C-UPPSATS 2006:222 Biogas - för en hållbar utveckling Magnus Livbom Janne Niemelä Luleå tekniska universitet C-uppsats Geografi Institutionen för Tillämpad kemi och geovetenskap Avdelningen för Tillämpad geologi 2006:222 - ISSN: 1402-1773 - ISRN: LTU-CUPP--06/222--SE
Abstrakt Denna uppsats belyser processen där biogas bildas och hur denna process utnyttjas av människan. Människan kan använda biogas till att driva fordon, alstra el och värme och biprodukterna från processen kan användas som gödningsmedel till lantbruk. Vi gör en jämförelse mellan biogas som naturresurs och andra energikällor för att visa hur biogas kan vara en alternativ energikälla för framtiden. Uppsatsen behandlar även ett miljöperspektiv där vi analyserar hur biogasen påverkar den miljö vi lever i. Det vi vill ta reda på är om biogas är en naturresurs, nu och i framtiden, som kan nyttjas för att minska belastningen av miljön.
Sammanfattning En naturresurs är en naturtillgång eller naturföreteelse i form av materia eller energi som efterfrågas av människan och kan utnyttjas med ekonomisk vinning. De finns tre olika typer av naturresurser; lager-, fond och flödanderesurs. Av lagerresursen finns en bestämd mängd, då den tar alltför lång tid att nybilda, exempelvis olja och malm. Fondresursen kan utnyttjas under lång tid om den sköts om på rätt sätt eftersom den återbildas, som t.ex skogen. De mest miljövänliga resurserna är de flödande resurserna. De drivs ursprungligen av solen och kommer att finnas så länge solen skiner, t.ex. solenergi, vattenkraft och biogas. Skillnaden mellan naturgas och biogas är att naturgasen är en fossil gas och har lång nybildningstid. Produktion av biogas är däremot en kontinuerlig process. Naturgasen fungerar som en kolsänka i det geologiska tidsperspektivet. Allt organiskt material producerar biogas när det bryts ner. Det material som används till biogasanläggningar är i första hand gödsel, växtavfall och organsikt hushålls- och industriavfall. Bakterierna i en biogasprocess kan konsumera nästan alla organiska och oorganiska ämnen och genom nedbrytning bilda metangas. De främsta metanbildande bakterierna är hydrolysiska, ättiksyrabildande- och archaeabakterier. Metangasen kan bildas genom två olika processer; aerobiskt, med syre, eller anaerobiskt, utan syre. En aerob nedbrytningsprocess är samma process som sker i en vanlig hushållskompost där syre, värme och fukt bidrar till bakteriernas förmåga att bryta ner materialet. Den anaeroba processen sker i en syrefri miljö, t.ex. i sjöbottnars sediment och i idisslares magar. Omgivningens ph-värde och temperatur har en stor påverkan på produktionen av metangas. Det finns en mängd olika processer att bilda biogas, där våt- och torrprocesser är de vanligaste. I en våtprocess används vatten för att blötlägga det avfall som ska bearbetas i en rötningstank. Fördelen är att biogasproduktionen är hög, medan nackdelen är att det går åt mycket vatten till processen och mycket energi för att värma rötningstanken. I torrprocessen är vattenbehovet lågt och därmed blir uppvärmningskostnaderna mindre. Rötningstankens storlek är betydligt mindre, men processen är instabil då risken är stor för förhöjda ammoniakvärden.
