KUNSKAP FÖR LANDETS FRAMTID Energianvändning på Gårdsbiogasanläggningar Rapport i projektet Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå Hushållningssällskapens Förbund 2014 David Hårsmar
Förord Projektet Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå ägs av Hushållningssällskapens Förbund och utförs i nära samarbete med Institutet för jordbruks- och miljöteknik (JTI). Dess främsta syfte är att utvärdera gårdsbiogasanläggningar avseende teknik, drift, biologi och ekonomi. Projektet pågår mellan 2011 och 2014 och ett trettiotal anläggningar för biogasproduktion ingår i projektet. Dessa besöks regelbundet av projektets rådgivare. Det viktigaste syftet med projektet är att inhämta och sprida kunskap om gårdsbiogasproduktion till befintliga och blivande anläggningsägare. Projektet ska därutöver utveckla och formulera rådgivning till branschen. I denna sammanställning vill projektet presentera nycketal för energianvändningen på 30 av biogasanläggningar i projektet. Rapporten är skriven av David Hårsmar, Energirådgivare vid Rådgivarna i Sjuhärad. Projektet finansieras av Jordbruksverket via EU-medel. Vi vill härmed tacka alla som bidragit till studiens genomförande. Speciellt tack till ägarna för de studerade anläggningarna. Mer information om projektet finns på hemsidan www.bioenergiportalen.se. Stockholm december 2014 Jesper Broberg, förbundsordförande, Hushållningssällskapens Förbund David Hårsmar, huvudförfattare Karin Eliasson, projektledare
4
Innehållsförteckning Beskrivning av uppdraget... 1 Metod... 2 Resultat... 4 Slutsatser och rådgivning... 6 Bilaga 1... 1 Bilaga 2... 2 Bilaga 3... 4
Beskrivning av uppdraget Hushållningssällskapet har inom projektet Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå sammanställt biogasanläggningarnas behov av energi för internt bruk, både gällande behovet av el samt av värme för uppvärmning av reaktorn. Uppdragets syfte var att ta fram underlag och nyckeltal för att kunna jämföra och utvärdera hur energianvändningen ser ut för biogasanläggningarna i projektet. Resultatet kan också användas i diskussion om vilka insatser som i framtiden behövs inom forskning, och rådgivning. Detta med syfte att i förlängningen ge befintliga anläggningar bättre tekniska och ekonomiska förutsättningar för fortsatt drift, samt stärka rådgivningen till kommande anläggningar. 1
Metod Uppgifter om energianvändningen på varje studerad anläggning har hämtats in via de rådgivare som är engagerade i projektet. Som grund för datainsamlingen användes en enkät i form av ett Exceldokument (se Bilaga 2). För utvärderingen används befintliga mätvärden för energimängder (gas, el, värme, diesel) där dessa finns och i annat fall görs rimliga skattningar. Samtliga värden för energi har enhet. Energiinnehåll i rågasen beräknades genom nedanstående formel: Nm 3 rågas metangashalt 9,97 kwh/nm 3 1 000 = MWh biogas Målsättningen har varit att använda data som är representativa för hur anläggningarna fungerar i dagsläget. I många fall finns inte kompletta serier för helt år utan data baseras på medeltal för en kortare tidsperiod som extrapolerats. Enkäterna sammanställdes i en gemensam tabell varifrån medeltal beräknades. För nyckeltalet elverkningsgrad gjordes en indelning i tre grupper utifrån motortyp. Övriga medeltal baseras på samtliga 30 studerade biogasanläggningar. De efterfrågade mätvärdena är markerade i nedanstående generella anläggningskiss. Se även Bilaga 1. I enkäten efterfrågades även två ytterligare mätpunkter: Inköpt el och Leverans el. Dessa punkter visade sig enbart komplicera bilden utan att tillföra nytta avseende undersökning av energianvändningen. Därmed ströks dessa ur studien. Nyckeltal beräknades (se under Resultat). I denna studie användes aktiv rötkammarvolym som värde då nyckeltal beräknades, i andra studier i projektet har total rötkammarvolym inklusive efterrötkammare använts. 2
