogas is needed for heating when an energy optimization is done of a plant and more biogas will be possible to sell as biofuel for vehicles. The purpose of this thesis was to analyse how to reduce the demand of heat for biogas production. The thesis have also examined if it is possible to combine a biogas plant with some other renewable energy sources. The thesis was done with literature research and theoretical calculations. The energy loses from the biogas chamber were calculated with numerical methods in Matlab and simulated in Comsol Multiphysics, the biogas chamber is assumed to by placed in the middle of Sweden. The economical calculations are made with Excel and are using the present value method. The energy losses from the digestion chamber can be reduced with insulation and an optimal design. If an insulation with a heat transfer coefficient of 0,05 W / m C is used, the smallest recommed thickness of the insulation is 20 centimetres for a mesofil chamber and 24 centimetres for a termofil chamber. With a thick insulation on a mesofil chamber the demand for heat is no longer required because the mixing mechanism provides enough heat to remain the digestion temperature in the digestion chamber. During the winter the digester chamber requires some heat and this can be solved by increasing the temperature of the charging substrate. Heat exchanger and pump are no longer needed to maintain the temperature inside the digester and this result in a lower investment cost for a new biogas plant. A large amount of energy can be saved for a low cost by installing a heat exchanger in all larger biogas plants. To accomplish a higher efficiency of the heat exchanger, when agriculture corps is digested, the incoming process water can be directly connected to the heat exchanger. Another profitable investment is to install a heat pump after the heat exchanger. A positive effect of the installation of a heat pump is that it reduces the emissions of methane from the digestate when the temperature of the digestate is lowered. Solar collector for heating the incoming substrate is an alternative that have big environmental benefits but it is not profitable with out any economical contribution. Wind power is excellent to combine with a heat pump because the heat pumps demand of electricity, but it deps on the local wind conditions if the wind power will be a good investment. If a smaller wind power is combined with a heat pump the entire biogas plant can be self sufficient of energy. II
Svahn J III. Sammanfattning Med en energieffektivisering av biogasproduktionen blir biogasen ett ännu mer miljövänligt fordonsbränsle samtidigt som mer biogas kan produceras eftersom biogas ofta används till uppvärmning vid biogasanläggningen. Arbetets syfte har i huvudsak varit att undersöka hur värmebehovet vid biogasprocessen kan minskas. Möjligheterna att minska primärenergibehovet genom att kombinera en biogasanläggning med någon annan förnyelsebar energikälla har även utretts. Arbetet har genomförts med litteraturundersökningar och teoretiska beräkningar. Transmissionsförlusterna från rötkammaren har beräknats med numeriska metoder i Matlab och simuleringar i Comsol Multiphysics där beräkningar är gjorda för ett klimat i mellersta Sverige. Energibalansberäkningarna för rötningsanläggningarna har utförts i Excel och de ekonomiska beräkningarna har gjorts med nuvärdesmetoden. Transmissionsförlusterna från rötkammaren kan minskas med isolering och optimal design. Om en isolering med en värmeledningskoefficient på cirka 0,05 W / m C används är minsta rekommerade isoleringstjocklek 20 centimeter för en mesofil rötkammare och 24 centimeter för en termofil rötkammare. En tjockt isolerad