En biogasanläggnings produktion kan delas in i fyra delar. Vid avfallsmottagningen tas avfallet emot i fast eller flytande form från t.ex. hushåll, industrier och från reningsverk. I en förbehandling delas avfallet upp i mindre delar och värms upp till en viss temperatur för att undvika för stora temperaturskillnader i rötningstanken. Det sker även en sortering där material som metall och icke-biologiska ämnen tas bort för att undvika skador på anläggningen. I rötningstanken sker metanproduktionen. Avfallet i rötningstanken delas i tre skikt. I botten bildas sediment och denna del bidrar inte till produktionen. I det mellersta skiktet sker produktionen av biogas som i toppskiktet samlas och leds ut till förädling. I en efterbehandling förbereds avfallet för återanvändning inom olika områden, t.ex. gödsel till lantbruk. Under hela processen sker kontinuerliga kontroller för att säkerställa säkerhet och att gasproduktionen är så effektiv som möjligt. När biogasen kommer ut ur rötningstanken består den till 60-70 % av metangas. För att kunna använda gasen i t.ex. fordon måste metanhalten upp till ca 95 %. Gasen kan bl.a. renas genom att tvingas genom en vattenkammare. Då sjunker mängden koldioxid i gasen och metanhalten ökar därmed. Enligt en ny teknik, COOAB, kan koldioxiden tas tillvara och användas till läskedrycksindustrin. Biogas har många användningsområden. Den kan t.ex. förbrännas i en motor och driva fordon. Enligt Jordbrukstekniska institutet skulle Sveriges nuvarande biogasproduktion kunna driva ca 140 000 personbilar. Biogasen kan även förbrännas och alstra elektricitet och värme. Biogasutvinning gör miljön en tjänst. Skulle metangasen släppas ut direkt till miljön skulle den göra mer skada än koldioxid eftersom metangasen är ca en 11 gånger kraftigare växthusgas. Genom att förbränna metangasen och frigöra koldioxid bidrar vi till en minskad miljöpåverkan i det långa loppet. Enligt en studie av Nutek som gjordes 1996 visades att en gaspanna driven av biogas släpper ut hälften så mycket kväveoxider som en vedpanna. Biogasen kan även ersätta en del av den elproduktion vi har idag för att t.ex. minska mängden fossila bränslen som eldas upp, kärnkraft och vattenkraft. Enligt undersökningar av Jordbrukstekniska institutet skulle Sveriges biogasproduktion 2008 kunna uppgå till 17 TWh/år. Biogasen skulle inte kunna ersätta alla kärnreaktorer i Sverige, men den kan ersätta stängningen av ett antal reaktorer. Även om vattenkraft ses som en miljövänlig energikälla så påverkas mark och vattenflöden. Dessa behöver inte påverkas av en biogasanläggning.
Innehållsförteckning ABSRAKT SAMMANFATTNING 1. INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 SYFTE...2 1.3 FRÅGESTÄLLNINGAR... 2 1.4 METOD OCH MATERIAL... 2 1.5 DISPOSITION... 2 1.6 AVGRÄNSNINGAR... 3 2. BIOGAS SOM NATURRESURS... 4 2.1 NATURGAS ELLER BIOGAS?... 5 2.1.1 Naturgasens miljöeffekter... 5 3. BIOGASENS BILDNING... 6 3.1 RÅVAROR TILL BIOGASANLÄGGNING... 6 3.1.1 Gödsel... 6 3.1.2 Växtavfall... 6 3.1.3 Fast hushållsavfall...7 3.1.4. Industriavfall... 7 3.2 BIOGASPROCESSENS MIKROBIOLOGI... 8 3.3 AEROB NEDBRYTNING... 9 3.4 ANAEROB NEDBRYTNING... 10 3.4.1 ph och surhet... 11 3.4.2 Temperatur... 12 4. PROCESSER SOM ANVÄNDS FÖR ATT UTVINNA BIOGAS... 12 4.1 VÅTPROCESS... 12 4.2 TORRPROCESS... 12 4.3 BIOCEL... 13 4.4 KOMPOGAS... 13 4.5 PINNACLE HSAD... 13 4.6 HGG... 13 4.7 DRANCO... 13 4.8 VALORGA... 14 4.9 BTA... 15 5. BIOGASANLÄGGNINGARS FUNKTION... 16 5.1 AVFALLSMOTTAGNING... 16 5.2 FÖRBEHANDLING... 17 5.2.1 Förlagring... 17 5.2.2 Sortering, neddelning och uppvärmning... 17 5.3 RÖTNINGSTANKEN... 18 5.4 OMRÖRNING... 20 5.5 UPPVÄRMNING... 21 5.6 STYRNING, REGLERING OCH ÖVERVAKNING... 21 5.7 EFTERBEHANDLING... 21 5.8 PROCESSKONTROLL... 22
