Biogas & opgradering - Aarhus Maskinmesterskole …campus.aams.dk/pluginfile.php/3581/mod_data/content/2554... · Web viewBiogas er den gas, der naturligt dannes, når organisk stof

Biogas & opgradering

Fredrik W. Madsen Efterår 2013

bachelor Projekt Forfatter:

Fredrik Wendel Madsen

Underskrift…………………………………………………………

Studienummer:

A10525

Maskinmester studerende på:

Århus Maskinmesterskole, klasse A1-11 (6. semester)

Projekttype:

Afsluttende eksamensopgave

Fagområde:

Bachelor (Biogas og opgradering)

Undervisere/vejleder:

Flemming H. Pedersen

Projektperiode:

12. August 2013 – 16. december 2013 (Afleveringsdato)

Rapportens størrelse:

71.496 anslag = 29,8 Normalsider (2400 anslag inklusivt mellemrum betragtes som en normalside)

Forsidebillede:

Billede arkiverne på Hashøj varmeforsyning (HKV) sammen sat af forfatter

Side 2


1 Indholdsfortegnelse2 Summery..................................................................................................................................................5

3 Indledning.................................................................................................................................................6

3.1 Formål, rammer og forventninger....................................................................................................6

3.2 Problemformulering.........................................................................................................................7

3.2.1 Baggrund...................................................................................................................................7

3.2.2 Problemstilling..........................................................................................................................7

3.2.3 Metode.....................................................................................................................................7

3.2.4 Afgrænsning..............................................................................................................................8

4 Den organisatoriske opbygning................................................................................................................8

5 De to anlæg..............................................................................................................................................8

5.1 Biogassen:.........................................................................................................................................9

5.2 Varmeværket:.................................................................................................................................10

6 Hvad er biogas og hvordan dannes det..................................................................................................10

6.1 Hydrolyse........................................................................................................................................11

6.2 Syredannelse (Fermentation).........................................................................................................12

6.3 Metan dannelse (Metanogenese)...................................................................................................12

6.4 Retentat..........................................................................................................................................13

7 Parameter for biogasproduktion............................................................................................................13

7.1 Anaerobt miljø................................................................................................................................13

7.2 Temperatur.....................................................................................................................................13

7.3 Surhedsgrad....................................................................................................................................14

7.4 Substrat..........................................................................................................................................14

7.5 Findeling.........................................................................................................................................14

7.6 Tørstofindhold................................................................................................................................15

7.7 Kulstof/kvælstof-forhold (C/N-forhold)..........................................................................................15

7.8 Omrøring........................................................................................................................................15

7.9 Organisk belastning........................................................................................................................15

8 Hæmning af processen...........................................................................................................................16

8.1 Kvælstofhæmning...........................................................................................................................16

8.2 Forsuring – organiske fedtsyrer......................................................................................................16

8.3 Antibiotika o.l.................................................................................................................................17

Side 3


9 Miljø.......................................................................................................................................................17

9.1 CO2-emissioner...............................................................................................................................17

9.2 Metan og lattergas..........................................................................................................................18

9.3 Næringsstofudnyttelse og – tab......................................................................................................18

9.3.1 Fosfor og kalium.....................................................................................................................19

9.3.2 Kvælstof..................................................................................................................................19

9.4 Lugt.................................................................................................................................................19

9.5 Nedbrydning af miljøfremmede stoffer..........................................................................................20

10 Den nuværende situation...................................................................................................................21

10.1 Økonomi.........................................................................................................................................22

11 Fremtidens mulige tiltag.....................................................................................................................23

11.1 Varmeforsyningsloven....................................................................................................................23

12 Opgradering........................................................................................................................................24

12.1 Opgraderingsanlæg med vand som rensemedie............................................................................24

12.2 Opgraderingsanlæg med monoethanolamin som rensemedie.......................................................25

12.3 Effektivisering/optimering..............................................................................................................27

12.4 Lovmæssige bestemmelser og andre krav......................................................................................27

12.5 Økonomi & Konsekvenser af opgradering......................................................................................28

13 Konklusion..........................................................................................................................................30

14 Perspektivering...................................................................................................................................30

14.1 Potentialet i biogas.........................................................................................................................30

15 Litteraturliste/kilder............................................................................................................................33

15.1 Bøger..............................................................................................................................................33

15.2 Websites.........................................................................................................................................33

15.3 Anden viden....................................................................................................................................33

Side 4


2 Summery This assignment is based on my internships at Hashøj CHP supply and Hashøj biogas. The assignment is split in to three parts:

The first part consists of the organizational construction of the two facilities, and the following description contains of an explanation of how the board of directors is selected. The next paragraph there is associated to the description of how the boards of the two facilities treats the fact that the CEO is executive officer for both of the plants, in matters such as the planning of maintenance, alternative production or large economic decisions. The paragraph also describes the routines the two operation assistants that have to take care of the facilities, as to insure proper conditions of production. A description of the two plant is also with in the first part. It mainly consists of the components and the substrates way through the varying tanks. The components there is are described, however the chemical and biological processes is not described.

The second part is a theoretical approach to the production of biogas. Here the biological processes is described. The processes is divided into three different stages that explain the way from substrate to biogas and retentat. The three steps that the process is divided into are hydrolysis, fermentation (formation of acids) and methane formation. To explain the delicacy of the process, the main parameter describes the sum of them is based on theoretical progress other deviates. A part from the theory has proven to be more effective in this particular case. If these parameters deviates from the optimal conditions by varying tolerances specified to an individual parameter the consistency will be an inhibition for the process. The inhibition of the biogas production can originated from the process itself or because of chemicals added to the process through the substrate. The main reasons to inhibition is also described in this part. The last main paragraph in this part is a discussion of the environmental aspects in the biogas production and the following use of the products the process result in.

The third and final part consist of the problem/operating conditions that has caught my interest. In this particular case there is two interesting aspects. The first one is the operating conditions regarding the cooling unit that secure a constant heat consumption. This device is needed because of the constant heat production and the low heat consumption during the summer. The main issue is way is this operating condition preserved and what can be done to make this cooling unit unnecessary. The second interesting aspect is a possible solution to the operating condition described above. The solution is instead of a constant heat production the CHP supply only produce the needed heat and excess biogas is upgraded to biomethane. Which it’s done and the consequences is the final part of this assignment.

Side 5


3 Indledning

3.1 Formål, rammer og forventningerFormålet med bachelor projektet i sin helhed er at videreudvikle viden og kompetencer inden for de tekniske og organisatoriske rammer, som den pågældende erhvervsvirksomhed kan tilbyde.Den maskinmesterstuderende skal således i løbet af en praktikperiode og projektperioden samarbejde med en privat eller offentlig virksomhed tilegne sig større indsigt og erfaring med professionspraktisk anvendelse af den opnåede viden og teorier fra undervisningsforløbet.

Praktik og projekt forløb finder sted i det 6. semester af uddannelsesforløbet. Rapporten afleveres på kontoret ved semesterets afslutning. Hvorefter en bedømmelse efter 7-skalaren vil finde sted ved en afsluttende eksamination.Jævnfør oplægget gælder for projektets indhold at: Projektbeskrivelse indeholdende problemanalyse, projektafgrænsning, problemformulering, metode og teorivalg med begrundelser, skal godkendes af vejlederen. Hvilket i praksis også betyder, at en samarbejdspartner ikke kan bestemme projektets endelige indhold. ved projektets introduktion i slutningen af 5. semester blev der henvist til Q-systemets dokument 0791 uvplan modul 31 bachelorprojekt og 0790 uvplan modul 30-B bachelorpraktik. Hvor følgende oplysninger er pointeret:

Bachelorvejlederen skal godkende projektemnet (formularen q-dok 0792 kan anvendes). Projektet kan tage udgangspunkt i empiri, fx i samarbejde med en virksomhed eller en

teoretisk angrebsvinkel med indsamling og analyse af data om/fra relevant praksis. Projektdokumentationen skal være skriftlig og omfanget skal begrænses til 50 sider, men

må ikke falde under 25 sider á 2400 tegn inklusiv mellemrum, men eksklusiv bilag. Projektet skal indeholde et resume på engelsk. Resumeet skal være på en side og

maksimalt to. Resumeet regnes som et bilag, men indgår i helhedsvurderingen af bachelorprojektet.

Der skal føres logbog over praktikforløbet, som skal godkendes og uploades til campus.

Dette bachelorprojekt tager afsæt i virksomhedspraktik hos Hashøj kraftvarmeforsyning og Hashøj biogas.I forbindelse med denne praktik blev der fundet en problemstilling, der gav anledning til undring og videre undersøgelse. Problemstillingen omhandlede den nødkøler, der er placeret på varmeværket for at kunne opretholde den daglige drift.

Forventninger af få/give en dybere forklaring på, hvorfor nødkølerne er nødvendigt og eventuelt opstille et forslag, der gør den unødvendig, samtidig med, at driften ikke forringes eller skaber store økonomiske omkostninger.

Side 6


3.2 Problemformulering

3.2.1 BaggrundUnder praktikperioden hos Hashøj kraftvarmeforsyning og Hashøj biogas blev der opbygget og udbygget viden og erfaring inden for en række forskellige fagområder og systemer, der alle kunne gå ind under en maskinmesters interesseområder dog med varierende tekniske aspekter.

Under praktikperioden hos Hashøj kraftvarmeforsyning og Hashøj biogas blev følgende problemstillinger fundet interessant:

Kraftvarmeforsyningen, der er en selvstændig virksomhed, har en lokal aftale med biogasanlægget om, at Kraftvarmeforsyningen skal aftage alt den gas, som biogasanlægget kan producer lige gyldigt Kraftvarmeforsyningen driftsbetingelser. Derfor er der placerede en nødkøler på Kraftvarmeforsyningen, der altid sikre, at forbruget er så højt, at der ikke sker en overhedning af vandet i akkumulatortanken. Med nedkølingen af fjernvarmevandet sikres det, at køllevandet til gasmotorerne på Kraftvarmeforsyningen har en temperatur, der sikre optimal drift. Uanset årstidernes klimatiske forhold. Problemet med overproduktion af varme gør sig kun gældende i sommer halvåret, hvor varmeforbruget er på sit laveste.

På biogasanlægget var der ikke de store oplysninger om, hvad der skete med de organiske stoffer, der blev tilført processen. Det var derfor nærliggende at kigge nærmere på de processer og kemiske reaktioner, de organiske stoffer gennemgår ved produktion af biogassen. For samtidig at skabe et stabilt grundlag og forstå vigtigheden af at opretholde de mikroorganiske balancer.

Bachelorprojektet vil derfor omhandle begge problemstillinger og komme med forslag til, hvordan energien, enten i form af varme, gas eller el, kunne finde anvendelse.

3.2.2 ProblemstillingProblemstillingen er delt op i to dele. Første del omhandler produktionen af biogas, hvad skal der til, hvordan forgår processen, hvilke kritiske parameter for trivsel og hæmning samt de miljømæssige forhold produktionen medfører?Anden del tager udgangspunkt i en driftssituation, der har givet anledning til undren, nemlig brugen af en nødkøler, for at sikre en stabil drift. Essensen vil da være at komme med forslag til, hvordan brugen af nødkøleren kan undgås og derved skabe en bedre udnyttelse af energien.