rötkammare behöver ingen varmhållningsprocess utan omrörningen kan tillföra tillräckligt med energi. Dock kan det under vintern krävas en viss varmhållning vilket kan lösas genom att hålla en något högre temperatur på det ingåe substratet. Detta medför att pengar kan sparas vid nybyggnation genom att investeringen i värmeväxlare och pump till varmhållning då inte är nödvändig. Värmeåtervinning med värmeväxlare är det alternativ som ska finnas på varje större rötningsanläggning eftersom det innebär att mycket energi kan återvinnas till ett lågt pris. Vid rötning av gröda kan ibland värmeväxlaren kopplas till det inkommande processvattnet för att på detta sätt underlätta en värmeväxling. En värmepump som monteras efter värmeväxlaren är också en lönsam investering och en annan positiv effekt med en värmepump är att emissionerna av metan minskar när temperaturen på rötslammet sänks. Solfångare är ett alternativ som har stora miljömässiga fördelar men är dock inte ekonomiskt lönsamt utan bidrag. Vindkraft är bra att kombinera med värmepump då värmepumpen förbrukar elenergi, det är dock bara aktuellt om det råder bra vindförhållande vid biogasanläggningen. Om ett mindre vindkraftverk kombineras med en värmepump kan hela biogasanläggningen bli självförsörjande av energi vilket ger att biogasanläggningen blir ett enbart positivt energitillskott till samhället. III
Energioptimering av biogasanläggning IV. Innehållsförteckning 1 INLEDNING 1 1.1 BAKGRUND 1 1.2 SYFTE 2 1.3 POLITISKA STYRMEDEL 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR OCH METOD 3 2 BIOGAS 4 2.1 BIOGASANVÄNDNING 4 2.2 MILJÖASPEKTER 2.2.1 VÄXTHUSEFFEKTEN 4 4 2.2.2 FLER POSITIVA MILJÖASPEKTER 6 2.3 BIOGAS PRODUKTION 6 2.3.1 BIOGASREAKTOR 7 2.4 ANAEROB NEDBRYTNINGSPROCESS 7 2.4.1 OLIKA TEMPERATURINTERVALL FÖR PROCESSEN 8 2.5 HYGIENISERING 9 2.6 DRIFT AV RÖTGASANLÄGGNING 10 2.7 OMRÖRNING AV RÖTKAMMA REN 10 3 ENERGIBEHOV VID BIOGASPRODUKTION 12 3.1 VÄRMEBEHOV 12 3.2 VARMHÅLLNING AV RÖTKAMMARE 13 3.3 VÄRMEBALANS BERÄKNINGAR 13 3.4 RÖTKAMMARES ENERGIBALANS 13 3.5 VÄRME FRÅN OMRÖRARE 14 3.5.1 MEKANISK OMRÖRARE 3.5.2 STRÅLOMBLANDARE 14 15 3.5.3 DRAGRÖR 15 3.5.4 GASOMBLANDNING 15 3.6 GROVSÖNDERDELNING OCH FINMALNING AV INGÅENDE SUBSTRAT 15 3.7 GASUTBYTE 16 3.8 ENERGIKVOT 16 3.9 VÄRMEVÄXLARE 17 3.10 VÄRMEPUMP 18 3.11 VÄRME FRÅN FRÅNLUFT 18 3.12 TERMISKA ENERGIFÖRLUSTER I RÖTKAMMAREN 3.12.1 PÅTVINGAD KONVEKTION 19 20 3.12.2 NATURLIG KONVEKTION 20 3.12.3 VÄRMESTRÅLNING 20 3.13 EKONOMISKA BERÄKNINGAR OCH ASPEKTER 22 3.13.1 EKONOMISKA BIDRAG 3.13.2 EKONOMISK ANALYS 22 22 IV
Svahn J 4 METOD 24 4.1 TERMISKA BERÄKNINGAR PÅ RÖTKAMMARE 24 4.1.1 VÄGGEN PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.1.2 TAKET PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.1.3 BOTTEN PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.2 KLIMATMODELL 26 4.2.1 VÄRMESTRÅLNING 26 4.3 INBYGGNAD AV RÖTKAMMARE I FABRIKSLOKAL 26 4.4 PROGNOSSTYRNING 27 4.5 UPPVÄRMNINGSBEHOV 28 4.6 EKONOMI 28 5 ENERGIBESPARANDE ÅTGÄRDER 29 5.1 VARMHÅLLNING AV RÖTKAMMARE 5.1.1 ISOLERING 29 30 5.1.2 GEOMETRI 36 5.1.3 STORLEK 37 5.1.4 INBYGGNAD I FABRIKSLOKAL 39 5.1.5 INVESTERINGSKALKYL PROGNOSSTYRNING APPLICERAD PÅ RÖTKAMMARE 40 5.1.6 STYRNING AV TEMPERATUR PÅ INGÅENDE SLAM T ILL RÖTKAMMARE 41 5.1.7 INGET BEHOV AV VARMHÅLLNING 41 5.2 UPPVÄRMNING AV SUBSTRAT 42 5.3 RESULTAT FRÅN LITTERATURSTUDIER 42 5.3.1 TORRSUBSTANS 42 5.3.2 VÄRME FRÅN FRÅNLUFT 43 5.4 RESULTAT FRÅN BERÄKNINGAR 5.4.1 VÄRME FRÅN RÖTSLAM 43 43 5.4.2 VÄRME FRÅN BIOGAS 5.4.3 VÄRMEPUMP 44 44 5.4.4 PLACERING AV VÄRMEPUMP 44 5.4.5 INVESTERINGSKALKYL VÄRMEPUMP 46 5.4.6 BUFFERTTANKAR 46 6 ANVÄNDNING AV FÖRNYE LSEBAR ENERGI 47 6.1 SOLCELLER 47 6.2 VINDKRAFT 47 6.3 SOLVÄRME 6.3.1 VARIANTER AV SOLFÅNGARE 47 48 6.3.2 DIMENSIONERING AV SOLVÄRME 49 6.3.3 INVESTERINGSKALKYL SOLFÅNGARSYSTEM 51 7 EKONOMISK SAMMANFATTNING 52 8 RÄKNEEXEMPEL BIOGASPRODUKTION MED ENERGIBESPARING 53 V