5.9 RENING AV DEN UTVUNNA BIOGASEN... 22 6. ANVÄNDNINGSOMRÅDEN FÖR BIOGAS... 25 6.1 BIOGAS TILL FORDON... 25 6.2 BIOGAS TILL EL... 26 6.3 BIOGAS TILL VÄRME... 26 7. BIOGASENS MILJÖPÅVERKAN... 27 7.1 VÄXTHUSEFFEKTEN... 27 7.2 LUKTPROBLEM... 28 7.3 VÄXTSKADOR... 28 7.4 BRANDRISKEN VID AVFALLSDEPONIER... 29 7.5 UTSLÄPP... 29 8. BIOGAS SOM ERSÄTTNINGSENERGI... 29 8.1 KÄRNKRAFTEN I SVERIGE... 29 8.2 FOSSILA BRÄNSLEN... 30 8.3 BIOBRÄNSLEN... 30 8.4 VATTENKRAFT... 31 9. AVSLUTANDE DISKUSSION... 33 REFERENSLISTA... 37 LITTERATUR... 37 ELEKTRONISKA DOKUMENT... 37 LÄSTIPS... 38 BILAGAOR
1. Inledning 1.1 Bakgrund Människan har sedan den industriella revolutionens början sökt nya vägar för att tillgodose sitt behov av energi främst för industrier men även för transporter och högre komfort i hemmen. Den största delen energi som har använts är i form av fossila bränslen såsom olja, kol, naturgas och radioaktiva ämnen. Efter andra världskrigets slut har forskare börjat söka nya metoder för att utvinna energi och efter den stora energikrisen, 1974, har nya mer miljövänliga former av energi börjat dyka upp på marknaden t.ex. vindkraft, solenergi, bergoch jordvärme. Den explosionsartade ökningen av befolkningen på jorden, efter den industriella revolutionen, har även lett till ökade mängder avfall från bl.a. industrier och organiskt avfall från hushållen. Människan har gjort ett stort systemfel genom att leva i ett samhälle med köp-slit-och-släng mentalitet, vilket leder till minskande naturresurser och ett växande sopberg. Detta avfall har lagts på deponier eller dumpats i hav och glömts bort. Sedermera har forskningen kommit fram till att dessa avfallsdeponier i högsta grad har påverkat vår omgivning och den miljö vi lever i och att de även bidrar till den ökande eutrofieringen av våra marker, sjöar och vattendrag. De har även en global påverkan på växthuseffekten. Under en FN konferens i Rio de Janeiro 1992 enades världens länder om att den utveckling som hade pågått i världen skulle förbättras till en mer hållbar utveckling och att denna inte skulle äventyra kommande generationers möjligheter att tillgodose sina behov. På detta möte förhandlades det fram ett världsomfattande handlingsprogram, Agenda 21, vilket innebär att varje land bl.a. ska förbättra sin sophantering och minska utsläppen som bidrar till eutrofiering och växthuseffekt. Biogas är en naturgas som naturligt bildas i syrefria miljöer, t.ex. sjöbottnar, genom anaerob nedbrytning, och i kontakt med luft genom aerob nedbrytning i t.ex. en kompost. Denna gas är en kraftigare växthusgas än koldioxid, vilket innebär att den påverkar vår atmosfär och således miljö på ett mer omfattande sätt och ökar temperaturen på jorden på lång sikt. Läggs biologiskt avfall i en deponi kommer bakterier att bryta ner detta och bilda biogas. Sker en antropogen utvinning av denna gas kan el, värme och drivmedel utvinnas i biogasanläggningar och på så sätt gynna vår miljö. 1
1.2 Syfte Syftet med denna uppsats är att belysa möjligheterna att utnyttja biogas som en naturresurs samt att utreda hur biogasutvinning går till. Vi utreder hur bakterierna hanterar avfallet, hur en biogasanläggning fungerar samt några olika typer av processer. Till sist gör vi även en miljöanalys och jämför biogasen med några andra viktiga energikällor. 1.3 Frågeställningar Hur går processen till där biogas bildas? Vilka förutsättningar krävs för att biogasproduktion skall kunna ske? Hur fungerar en biogasanläggning? Hur påverkas miljön av biogas? 1.4 Metod och material Material har funnits på Internet och i publicerad litteratur. Materialet har lästs igenom och sedan används som grund för denna rapport. Vi hittade mycket material som vi genom ett källkritiskt perspektiv valde att bortse ifrån, eftersom detta material bara verkade visa de goda sidorna av gasproduktionen och gasanvändningen. 1.5 Disposition Till en början visar vi, i kapitel 2, vad naturresurser är och varför biogas och naturgas hör till dessa. I kapitel 3 redogör vi för biogasens bildning och vad som krävs för att starta processen i den fria naturen. I kapitel 4 förklarar vi hur människan kan utnyttja biogas som naturresurs. Den antropogena utvinningen av biogas sker i biogasanläggningar, som vi kommer att visa hur de fungerar tillsammans med några olika modeller för hantering av det organiska avfallet i kapitel 5. Användningsområdena för den utvunna biogasen presenteras i kapitel 6, där vi redovisar hur biogas omvandlas till drivmedel, el och värme. I kapitel 7 redogör vi för biogasens miljöpåverkan i olika former, t.ex. växthuseffekt, luktproblem och utsläpp. Kapitel 8 visar hur biogas skulle kunna ersätta olika energikällor som används i Sverige idag. 2