3.2.3 MetodeDer vil først og fremmest blive taget udgangspunkt i den praktiske erfaring, der er blevet erhvervet under praktikperioden, suppleret med information og researches fundet på nettet, i bøger, tekniske fagblade, samt viden indhentet gennem dialog med driftschefen og driftsassistenten. Der vil blive fortaget ekstraordinære besøg af virksomheden under skriveperioden for at indhente data og oplysninger, der ikke blev noterede under praktikperioden. Dette gøres for at sikker validitet og

Side 7


i et vist omfang rehabiliteten, da målte værdier kan variere med 5 % alt efter målemetode, udstyr, tid på dagen og temperatur.

3.2.4 AfgrænsningI den resterende del af rapporten vil kraftvarmeforsyningen blive omtalt som varmeværket eller værket. Biogasanlægget vil benævnes biogassen af forståelses- og overbliksmessing årsager. De økonomiske betragtninger vil ikke tage udgangspunkt i en konkret pris på el og gas, men et gennemsnit over den forgangne måned.

4 Den organisatoriske opbygningFor at give den bedste beskrivelse af værket og biogassen organisatoriske opbygning, er den valgte illustration vist nedenfor. Illustrationen viser, hvorfor det var muligt, at praktikken havde forbindelse til begge virksomheder. Det var ikke kun på grund af den organisatoriske opbygning, den georgiske afstand mellem virksomhederne var under to km.

De to bestyrelser på henholdsvis værket og biogassen består af andelshaverne og kommunalt udpegede medlemmer. På biogassen er de andelshavende i anlægget de bønder, der leverer gylle til biogassen. På værket er det repræsentanter blandt fjernvarmeforbrugerne. I begge bestyrelser repræsenterer de personer, der er udpeget af kommunen kun en til to pladser.

Kraftvarmværk BiogasanlægBestyrel

seBestyrel

se

Direktør Erik

Driftsassistent John

Driftsassistent Jørgen

Elektriker Rene

ChaufførJohn og Bjane

Smed Wagn/Karlåve

Kontor Kate

maskinstation

Hanskæl

VVSJes

Side 8


5 De to anlægDirektøren Erik der er tilknyttet begge værker og var i sin tid med til iværksættelsen og opførelsen af de to anlæg. På baggrund af virksomhedernes størrelse er det derfor direktøren, der står for at træffe de tunge økonomiske beslutninger, i forbindelse med indkøb, vedligeholdelse og midlertidig omlægninger af driften. De to driftsassistenter varetager de driftstekniske arbejdsopgaver. Jørgen, der er driftsassistent på biogassen, fører den primære kontrol med anlæggets tilstand. De rutiner der dagligt fortages er rundering på anlægget, hvor driftsdata i form af vand- el- og varmeforbrug, sammensætningen af den producerede biogas, tilførslen af katalysator og svovlhæmmende stoffer noteres. Ligeledes er det under runderingen, at fejl og mangler bliver opdaget. Ca. en gang om ugen bliver der aftappet en gødningsprøve fra hver reaktor for at bestemme indholdet af VFA’er1 gennem en titrerings analyse, årsagen her til bliver forklaret senere i rapporten. Opgaven er at holde opsyn og kontrol samt at planlægge logistikken i forbindelse med levering af substrat, det vil sige gylle fra bønder, organisk affald fra industrielle produktions virksomheder og sorteret dagsrenovation fra restaurationer, kombinerede med de kontrakter og tilbud, som Erik indhenter på stoffer og organisk materiale, der har en høj gasprocent, hvis de afgasses under anaerobe forhold. Driftsassistent John har sin daglige gang på varmeværket og tjener samme gøremål som Jørgen. Den daglige rundering og udføre de løbende småopgaver, der opstår i forbindelse med drift og vedligeholdelse af gasmotorer og kedler som f.eks. udskiftning af oliefilter, tage olieprøve, skifte membraner på Aerolitten i røggasveksler og biokedel eller regenerere saltlage til blødgørings anlæg. Derudover fungerer John som den primære indsatsleder, når der er problemer hos en forbruger, eller der skal fortages en lukning på grund af manglende betaling. For begge anlæg gælder det, at der ved større serviceeftersyn eller omfattende havarier tilkaldes håndværkere med de specifikke praktiske evner, der skal til for at varetage eftersyn, genoprette elektronik eller maskineri til drifts klar tilstand. Disse håndværkere er enten indlejet på anlægsområderne eller tilknyttet gennem en servicekontrakt, rettet mod en bestemt person. Det vil sige, at der altid er den samme mand, der stiller, så viden om anlægsopbygning ikke skal forklares hver gang. De tilknyttede fagfolk er markeret med røde kasser i organisationsstrukturen.

5.1 Biogassen:Hashøj biogas er et bar-marks-anlæg, der blev grundlagt i 1993-94 og udbygget løbende til den undværende kapacitet. Modtagertanken, hvor gyllen fra de andelshavende bønder og organisk affald tilføres processen, er på 600m3. Den daglige mængde af fødeprodukt fra modtagertanke, der pumpes videre til blandetanken, hvor fødeproduktet blive homogeniserer og tilsat jernclorid samt glycerin, er mellem 220-370 m3/dag. Fødeproduktet bliver først hygiejniseret ved opvarmning til 65-70 °C gennem en tretrins varmeveksler og efterfølgende ophold i pasteuriseringstanke inden ind pumpning i reaktoren. Under ind pumpningen bliver der tilsat alkohol i form af myresyre sprit eller etanol. Reaktorerne er på henholdsvis 3000m3 for den gamle og 4400m3 for den nye. Fødeproduktet opholder sig i reaktorerne 20-24 døgn, hvor omdannelsen

1 Volatile Fatty Acids

Side 9


til gas finder sted under en mesofil proces (37-40 °C). Anlægget producer gennemsnitligt 18.000 m3 gas pr. døgn med en metan procent på 55-68 % og et svovl indhold på 300-4000ppm. Svovlindholdet i biogassen er skadeligt for miljøet og gasmotoren. Derfor sendes gassen gennem et svovlfilter, hvor indholdet af svovl reduceres til 0-80ppm ved en biologisk proces. Gassen sendes der efter med et tryk på 12-22mbar til gaslagerne med et samlet rumfang på 15.000 m3. Mellem inder- og yderballon hersker der et Overtrykket på 8mbar og dette tryk virker som modtryk, så gassen trykkes videre gennem en gaskøler, der tørrer den fugtige biogas, inden gasblæserne hæver trykket til 700-800mbar for at sende gassen det sidste vej ned til varmeværket.

5.2 Varmeværket:Hashøj kraftvarmeforsyning er et bar-mark-værk, der blev grundlagt i 1993-94 og er lige som biogassen udbygget gennem tiden til den nuværende kapacitet. Værket producer el til det frie el-marked og varme til 483 husstande samt to stor forbrugere. Værket har desuden påtaget sig opsyn og vedligeholdelse af storforbrugernes eksisterede kedelanlæg. Værkets egen maskinpark giver dem rådighed over tre gasmotorer, en gaskedel og en biokedel. Motorerne er: En Jenbacher, der trinløst kan mikse biogas og naturgas for at sikker en konstant og stabil drift, da den er i drift 24 timer i døgnet. Jenbacheren kan producere 2,1MW el og 2,2MW varme. Den nye Caterpillar er den eneste gasdrevne enhed, der kun har en gasrampe og er derfor en ren biogasmotor, der kan producere 1,1MW el og 1,3MW varme. Den nye Caterpillar anvendes hovedsageligt til el produktion, derfor får den som ofte kun startsignal, når el prisen er høj og mængden af biogas i lageret er over 18 %. Til sidst er der den gamle Caterpillar, der kan køre på ren biogas eller ren naturgas, producer 0,7MW el og 1,0MW varme. I sommer halvåret er den gamle Caterpillar tilmeldt Energinet som reserve opregulering, så den er i stand til at få startsignal fra Energi.dk, uden at der fortages en handling på værket. Inden start får den vagthavende en sms, så han kan nå ud af rummet inden starten sætter ind. Alle tre motorer er firtakter trunk motorer, der anvender Otto princippet og er konstrueret som forkammermotor. Kedlerne, der er installeret på værket, er: Gaskedlen, der på samme måde som den gamle Caterpillar, forbrænder biogas eller naturgas og har en ydelse 2,0MW varme. Den sidste varmeproducerende enhed er biokedele, som navnet antyder, forbrændes biomasse i form af træpiller og ydelsen er på 1-1,6MW varme. De to kedler har til formål at sikre, at varmeværket kan overholde varmeforsyningsloven. Der kræver, at forbrugerne altid har den varme, der er nødvendig, til rådighed hele året rundt samt, at prisen er så lav som mulig.

6 Hvad er biogas og hvordan dannes detBiogas er den gas, der naturligt dannes, når organisk stof nedbrydes under anaerobe (ilt frit) forhold som for eksempel i moser, søer og havbund. De metan dannede bakterier findes ligeledes i vommen på de drøvtyggende dyrearter f.eks. køer, får, hjorte, kameler, lamaer m.fl.

Når bakterier biologisk nedbryder organisk stof til metan og kuldioxid under anaerobe forhold, sker det gennem en kompliceret proces, hvor en række komplementære bakterier i fællesskab

Side 10

Figur 1 Biomass to renewabel energy procersses, Jay Cheng, 2010, s. 155


klarer opgaven. På en sådan måde, at affaldsstoffet fra en bakterie er substrat (føde) for en anden, på den måde opstår der en kæde, som skaber afhængighed bakterierne imellem. Biogasprocessen kan i grove træk inddeles i tre trin: Hydrolyse, syredannelse og metan dannelse. Trinene i processen varetages af forskellige bakteriegrupper. Bakterier der kan nedbryde organisk stof under anaerobe forhold har en væsentlig ulempe i forhold til bakterier, der nedbryder organisk stof under aerobe (iltrige) forhold. Et eksempel: nedbrydes glukose under aerobe forhold får bakterierne et nettoudbytte på 38 ATP-molekyler2, hvorimod den anaerobe nedbrydelse afgiver et nettoudbytte på 2 ATP-molekyler. I praksis betyder dette, at anaerobe bakterier har en vækstrate, der er væsentlig mindre end aerobe bakterier. For at sætte det scenarie i perspektiv vil produktionen af biomasse3 ved nedbrydelse af 1. g organisk stof under aerobe forhold producer 0,5 g biomasse, mens den anaerobe proces kun giver et udbytte på 0,1 g biomasse.