Energioptimering av biogasanläggning 8.1 ALTERNATIV 1 53 8.2 ALTERNATIV 2 53 8.3 UTVÄRDERING AV SYSTEMEN 54 9 SLUTSATS & DISKUSSION 56 9.1 DISKUSSION 56 9.2 SLUTSATSER 56 10 REFERENSER 58 10.1 BÖCKER OCH ARTIKLAR 58 10.2 PERSONLIGA REFERENSER 59 10.3 INTERNET 59 11 BILAGOR 60 11.1 BILAGA 1 TERMISKA BERÄKNINGAR 60 11.1.1 NATURLIGKONVEKTION 11.1.2 PÅTVINGADKONVEKTION 61 63 11.2 BILAGA 2 PLAN-SOLFÅNGARE 65 11.3 BILAGA 3 TABELL VÄRMEBEHOV I BIOGASANLÄGGNINGAR 66 11.4 BILAGA 4 MATLAB PROGAM 67 VI
Svahn J 1 Inledning Mitt examensarbete ligger till grund för denna rapport som beskriver energibesparande åtgärder som kan göras för att minska energianvändningen vid rötningsprocesser. 1.1 Bakgrund Vid produktion av biogas används energi och ett vanligt argument mot många förnyelsebara energikällor är att det används för mycket energi för att producera en ny energikälla. Vid produktion av biogas används energi till insamling och transport av substrat, drift av biogasanläggningen, rening av gasen samt spridning av rötresterna. Maria Berglunds doktorsavhandling 2006 visar att energianvändningen vid produktion av biogas normalt motsvarar 20 till 40 procent av biogasens energiinnehåll. Den största energikrävande delprocessen är generellt drift av biogasanläggningen som svarar för 40 till 80 procent av den tillsatta energin (Berglund & Börjesson 2003). Det samtidigt som den största bidragsgivaren till många miljöpåverkande aspekter är energirelaterade vilket medför att konsumtionen av energi mycket starkt påverkar resultatet på hur miljövänlig biogasen är (Lund, Hansen, 2005). Tidigare har energi funnits i överskott på biogasanläggningarna. Biogasen användes och används på de flesta anläggningarna idag till att värma upp anläggningen och överskottet facklas bort. Med tekniken för uppgraderingen av biogas till fordonsbränsle samt en stor efterfrågan för förnyelsebart drivmedel har gjort att priset på biogas har gått upp. Marknaden för biogas gör energieffektivisering på biogasanläggningar intressant i ekonomiskt perspektiv samtidigt som mer fossilt bränsle kan fasas ut genom att använda biogas som fordonsbränsle. De snabbt stigande energipriserna samt en stigande oro för negativ miljöpåverkan vid användning av fossila bränslen gör att biogas har blivit ett aktuellt alternativ på den svenska marknaden. Det tillsammans med att marknadspriset för biogas är billigare än bensin och diesel gör att det även är ekonomiskt lönsamt att köra fordon på biogas (Lund, Hansen, 2005). I många anläggningar finns det idag sannolikt en betydande sparpotential i den energianvändning som idag täcks med egenproducerad gas. I Sverige produceras idag cirka 0,1 TWh biogas i storskaliga biogasanläggningar och 0,4 TWh gas samlas upp i de större soptipparna. Många kommunala avloppsreningsanläggningar rötar avloppsslammet som bildas vid rening av avloppsvatten och denna produktion bidrar med ytterliggare cirka 0,8 TWh gas. Det är bara en bråkdel av alla tillgängliga substrat som rötas idag och om alla kunde nyttjas fullt ut skulle en produktion på 15-20 TWh biogas vara möjlig. Det är cirka en femtedel av energiinnehållet av all diesel och bensin som idag används till transporter (Berglund M., 2006). 1