Uppvärmningsbehovet för biogasanläggningarna beräknades för alla anläggningar på samma sätt. Värmebehovet består av värmning av substrat och transmissionsförluster. Transmissionsförluster beräknades genom att använda huvudrötkammarens mantelarea och en antagen värmegnomgångskoefficient (U-värde) som sattes till 0,166 W/m 2 K. 3
Resultat De nyckeltal som av projektet bedömdes vara mest intressanta valdes ut och presenteras i tabellen nedan. Nyckeltal Beskrivning Medelvärde Spridning min - max Kommentarer Rötkammarvolym m 3 (aktiv volym) 1 152 165 6 000 Gasproduktion Nm 3 biogas / RK (aktiv volym), dygn 1,0 0,5 2,5 Gasproduktion (inkl ERK) Nm 3 biogas / RK (total volym inkl ERK), dygn 0,7 0,3 1,3 Energiproduktion MWh biogas / RK (aktiv volym), dygn 5,7 2,8 15,6 Spridningen av nyckeltal beror framförallt på typ av substrat och hur pass väl processen fungerat i stort. Elbehov MWh elbehov / MWh rågasproduktion 7 % 1 % 21 % Driftstrategier och behov av pumpning och omrörning skiljer sig åt. Några av anläggningarna har dock värmepumpar som drivs av el vilket innebär att elbehovet ökar allt annat lika. Uppvärmningsbehov MWh uppvärmningsbehov / MWh rågasproduktion 24 % 9 % 37 % Transmissionsförluster står för ca 5 10 % av det totala värmebehovet och dessa har beräknats teoretiskt med antagande av U-värde och omgivningstemperatur. Spridningen av nyckeltal härrör till större delen från skillnader i total energiproduktion enligt ovan. Elverkningsgrad MWh el producerat / MWh rågas (+ev dual-fueldiesel) till CHP enhet 30 % Verkningsgraden är ett snitt för alla motortyper i projektet. Dual Fuel (data från 4 anläggningar) 45 % 43 % 51 % Ottomotor (data från 15 anläggningar) 28 % 22 % 36 % Stirlingmotor (3 anläggningar) 17 % Uppgifter om verkningsgrad baseras på faktiska data för endast en anläggning Energieffektivitet MWh tillfört / MWh levererat (in till och ut ur system)* 44 % 15 % 84 % * Biogas som produceras i reaktorn räknas här som in till system - se även förklaring i text nedan 4
Säkerheten i sifforna för elproduktion, elbehov och gasproduktion är relativt god. Dock finns i många fall inte data från ett helt år med likartad produktionsnivå och teknik (omrörare mm). I dessa fall har rådgivaren gjort extrapoleringar och antaganden utifrån en kortare tidsperiod. För värmebehov har använts en schablonberäkning vilket innebär att resultatet endast beror av substratmängd, reaktortemperatur och rötkammarens mantelarea. Här har antagits samma isolering och samma omgivningstemperaturer för alla anläggningar vilket gör att resultatet kan skilja sig från verkligt behov. I ett par fall finns värmemätare men någon närmare analys av dessa värden har inte gjorts. Spridningen mellan min och max för nyckeltalen går inte att förklara utifrån anläggningens storlek eller energiproduktionen per reaktorvolym. Andra möjliga grupperingar och urval för att hitta förklaringar till spridningen kan vara till exempel leverantörsval och motortyper. Projektet har dock bedömt urvalet