6.1 HydrolyseFørste trin er hydrolysen; her nedbrydes højmolekylære stoffer dvs. polymerer af proteiner, kulhydrater og fedtstoffer til lavmolekylære stoffer (monomerer). Nogle specifikke enzymer udskældt af specialiserede bakterier, der virker som katalysator under nedbrydelse. Disse enzymer virker ekstracellulært4 og påvirker derfor ikke bakteriecellen. De stoffer, der let omsættes ved hydrolyse under anaerobe forhold, er proteiner, simple sukkerstoffer og stivelse. Der tilkommer nogle få polymere kulstofforbindelser så som cellulose og hemicellulose. Dette kræver dog, at bakterien er let specialiserede. I plantevæv er både cellulosen og hemicellulose indkapslet i et finmasket net af lignin5. Lignin er ikke nedbrydeligt under anaerobe forhold og af samme grund, er det kun ca. 40 % af cellulosen og hemicellulosen i svinegylle, der omsættes i biogasprocessen. En fuldstændig nedbrydning er ikke praktisk muligt normalt er det kun 30-60 % af det organiske stof, der omdannes til metan og kuldioxid, når der anvendes husdyrgødning eller substrater, hvor kompleksiteten af molekylerne er høj. På figur 1 er processen vist skematisk.

2 Adenosintrifosfat, molekyle der lever energi til stort set alle energikrævendeprocesser i levende organismer. http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/ATP 3 I form af levende bakterier (Jay Cheng, 2010)4 I den omgivende væske (Peter Jacob Jørgensen, 2009)5 Lignin: træstof der er afstivende og muliggør fx opret vækst. http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Kemi/Acykliske_forbindelser/lignin

Side 11

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Kemi/Acykliske_forbindelser/lignin

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Biokemi_og_molekyl%C3%A6rbiologi/Biokemi/ATP


6.2 Syredannelse (Fermentation)I andet trin nedbrydes 50 % af monomerer og 50 % af de langkædede fedtsyrer (LCFA)6 til eddikesyre. 20 % omdannes til kuldioxid og brint og de sidste 30 % nedbrydes til andre kortkædede fedtsyrer end eddikesyere (VFA), som for eksempel myresyre, propionsyre og smørsyre7. De opstillede procentsatser finder indpas i en reaktor, hvor bakteriefloraen er afbalanceret. Der skal holdes opsyn med en reaktor, for kommer den i ubalance, bliver andelen af VFA’er for stor, hvilket øger risikoen for ophobning. I daglig tale kaldes det, at processen løber sur, fordi de bakterier, der anvender VFA som substrat, har en laverer væksthastighed end de syrerdannende og kan derfor ikke følge med. Dette medfører, at den kontinuerlige nedbrydelse af VFA’er er kritisk og ofte angiver den begrænsende faktor for biogasprocessen. Under hydrolyse af simple fedtstoffer dannes et mol glycerol og tre mol fedtsyrer (LCFA’ere) resultatet af et substrat med store mængder fedtstoffer. Det medfører store mængder langkædede fedtsyrer og et substrat indeholder store mængder protein, der er en kvælstofforbindelse i aminogruppen (-NH2) og det vil resultere i store mængder ammonium/ammoniak. Begge substrat koncentrationer vil medføre en ubalance, der kan føre til hæmning af de efterfølgende nedbrydningstrin.

6.3 Metan dannelse (Metanogenese)Det sidste trin i biogasprocessen varetages af metan bakterier eller metanogener. Metanogener er en meget gammel og specialiserede bakterie gruppe. Denne gruppe af bakterier tilhører et helt specielt systematisk rige: Archaebacteria. Et rige er den højeste systematiske enhed. Archaebacteria anses derfor at være på niveau med de øvrige riger: planteriget, dyreriget, egentlige bakterier (Eubacteria), protozoer og svamperiget. Metan dannelsen varetages af to forskellige grupper af metanogener. Den ene danner metan ved nedbrydelse af eddikesyrer og den anden benytter kuldioxid og brint for at danne metan.

Eddikesyre :CH 3COOH→CH 4+CO2Brint ogkuldioxdi : 4H2+CO2→CH 4+2H2O

Ved stabile forhold stammer ca. 70 % af den producerede metan fra eddikesyrenedbrydelse og 30 % stammer fra kuldioxid og brint. De to biologiske processer er i fin balance, en hæmning af den ene vil medføre en hæmning af den anden. Metanogener er den bakterieflora, der har den laveste væksthastighed af de mikroorganismer, der findes i en biogasreaktor. Metanogener har en væksthastighed, der er 1/5 del af de syrerdannede, men på grund af det ilt frie miljø er konkurrencen fra andre bakteriekulturer ikke stor, hvilket sikre, at metanogeneren alligevel kan klare sig. Metan bakteriernes vækst sætter derfor den begrænsende faktor for processens hastighed og mængde af materiale, der kan omsættes.

6 long Chain Fatty Acids7 Fedtsyrer er monocarboxylsyrer, der findes i fedtstoffet. Hvis fedtsyren indhold af C-atomer er et lige antal, er det et naturligt forekommende. Der findes få naturlige fedtsyrer med ulige antal C-atomer. VAF’er indeholder mindre end 6 C-atomer, mens LCFA’er indeholder flere end 6 C-atomer

Side 12


6.4 Retentat Retentat8 i form af det afgasset gylle leveres tilbage til de bønder, der leverer substrat til biogasanlægget. Tilbageleveringen af det afgasset gylle betyder, at den mængde ”N9”, der er fjernet fra markerne i form af foder til husdyrene og produktionen af fødevarer, tilføres jorden igen. Derfor bliver der holdt nøje regnskab med mængden af leveret gylle fra den enkelte landmand, så mængden af retentat ikke overstiger substrat eller, at substratet ikke overstiger mængden af retentat. Denne form for gensidig levering sikre, at jorden ikke udtæres på samme måde, som hvis jorden havde været brugt til dyrkning af halm til afbrænding i kedler, hvor der ikke er et produkt, der kan leveres tilbage til landmanden og sikre jordens beskaffenhed.

7 Parameter for biogasproduktionBiogasproduktionen afhænger af en række driftsparametre, der skal være optimale for at sikre effektiv drift og et stort gasudbytte.

7.1 Anaerobt miljøDet annaerobe miljø er vigtigt at opretholde, efter som metan bakterierne er obligat anaerobe og tåler ikke ilt. Det medfører, at reaktoren skal være tæt, så der ikke kommer store mængder ilt ind i reaktoren. Den væske/biomasse, der pumpes ind i reaktoren, vil tilfør en smule ilt, eftersom der altid vil være ilt ”opløst” i udefra kommende væsker. Ilten der tilførte sammen med biomasse skader ikke processen, da den hurtigt vil blive brugt op af de aerobe bakterier, der skal bruge ilt for at overleve eller af fakultativt anaerobe bakterier, der kan bruge ilt til deres respiration.

7.2 TemperaturBiokemiske processers reaktionsforløb accelereres i takt med stigende temperatur. Grundreglen vedrørende temperatur er, at for hver ti graders stigning i temperaturen fordobles hastigheden på processen, inden for visse temperaturgrænser naturligvis. Dette gør sig også gældende inde for biogasprocessen. Ved biogasproduktion anvendes der bakterietyper eller stammer, der er tilpasset specifikke temperaturområder.

Det psykrofile område 0 - 20 °C Det mesofile område 15 - 45 °C Det termofile område 40 - 65 °C

Bakterietyperne/stammerne har et fælles karakteristika; deres tolerance over for svingninger i temperatur er på et minimum og overfølsomheden overfor temperatursvingninger øges i takt med en højere temperaturer. I praksis betyder det, at et biogasanlæg der, drives ved ca. 37 °C (mesofilt), har en tolerance på ± 2 °C, mens et anlæg der drives ved 52 °C (termofilt), har en tolerance på ± ½ °C. Biogasprocessen og andre miljøer, hvor organisk stof nedbrydes under anaerobe forhold, gælder det, at der ikke udvikles varme under processen. Det betyder, at alt 8 Restprodukt biogasprocessen9 N = kvælstof

Side 13


varme, der skal til for at hæve temperaturen fra ca. 12 °C på rågyllen og op til det ønskede niveau, samt for at bibeholde temperaturen, skal tilføres. Det der giver de største udfordringer, er en kombination af pasteuriseringen og det tempererede klima. Under pasteuriseringen skal substratet op over 70 °C, mens reaktortemperaturen på biogasanlægget skal være mellem 35-40 °C hele året rundt.

7.3 SurhedsgradSurhedsgraden har stor indflydelse på processen. Metan bakterier tåler ikke et surt miljø på trods af, at de bl.a. lever af organiske fedtsyrer. Den optimale surhedsgrad ligger mellem 6,5 og 8 med optimum ved 7,2. En biogasproduktion, hvor reaktoren er i balance, vil have en surhedsgrad, der ligger omkring optimum. Surhedsgraden er ikke det mest følsomme parameter, eftersom bufferkapaciteten i reaktoren er relativ stor, hvilket betyder, at surhedsgraden skal ændres betydeligt, før en effekt kan registreres. Gyllebaserede anlæg drives ofte med en surhedsgrad på 8 – 8,3 på grund af det højere indhold af ammoniak.

7.4 SubstratSubstrat i form af den biomasse, der tilføres processen, hvor næsten alt organisk stof finder anvendelse. Nedbrydningsprocessen kan forøges på forskellige måder ved at tilføre myresyre sprit, metanol og/eller glycerin. Et af de organiske stoffer, der ikke er nedbrydeligt under anaerobe forhold er Lignin, der udgør en stor del af plantevævet. På nuværende tidspunkt forskes der i at finde enzymer, der muliggøre nedbrydning af lignin under anaerobe forhold, men disse enzymer er langt fra på kommercielt niveau. Den typiske sammensætning af substratet er 70-90 % gylle og 10-30 % organisk affald. Til pumpning af substrat anvendes der typisk excentersnekkepumper, da de er velegnet til at pumpe medie med høj viskositet og et højt tørstofindhold. Desuden kan substratet være uhomogent opblandet. Nogle anlæg har investeret i specielle neddeler-pumper til pumpning af substrat fra modtagertanken til blandetanken, da dette er en særlig hårdt belastet pumpefunktion.

7.5 FindelingNår substratet kommer ind i reaktoren opnås den største nedbrydningsgrad, hvis den relative overflade på materialet er så stor som mulig. Dette opnås ved at findele substratet. Der findes forskellige metoder til findeling. Den mekaniske metode, hvor substratet pumpes gennem en macerator inden videre pumpning til reaktoren. Metode øger ikke gasudbyttet væsentligt, men sikre, at frekvensen, hvorved varmeveksler, rørføring samt prøveudtag ikke stopper til. Den kemiske metode, hvor substratet ”åbnes op” ved en forbehandling med lud, ammoniak eller læsket kalk, kan give et gasudbytte, der er 20 % højere. De økonomiske aspekter står ikke mål med effektiviteten, derfor er metoden ikke særlig udbredt.

7.6 TørstofindholdBakteriernes bevægelseshastighed reduceres i takt med at tørstofindholdet stiger. Ved ca. 50 % tørstof kan bakterierne ikke arbejde længere. Den tørstofprocent opnås ikke i et biogasanlæg, her

Side 14


vil tørstofindholdet være nede på 8-10 % for at sikre en stabil pumpning af substratet ind i reaktoren. Der findes specielle reaktortyper, hvor et højere tørstofindhold kan tillades på grund af, at indføringen af biomasse sker direkte i reaktoren.