Energioptimering av biogasanläggning 1.2 Syfte Detta arbete har fokuserat på energianvändningen vid driften av rötningsprocessen. Det huvudsakliga syftet har varit att undersöka hur det termiska energibehovet kan minskas för rötningsprocessen. Eftersom biogasen används för att värma upp anläggningen medför det att ju mer energi som kan sparas desto mer biogas kan produceras samtidigt som mindre fossiltbränsle används som drivmedel. Det medför att mindre växthusgas emitteras till luften genom att den energi som kan sparas i anläggningen kan används som drivmedel och därmed blir biogasen en ännu mer miljövänlig energikälla. Målsättningen har varit att visa hur rötningsprocessen kan bli mer energieffektiv, genom att visa på hur olika sätt energin kan återvinnas och samtidigt hur energiförlusterna kan minskas. Detta leder till att mindre primärenergi måste tillsättas till processen. Dessutom beskrivs hur andra förnyelsebara energikällor kan användas i biogasprocessen vilket då leder till att mer biogas kan uppgraderas till fordonsgas istället för att användas inom processen. 1.3 Politiska styrmedel Den främsta anledningen till det ökade intresset för rötning av biologiskt avfall i Sverige är höjda avgifter för deponering av organiskt avfall och ett beslut om deponeringsförbud från och med år 2005. I Sverige kom 2003 den så kallade kretsloppspropositionen som bland annat innehåller ett nytt delmål under miljömålet God bebyggd miljö som är ett av 16 uppsatta miljömål i Sverige. Det säger att senast år 2010 ska 35 procent av matavfallet återvinnas genom biologisk behandling, inklusive hemkompostering. Idag återvinns cirka 20 procent av matavfallet genom biologisk behandling. För att nå målet på 35 procent krävs att ytterligare drygt 130 000 ton matavfall återvinns med biologisk behandling jämfört med i dag (I2). I EU:s drivmedels direktiv från 2003 om att främja användningen av biodrivmedel och andra förnybara drivmedel har målen satts till att 2 procent av försäljningen av bensin och diesel ska utgöras av biodrivmedel som ska uppnås den 31 december 2005 och år 2010 ska andelen öka till minst 5,75 procent. Dock finns det ingenting skrivet i direktivet om hur medlemsländerna ska främja användningen av biodrivmedel (Johnsson B., 2006). 2
Svahn J 1.4 Avgränsningar och metod Detta examensarbete har gått ut på att undersöka hur det är möjligt att energieffektivera biogasproduktionen. Arbetet går in på hur termiska förluster kan minskas samt hur energi kan återanvändas. Den fokuserar inte på hur elkonsumtionen kan minskas. Andra områden som inte har behandlas är: Vid byggnation av biogasanläggning åtgår det energi, denna kan bedömas som försumbar i jämförelse med de övriga energiflödena under driftfasen. Enligt Sundqvist m.fl. (2002) motsvarar energikonsumtionen vid byggna tionen av biogasanläggningar 0,6 % av anläggningens energianvändning under driftfasen. Energianvändningen i transporter, uppsamling, insamling, skörd och spridning av rötrest utgör en stor del av hur mycket energi som används i biogassystemet. Den delen har inte fokuserats på utan bara processen i biogasanläggningen (se figur 1). Odling av energigrödor vall etc. Insamling av organiskt avfall Energi Transport Rötningsprocess Transport Gräns för arbetet Gas Spridning av rötrest Transport Uppgradering av biogas Figur 1. Schematisk bild över biogassystemet där pilarna visar material och energi flöden i systemet. Uppgraderingen av biogas har inte behandlas. Vid en storskalig uppgraderingsanläggning antas elenergianvändningen motsvara cirka 3-6 % av den renade biogasens energiinnehåll (Persson M., 2003). Arbetet har inte heller berört hur biogasen ska användas utan istället undersöka hur användningen av biogas kan minskas på rötningsanläggningen. 3
