Förbehandling en möjlighet till ökad biogasproduktion Ilona Sárvári Horváth, Högskolan i Borås My Carlsson, AnoxKaldnes/LTU Centrum för optimal resurshantering av avfall www.wasterefinery.se
Regionala mål i Västra Götaland 2,4 TWh producerad och använd biogas år 2020
BEMAB vill öka sin produktion av fordonsgas från 2 miljoner Nm 3 till 4,7 miljoner Nm 3 till år 2016.
Hur? Teknikutveckling Energieffektivisering Analys och utvärdering Förbehandling
Förbehandling Mekanisk bearbetning Förberedning till rötning Jag mår bra Behandling av befintliga substrat Mer gas Förbehandling av nya substrat Flexibilitet och mer gas
Vad är syftet med en biogasprocess? Stabilisera och reducera massan av organiska restprodukter Och omvandla dem till förnybar energigas: Biogas Gärna väldigt MYCKET biogas
Hur kan vi maximera biogasproduktionen? Se till att så mycket material som möjligt kommer in i anläggningen Se till att få ut så mycket gas som möjligt från det material som kommer in
Hur får vi in så mycket substrat som möjligt? Optimera förbehandlingen av matavfall minimera förlusterna
Förbehandling av matavfall Matavfall Förbehandling Accept till biogasanläggning Rejekt till annan behandling
Varför förbehandla matavfall? Avlägsna oönskat material Göra substratet mekaniskt hanterbart (pumpning, omblandling) Nödvändigt för certifiering av biogödsel (föroreningar, partikelstorlek)
Hur får vi ut så mycket biogas som möjligt ur substratet? Nötgödsel Bageriavfall Matavfall Kaffesump Sockerbetor Hästgödsel Halm Fettavskiljarslam Odlingsrester Läderindustriavfall Drank Glycerol från biodieseltillverkning Vallensilage Fiskrens Fjädrar Avloppsslam Indunstningskondensat Mejeriavfall Majsensilage Minkgödsel Bioslam pappersbruk Fjäderfägödsel
Biogasutbytet beror dels på substratets sammansättning Beräknad metanpotential baserat på sammansättning COD 0,35 Nm 3 /kg
Dels på den biologiska nedbrytbarheten och tillgängligheten Experimentellt uppmätt metanpotential: BMP Metanutbyte (Nm 3 CH 4 /ton VS) Tid
Slutligen på den kontinuerliga processens begränsningar Begränsad uppehållstid ~20-30 dagar Omblandning Miljöfaktorer
Metan per VS el. COD Potential och utbyte från biogassubstrat
Hur minskas klyftan mellan potential och verklighet? Genom att angripa det organiska materialets begränsningar Till exempel genom förbehandling Minska partikelstorlek Frigöra ej tillgängligt material Omvandla till löst form På så vis påskyndas och ökas nedbrytningen
Det finns olika metoder för detta Mekanisk Ultraljud Termisk Kemisk Ozon Syra/bas Annat Termokemisk Mikrovågor Frysning Elektroporation Biogas from lignocellulosic biomass SGC 147 rapport
Varför lignocellulosa? Tillgången på ytterligare rötbart substrat är begränsad då det mesta redan rötas idag Restprodukter bestående av hög andel lignocellulosa, som t ex skogsavfall (GROT) och halm, har en stor potential för biogas produktion Den totala biogas- och energipotentialen i Sverige uppgår till 74 TWh/år varav lignocellulosa baserade restprodukter från skogen utgör merparten, nästan 60 TWh/år (80%). Ref: biogasportalen.se
Varför förbehandling? Svårnedbrytbar struktur: lignin cellulosa hemicellulosa Ref: USDA Agricultural Research Service
Olika förbehandlingstekniker/ olika effektivitet Physical methods Chemical & Physicochemical Biological methods Milling: - Ball milling - Two-roll milling - Hammer milling - Colloid milling - Vibro energy milling Irradiation: - Gamma-ray irradiation - Electron-beam irradiation - Microwave irradiation Others: - Hydrothermal - High pressure steaming - Expansion - Extrusion - Pyrolysis Explosion: - Steam, Ammonia, CO 2, SO 2, Acids Alkali: - NaOH, NH3, (NH4)2SO3 Acid: - Sulfuric, Hydrochloric & Phosphoric acids Gas: - ClO2, NO2, SO2 Oxidizing agents: - Hydrogen peroxide - Wet oxidation - Ozone Solvent extraction of lignin: - Ethanol-water extraction - Benzene-water extraction - Ethylene glycol extraction - Butanol-water extraction - Swelling agents Organosolves/ Ionic liquids Fungi and Actinomycetes Ref: SGC 147 rapport