7.7 Kulstof/kvælstof-forhold (C/N-forhold)Metan bakterier har som andre organismer brug for en række makro- og mikronæringsstoffer for at sikre vækst. Kvælstof, fosfor og kalium hører til de mest væsentlige makronæringsstoffer. Ofte angives indholdet af kvælstof i forhold til kulstof, da dette forhold indikere, om der er tilstrækkeligt med kvælstof til stede for bakterierne. Kulstofforbindelser er en vigtig kilde til energi i dyr, planter og mikroorganismer. Kvælstofforbindelser indgår bl.a. i proteiner. Den hastighed, hvormed bakterierne nedbryder organisk materiale, bliver højere, når C/N-forholdet er lille. Det vil sige, at der er forholdsvis meget kvælstof til rådighed. Normalen for C/N-forholdet er, at det er mindre end 30/1. Ved større forhold vil mængden af kvælstof være for lille og derved virke som en begrænsende faktor for bakteriernes vækst. Omvendt vil et for lille forhold medføre, at kvælstofindholdet bliver for højt, hvilket fører til en hæmning af processen.

7.8 OmrøringReaktorens opbygning kan variere, og der findes en række forskellige anlægstyper. Den mest almindelige reaktortype er CSTR (Continously Stirred Tank Reaktors), hvor biomasse skal være under kraftig omrøring for at forhindre opbyggelsen, at et uigennemtrængelig svømmelag og siker bevægelse i hele reaktoren, så rørføring, hvor substratet tilføres, ikke stoppe til.

7.9 Organisk belastning Den biomasse, der tilføres reaktoren, skal have et flow, der er tilpasset metanogenernes væksthastighed for at sikre, at de organiske fedtsyrer nedbrydes i samme tempo, som de bliver dannet. Normalt kan en CSTR-reaktor belastes med 1-6 kg COD pr. m3 af reaktorvolumen pr. dag. COD10 . Betegnelsen dækker over den mængde kemisk iltforbrug, der er nødvendig for at nedbryde organisk stof til kuldioxid og vand. COD anvendes ofte til at måle den belastning, organist stof påvirker vandmiljøer med. Måleenheden er normalt mg ilt pr. liter vand. Anvendes begrebet i biogassammenhæng er enheden kg pr. m3. Tilføres der mere end de 1-6 kg COD pr. m3, kan metanogenerne ikke omdanne alle fedtsyrerne, hvormed processen ”løber sur”. Derudover skal biomasse tilførselen ske så jævnt som muligt, endvidere skal biomassesammensætningen være så ensartet som muligt. En udskiftning af substrat bør forløbe gradvist for, at de forskellige bakteriestammer kan nå at tilpasse sig de nye forhold.

8 Hæmning af processen Hæmning af biogasprocessen defineres som et stof eller stoffer, der påvirker bakterierne negativt, så den biokemiske proces bliver nedsat. De stoffer, der forud sager hæmning, vil ikke få bakterierne til at afgå ved døden, medmindre hæmningen står på over en længere periode.

10 Chemical Oxygen Demand, kemisk iltforbrug ved nedbrydning af organisk stof i vand

Side 15


Hæmning af processen kan opstå på mange måder, så der skelnes derfor mellem endogene og eksogene årsager til hæmningen. Endogen, hvor det er forhold eller stoffer, der dannes i processen og under specielle omstændigheder, kan medfør en hæmning. Eksogen skyldes udefrakommende forhold eller stoffer, der medfører hæmning.

8.1 KvælstofhæmningEn af de vigtigste blandt endogene årsager til hæmning, er ammoniak (NH3). Bakterierne danner ammoniak ved nedbrydning af proteiner og andre kvælstofholdige stoffer. Ammoniak er en vigtig kvælstofkilde eftersom, kvælstof er nødvendigt for bakteriernes vækst. Ammoniak koncentrationen i biomassen må samtidig ikke blive for høj, da en høj koncentration er stærk gift for bakterierne. I en væske, hvori der er opløst ammoniak, opstår der altid en ligevægt mellem ammoniak og ammonium (NH4

+). Denne ligevægt afhænger af surhedsgraden og temperaturen, der hersker i det pågældende miljø. Ammonium påvirker ikke bakterierne på samme negative måde, derfor er denne ligevægt vigtig.

NH 4+¿↔NH 3+H

+¿¿ ¿

dannelse af ammoniak forøges eksponentielt i takt med en stigende pH-værdi og stigende temperatur. Det vil sige, at et basisk miljø med en høj temperatur medfører en stærkt giftig koncentration af ammoniak. Derfor er den termofile biogasproces i højere grad følsom overfor ammoniakhæmning end den mesofile biogasproces. Ammoniakkens indvirkning på bakterierne vækst indtræder ved forholdsvis lave koncentrationer. Bakterierne kan ved langsom tilvænning tilpasse sig langt højere koncentrationer end de for bakterien normale grænseværdier, hvilket er en klar fordel, eftersom de biomasser, der typisk finder anvendelse i biogasproduktion, f.eks. gylle ofte indeholder koncentrationer, der er langt højere end de naturlige grænseværdier, bakterierne trives ved. Det som bakterierne i ringe grad tåler, er en pludselig stigning i koncentrationen af ammoniak. Det understreger vigtigheden af en ensartet og jævn tilførsel af biomasse, som skal være under skarp kontrol ved højere temperaturer.

8.2 Forsuring – organiske fedtsyrerEn anden væsentlig endogen årsag, der før til hæmning af processen, er organiske fedtsyrer, der produceres under hydrolysen og Fermentation som ophober sig på grund af tilførsel af nyt organisk materiale, ikke er tilpasset metanogenernes væksthastighed, hvilket medfør at processen forsures.

8.3 Antibiotika o.l.Til de eksogene årsager, der kan hæmme processen, hører antibiotika og desinfektionsmidler, eftersom begge stofgrupper pr. definition er designet og anvendes til at dræbe mikroorganismer. Begge stofgrupper finder anvendelse i husdyrproduktion til henholdsvis sygdomsbekæmpelse hos dyr og rengøring af staldanlæg. Det kan derfor ikke undgås, at der findes raster af antibiotika og desinfektionsmidler i gyllen. Koncentrationerne er i en grad, der ikke påvirker biogasproduktionen

Side 16


væsentligt i negativt retning. På samme måde som med ammoniak kan bakterierne tilpasse sig begge stofgrupper ved langsom tilvænning, når den tilførte koncentration er konstant. Høje koncentrationer af andre stofgrupper f.eks. tungmetaller, salte og mikronæringstoffer virker ligeledes hæmmende på processen. De sidst nævnte stofgrupper er nødvendige for, at bakterierne kan leve, da lave koncentrationer virker som vitaminer for bakterierne.

9 Miljø

9.1 CO2-emissionerBiogas og biomasse, der finder anvendelse til produktion af el og varme, anses for at være CO2-neutral eftersom den mængde Kuldioxid, der frigives ved forbrænding er tilsvarende den mængde planterne anvender til fremstilling af organisk stof under fotosyntesen. Det bevirker, at den kuldioxid, der frigives, recirkulerer i biosfæren. Den grad hvorved biomasse bidrager med en positiv reduktion af CO2-emissioner afhænger af, hvilket brændsel der fortrænges. Anvendes biogas til at fortrænge en energikilde, der allerede anses for at være CO2-neutral, som f.eks. halm eller træflis, vil reduktionen i CO2-emissionerne være nul. Hvis biogas i stedet fortrænger et fossilt brændsel f.eks. olie, vil det medføre en reduktion af emissioner på baggrund af et mindre olieforbrug. Biogassen, fra de fleste biogasfællesanlæg, anvendes til produktion af el og varme via et gasmotorgeneratoranlæg, hvor virkningsgraden for el er på 35-40 %, og virkningsgraden vedrørende varme er på 45-50 %. Den producerede elektriske effekt sælges til elnettet og fortrænger strøm, der ellers skulle have været producerede på et af de store kulfyrede kraftvarmværker. ”Energistyrelsen angiver at for hver kWh el produceret på biomasse eller vind sparer atmosfæren for ca. 640 g CO2 og reducer mængden af slagger og aske, der frigives til miljøet med 38 g, derudover vil der være en reduktion på 266 g CO2 pr. kWh varme, der fortrænger fyringsolie”11. Det betyder, at 1 m3 biogas med et metan indhold på 65 % afgiver 2,5 kWh, hvilket betyder en reduktion i CO2-emissioner på 1600 g. pr. m3 biogas. Varmeproduktionen fra motoren kan opsamles gennem kølersystemet, der virker som lavtemperaturkreds og en røggasveksler, der funger som højtemperaturkreds, hvilket giver et varme udbytte på 1,5 kWh til opvarmning af fjernvarmevand. Varme udbyttet er relativt lavt på trods af den høje virkningsgrad. Grunden til dette er, at energien til det interne varmebehov er trukket fra. Den overskydende varmemængde på 1,5 kWh kan reducer CO2-emissionerne med 400 g. pr. m3 biogas. De påstået værdier er kun vejledende, en nøjagtig udregning vil være nødvendig at foretag i hver enkelt situation, hvor alle variabler, der kan have indflydelse på emissionsniveauet, skal medregnes.

9.2 Metan og lattergasMetan (CH4) og lattergas (N2O) er begge drivhusgasser. Tilstedeværelsen af disse stoffer i atmosfæren øger drivhuseffekten væsentligt. I dag antages det, at metan koncentrationen stiger ca. 1 % om året og at landbruget, ifølge et skøn i EU, bidrager med ca. 0,5 %, da kilden til metanen er husdyrenes fordøjelse og gødningshåndteringen. Koncentrationen af lattergas i atmosfæren er 11 Peter Jacob Jørgensen, 2009, s. 27

Side 17


ligeledes stigende, det antages, at den på nuværende tidspunkt er 0,3 % pr. år. På samme måde som med metangassen, står landbruget for ca. 0,15 %. Den primære dannelse af lattergas finder sted, når en kombination af kvælstofholdig gødning og let omsættelige organiske stoffer nedbrydes under anaerobe forhold i dyrkningsjord. Dannelsen sker bl.a. ved denitrifikation12, hvor forskellige bakteriefamilier og slægter f.eks. Pseudomonas og Bacillus, der under omsætning af organisk stof, kan anvende nitrater som iltningsmiddel, såfrem der ikke er frit ilt tilgængeligt (anaerobe forhold). Reduktion af nitrat, gennem den anaerobe respiration, foregår i enzymatiske trin.

4 NO3−¿→ 4N O2

−¿+2O2→( 4NO+4O 2eller2N 2O+5O2)→2N2+6O 2¿¿

Fordelingen af ledet i parentesen afhænger af den enkelte bakteriestamme. Det sidste enzym, der sikrer omsætning til frit kvælstof hæmmes bl.a. af lave pH-værdier, hvorved der vil opstå en ophobning og afgivelse af lattergas til atmosfæren. For at kunne sammenligne miljømæssige konsekvenser ved udladning af metan og lattergas omregnes disse emissioner til CO2-ækvivalenter. Det betyder, at 1. kg metan svarer til 22 kg kuldioxid, og 1. kg lattergas er lig 310 kg kuldioxid. En reduktion af begge gassen er derfor ønskelig. I en biogasreaktor nedbrydes gyllen under anaerobe forhold, derved reduceres indholdet af let omsættelige organiske stoffer til biogas. Dette betyder, at en efterfølgende lagring af den afgassede gylle kun afgiver en lille mængde metan i bøndernes lagertanke. Samtidig vil der ikke opstå de samme gunstige forhold for denitrifikation i markerne, når gyllen anvendes som gødning.