Energioptimering av biogasanläggning 2 Biogas Den biogas som utvinns från rötkammaren innehåller 60-80 % (volym %) metan ( CH 4) och 20-40 % koldioxid ( CO 2 ). Dessutom finns små mängder kvävgas (0-1 %), svavelföreningar (0-2000 ppm) samt spår av syrgas och vätgas (Forsberg T. m. fl. 2005). Biogas som fordonsbränsle renas och uppgraderas så att det består till cirka 97 procent av metan och resten koldioxid. Uppgraderad biogas har ett energiinnehåll på 9,8 kwh per normalkubikmeter, Nm 3. Normalkubikmeter är en definition av gas i normaltillstånd 0 o C och trycket 1,013 bar. En normalkubikmeter uppgraderad biogas kan jämföras med en liter bensin som har ett energiinnehåll på 8,8 kwh per liter. Det gör att en normalkubikmeter biogas motsvarar i energiinnehåll mer än 1,10 liter bensin (I3). 2.1 Biogasanvändning Biogas har olika användningsområden och uppgraderad biogas kan användas som fordonsbränsle eller levereras till naturgasnä tet. Genom att leverera biogasen till naturgasnätet blir distributionen enklare och det blir inget problem med att få avsättning för gasen. Om det inte är möjligt att leverera biogas till naturgasnätet kan det därför vara bra att anlägga ett distributionssystem, så att biogasen kan levereras till tankstationer i närheten (Lundqvist M. 2004). Biogas som inte uppgraderas kan användas som bränsle till en drivmotor för elproduktion, den kan också användas till eldning i panna för uppvärmning av lokaler och rötningsprocess. Om det inte finns någon avsättning för biogasen om t.ex. gasklockan är full så kommer biogasen att facklas bort. Det görs bl.a. av säkerhetsskäl och därför att emissioner av metan har en starkare växthuseffekt än koldioxid. 2.2 Miljöaspekter Ett biogassystem kan betraktas som ett s.k. multi-funktionellt bioenergisystem som genom optimal design och lokalisering kan generera olika miljötjänster. Förutom generering av förnyelsebar energi, samt minskade emissioner av luftföroreningar, ger även det rötade slammet en effektivare näringsutnyttjande som leder till ett minskat behov av handelsgödsel (Börjesson & Berglund 2003). 2.2.1 Växthuseffekten Eftersom biogas är ett icke fossilt bränsle dvs. ett förnyelsebart drivmedel så går koldioxiden i kretslopp (se figur 2). När biogas används som drivmedel till fordon minskas bidraget av växthusgaser under förutsättningar att metanförlusterna hålls låga. Eftersom metan också är en kraftig växthusgas och genom tillvaratagande av denna gas minskas påverkan på atmosfären. Betraktat utifrån ett hundraårsperspektiv har metan en koldioxidekvivalent på 21, vilket betyder 4
Svahn J att metan är 21 gånger starkare än koldioxid. Det beräknas kunna ha en förlust upp till mellan 8-26 % beroe på vilket biogassystem som studeras om det ska bli jämförbart med koldioxid utsläppen när fossila bränslen används (Börjesson P., & Berglund M., 2003). Figur 2. Koldioxidens kretslopp i ett biogassystem (I4) När användningen av biogas jämförs med andra biodrivmedel så får den en mycket liten påverkan på växthuseffekten. Om man räknar in metanutsläppen som tillkommer vid produktion så kommer biogasen inte till en lika bra nivå (se tabell 1). Det är därför mycket viktigt att försöka minimera utsläppen av metan så mycket som möjligt. De största utsläppen av metan sker vid uppgraderingen av biogasen till fordonsgas. Idag beräknas utsläppen av metan vid uppgradering vara 1-2 % men det sjunker till nära 0 med nya tekniker som introduceras på marknaden. 5