m 3 CH 4 /kgvs Ångexplosion /Behandling av trä, halm och papper 0,6 0,5 Paper tube residuals 0,4 Wheat straw 0,3 0,2 Japanees cedar chips Wood chips Corn straw 0,1 0 Ref: SGC 147 rapport
Pappersavfall Pappersavfall ger 0,23 Nm 3 CH 4 /kg VS (ca 200 Nm 3 CH 4 /ton torr papper) Den teoretiskt möjliga metanproduktion är: 0,5 Nm 3 /kg VS
Metanutbyten 600 500 (a) ångexpl.+kem. NmL CH4/g VS 400 300 200 100 0 obehandlad 190 C, 2%NaOH, 10min 190 C, 2% NaOH, 30min 220 C, 2%NaOH+2%H2O2, 10min Untreated 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Behandlade prover ger: Mer metan och Snabbare nedbrytning! Ref: A.Teghammar et al. Bioresource Technology 2010
Förbehandling Ekonomiskt mer slagkraftiga biogasanläggningar Bättre gasutbyte Snabbare nedbrytning Mer biogas Avfall Förbehand ling Rötkammaren Mindre rötrest
Energibalans Gasutbytet : +7,5 % Värmebehovet: -21 % Mer biogas Avfallsfraktion 1 90 % Avfallsfrakt. 2 10% Ångexplosion Rötkammaren Mindre rötrest Ref: WR12 rapport
SEK/ton VS Vad kostar det? Förbehandlingskostnaderna jämförs med värdet av den producerade gasen Production cost & gas yield 2500 2000 1500 1000 500 0 Forest residues (SE) Straw (SE) Paper (SE + NaOH) Feedstock Production costs Gas yield * 0.50 SEK/kWh Ref: SGC 147 rapport
Breakdown of production costs Priset för feedstock Raw material Administration Labor eguipment Supervision Manpower Plant Management Insurance Maintenance Devaluation 0 200 400 600 SEK/ton* yr Ref: SGC 147 rapport Höga kostnader för råmaterialet gör att det är svårt att få positiv nettoresultat
SEK/ton VS Priset för gasen Pretreatment production cost versus gas price 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Forest residues (SE) Straw (SE) Paper (SE + NaOH) Production costs Gas yield * 0.50 SEK/kWh Gas yield * 0.75 SEK/kWh Gas yield * 1.00 SEK/kWh Feedstock Ref: SGC 147 rapport
Metanproduktion uttryckta som procenthalter av den teoretisk möjliga metanutbyten NMMO- behandling 120 Milda förhållanden 100 95 87 NMMO 80 69 (N-methylmorpholine- N-oxide) 60 40 49 54 55 Miljövänligt organisk lösningsmedel 20 4 3 4 26 13 7 Kan återvinnas efter behandling 0 WR45 Ref: A.Teghammar et al. Biomass & Bioenergy 2012 HB SP JTI Grontmij
Processdesign /teknisk ekonomisk utvärdering
Other inputs Substrates Inputs Upstream processing AD process Downstream processing Outputs Primary Sludge Waste Activated Sludge OFMSW Separation Dilution Size reduction Mixing Biogas Gas cleaning Gas upgrading Cleaned biogas Upgraded biogas Industrial wastes Manure Crops Pasteurisation Other Pre-treatments Additives Conservation Anaerobic digestion Dewatering Reject water treatment Nutrient recovery from reject water Dewatered digestate Reject water Nutrients Storage Digestate Energy Digestate Chemicals
Som sagt Optimerad förbehandling av matavfall kan göra att mer material går in i anläggningen Matavfall Förbehandling Accept till biogasanläggning Rejekt till annan behandling
Metan per VS el. COD Som sagt Förbehandlingsmetoder kan också minska klyftan mellan potential och faktiskt utbyte för substrat som bryts ned långsamt och/eller ofullständigt
MEN.. Förändringen av substratet kan också få andra effekter på systemet Det gäller att sätta den totala effekten i relation till den totala insatsen för det aktuella systemet
WR 49: Förbehandling av biogassubstrat i systemanalys Avfall Material Energi Kostnader Delmodell för avfallsbehandling Produkter Emissioner Energi Intäkter Sekundärt avfall
WR 49: Medverkande Luleå tekniska universitet AnoxKaldnes Profu Svensk växtkraft, NSR, Renova, SYSAV & Kristianstad Biogas AB medverkar i arbetsgruppen. JTI och Biofuel Region ingår i en referensgrupp för projektet.
Förväntade resultat Ett underlag för att Utvärdera befintliga biogassystem med förbehandling Underlätta förbättrad processutformning Identifiera framtida forskningsbehov
Framtidsvision Flexibilitet Mer biogas Vad tycker ni? Avfallsfrakt. 2 y% Avfallsfrakt. 3 z% Förbehand ling 1 Förbehand ling 2 Rötkammaren Rötrest med bättre kvalité