9.3 Næringsstofudnyttelse og – tabUnder produktionen af biogas forbruges der ikke næringsstoffer, der ender i gassen, eftersom biogas for det meste består af kuldioxid og metan. Derfor findes der de samme næringsstoffer i den afgassede gylle, som i den biomasse, der leveres til anlægget. Forskellen er den kemiske form, næringsstofferne befinder sig på. Den ny balance i næringsstofferne har de positive effekter, som tidligere nævnt, på de tilsluttede husdyrbrug.

9.3.1 Fosfor og kaliumSammensætningen af næringsstoffer er forskellige alt efter, hvilket husdyrbrug det stammer fra. Gyllen fra svinebrug har et højt indehold af fosfor, mens gylle fra kvægbrug har et højt indehold af kalium. Dette betyder, at svinebrug ofte overgøder med fosfor og må tilfører kalium i form af handelsgødning. Det modsatte gør sig gældende for kvægbrug. I begge tilfælde vil der ske en udvaskning af næringsstoffer, der skader vandmiljøet. Et biogasanlæg blander en række gødningsarter og andre biomasser, hvilket medfører, at næringsstofbalancen ikke nødvendigvis er den samme i den tilbageleveret gødning, som i den modtaget. Et biogasanlægs funktion betyder, at der er basis for en omfordeling af næringsstoffer, leverandørerne imellem. Dermed vil behovet for kunstigt fremstillede handelsgødning reduceres. I praksis er det ikke så let at sikre en

12 http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/denitrifikation

Side 18

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/denitrifikation

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/denitrifikation


omfordeling af næringsstoffer, da husdyrene ikke er jævnt fordelt. Kvægbrugene er typisk placerede i det vestjyske og bønderne i det østjyske og øerne satser på svinebrug, så en optimal omfordeling kan ikke opnås.

9.3.2 KvælstofSom nævnt i indledningen til afsnittet ”hæmning af processen” er mængden af kvælstof uændret, men forholdet mellem de kemiske former er ændret fra overvejende organisk bundet kvælstof til kvælstof på ammonium-form. Denne form for kvælstof er direkte tilgængelig for planter, hvilket giver afgasset gylle en bedre N-nyttevirkning end med organisk bundet kvælstof, der først skal nedbrydes, for at der kan ske en optagelse af kvælstoffet. Når det organiske bundet kvælstof omdannes til ammonium-N øges risikoen for fordampning af ammoniakker, da det er en relativt flygtig kvælstofform, hvis der ikke er et svømmelag til at holde på ammoniakken, når gyllen opbevares i lagertanke. Afgasset gylle danner ikke naturligt et svømmelag, så det må etableres kunstigt ved brug af snittet halm eller leca-nødder, da svømmelaget reducer fordampningen fra 20 % til nogle få procent. Det pågældende svømmelag er imidlertid et lov krav for gyllelager i drift.

9.4 LugtDet primære produkt, der anvendes til produktion, er gylle. Gyllen har en karakteristisk og kraftigt lugt, der skyldes indholdet af godt og vel 30013 forskellige stoffer, der bidrager til det samlede lugtindtryk. Lugttærsklen på nogle af stofferne er så lav, at mennesket selv ved svage koncentrationer kan registrere stoffernes tilstedeværelse, mens andre stoffer har en lugttærskel, der ikke registreres. Under biogasprocessen nedbrydes en rækker af de stoffer, der er til gene for mennesker, og en række andre stoffer med samme lugttærskel dannes. Derfor er antallet af lugtenheder over afgasset gylle ofte den samme som ved rågylle. På trods af det er der alligevel en markant forskel ved anvendelse af gyllen. Den afgivende lugt er ikke nær så kraftig og forsvinder hurtigere fra en gødet mark, fordi den reducerede mængde af tørstof betyder, at gyllen hurtigere synker i jorden, der danner lugtspærrer på samme måde som et svømmelag. Reduktionen af lugt ved udbredelse på marken er samtidig en af de væsentlige grunde til, at landmændene indgår et samarbejde med et biogasanlæg. På selve biogasanlægget og nærområder er der en potentiel risiko for øget lugtgener, eftersom der typisk samles og behandles store mængder biomasse, der kan være mere eller mindre ildelugtende. Det område, hvor der er det største lugtniveau, er i aflæsserhallen. Derfor er det vigtigt, at der er et ventilationsanlæg, der både tilfører friskluft og har udsugning i aflæsserhallen og modtagertanken. Den udsugede luft føres gennem et biofilter for at rense luften inden udledning til det fri. Dette betyder, at der i praksis kan opnås et acceptabelt niveau for lugtgener.

9.5 Nedbrydning af miljøfremmede stofferI de biomasser f.eks. gylle og slam, der tilføres anlægget, findes der miljøfremmede stoffer, der stammer fra f.eks. rengøringsmidler. Nogle af stofferne kan have hormonlignende eller andre negative effekter miljøet. Mange af stofferne er organiske stoffer, der nedbrydes i den anaerobe

13 Peter Jacob Jørgensen fra planenergi, 2009

Side 19


proces. Enkelte stoffer er svært eller ikke nedbrydelige og kan kun nedbrydes aerobt. De fleste miljøfremmet stoffer er bundet til andet organisk materiale og nedbrydes fortrinsvis biologisk. Eftersom de miljøfremmede stoffer ofte er organiske vil nedbrydeligheden almindeligvis stige i takt med temperaturen, endvidere afhænger nedbrydeligheden af molekylevægten. Stoffer med en lav molekylevægt har en større nedbrydelighed end stoffer med høj molekylevægt. Undersøgelser, der skal kortlægge, hvorvidt miljøfremmede stoffer nedbrydes i biogasreaktor, har hidtil kun været udført på få biogasanlæg. Et af dem er Lemvig biogasanlæg14, hvor nedbrydningen tilsyneladende har været næsten total, da der ikke bliv fundet væsentlige koncentrationer i den afgasset gylle. På de fleste biogasanlæg hygiejniseres substratet som en del af processen for at hinder smitstoffer, bakterier, virus og parasitter, der kan være sygdomsfremkaldende hos mennesker og dyr. De sygdomsfremkaldende organismer, der tilføres et biogasfællesanlæg, befinder sig i husdyrgødningen og affaldet, anlægget får leveret. Mængden og arten af de sygdomsfremkaldende stoffer er afhængig af sundhedstilstanden i besætningen og befolkningen. Til måling af skadelige bakterier anvendes en type af streptokokker, der kaldes fækale streptokokker15. Denne type af kugleformede grampositive bakterier er i sig selv uskadelig, men indeholder de samme bekæmpelsesmæssige karakteristika, som de skadelige bakterier og virusser. Derfor anvendes FS-tallet16 til at indikere mængden af sygdomsfremmende stoffer. I rågyllen kan FS-tallet være op mod 10 mio. pr. g og i den afgasset gylle er det under 5 pr. g. Dette viser, at hygiejniseringen og den efterfølgende nedbrydning i reaktorerne er en effektiv måde at sænke sygdomstrykket i husdyrbesætninger.

14 Peter Jacob Jørgensen fra planenergi, 2009 15 http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/streptokokker?highlight=streptokokker 16 Antallet af Fækale Streptokokker (Peter Jacob Jørgensen fra planenergi, 2009)

Side 20

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/streptokokker?highlight=streptokokker

http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Mikrobiologi/Bakterier_og_mikrobiologi_generelt/streptokokker?highlight=streptokokker


10 Den nuværende situationDen nuværende situation på værket som omtalt i begyndelsen af projektet, skyldes ikke stivnakke hed, de to bestyrelser imellem, eller en uvilje til udvikling og fornyelse, der kan fører til en mere bæredygtig drift af begge anlæg. Det skyldes noget abstrakt og til tider uforståeligt, nemlig lovgivningen. Den lov, der på nuværende tidspunkt, fast holder virkeligheden, som den er for de to anlæg, er bekendtgørelse af lov om varmeforsyning nr. 1184 af 14/12/2011. Denne lov om varmeforsyning er udfærdiget i 1990 og har til formål at sikre forbrugerne mod urimelig priser og uigennemskuelige tiltag fra værkernes side. Loven forskriver i § 20 stk. 13 og 14 samt § 28b stk. 4, at virksomheder ikke må udfærdige aftaler, der kan skabe urimelige priser for øvrige forbruger, der er tilsluttet samme værk samt, at en kollektiv varmeforsyning under 25MW skal drive værket på en sådan måde, at regnskabet afspejler de udgifter og omkostninger, der er i forbindelse med driften, så de lige nøjagtig kan dækkes af den pris, som opkræves af forbrugerne. Der er dog en undtagelse § 20b i før omtalte lov, der giver et værk ret til at indregne et overskud, hvis det er geotermisk17, solvarme, biomasse, biogas eller anden vedvarede energikilde, der anvendes endvidere kan klima-, energi-, og bygningsministeren fastsætte et prisloft for de pågældende virksomheder. Dette prisloft betyder, at et endeligt overskud ikke kan opnås. Problemet ved denne lov opstår, når en virksomhed der ikke er en varmeforsyning bliver underlagt loven. Dette er tilfældet i Hashøj, hvor biogassen under etableringen af anlægget er kommet ind under varmeforsyningsloven. En mulig grund til, at biogassen er omfattet af varmeforsyningsloven, bunder i den organisatoriske opbygning af de to værker og den type af transaktioner, der har været mellem virksomhederne. For ifølge varmeforsyningsloven kan de to værker opfattes som koncernforbundne virksomheder, hvilket betyder, at de begge er omfattet af loven. Dette på trods af, at biogassen og værket er to selvstændige virksomheder. Biogassen har ikke pligt til at levere en bestemt mængde gas, men skal levere den gasmængde, der kan produceres på anlægget. Biogassen er som bekendt ikke den eneste forsyningskilde. Værket sikre forsyning af varme, ved at supplering med naturgas og biomasse i form af træpiller. Uanset hvad, er biogassen underlagt varmeforsyningsloven på nuværende tidspunkt, hvilket betyder, at virksomheden ikke kan optjene en egenkapital, der er stor nok til at finansiere projekter, der kan udvide og udvikle anlægget og samtidig sikre en stabil gasproduktion. Derudover betyder loven, at varmeværket ikke kan sikre en optimal drift uden at have en nødkøler. Nødkøleren har til opgaver at fjerner den overproduktion af varme, som værket yder i sommer halvåret. Dette betyder, at nødkøleren, der har en køleeffekt på ca. 2,2MW, er i drift et sted mellem 6-8 timer i døgnet og bortkøller mellem 12-18MWh i døgnet. Den betragtelige mængde energi havner i det fri til ingen verdens nytte. Al den energi er en potentiel indkomst for et af de to anlæg og i et samfund, hvor der i stigende grad er fokus på at udnytte den energi, der er til rådighed på den mest bæredygtige måde, er det oplagt at tage fat i så stor en mængde energi og opstille senarier, der kunne udvikle til praktiske tiltag, der enten kan reducer eller helt fjerne det energi spild, som er en realitet under de nuværende driftsformer.