för litet för att göra en sådan genomlysning. Den totala energieffektiviteten för anläggningen är utifrån en strikt systemgräns runt själva anläggningen, dvs. energi som används internt är inte inräknad. Nyckeltalet Energieffektivitet definieras alltså här som all tillfört energi dividerad med den energi om levererats. De ingående delarna presenteras nedan (alla delar anges med enhet resultatet är ett procent-tal): (Leverans gas Facklad gas) + Leverans värme + Elproduktion Gasproduktion brutto + Diesel till motor mm. + Inköpt värme + Elbehov 100 5
Slutsatser och rådgivning De presenterade nyckeltalen ger en indikation på vilken energianvändning som kan förväntas på en biogasanläggning. Resultatet baseras på relativt få anläggningar vilket gör det svårt att dra generella slutsatser. Elbehovet på anläggningarna har inte analyserats närmare i denna rapport. Medeltal om 7 % av producerad gas är dock högre än det behov på mellan 2-3 % som tidigare ofta återkommit i leverantörers beskrivning och som också använts i kalkyler som tagits fram som beslutsunderlag inför investering i biogasanläggning. I projektet finns även separat rapport om omrörning och pumpning. Flertalet anläggningsägare vittnar även om behovet av bättre energieffektivitet på anläggningen. Nycketalet Uppvärmningsbehov som baseras på en schablonberäkning av uppvärmningsbehovet och faktisk Energiproduktion, enligt tabell ovan, varierar mellan 9 37 %. En vanlig uppfattning som grundar sig på tidigare kalkyl-beräkningar är att denna siffra ligger mellan 10 20 % vilket är klart lägre än det medeltal som gäller för dessa 30 anläggningar (24 %). I framtida projekt vore det intressant att närmare studera hur pass väl uppvärmningsbehovet kan tillmötesgås genom att hushålla med den energi som tillförs materialet genom omrörning och pumpning samt hur man bäst tar tillvara värme i rötresten. Att internt ta vara på värme är dock endast av ekonomiskt intresse i de fall gasen levereras vidare eller då behovet av värme är större än vad anläggningen ger. I rådgivning till kommande anläggningar är det viktigt att ta till sig information om det interna elbehovet, en bättre och mer anpassad design av omrörningssystemen kan vara en effekt av det. Omrörarna är de största elförbrukarna och kunskapen om detta bör tas på allvar av leverantörer av biogassystem. 6
Bilaga 1 Generell anläggningsskiss
Bilaga 2 Huvudsida i enkät såg ut enligt nedan: Grunddata notering Våtvikt substrat ton/år Temperatur blandningsbrunn C Förvärmt substrat? isåfall hur många grader? C Temperatur i rötkammare (RK) C Antal temp.givare i RK? säkerhet? st Rötkammare RK volym m3 aktiv volym m3 höjd m diameter m Efterrötkammare ERK volym m3 aktiv volym m3 höjd m diameter m Metangashalt % Värmevärde metan 9,81 kwh/nm3 Motortyp Generatoreffekt Drifttimmar kw h/år Energidata (definition enligt skiss) notering Gasproduktion Beräknat värde Gasproduktion brutto Facklad gas Beräknat värde Facklad gas Leverans gas Nm3 Beräknat värde Leverans gas Gas till motor Nm3 Beräknat värde Gas till motor Levererad mängd Nm3 Beräknat värde Gas till panna Nm3/år 0 Nm3/år 0 Nm3/år 0 Nm3/år 0 Nm3/år 0 Elproduktion Elproduktion Inköpt el Leverans el Beräknat värde Elbehov biogasanläggning Inköpt el Leverans el Inköpt diesel Värmevärde Beräknat värde Inköpt diesel 0 0 0 0 0 liter/år 10 kwh/liter 0 Gas till motor 0 Värmeverkningsgrad % Beräknat värde 0 Värmeproduktion motor Värmeproduktion panna Värmebehov biogasanläggning Inköpt värme Leverans värme