1.6 Avgränsningar Vi har valt att inte gå in på någon djupare beskrivning av de kemiska processerna, utan håller uppsatsen på en grundläggande nivå. Detta p.g.a. att det inte är en kemisk rapport vi arbetat fram och det är inte de kemiska reaktionerna vi vill framhäva, utan biogasen som naturresurs och dess miljöpåverkan. 3
2. Biogas som naturresurs Enligt nationalencyklopedin definieras naturresurser och naturtillgångar som naturföreteelser i form av materia och energi som efterfrågas och utnyttjas av människan. För att något ska vara en naturresurs måste det alltså finnas ett intresse att utnyttja resursen hos människan. För att en utvinning ska ske måste det även finnas ett ekonomiskt intresse, annars skulle inte människan utnyttja resursen utan finna lösningen till behovet på annan plats. Alltså kan ett mineral, ett trädslag eller en växt m.m. komma att ses som en naturresurs i framtiden, och när det blir den mest ekonomiska lösningen kommer människan att utnyttja just denna resurs. Naturresurser delas in i tre olika typer av resurser: 1. Lagerresurser Av dessa resurser finns ett bestämt lager. Desto snabbare vi tar ut resursen desto snabbare töms lagret. Naturligtvis kan lagret fyllas på igen men eftersom det tar så pass lång tid att nyproducera resursen räknas nybildningen som försumbar. Exempel på lagerresurser är malm, fossila bränslen (olja, torv, naturgas) och uran. 2. Fondresurser Med fondresurser menas en resurs som med förnuftigt uttag består. Nybildningen är begränsad. Det är alltså möjligt att utnyttja resursen med ekonomisk vinning under lång tid om man ser till att resursen får en chans att nyproducera sig. Några exempel är skog, grödor (mat), fisk och grundvatten. 3. Flödande resurser Solen driver flera processer på vår planet, bl.a. vattnets kretslopp och vindsystemet. Dessa system ser till att vatten kommer upp på land och skapar floder, åar, sjöar och älvar. Solen värmer även upp jorden och genom värme ökar hastigheten på nedbrytning, vilket bidrar till produktion av koldioxid och metangas. Dessa ses som naturresurser och är, så länge solen lyser och vi inte stör systemen, förnyelsebara och flödande. Några exempel är solstrålning, vattenkraft, vindkraft och metangas. 4
2.1 Naturgas eller biogas? Enligt Agfors ( 2001) ökar användandet av naturgas i världen och svarar idag för ca 22 % av världens energianvändning. Vad är då skillnaden mellan naturgas och biogas? Namnet naturgas ger intrycket av att vara en miljövänlig gas, men är det en miljövänlig gas? Naturgas är en fossil gas som bildats när växter och djur bryts ned i sediment på t ex havsbotten, och den har lagrats med råoljor eller liknande reservoarer i jordens inre. Naturgasen ansågs tidigare vara en biprodukt till oljeutvinningen men har på senare tid blivit en attraktiv resurs för olika energiändamål. Gasen som används i Sverige kommer främst från de norska Tyrafälten i Nordsjön. Förbrukningen av naturgas i Sverige motsvarade 1997 ca 9 TWh av den totala energitillförseln, enligt Svebio (1999). De tillgångar av gas som nu är säkra, globalt sett, räcker i ca 170 200 år, enligt Agfors (2001), varav Ryssland och Mellanöstern har de största reserverna. 2.1.1 Naturgasens miljöeffekter Vid en jämförelse mellan naturgas och kol/olja är givetvis naturgas att föredra. Den innehåller inga tungmetaller och vid förbränning släpper den inte ut lika höga mängder med svaveldioxid och sot som kol och olja gör. Vid förbränning av naturgas frigörs koldioxid och denna koldioxid blir en belastning för jordens kretslopp av kol, då den egentligen ska vara i jordens inre. Detta kan leda till ökning av växthuseffekten och eutrofiering. Enligt Bioenergi (1/99) skulle ökningen av naturgas leda till höjda utsläppsvärden av koldioxid i atmosfären med 1,3 14,3 miljoner ton/år fram till år 2020. Detta skulle alltså inte vara till någon fördel ur ett miljöperspektiv för Sverige, då vi inte är lika beroende av kol och olja som länderna på den europeiska kontinenten. Dessutom skulle naturgasen konkurrera med den miljövänligare biogasen, och minska dess andel av grön energi. 5