17 jordvarme

Side 21


10.1 Økonomi Dette betyder, at økonomien på baggrund af den nuværende situation, hvor der kun bliver fokuserede på varmeværkets indtægter og omkostninger, eftersom biogassens indtægter og udgifter ikke er påvirket af nødkølerens drift, ser ud på følgende måde. Den nuværende kontrakt mellem biogassen og værket betyder, at værket skal betale 400kr. pr. MWh. Jenbacher, der er i drift 24 timer i døgnet, har et gasforbrug på ca. 750 m3 pr. time, hvilket medfører, at den i gennemsnit omsætter 95,85 MWh biogas. Den nye Caterpillar der er i drift ca. 4 timer pr. døgn, har et gasforbrug på ca. 400 m3 pr. time. Den gennemsnitlige omsætning af biogas er derfor 30,02 MWh. Den maksimale effekt Jenbacheren kan producere er 2,2 MW og Caterpillaren yder 1,1 i maksimal effekt. De indtægter værket kan regne med er fordelt på el og varme. Indtægten på el er meget varierende, da det producerede el sælges på det frie el-marked, derfor er der antaget en middelværdi på 300 kr. pr. MWh og staten giver et tilskud på 800 kr. pr. MWh, når ellen er producerede på biogas. Indtægten, der stammer af varmesalg, afhænger af to parameter selve prisen og forbruget. Varmeprisen er fast på 0,63 kr. pr. kWh = 0,00063 kr. pr. MWh, men forbruget svinger meget hen over den periode, hvor nødkøleren er i drift. For at give et realistisk indtryk regnes der med et gennemsnits forbrug på baggrund af sommerhalvåret 2013, der er på 59,3 MWh pr. døgn. Det sidste, der indgår i regnestykket, er udgiften til drift af nødkøleren og vedligeholdelse. Omkostninger til vedligehold af maskinpakken er inddraget i varmeprisen og vil derfor ikke optræde som et selvstændigt led. Effektforbruget i nødkøleren er på 15 kW med en gennemsnitlig driftstid på 6 timer pr. døgn, og el-prisen i området er på 2,04 kr. pr. kWh. Nedenfor, er vist en udregning af, hvad den nuværende situation økonomisk, i et gennemsnits døgn, betyder for værket i sommerhalvåret.

Indtægter=el+varme

62.920 kr .døgn

=((2,2MW∗24 hdøgn

+1,1MW∗4 hdøgn )∗(300 kr .MWh

+800 kr .MWh ))+(59,3 MWhdøgn

∗0,00063 kr .MWh )

udgifter=indkøbaf biogas+drift af nødkøler

50.531,6 kr .døgn

=( (95,85+30,02 )∗400 kr .m3 )+(15 kWs ∗6 h

døgn∗2,04 kr .

kWh )Resultat=indtægter−udgifter12.388,4 kr .døgn

=62.920 kr .døgn

−50.531,6 kr .døgn

Side 22

Figur 2 arkivet HVK, Erik Lundsgaard, 2012


Som det kan ses af den meget forsimplet udregning, kan det betale sig for værket at opretholde den nuværende driftssituation, på grund af den lidt grove opstilling af indtægter og udgifter, der ikke tager højde for vedligehold af anlæg, kvadratmeter afgift og abonnementer samt genopretning efter uforudsete hændelser. Et mere realistisk billede på virkeligheden, hvor alle de ovennævnt økonomiske aspekter er taget med, kan ses på figur 2, hvor spotprisen på det frie el-marked kan illustreres. Kurverne viser rentabiliteten af de varmeproducerende enheder ved en given elpris. Anvendes samme spotpris på 300 kr. pr. MWh, kan det ses, at Jenbacheren, der er repræsenteret med den grønne linje, ved brug af biogas vil give en negativ udgift -75 kr. pr. MWh. De negative tal på y-aksen indikerer en indtægt. Det vil sige inden værket sælger varmen som fjernvarme til forbrugerne, står de allerede med et økonomisk overskud. Da det er Jenbachern, der er den enhed, der står for hovedproduktionen af varmen, kan det betale sig at sende varmen gennem nødkøleren og ud i det fri. De fire timer, hvor Caterpillaren er i drift, er fra kl. 0800 til 1200, hvor spotpriserne på el er på deres højeste, og fortjenesten på de biogas forbrugende enheder er størst.

11 Fremtidens mulige tiltagDe fremtidig tiltag er baseret på viden, der er indsamlet og indlært gennem de foregående semesters undervisning samt de forslag, synspunkter og pointer, der er opstået under dialog med mester, de ansatte og de indlejede håndværker.

11.1 VarmeforsyningslovenDen før omtalte varmeforsyningslov, der er pålagt biogassen, skal ophæves, så det bliver muligt for biogassen at opstille er regnskab med plads til henlæggelser, der kan bruges til at udbygge og forbedre det eksisterende anlæg. På nuværende tidspunkt arbejdes der allerede på at ophæve biogassens forpligtigelser over for varmeforsyningsloven. Rent faktisk er det under rapportens udførelse lykkes, for Hashøj biogas, som det første anlæg i Danmark, at få ophævet varmeforsyningsloven på et anlæg, der har været underlagt loven siden opførelsen af anlægget.

Side 23

Figur 3 Options for upgeading digeater biogas to pipeline quality, Sean Mezei from Folteck services, 2010, s. 6


12 OpgraderingDer findes forskellige principper der anvendes i opgraderingsanlæg. To af anlægstyperne vil blive beskrevet og behandlet for at give det bedste indtryk af, hvordan udfordringerne i forbindelse med opgraderingsanlæggene kan løses.

12.1 Opgraderingsanlæg med vand som rensemedie Et opgraderingsanlæg, der benytter vand som absorber, udnytter, at kuldioxid, svovlbrinte og andre polær molekyler har en større opløselighed i vand end metan. Dette betyder, at vandet ”river” kuldioxiden og svovlbrinten med, når de to medier føres sammen. Det bedste resultat opnås, når sammenførelsen sker i modstrøm. På figur 3 er der vist en oversigtstegning over anlægget. Denne opløselighed øges i takt med et stigende tryk. Det betyder at biogassen skal tryksættes inden, den kan ledes ind i bunden absorbertårnet. Tryksætningen sker i en gaskompressor, hvor trykket hæves til 10 baro. Inden eller sammenbygget med gaskompressoren skal der være en enhed, der slår fugten ud af biogassen, der har et vandindhold omkring mætningspunktet, hvis gassen føres direkte til opgraderingsanlægget efter afgang fra reaktoren. Enheden er til for at sikre kompressoren mod væskeslag. I absorbertårnet binder kuldioxid, svovlbrinte og lidt af metanen sig til vandet, der ledes ud i bunden af absorbertårnet og videre til toppen af strippertårnet. Undervejs drøvles trykket til 0,2 baro

og en luftstrøm tilføres i bunden af strippertårnet for at drive kuldioxid, svovlbrinte og metan ud af vandet og lede det til et udtag i toppen af tårnet. På grund af svovlbrinten og den smule metan, der er i afgangsluften, skal den i gennem en brænder og et svovlfilter inden udledning til biosfæren. Det, nu strippede vand, pumpes videre til toppen af absorbertårnet, hvor det atter anvendes til at absorber kuldioxid og svovlbrinte. Den nu opgraderede biogas kaldet biometan ledes ud i toppen af absorbertårnet. Biometanen har nu et metanindhold på 97 % og efter en tørring, er den klar til videre rensning eller brug. Denne form for opgraderingsanlæg er den teknologi, der er mest udbredte i verden jf. figur 4 og 5, dette på trods af, at det er et anlæg, der arbejder under tryk. Biogassen, der er relativ aggressiv på grund af svovlindholdet, vil derfor sætte særlige krav til materiale valg

Figur 4 Options for upgeading digeater biogas to pipeline quality, Sean Mezei from Folteck services, 2010, s.4

Figur 5 Options for upgeading digeater biogas to pipeline quality, Sean Mezei from Folteck services, 2010, s.4

Side 24


og pakninger, af samme grund kan det næsten ikke undgås, at vandet, der anvendes i processen, løber sur, hvis der ikke tilføres additiver. Alligevel er der en risiko for tæring ved studsen, hvor biogassen tilføres, da de fleste af tankene er af stål for at holde til trykket. En tæring, hvor der er 10 baro på den ene side og atmosfærisk tryk på den anden side, kan give ubehagelige oplevelser. Endvidere skal der anvendes noget af biogassen, biometanen eller et andet brændsel for at skabe den flamme, der forbrænder metanen, der slipper med kuldioxiden og svovlbrinten ud af strippertårnet. Af de ovennævnte grunde har Hashøj biogas valgt at indgå et samarbejde med Ammongas18 for at finde en løsning, hvor anlægget er trykløst og ikke har store omkostninger til kemikalie og brændsel til en brænder for at sikre metan udslip og emissioner.

12.2 Opgraderingsanlæg med monoethanolamin som rensemedieDenne form for anlæg er næsten udviklet til et kommercielt niveau. På nuværende tidspunkt er der kun to anlæg, som anvender dette princip. Ammongas, der er fabrikant og sælger af disse anlæg, har solgt det første kommercielle anlæg til et kommunalt fællesbiogasanlæg, der er lokaliseret i Fredrikstad i det sydlige Norge. Dette anlægs opbygning er baseret på de erfaringer, der er blevet tilegnet under det pilotprojekt, der blev fortaget i samarbejde med Hashøj biogas. På figur 6 er der vist en principskitse over anlægget.