Energioptimering av biogasanläggning Tabell 1. Mängd koldioxid per mängd energi (MJ) vid livscykelanalys för olika drivmedel Drivmedel Summa Koldioxid, g/mj Koldioxid Ekvivalenter, bensin=100 Etanol (ren Etanol) 7,7 37 Etanol (E85) 18,7 47 Etanol ur cellulosa 6 33 Biogas 0,9 32 Bensin 79 100 RME 9 27 Diesel 81 78 Källa: Bioenergi - ny energi från jordbruket, Jordbruksverket 2006 På detta sätt som i tabell 1 är det vanligt att jämföra olika drivmedels påverkan av växthuseffekten. Dock är en viktig aspekt att substraten som används vid biogasproduktion även måste tas om hand om de inte skulle ha rötas. Den hanteringen kan också orsaka utsläpp som till exempel vid lagring av gödsel (Berglund 2006). 2.2.2 Fler positiva miljöaspekter Utlakning av kväve från jordbruksmarken orsakar övergödning i vattrag och slutligen havet. En av orsakerna till problemet är spridning av stallgödsel vars näring inte kan tas upp tillräckligt av grödorna. Genom att röta gödseln mineraliseras stora delar av det organiskt bundna kvävet och blir mer lättillgänglig för grödan. Rötad gödsel luktar dessutom betydligt mindre än orötad. Utsläppen av svavel och kväveoxider är markant lägre i jämförelse med bensin. Det bildas totalt ungefär fyra gånger mindre försurande ämnen vid biogasanvändning än vid bensindrift (Johnsson B 2005). Utsläpp av partiklar och fotokemiska oxidanter minskas också mycket och det medför att det är positivt för stadsmiljön att använda biogas drivna fordon istället för bensin- eller dieselfordon (Börjesson & Berglund 2003). 2.3 Biogas produktion Biogas bildas när mikroorganismer, främst bakterier, bryter ner organiskt material i frånvaro av syre från luften. Organiskt material kan vara organsikt avfall och olika lantbruksgrödor. Organsikt avfall kan till exempel vara matavfall från hushåll, storkök, restauranger, slam från avloppsreningsverk, processvatten från livsmedelindustrin med mera. Lantbruksgrödor har en storpotential för att i framtiden ta en stor marknadsdel av bränslet som används i framtidens transporter. Det produceras stora mängder organiskt avfall i dagens samhälle och dessa behöver behandlas på ett eller annat sätt innan det återförs till naturens kretslopp. Vid en biogasprocess utnyttjas 6
Svahn J mikroorganismernas naturliga förmåga att bryta ner sådant material till en näringsrik slutprodukt som kan användas som gödningsmedel. Under nedbrytningsprocessen bildas också biogas vars huvudbeståndsdel är metan. Metan är en mycket energirik gas som kan användas inom olika ändamål (Jarvis Å, 2005). En biogasanläggning kan vara uppbyggd på flera olika sätt dock har alla en rötkammare där det organiska materialet bryts ner till biogas och rötrest (se figur 3). Först förbehandlas substratet på olika sätt beroe på substrat för en optimering av processen. Substrat Gasuppgradering Biogas/ Fordonsgas Buffertank Avvattning Rötkammare Fast biomull Flytande biomull Figur 3. Principskiss över en biogasanläggning. 2.3.1 Biogasreaktor Continuously stirred tank reactor (CSTR) är den vanligaste biogasreaktorn i Sverige idag. Den fungerar genom att materialet kontinuerligt pumpas in i reaktorn där nedbrytningen sker i ett steg. I rektorn finns en omrörare som ser till att materialet totalomblandas vilket är den metod som kommer att utredas i denna rapport (Jarvis Å, 2005). 2.4 Anaerob nedbrytningsprocess Rötningen är en mikrobiologisk nedbrytningsprocess av organiska material under syrefria förhållanden. Det är ett flertal olika bakterier som deltar i processen. Nedbrytningsprocessen sker i fyra steg (se figur 4). I det första steget i processen hydrolyseras fett, kolhydrater och protein till aminosyror, sockerarter och fettsyror. Dessa produkter bryts sedan ner i ett eller två steg till enklare föreningar som ättiksyra, myrsyra, vätgas, koldioxid och aminosyror. Det är av ättiksyra, vätgas och koldioxid som metanbakterierna sedan producerar metan och koldioxid. Om det inte finns tillräckligt med metanbakterier så kommer de övriga bakterierna att dö på grund av att de 7