3. Biogasens bildning 3.1 Råvaror till biogasanläggning I princip kan allt organiskt avfall användas för att utvinna biogas genom en anaerob process, men vissa typer av avfall nyttjas mer än andra p.g.a. ekonomiska och tekniska orsaker. Det är viktigt att före processen undersöka varifrån avfallet kommer och hur rent det är då detat påverkar den slutgiltiga gasens renhet. Om avfallet innehåller stora mängder vatten så krävs det att själva rötningstanken är stor, vilket även höjer kravet på uppvärmning. Om avfallet däremot är för trögflytande påverkar det omblandningen i reaktorn och kan orsaka stopp i rörsystemen, sedimentering och det kan även leda till skumning. Den anaeroba nedbrytningen av det organiska materialet påverkas av hur sammansättningen av det mottagna avfallet är med tanke på protein, kolhydrat- och fettinnehåll. Enligt undersökningar ger ett högt innehåll av fett i avfallet den största andelen utvunnen biogas. Cellulosa kräver flera veckor för att brytas ned, hemicellulosa och protein några dagar medan små molekyler av socker, alkoholer och fettsyror bryts ned på några få timmar. (Jordbrukstekniska institutet) Som i alla biotekniska processer så finns det även i den anaeroba processen begränsningar. Det är t.ex. oförmågan att bryta ned lignin som finns i träd, men även andra gröna växter. 3.1.1 Gödsel Gödsel har en långsam nedbrytningsprocess och de flesta typer av gödsel, som nöt- och hönsgödsel, innehåller höga mängder kväve som omvandlas till ammoniak i den anaeroba processen. Ammoniaken påverkar den anaeroba processen på ett negativt sätt, och man försöker att hämma ammoniakhalten i biomassan genom att kontrollera tillförseln av nytt avfall till processen. 3.1.2 Växtavfall Ren cellulosa bryts lätt ned i den anaeroba processen. Men så som den uppträder naturligt, i träd m.m., så är den svår att bryta ned pga. trädens innehåll av lignin. Trädbiomassa som kommer från processindustrin, papper och papp, bryts ned med varierande resultat. 6
Rötningen av växtavfall skiljer sig avsevärt från t.ex. gödselprocessen, detta pga. den låga halten av vatten i växter. Avfallet från växter är också enklare och ofta billigare att hantera än gödsel. Rotfrukter och andra grönsaker som innehåller höga halter av organiskt lätt nedbrytbara syror kan man också nyttja i processen. 3.1.3 Fast hushållsavfall Fast osorterat avfall varierar i sammansättning och kan uppdelas i tre grupper: 1. Lättnedbrytbart: köksavfall, matrester, gräs m.m. 2. Brännbart: trä, plast och annat ej oorganiskt nedbrytbart avfall. 3. Inert avfall: stenar, sand, glas m.m. Osorterat avfall från hushåll är svårare att hantera eftersom det innehåller sådant avfall som inte kan brytas ned, vilket medför att processen blir dyrare och långsammare. 3.1.4. Industriavfall Organiskt avfall från industrier som innehåller höga halter av fett, socker och stärkelse är att föredra vid en anaerob process för biogasutvinning. Avfall från slakterier, fiskindustri och rester från industrier som tillverkar olja från växtriket kan användas inom biogasutvinning. Detta avfall innehåller höga halter av fett vilket innebär att andelen biogas som utvinns blir stor. Det går även utmärkt att blanda ihop en eller flera av de ovannämnda organiska avfallsprodukterna. I tabell 1 visas exempel på hur fort olika avfallssorter bryts ned. 7