Længst til venstre på tegningen bliver biogassen tilført. Biogassens sammensætning ved tilførsel til opgraderingsanlægget er ca. 64 % metan og 36 % kuldioxid. Den første beholder, når tegningen læses fra venster mod højre, kaldes for absorberen. Absorberen er et uisoleret tårn, der er fyldt med plast fyldlegemer. I toppen af tårnet er der placeret et udtag til biometanen, hvor den nu opgraderet biogas aftappes. Sammensætningen af gassen er nu 99 % metan og 1 % kuldioxid. Et sprinklersystem danner massiv regn i tårnet, med en 30 % emulgering af monoethanolamin og

18 Ammongas A/S | Ejby Mosevej 5 | DK-2600 Glostrup | Danmark

Figur 6 Arkivet HKV, Erik Lundsgaard, 2012

Side 25


vand, nedover fyldlegemerne. Monoethanolamin har den egenskab, at den i kold tilstand kan absorber kuldioxid. Reaktionen med kuldioxid er ligefremproportional med temperaturen. Det betyder, at temperaturen skal være så lav som muligt, for at opnår den bedste rensning. Når monoethanolamin emulgeringen har absorberet kuldioxiden, havner den i bunden af absorbertårnet, hvor et risteværk adskiller fyldlegemerne fra væskespejlet. Fra bunden af absorbertårnet pumpes blandingen af kuldioxid og monoethanolamin gennem en varmeveksler, hvis primære funktion kan betragtes som værende en economizer, der forvarmer blandingen inden sprinklersystemet i det isolerede strippertårn. I bunden af strippertårnet bliver der tilsat damp ved 155 °C, da monoethanolaminen ikke kan holde på kuldioxiden i ophedet tilstand. Kuldioxiden samt den del af dampen, der ikke er kondenseret bliver ledt ud i toppen af strippertårnet. Den resterede damp kondenseres i en kondensatbrønd og føres tilbage til bunden af strippertårnet, hvor monoethanolamin, der har frigivet kuldioxiden, også havner. I strippertårnet er der ligesom i absorbertårnet et risteværk, der adskiller fyldlegemerne fra væskespejlet. Fyldlegemerne i begge tårne har til formål at sænke hastigheden på den faldende forstøvet væske, så reaktionen med gas og damp kan nå at finde sted. Fra bunden af strippertårnet bliver emulgeringen pumpet to veje. Den ene pumpe, pumper emulgeringen gennem economizeren og videre til sprinklersystemet i absorberen og færdiggøre kredsløbet. Den anden pumpe, pumper emulgeringen til en dampgenerator i form af en varmeveksler med emulgeringskondensat på den ene side og kedelvandsdamp på den anden side. Denne anordning er fortaget for at sikre anlæggets levetid og for at undgå, at der skal fyldes vand på kedelen hele tiden, da det ikke er alt dampen, der kondenser i kondensatbrønden. Til produktion af damp er der installeret en kedel med en naturgasbrænder der er blevet modificeret, så den rå biogas kan anvendes. Den frigivende kuldioxid bliver efter kondensatbrønden ledt ud i det fri, da kuldioxid fra biogasproduktion anses for at være organisk bundet kuldioxid, der frigøres til biosfærens kredsløb. Anlægget har desuden en ekstraordinær effekt. Svovlbrinter absorberes og frigives på samme måde som kuldioxid, hvilket vil medføre, at der skal fortages en rensning af den afblæste kuldioxid. Denne egenskab blev opdaget ved et tilfælde under et utilsigtet bypass af svovlfilteret. Rensningen vil være betydelig lettere, eftersom det kun er en tredjedel af gassen, der skal behandles for at fjerne svovlen inden kuldioxiden frigives til biosfæren. På figur 7 kan det ses, at svovlen ikke er påvirket helt så kraftigt som kuldioxid ved et flow, der er højre end 250 m3 i time. Svovlen tager en del af kapaciteten for fjernelsen af kuldioxiden.


Side 26


12.3 Effektivisering/optimering Det nuværende anlæg på Hashøj biogas er et pilotprojekt beregnet til at skabe erfaring indenfor opgradering af biogas, når anlægget skal indlemmes som en del af den daglige produktion, kunne der fortages tiltag, der kunne øge effektiviteten af anlægget. Der er fire tiltag, der allerede er under overvejelse. Det første tiltag vil kunne påvirke miljøet på en positiv måde ved at gøre anlægget ”CO2-negativt” forstået på den måde, at den renset kuldioxid opsamles og anvendes til et gavnligt formål, inden den havner i biosfæren f.eks. som svejsegas eller leveres til en gartner, der anvender kuldioxid i sine drivhuse for at fremme planternes vækst. I begge tilfælde kræver det udstyr, der kan tryksætte og fylde gassen på flasker, for af muliggøre transport og anvendelse. Udstyret medfører en betragtelig investering og på nuværende tidspunkt, vides det ikke, om den opsamlede gas vil have en kvalitet, så den kan anvendes til de opstillede formål. Det andet tiltag vil være at indbygge en chilier enhed efter varmeveksleren i rørføringen, der ender i absorbertårnets sprinklersystem for af sænke temperaturen på monoethanolaminen fra 30-35 °C til 15-20 °C, da en lav temperatur på monoethanolaminen giver en bedrer absorption af kuldioxid og svovlbrinter. Den øget effektivitet af monoethanolaminen betyder, et øget flow af biogas med samme renhedsgrad som de nuværende driftsprøver indeholder. Det tredje tiltag i rækken vil være at udskifte den chilier, der er placeret mellem strippertårnet og dampgeneratoren for at sikre en hundrede procent kondensering af dampen på kedelvandssiden med en varmeveksler, hvorved det vil være muligt at ophede vand til ca. 75 °C, der kan anvendes som varmemedie i biogasprocessen eller som fjernvarmevand. Det sidste tiltag, der ikke direkte vil skabe en ændring i processen, vil være at udskifte den nuværende kedel, hvor brænderen anvender biogas, til en større kedel, der anvender biomassen i form af halm eller biometan. Grunden til, at det kan betale sig at anvende biometan, fremgår af afsnittet økonomi og konsekvenser af opgradering. Der er to grunde til at kedlen skal udskiftes: Det kommende opgraderingsanlæg bliver større en det nuværende pilotprojekt og den overskudsvarme, der kommer ud af processen, bliver sat kunstigt større, så det kan betale sig at sælge varmen som fjernvarme. Dette er kun legitimt, hvis det er en vedvarende energikilde, der anvendes til produktionen. Endvidere er det planen, at når opgraderingsanlægget er klart til at modtage biogas på et kommercielt niveau, bliver alt den produceret biogas ført gennem opgraderingsanlægget, og det nuværende svovlfilter ombygges i rørføringen, så det kun er den afgivet kuldioxid, der udgør ca. en tredjedel af den produceret biogas der føres gennem filteret. Det medfører en mere effektiv rensning af svovlen.

12.4 Lovmæssige bestemmelser og andre kravDen opgraderede biogas skal overholde de lovmæssige bestemmelser, der ligger til grund for at sikre en så ensartet gas i transmissions- og distributionsnettet. De to statsopstillede bekendtgørelser om gasreglementet, der har relevans for opgraderet biogas, er afsnit C-10 og C-12. Afsnit C-10 fastsætter de krav og regler, der skal være opfyldet af en ny gasleverandør for at kunne godkendes. Denne bekendtgørelse gør endvidere opmærksom på, at der kan være andre

Side 27


myndigheder eller virksomheder, der kan stille yderligere krav til den virksomhed, der ønsker at blive godkendt som gasleverandør. Det andet afsnit, afsnit C-12 omfatter gaskvaliteten og krav til udstyr, fastsat af sikkerhedsstyrelsen. Kapitel et i sidstnævnte bekendtgørelse fastsætter gyldighedsområde og de terminologier, hvor den pågældende bekendtgørelse finder anvendelse. Kap. 7 omhandler de specifikke krav, der er rettet mod kvaliteten på biogas, der tilføres transmissions- og distributionsnettet. De specifikke krav er, at indholdet af ammoniak < 3 mg/mn

3, iltindholdet < 0,5 mol %, kuldioxid < 3,0 mol %, siloxaner < 1,0 mg/mn

3, svovlbrinter plus carbonylsulfid < 5 mg/mn

3, koncentrationen af odorant f.eks. THT (Tetrahydrothiophene) på 10,5mg/mn

3 og merkaptaner på 4,0mg/mn3. Det totale indhold af svovl må ikke overstige

30mg/mn3. Endvidere skal umættede og aromatiske kulbrinter, vand og støv holdes på et niveau,

der ikke fører til korrosion, udskillelse af vand eller medføre fejlfunktion på efterfølgende målere, regulatorer og andre komponenter. Yderligere bestemmelser, vedrørende kvaliteten på biogas, er truffet af miljøstyrelsen eller administratoren af gasnettet. Miljøstyrelsen stiller krav til indholdet af bakterier og mikroorganismer, der udgør en helbredsmæssig risiko i forbindelse med opgraderet biogas, der tilsluttes det nationale gasnet.

På figur 8 er der vist et blokdiagram over de processer, biogassen skal gennemgå for, at den må tilsluttes gasnettet. Den første stiplede kasse omhandler de tiltag som gasreglementet og miljøstyrelsen fastsætter, den sidste stiplede kasse i diagrammet er krav som Dong distribution har fastsat for at sikre gaskvaliteten og en fornuftig drift af gasnettet. De mellemliggende faser er nødvendige for at opnå Dong distribution krav.

12.5 Økonomi & Konsekvenser af opgraderingI forbindelse med opgraderingen af biogassen til biometan opnås en kvalitet, der må blandes med gas af naturgaskvalitet. Der opstår en forskydning af både den økonomiske balance og de driftsmæssige forhold. For varmeværket betyder det, at akkumuleringstanken kommer til at får en større indflydelse på den daglige drift, forstået på den måde, at gasmotorene helst skal have driftssignal, der hvor prisen på el er størst, så varmeforbrugerne ikke oplever en markant stigning i varmeprisen, fordi varmeværket ikke længere har den samme indtægt ved salg af el til det frie


Side 28


marked. Der er ikke de sammen udgifter ved køb af biogas, og driftstimerne på motorerne vil derfor være kraftigt nedsat. For biogassen betyder det, at de kommer til at tjene penge. På nuværende tidspunkt sælger de alt gas til 400 kr. pr. MWh, når biogassen er opgraderet til biometan, kan den sælges på det frie gas-marked til de priser, Gaspoint Nordic fastsætter kursen til. Den gennemsnits pris, der kan regnes med, er pt. ca. 2,5 kr. pr. mn

3, da gassen er produceret på en vedvarende energikilde, giver staten et tilskud på 4,12 kr. pr. mn

3. Det giver en samlede gaspris på 6,62 kr. pr. mn

3. De driftsomkostninger, der er ved et opgraderingsanlæg, der anvender monoethanolamin, som absorberingsmedie, er på 0,5-1,0 kr. pr. mn

3 produceret gas. Det medfører, at den reelle indtægt på biometanen er på 5,62 kr. pr. mn

3, hvor driftsomkostningerne er største. Den nedre brændværdi på biometan er sat til 10 kWh pr. mn

3, for at sammenligne de to priser på henholdsvis biogas og biometan omregnes prisen fra kr. pr. mn

3 til kr. pr. MWh.

562 kr .MW h

=

5,62 kr .mn

3

10 kW hmn

3

∗1000 kW hMW h

162 kr .MW h

=562 kr .MW h

−400 kr .MW h

På baggrund af den ovenstående udregning kan det ses, at der er en forskel på 162 kr. pr. MWh, så det er altså mere profitabelt at sælge biometanen til Dong distribution, end at opretholde en forbindelse til Hashøj kraftvarmforsyning. Af samme grund er der skrevet kontrakt, bestyrelserne imellem, af de to anlæg skal forsætte samarbejdet. Holdningen er, at de to anlæg følges ad uafhængigt af ekstraordinær produktions og salgs muligheder. De vil på biogassen gerne øge produktionen, så den gennemstrømmende mængde af substrat, der effektivt afgasses, går fra de nuværende ca. 320 m3 pr. døgn til 600 m3 døgn, for at sikre en overproduktion af gas hele året rundt, så opgraderingsanlægget ikke kun finder anvendelse om sommeren. Den før omtalte ide, at den nye kedel skulle gøre pilotopgraderingsanlægget klar til kommercielt brug, hvor kedlen skal bruge biometan som brændsel, kan forklares ved at se på Gaspoint Nordics priser ved køb af gas. Den gennemsnitlige købspris for gas er 270 kr. pr. MWh. Ved at producere biogas og opgradere gassen til biometan, der sælges på det frie gasmarked, kan de købe lidt af den igen med fortjeneste - se udregning nedenfor.

overskud=slagspris−opgradering−købspris2,92 kr .MWh=6,62 kr .