Energioptimering av biogasanläggning förgiftas av sina egna slutprodukter. Därför är det viktigt att inte överbelasta biogasreaktorn (Svenska vatten och avloppsverksföreningen, 1981). Komplexa organiska material (Kolhydrater, protein, fett etc.) Hydrolys Lösliga organiska föreningar (Aminosyror, socker, m.m.) Jäsning Intermediära produkter (Fettsyror, alkoholer, m.m.) Anaerob oxidation Ättiksyra H 2 + CO 2 Metanbildning Biogas CH 4 + CO 2 Figur 4. Schema över anaerob nedbrytningsprocess, något förenklat. Sammansättningen av det organiska materialet har en stor betydelse för nedbrytningshastigheten, gasutbytet och sammansättningen av gasen. Vid rötning av vall är det ofta hydrolyssteget som är det hastighetsbestämmande steget, då hydrolys av cellulosa och hemicellulosa är långsam. Protein och stärkelse bryts ner lätt och glykos och aminosyror bildas därför snabbt. Fett bryts ner långsamt medan lignin inte kan hydrolyseras alls av anaeroba bakterier (Lindqvist 2002). 2.4.1 Olika temperaturintervall för processen Slutprodukten metan är en mycket energirik förening och det medför att ast lite energi kommer bakterierna tillgodo. Det medför att bakterierna har en mycket långsam tillväxt och att värmebildningen är mycket liten. Hastigheten av den anaeroba nedbrytningen varieras med temperaturen (se figur 5). Det finns fyra olika maximum av tillväxt. Det två vanligaste som används i rötkammare är mesofil 35-37 ºC och termofil 50-55 ºC. 8
Svahn J Figur 5. Mikrobiell aktivitet för olika temperatursintervall (Östergard 1995). Vid termofil rötning sker processen snabbare och erforderlig uppehållstid för samma nedbrytningsgrad är lägre än för mesofil rötning. Den negativa aspekten för termofil rötning är framförallt ett större uppvärmningsbehov. Den vanligaste metoden i Sverige är idag mesofil. 2.5 Hygienisering Vid biogasanläggningar som tar emot animaliskt lågrisk avfall från slakterier är det ett krav från EU att ha ett separat hygieniseringssteg där substratet behandlas 70 ºC i en timme. De flesta anläggningar har ett separat hygieniseringssteg där hygieniseringen antingen sker satsvis eller kontinuerligt. Satsvis är att föredra då det är lättare att kontrollera tid och temperatur för behandlingen. Innan hygieniseringen mals substratet ner till max 12 mm i diameter. För att substratet ska komma upp i rätt temperatur och för att det inte ska innehålla några klumpar där det kräver en längre tid att nå rätt temperatur. 9
Energioptimering av biogasanläggning 2.6 Drift av rötgasanläggning När en biogasanläggning är i drift är det många parametrar som ska kontrolleras för ett bra biogasutbyte. För att få en optimal produktion av rötgas är det några faktorer som har avgörande betydelse (Kjellén B. J. m fl. 2003). Rötningstid och rötningstemperatur. Jämn tillförsel av slam till kammaren (för att undvikande av temperaturförändringar) God omröring i rötkammaren Undvikande av temperaturfall Ett temperatur fall på 1 till 2 ºC kan hämma rötprocessen. Däremot har en snabbtemperaturhöjning på 1 till 2 ºC ingen negativ effekt. Driftstörningar genom överbelastning eller tillförsel av gift. ph- värde i rötslam skall vara >7 Innehåll av ättiksyra i rötslam ska ll vara <500 Innehåll av CO i rötgasen skall vara <45% 2 mg / l 2.7 Omrörning av rötkammaren Det finns olika typer av omblandningssystem för rötkammare. Omblandningen är nödvändig för att uppnå en homogen miljö där koncentrationsskillnader minimeras och för att bakterierna ska kunna komma i kontakt med slammet. Omblandning har en stor inverkan på rötningsprocessen. Vid en dålig omrörning uppkommer problem med stora temperaturdifferenser i olika delar av rötkammaren, överbelastning i delar av rötkammaren och s.k. surjäsning är en kombination av dessa som ofta leder till skumning (Starberg K. m fl. 2002). De vanligaste metoderna för omrörning av rötkammare sker med (se figur 6): 10