Tabell 1: Relativa nedbrytningshastigheter för organiskt avfall. Organiskt avfall Snabbt nedbrytbart Långsamt nedbrytbart Matavfall * 3 Tidningspapper * 3 Papp * 3 Plast 1 * 3 Textil * 3 Gummi * 3 Läder * 3 Trädgårdsavfall * 2 * 3 Träd * 3 ¹ Plaster anses ofta vara icke nedbrytbara. ² Löv och gräs. 60% av trädgårdsavfall anses vara snabbt nedbrytbart. ³ De delar av trädgårdsavfallet som innehåller grenar och kvistar. 3.2 Biogasprocessens mikrobiologi Källa: www.kolumbus.fi/suomen.biokaasukeskus/ Bakterier, jästsvampar, alger och andra mikroorganismer har alla en sak gemensamt. De kan föröka sig som enskilda celler. Bakterier är en viktig komponent i en biogasprocess, eftersom dessa bakterier kan konsumera nästan alla organiska ämnen, och även många oorganiska föreningar. De finns dessutom i alla miljöer på jorden. De bakterier som finns i biogasprocessen är heterotrofa bakterier, d.v.s. de använder organiskt kol för sin tillväxt. Det är främst tre grupper av bakterier som finns i denna process enligt Hidén (2003). 1. Hydrolysiska bakterier 2. Ättiksyrabildande bakterier 3. Archaea bakterier som bildar metan Metanogena bakterier (archeabakterier) tillhör de äldsta bakterierna på jorden och är väldigt annorlunda jämfört med andra bakterier. Dessa bakterier har en mycket viktig roll i naturen och deras miljöpåverkan är stor. Bakterierna har funnit sin egen nisch i naturen, då endast dessa bakterier kan producera metan (CH 4 ). Det finns 30 olika arter av metanogena bakterier 8
enligt Staley (1989). Det finns fem olika substrat som dessa bakterier kan omvandla till metan: acetat (CH 3 -COO ), formiat (HCOO ), metanol (CH 3 OH), koldioxid (CO 2 ) och metylamin (CH 3 NH 2 ) (Gerardi, 1994). 3.3 Aerob nedbrytning Vid aerobisk nedbrytning (kompostering) bryter bakterierna ned det organiska avfallet i en miljö som har syre, värme och fukt till vatten, koldioxid, ammoniak och sulfater, samtidigt som värme frigörs. Biomassan i sig innehåller mycket höga mängder mikroorganismer och tillförsel av dessa till processen är därför inte nödvändig. Den aerobiska nedbrytningsprocessen delas upp i fem stadier: Latenta fasen: här anpassas mikroorganismerna i nedbrytningen och temperaturen stiger. Mesofil fas: (20 40 o C) bakteriernas nedbrytningsprocess börjar och värmen stiger snabbt till ca 40 grader. Termofil fas: (40 60 o C) bakterier och svampar bryter snabbt ned det organiska avfallet. Avkylningsfas: temperaturen sjunker snabbt och de termofila bakterierna ersätts av mesofila bakterier. Mogningsfas: temperaturen stabiliseras och organismer som fästingar, maskar m.m. dyker upp i avfallet. Mikroorganismerna behöver kol och protein för att kunna bygga upp nya celler och för att kunna producera nukleinsyra m.m. behöver organismerna kväve. Övriga näringsämnen som behövs är bl.a. fosfor, svavel, kalium, magnesium, kalcium, natrium och järn. Fosfor används bl.a. i syntesen av nukleinsyror, och svavel är en viktig del av aminosyror och vitaminer. Kalium behövs i enzymprocessen, magnesium till ribosomer, cellmembran och för att stabilisera nukleinsyror, medan kalcium behövs för att stabilisera cellväggar. Järn är en viktig beståndsdel i bl.a. järn- och svavelproteiner. För att cellernas enzymer ska fungera korrekt behöver cellerna krom, kobolt, koppar, mangan, molybden, nickel, selen, volfram, vanadium och zink. 9
Syrebehovet i den aeroba processen varierar beroende på avfallets konsistens och hur fort de olika komponenterna i avfallet kan brytas ned. Förbrukningen av syre påverkas även av andelen fukt i det avfall som bearbetas. Om syretillförseln är för hög kyls biomassan ner och den biokemiska processens hastighet reduceras. Vatten möjliggör upptag av vattenlösliga näringsämnen i cellerna, men om andelen vatten i avfallet är för hög pressas avfallet ihop och syre kan inte upptas i processen. 3.4 Anaerob nedbrytning Vid en anaerob nedbrytning utan syre omvandlar bakterier fast organiskt material till metan, kväve, koldioxid och vatten m.m. I naturen sker denna process i t.ex. sjöbottnars sediment, myrar och i idisslares magar. Den anaeroba nedbrytningen delas upp i fyra olika stadier (figur 1). 