Som underlag och hjälp med beräkning av energianvändningen fanns ytterligare tre kalkylblad: Tidsperiod 1 (fritt val) avläsning 1 avläsning 2 valfri rubrik datum avläst värde enhet period 0 dagar 0 0 0 0 0 0 /år /år /år /år /år /år MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ Tidsperiod 2 (fritt val) avläsning 1 avläsning 2 valfri rubrik datum avläst värde enhet period 0 dagar 0 0 0 0 0 0 /år /år /år /år /år /år MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ Tidsperiod 3 (fritt val) avläsning 1 avläsning 2 valfri rubrik datum avläst värde enhet period 0 dagar 0 0 0 0 0 0 /år /år /år /år /år /år MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ valfri rubrik valfri rubrik valfri rubrik valfri rubrik månad summa månad enhet månad summa månad enhet månad summa månad enhet månad summa månad enhet Summa 0 Summa 0 Summa 0 Summa 0 Månadsmedel Månadsmedel Månadsmedel Månadsmedel /år /år /år /år MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ Beräknat värde Beräknat värde Beräknat värde Beräknat värde Utrustning antal effekt, kw tim/dag kwh/dag dagar/år kwh/år använd kwh/år notering Pump 1 11,0 2,67 29,37 365 10 720 10 700 29,37 10 720 10 700 Beräknat värde 10,7
Bilaga 3 Presentation från workshop, Skövde den 26 nov 2014 Utvärdering Energi David Hårsmar, Energirådgivare Rådgivarna i Sjuhärad 0325-618 685 david.harsmar@radgivarna.nu Bakgrund och syfte Energianvändning Effektivitet i systemet Nyckeltal
Gas till panna Gas till motor Metod Insamling av data Enkät till rådgivare Systemgränser Svårigheter Anläggningsskiss: Energiflöden, Systemgränser Facklad gas Diesel till gasmotor Gasproduktion brutto Diesel för att preparera substrat Leverans gas Elbehov biogasanläggning Värmeproduktion motor Elproduktion Värmeproduktion panna Inköpt värme Värmebehov biogasanläggning netto Leverans värme
C7 C1 A8 C5 A1 A9 A10 A16 B7 A2 B2 C4 A6 A5 A13 B8 A3 B4 B1 A12 B5 A15 B3 A14 C2 A11 A7 C6 A4 C8 kwh / RK (aktiv volym), dygn Utvalda nyckeltal Resultat Energiproduktion (gas/aktiv volym) Elbehov Uppvärmningsbehov Elverkningsgrad Energieffektivitet ( totalverkningsgrad ) 18 16 Energiproduktion 14 12 10 8 6 medel; 5,7 4 2 0 Anläggningar sorterade från högsta årliga energiproduktion till lägsta.
C7 C1 A8 C5 A1 A9 A10 A16 B7 A2 B2 C4 A6 A5 A13 B8 A3 B4 B1 A12 B5 A15 B3 A14 C2 A11 A7 C6 A4 C8 25% Elbehov 20% kwh elbehov / kwh rågas 15% 10% medel; 7% 5% 0% Anläggningar sorterade från högsta årliga energiproduktion till lägsta. Beräkning värmebehov 0,02 0,05 MWh per m3 och år 0,03 MWh per ton Värma upp inkommande substrat 0,05 MWh per ton (termofil) Mantelarea och U-värde
C5 A9 B7 C4 B8 C7 C1 A8 A1 A10 A2 B2 A5 A13 A3 B4 B1 A12 A15 B3 A14 A11 A7 A4 kwh el / kwh rågas till motor (+ev diesel) C7 C1 A8 C5 A1 A9 A10 A16 B7 A2 B2 C4 A6 A5 A13 B8 A3 B4 B1 A12 B5 A15 B3 A14 C2 A11 A7 C6 A4 C8 40% Uppvärmningsbehov 35% kwh värmebehov / kwh rågas 30% 25% 20% 15% 10% medel; 24% 5% 0% Anläggningar sorterade från högsta årliga energiproduktion till lägsta. 60% Elverkningsgrad 50% medel; 45% 40% 30% medel; 28% 20% Dual Fuel Ottomotor medel; 17% 10% Stirling 0%
C7 C1 A8 C5 A1 A9 A10 A16 B7 A2 B2 C4 A6 A5 A13 B8 A3 B4 B1 A12 B5 A15 B3 A14 C2 A11 A7 C6 A4 C8 kwh nyttig energi / kwh totalt tillfört 90% 80% Energieffektivitet ( totalverkningsgrad ) 70% 60% 50% medel; 44% 40% 30% 20% 10% 0% Anläggningar sorterade från högsta årliga energiproduktion till lägsta.