MWh−1,00 kr .

MWh−2,7 kr .

MWh

På trods af et overskud vil det ikke være en løsning, der finder indpas, eftersom det andet alternativ er halm. Det er billigere at anskaffe, eftersom mange af bønderne, der er tilknyttet anlægget, også kan leverer halmen. Det vil tillige give et bedre omdømme til biogassen at anvende halm, hvorved den anden metode kan give det indtryk, at statsstøtten udnyttes.

Side 29


13 Konklusion Efter en vellykket praktik og gennem den efterfølgende rapportskrivning kan det konkluderes, at der er opnået et større kendskab til de tekniske og praktiske aspekter inden for produktion af biogas. Under udførelsen af rapporten, er der indsamlet samt behandlet materiale og viden. der giver en overordnet, men bred forståelse for de processer, som de tilførte organiske stoffer, gennemgår under produktionen af biogas. Endvidere har det skriftlige projekt givet svar på, hvorfor nogle af driftsparametrene på biogassen skulle bringes i orden med det samme, mens andre kunne stå ukorrekt i dage uden den store betydning. Med hensyn til det miljømæssige forhold, hvor biogasprocessen har en række fordele i form af bæredygtig genanvendelse frem for andre vedvarende energikilder. F.eks. træ, der tager lang tid at gro, halm, der fjerner næringsstofferne fra landbrugsjorden, der så må tilføres igen i form af handelsgødning der kræver energi at fremstille. Det teoretiske arbejde med opgraderingsanlæg har givet anledning til en videbegærlighed i forbindelse med den praktiske erfaring inden for opgraderingsanlæg. Problemstillingen ved den nuværende driftsform, som er belyst i denne opgave, kan løses på en drift- og samfundsøkonomisk måde ved at opgrader biogassen til biometan i et opraderingsanlæg. Tilsluttes opgraderingsanlægget gasnettet kan gassen anvendes på et hvilket som helst sted, der har en forbindelse til gasnettet. Løsningen på et problem skaber ofte et nyt, for at driften skal kunne opretholdes på en fornuftig måde, skal der findes en løsning, hvor akkumuleringstanken og gasmotordriften sammenholdes af en styring, der går op i en højre enhed. Staten giver tilskud til energiproduktion, når den er baseret på en vedvarende energikilde. Uden statsstøtten vil der være større udfordringer ved etablering af et anlæg, der drives på en forbrugervenlig måde. Det vil heller ikke være et rentabelt modstykke til kul og olie.

14 Perspektivering

14.1 Potentialet i biogasFor at udnytte potentialet i et opgraderingsanlæg skal der være et potentiale i biogas. Både hvad angår opnået metan procent i de enkelte produkter, der anvendes som substrat, og mulighederne for at skaffe produkterne. De enkelte kilder til biomasse har forskelligt potentiale på begge punkter, og gasudbyttet afhænger ikke kun af produkterne, men også temperatur og opholdstiden i reaktoren har en væsentlig betydning. Endvidere kan sammensætningen af biomassen have en positiv eller negativ virkning på biogasproduktionen. Rent sukker eller fedt har et stort potentiale, men kan ikke forgasses alene, da de to produkter ikke indeholder den korrekte koncentration af mikro- og makronæringsstoffer, der skal til for, at biogasprocessen kan forløbe kontinuerligt. En blanding af biomasserne er derfor nødvendig og kan medføre en synergetisk effekt, hvor udbyttet af gas er større end summen af enkeltpotentialer. Den modsatte effekt kan også forekomme. De fire materialegrupper, der danner de største potentialer for biogasproduktion, er husdyrgødning, industriaffald, spildevandsslam og energiafgrøder. De tre, der er i brug, er husdyrgødning,

Side 30


industriaffald og spildevandsslam. På trods af, at husdyrgødning er den største uudnyttet ressource, der findes, anvendes der i dag kun 1,2 mio. m3 pr. år til biogasproduktion, det udgør ca. 4-5 % af den årlige produktion. At opnå en udnyttelse, svarende til 100 % vil ikke være muligt eller rentabelt, alligevel ligger der et stort potentiale i husdyrgødningen. Industriaffaldet, der omsættes til biogas, skønnes ifølge energistyrelsen at være på ca. 350.000 tons pr. år og stammer hovedsaligt fra fødevareindustrien og slagterier o.l.. Brugen af organisk industriaffald er en effektiv og bæredygtig genanvendelse ressource, da det organiske stof omdannes til energi og næringsstofferne recirkuleres. Organisk industriaffald indeholder en stor gasmængde ved forgasning under anaerobe forhold. Biogasanlæggende modtager ofte penge for at behandle industriaffaldet, af samme grund er potentialet i industriaffald næsten fuldt udnyttet, og import af affald er allerede i dag en realitet. Den sidste af de tre materialegrupper, der finder anvendelse, er spildevandsslam, der ofte afgasses på rensningsanlæggene. En mere effektiv forgasning vil kunne udføres, hvis slammet transporteres til et biogasfællesanlæg, da rensningsanlæggene ikke kan opretholde de rette mikro- og makronæringsstoffer i deres reaktor på grund af en for ensartet substrat. Den banale grund til, at slammet ikke transporteres til et fællesanlæg er, at producenterne i f.eks. fødevareindustrien ikke tillader, at produktionsarealet tilføres afgasset biomasse, der kan indeholde rester af slam uanset om biomassen overholder alle miljømæssige krav. Der er ingen logisk eller faglig forklaring til dette krav. Årsagen er, at slam er en negativt betonet udtryksform, og fødevareproducenterne frygter, at det kan medføre, at forbrugerne reagerer på en irrationel måde, så der opstår en forbrugerboykot. Fødevareproducenterne tør ikke løbe risikoen. Den fire materialegruppe, der på nuværende tidspunkt er uudnyttet, er energiafgrøder, der vinder stører interesse i takt med øget fokus på at skabe et samfund, hvor grøn energi er omdrejningspunktet. Som energiafgrøder kan næsten alle dyrkelige afgrøder eller afgrøderester anvendes f.eks. roe- eller kartoffeltoppe. Kravet til afgrøderne er blot, at de skal være let omsættelige, det vil sige, at afgrøder med er højt indehold af lignin f.eks. risskaller og træarter ikke er velegnet. Dyrkningen af de anvendelige energiafgrøder kan ofte forgå på en mere miljørigtig måde end de traditionelle afgrøder. En vedvarende græsart, der er flerårig, kan mindske problemet med udvaskningen af kvælstof på miljøfølsomme arealer og anvendes bælgplanter f.eks. kløvergræs, lucerne, hestebønner o.l., opnås endnu en fordel i form af planternes evne til kvælstoffiksering, der tilfører kvælstof til jorden. Det endelige potentiale i energiafgrøder afhænger af det areal, der udlægges til formålet. I forbindelse med energiafgrøder opstår et etisk dilemma, der bygger på, at man i en sulten verden ikke skal anvende agerjord til dyrkning af energiafgrøder. Dette dilemma har den danske befolkning forholdt sig til før. Rent historisk vil det ikke være førstegang, at agerjord bruges til dyrkning af energiafgrøder. For 60-70 år siden blev 20 % af landbrugsjorden i Danmark brugt til at skaffe foder til datidens veludbygget transportsystem: hesten. Dengang var der ikke overflod af fødevarer til befolkningen, som der er i dag. Den mængde biogas, der produceres i dag dækker ca. 5-7,5 ‰ af det nuværende energiforbrug. På figur 9 er der vist en oversigt over de forskellige substrater, der blev anvendt til produktion af

Side 31


biogas i år 2004, samt den energimængde hver materialegruppe kunne levere. Den samlede mængde af energi er på 3,82 PJ eller 1,06 TWh. Tabellen viser samtidig et skøn over de potentialer, der ligger i hver gruppe af substrat. Antages det, at skønnet for potentialerne er korrekte, vil en fuld udnyttelse af ressourcerne give et energiudbytte på 53,0 PJ eller 15,56 TWh, svarende til 6-11 % af det samlede energiforbrug. De forudsætninger, der er opstillet for, energiafgrøder er, at de 5 % af landbrugsjord, der anvendes, har udbyt på 10 tons pr. ha., hvor den organiske biomasse udgør 90 % af substratet, som afgiver 0,35 m3 pr. kg biogas ved forgasning. Ved et tænkt eksempel, hvor der opstilles ligende forudsætning ved potentialer i de enkelte materialegrupper, med et anvendte landbrugsareal til energiafgrøder på 20 % som for 60-70 år siden, giver det et energiudbytte på 103,7 PJ eller 28,81 TWh. Den energimængde kan dække 21,35 % af energiforbruget i Danmark eller 76,8 af det energiforbrug, der er i transportsektoren.

Figur 9 Biogas grøn energi, Peter Jacob Jørgensen fra planenergi, 2009, s. 25

Side 32


15 Litteraturliste/kilder

15.1 BøgerForfatter Udgivelse Titel Energistyrelsen 1995 Biogasfællesanlæg fra ide til realitet

Jay Cheng 2010 Biomass to renewabel energy procersses

Judu D. Well, Caroline S. Herwood and Arnold Demain

2008 bioenergy

Peter Jacob Jørgensen fra planenergi 2009 Biogas grøn energiSean Mezei from Folteck services 2010 Options for upgeading digeater

biogas to pipeline quality

Uffe Jørgensen, Peter Sørensen, Andres P. Adamsen og Inger T. Kristensen

2008 Energi fra biomasse

15.2 WebsitesLinke Tilgået Ammongas.dk 5/11-2013Bekendtgørelse af lov om varmeforsyning 1184/2011 18/10-2013Bekendtgørelse om gasreglementets afsnit C-12 bestemmelser om gaskvalitet 1264/2012

31/10-2013

Den store danske → denitrifikation 5/11-2013Den store danske → lignin 18/11-2013Den store danske → streptokokker 18/11-2013Den store danske.dk → ATP-molekyler 24/10-2013Den store danske.dk → C/N-forhold 29/10-2013Epa.gov 5/11-2013Gasmoterbekendtgørelsen 1450/2012 31/10-2013Lemvigbiogas.com 24/10-2013Students.chern.tun.nl → High pressure water serubber 18/11-2013Viderskab.dk/miljø-naturvidenskab/biomasse-til-energi-har-stort-potentiale 24/10-2013Wikipedia.org/siloxan 6/11-2013Wikipedia.org/svovlbrinte 31/10-2013Wikipedia.org/tetrahydrothiophene 6/11-2013

15.3 Anden videnKontaktperson Periode Titel Erik Lundsgaard 1992-2013 Direktør John Hansen 2007-2013 Driftsassistent Jørgen Pedersen 1999-2013 Driftsassistent

Side 33

Documents

Biogas & opgradering - Aarhus Maskinmesterskole …campus.aams.dk/pluginfile.php/3581/mod_data/content/2554... · Web viewBiogas er den gas, der naturligt dannes, når organisk stof