1. Hydrolys: I det första stadiet bryter hydrolytiska bakterier ner det fasta organiska materialet till proteiner, fett, kolhydrater, cellulosa, lignin m.m. 2. Jäsning och syrabildning: Produkterna från hydrolysstadiet bryts ned av syrabildande bakterier till fettsyror, alkoholer, kväve, acetat och koldioxid. P.g.a. jäsningen bildas ammoniak från aminosyrorna under processen. 3. Anaerob oxidation och ättiksyrabildning: Från de lösliga organiska föreningarna bildas ättiksyra, acetat, koldioxid och vatten. En fortsatt nedbrytningsprocess av fettsyror, alkoholer, m.m. bidrar även till en ökning av dessa, den anaeroba oxidationen. Metanbakterierna delas upp i två grupper, där den ena gruppen bryter ned acetat och ättiksyra till metan och koldioxid, och den andra gruppen bryter ned koldioxid till metan. 4. Metangasbildning: I den sista fasen utvinns biogasen av vilken 55 60 % är metan, 34 45 % koldioxid och resten kväve, ammoniak m.m. Andelen utvunnen metangas varierar beroende på vilken metod man använder, avfallets innehåll, avfallets storlek/grovlek, temperatur, ph, näringsinnehåll samt vilka eventuella hämmande/giftiga ämnen som kan finnas i avfallet. 10
Figur 1: De fyra olika stadierna som den anaeroba nedbrytningen delas in i: hydrolys, jäsning, anaerob oxidation och metangasbildning 3.4.1 ph och surhet Källa: Christensen (2001) När organiskt material bryts ned så kan man följa processen genom att studera surheten, d.v.s. ph-värdet, på det avfall som bearbetas av bakterierna. I ett tidigt skede av nedbrytningsprocessen bryter bakterierna ned det organiska materialet och producerar fettsyror. Till följd av detta sänks ph-värdet under det neutrala. Efter några veckor kommer ph-värdet återigen att stiga då metanproducerande bakterier tar över mer och mer och bryter ned fettsyrorna. Även ammoniaksyrlighet (NH + 4 ) bidrar till att öka ph-värdet. Detta sker när proteiner i avfallet bryts ned, men om ph-värdet tillåts stiga över det neutrala blir ammoniaken i avfallet giftig för de metanproducerande bakterierna. Även 11
vätekarbonatjoner (HCO 3 ) motverkar höjningen av ph värdet i lösningen. Det optimala phvärdet för metanproducerande bakterier ligger mellan 7 8. 3.4.2 Temperatur Den anaeroba nedbrytningsprocessens hastighet beror på temperaturen. Metanbakterier som tillhör mesofil-gruppen har en optimal temperatur kring 40ºC, och det finns även metanproducerande bakterier som har optimal temperatur vid 60ºC, i en s.k. termofil fas. 4. Processer som används för att utvinna biogas Ett flertal olika anaeroba processer har utvecklats och testats för att utvinna biogas. När en anläggning skall byggas så måste man ta hänsyn till vilken sorts avfall som kommer att användas och hur mycket avfall som kan tas emot. Ekonomin styr anläggningens storlek, energiutvinningens mängd och hur miljöpåverkan blir. Följande processer som tas upp är redan godkända anläggningar som existerar runtom i Europa, och de är en- eller tvåstegs processer. I en tvåstegsprocess utnyttjas avfallet två gånger innan det är förbrukat och tas ut ur produktionen. Även processvattnet utnyttjas flera gånger innan det till slut analyseras innan det släpps ut till naturen. Vid behov renas processvattnet innan det släpps ut. 4.1 Våtprocess Våtprocessens fördel är att metanutvinningen oftast är hög. Nackdelen är att stora mängder vatten går åt för att blötlägga den biomassa som skall rötas, och p.g.a. detta blir rötningstankarnas volym ofta stor. Detta medför ökade kostnader då det går åt mer energi för att värma upp avfallet i rötningstanken. Det går även åt energi för att torka det avfall som rötats och vattnet som använts i processen bör analyseras innan det släpps ut till naturen. 4.2 Torrprocess I torrprocesser är vattenbehovet lågt, rötningstankarnas volym liten och uppvärmningskostnaderna låga. Processen är instabil, då risken för förhöjda ammoniakvärden måste hållas nere. 12