Svahn J Mekanisk omrörning som är monterad i toppen av rötkammaren (vanligaste metoden i Sverige) Gasomblandning där komprimerad biogas leds in i botten av rötkammaren (fåtal i Sverige) Strålmunstycken, pumpning av rötslammet in i rötkammaren så att de skapar omrörning (finns inga i Sverige) Dragrör, pressar ner substratet i mitten av rötkammaren som skapar omrörning, kan också reverseras för att motverka skumning (finns inga i Sverige) Figur 6. Schematiskbild över olika omblandningssystem (Starberg K. m fl. 2002). 11
Energioptimering av biogasanläggning 3 Energibehov vid biogasproduktion Val av substrat samt utformning av biogasanläggning kommer att påverka hur mycket energi som används i anläggningen. Värme används till hygienisering, uppvärmning av substrat till rötkammaren samt varmhållning av rötkammare. Elbehovet uppkommer av bland annat pumpning, sönderdelning och omblandning av materialet. 3.1 Värmebehov Substratet som kommer in till en anläggning som kan antas hålla en temperatur av cirka 5-15 ºC det kan anses som en medeltemperatur utomhus över hela året samt att det värms upp något när det behandlas. Det största energibehovet är när substratet ska hygieniseras det värms då upp till en temperatur på 70 ºC som sedan hålls i minst en timme vilket är den högsta temperatur som systemet har. Efter hygieniseringen kommer rötslammet att behövas kylas ner till rötningstemperatur som är 55 ºC eller 37 ºC. Efter den processen behövs mer energi när rötningen sker, då temperaturen ska hållas så konstant som möjligt på 37 ºC för mesofil rötning och 55 ºC för termofil rötning. Under rötningen är det en varmhållningsprocess genom att rötkammaren har transmissionsförluster mot den omgivande luften och marken. Figur 7. Schematisk bild över biogas produktion (Nordberg Å. 1997) Om processen inte använder ett substrat som behöver hygieniseras är det istället rötkammaren som har den högsta temperaturen i systemet. Då behövs substratet bara värmas upp till rötningstemperatur. 12
Svahn J 3.2 Varmhållning av rötkammare Uppvärmning av slam för att behålla rötningstemperatur kan ske genom cirkulation av rötkammarinnehållet via en extern värmeväxlare. Det går även att hålla en högre temperatur på det ingåe slammet och då behövs mindre energi tillsättas i cirkulationen. Ett annat alternativ som inte är så vanligt är injiceringen av ånga, denna metod kan ge en högre lokal temperatur som lokalt kan hämma rötningsprocessen. Två andra metoder är cirkulation av varmvatten i rör inne i rötkammaren och eldrivna doppvärmare. Vid de två sista metoder kan problem uppstå med beläggningar som gör att värmeöverföringen blir sämre. Nackdelarna med de tre sista metoderna gör att det två första alternativen är att föredra (Starberg K. m.fl., 2002). 3.3 Värmebalans beräkningar Det teoretiska värmebehovet som behövs för uppvärmning av substraten kan beräknas med ekvation: Q slam = C p * * m t (Alvarez H., 2003) där Q slam= energi i substratet [J] ( 100 ts )* 4180 + ts *1050 C p= 100 [J/kg* ºK] m = massa [kg] t= temperaturförändring [ºK] ts = torrsubstanshalt [%] C p vatten= 4180 [J/kg * ºK] C rötslam= ca 1050 [J/kg * ºK] p 3.4 Rötkammares energibalans Det positiva energiflödet in till rötkammaren består av slammet som går in, varmhållningsprocessen som håller materialet på rätt temperatur samt effekten från omrörare. De negativa energiflödena är det utgåe slammet, den utgåe rötgasen samt de transmissionsförluster som uppstår från rötkammaren. En rötkammares energibalans kan beskriva med hjälp av ekvation: Q + Q + Q = Q + Q + Q (egen) effekt slamin omrörning slamut f gas där Q effekt= uppvärmningseffekten [W] Q slamin p * * = C m t = energiinnehållet ingåe slam [W] Q = friktionsvärme från omrörare [W] omrörning 13