4.3 Biocel Biocel är en mesofil process som bearbetar fast organiskt avfall i rötningen. Det sker ingen omrörning i rötningstanken och rötningsprocessen tar ca 40 dagar. Biocelprocessen är utvecklad i Holland och den första anläggningen, i Leylstad, togs i bruk 1997. 4.4 Kompogas Denna process är utvecklad i Schweiz. Avfallet förs in i rötningstanken, som är horisontell, med hjälp av en hydraulisk pump och värms upp till 60 o C. Andelen fast avfall ska vara ca 23 % för att uppnå maximal biogasutvinning. Ur en rötningsprocess utvinns ca 100 150 m 3 biogas och metanhalten är ca 60 %. 4.5 Pinnacle HSAD Pinnacle HSAD processen (High Solids Anaerobic Digestion) är en sluten termofil process som fortgår kontinuerligt. Rötningstanken är konstruerad för att ta emot flytande och fast avfall. Processen är utvecklad i National Renewable Energy Laboratory (USA). 1997 tog Pilot Demonstration HSAD processen i bruk vid sin anläggning i Stanton, Kalifornien. 4.6 HGG HGG-processen utvecklades i Tyskland 1987, och den första fullstora anläggningen uppfördes 1994 i Hamburg. Biogasanläggningen har två reaktorer och behandlar 600 ton organiskt avfall årligen. 4.7 Dranco Dranco (Dry Anaerobic Composting) har utvecklats av det belgiska företaget Organic Waste Systems. Processen är termofil och det går att använda väldigt olika avfallssorter i systemet. Innehållet i reaktorn blandas inte, och processen sker på ca 15 20 dagar. 13
4.8 Valorga Denna process är utvecklad i Frankrike. Processtiden är 18 25 dygn. Metanhalten i biogasen är ca 55 60 %. I det första stadiet förs osorterat avfall in i förbehandlingstanken, där oorganiskt material sorteras bort. Därefter blandas avfallet med processvatten och pumpas in i rötningstanken. Efter utvinning av biogas pressas vattnet ut ur det förbrukade avfallet och återförs till processvattnet, då det ännu innehåller näring och bakterier (figur 2) Figur 2: Figuren beskriver flödesschemat i Valorgaprocessen. Källa: Christensen (2001) 14
4.9 BTA En- eller tvåstegsprocess som är utvecklad i Tyskland och har en hög metanhalt/utvunnen andel biogas. I det första steget tas oönskat material bort, t ex metaller (figur 3). Sedan blandas det rensade avfallet med processvatten, och plaster som följer med avfallet kan enkelt lyftas ur i detta skede. I nästa skede pumpas den trögflytande massan in i rötningstanken och det lättflytande pumpas in i en annan rötningstank. Ur tanken med det trögflytande avfallet utvinns biogas och det avfall som gått genom denna process pressas på vatten, som tillförs i den andra tanken. Det torra fasta materialet går till förbränning. I den andra tanken, med lättflytande avfall, sker samma process med den skillnaden att processvattnet återanvänds och förs tillbaka i blandningstanken. Figur 3: Flödesschemat i BTA-processen. Källa: Christensen (2001) 15
5. Biogasanläggningars funktion 5.1 Avfallsmottagning Avfallsmottagningen är ett moment inom en biogasanläggning som måste planeras noga innan konstruktionen. Dessa är några av de saker som måste utredas innan anläggningen byggs: Kapacitet för avfallsmottagningen Hur stor mängd avfall som kommer in är viktigt att veta. Risken är att avfallsmottagningen görs för liten, vilket medför att en mängd avfall inte kan komma att användas i anläggningen. Tidsperioder för avfallsmottagningen Det är viktigt att kunna planera hur lång tid det tar innan avfallet ska användas. Detta för att göra hanteringen så effektiv som möjligt. Typ av transport Hur ska transporten till anläggningen ske? Det kan vara t.ex. med tankbil. Typen av tranport avgör hur själva mottagningsplatsen skall utformas. Behov av provtagning Det är nödvändigt att kontrollera det avfall som kommer till anläggningen så att så mycket som möjligt kan användas. Drift och underhåll Rengöring av transportmedel och utrustning är en nödvändighet. Hur ska det ske, hur ofta och av vem? Avfall som kan vara aktuella för en biogasanläggning kan vara följande: Flytande industriavfall Fast industriavfall Källsorterat hushållsavfall 16