Vi kan se utifrån studien att knivkvarnar har en högre energieffektivitet jämfört med andra sönderdelningsmetoder som exempelvis hammarkvarnar. Detta visar sig i resultatet genom att den optimala partikelstorleken för knivkvarnen är cirka 0,26 mm vilket är avsevärt mycket mindre jämfört med den för hammarkvarnen på cirka 1,59 mm, samtidigt blir den totala energin erhållen från biogasprocessen nästan 5 % högre vid användning av knivkvarn. Dock kan hammarkvarnar vara fördelaktiga för att få en mer driftsäker process genom att de är mer robusta och därmed har en mindre risk att gå sönder. Rimligheten i att sönderdela substrat till
25
en så liten partikelstorlek som 0,26 mm kan dock ifrågasättas om detta jämförs med andra studiers resultat. Exempelvis så menar Sharma et al (1988) att sönderdelning till
partikelstorlekar under 0,4 millimeter bör vara olönsamt och Montgomery och Bochmann (2014) rekommenderar en partikelstorlek mellan 1 och 2 mm för substrat med hög andel lignocellulosa för att få en effektiv hydrolys. Hammarkvarnens optimala partikelstorlek kan även den ifrågasättas om informationen från känslighetsanalysen i det tidigare kapitlet inkluderas.
Däremot är varken kniv- eller hammarkvarnar lämpliga sönderdelningsmetoder för substrat med hög fuktighet då energiförbrukningen drastiskt ökar. I detta fall skulle substratet antingen behöva torkas, blandas upp med ett torrare substrat först eller så kan tekniker som exempelvis diskkvarnar vara lämpligare. Vid användning av knivkvarnar som sönderdelningsmetod skulle det kunna vara lämpligt att implementera sätt att sortera bort oönskade material för att
motverka risken att knivkvarnen går sönder exempelvis genom användningen av magneter eller något matningssystem som upptäcker dessa. Dock behöver det inte vara en enskild teknik som är det bästa alternativet för sönderdelning av biomassa utan en kombination utav olika tekniker skulle kunna vara energimässigt mer lönsam. Exempelvis är de olika
kvarnmetoderna sämre lämpade för att sönderdela stora material varför någon slags initial sönderdelning kan vara lämplig förslagsvis med någon typ av shredder. En uppdelad
mekanisk sönderdelningsprocess skulle också kunna göras mer driftsäker genom att den första delen av sönderdelningen görs extra stryktålig med mekanismer som stoppar processen om stenar eller liknande åker in i sönderdelaren.
De kemiska, termiska och biologiska sönderdelningsmetoderna har sina fördelar när det kommer till sönderdelning och förbehandling av biomassa bland annat genom att ge möjlighet till att styra kemiska faktorer som pH i utgående biomassa, ge en initial uppvärmning av biomassan eller genom att hygienisera substratet. Problematiken med dessa metoder ligger i att de ofta är mer komplicerade med högre investeringskostnad än de mekaniska
sönderdelningsmetoderna varför deras lämplighet för småskalig biogasproduktion kan ifrågasättas. Dessutom kan de vara svåra att implementera för det generella fallet eftersom tillgång till exempelvis kemikalier eller enzymer kan variera stort beroende på geografisk position.
6.3 Biogasprocessen
I de experimentella försök där data över biogasutbyte hämtats så användes en rötningstid på 8 veckor vilket är en lång rötningstid jämfört med vad som vanligtvis används. En uppehållstid för den, vanligt förekommande, mesofila processen är vanligtvis 10 till 30 dygn. Detta kan ha en viss påverkan om resultatet av denna rapport ska implementeras på en biogasanläggning med kortare uppehållstid än 8 veckor eftersom sönderdelningen har en större påverkan på biogasutbytet under de första veckorna av rötningen och minskar allt eftersom bakterierna bryter ned materialet. Även mängden lignin och cellulosa, tillsammans med angreppsytans storlek har en stor påverkan på rötningstiden. Det är alltså mer effektivt med en mindre partikelstorlek för en anläggning som önskar en kort rötningsprocess. Att sönderdela substrat med låg densitet, såsom halm, har också betydelse för att motverka skiktbildning i
rötkammaren. Halm har initialt mycket luft i sig men genom finfördelning blir substratet mycket mer kompakt och densiteten ökar. Sönderdelning leder således till att substratet i rötkammaren blir mer homogent vilket leder till en förbättrad rötningsprocess.
Den studie som lät röta halm och som rapportens resultat bygger på gav en metanhalt på omkring 60 % vid rötning vid kontrollerade förhållanden i laboratoriemiljö, resterande andel
26
biogas var främst koldioxid. Det är tänkbart att den producerade biogasens metanhalt för gårdsanläggningar kan vara en aning lägre men det beror även på vilka substrat som rötas med halmen. För rötning av halm visades inga stora förändringar i metanhalten av den producerade biogasen kopplat till vilken partikelstorlek som lät rötas. Det går dock inte att dra den
slutsatsen om andra substrat då de kan ha andra egenskaper än halm, även andra
sönderdelningsmetoder än det som användes i experimentet kan ge andra metanhalter då olika metoder har olika påverkan på substrats struktur.
I den data som används i resultatet har de experimentella försöken rötat substrat i en kammare med TS-halt på 8 %. Denna halt är vanligt förekommande och ligger inom spannet för vad som brukar kallas våtrötning. Vid mycket små partikelstorlekar, runt 0,7 mm och nedåt, har TS-halten visat sig spela en stor roll för rötningsprocessens effektivitet. När dessa partiklar har tillåtits rötas vid högre TS-halt, omkring 25 %, har det visat sig ge en stor
effektivitetsförlust då avsevärt mindre mängder metan bildas jämfört med rötning med en TS-halt på 15 %. Det är därmed olämpligt med torrötning om substratet sönderdelas så pass mycket att partiklarna når storlekar mindre än 1 mm.
Resultatet tyder på att sönderdelning av substrat innan rötning kan leda till en betydande effektivisering av den småskaliga biogasprocessen. Effektiviseringar som dessa leder till en ökad ekonomisk lönsamhet för detta system vilket skapar ekonomiska incitament för
investeringar och fortsatt utveckling. Det kan i sin tur möjliggöra för gårdar att implementera en mer cirkulär produktionskedja genom att utnyttja sitt avfall till att producera energi
antingen för eget bruk eller till försäljning. En utbredd spridning av detta kommer även skapa förutsättningar för att allt mer av de fossila bränslena kan bytas ut mot biogas samtidigt som vi hanterar resurserna på ett mer effektivt sätt, vilket leder till hållbar utveckling.
Implementering av småskalig biogasproduktion på bondgårdar kommer även potentiellt leda till en ökad arbetsbörda för bonden. Samtidigt kommer detta leda till en ökning av
komplexiteten för bondgården som system vilket innebär att det finns fler komponenter som kan gå sönder och moment som kan gå fel. Risken blir då att denna möjligen ökade
arbetsbörda samt ökade antal orosmoment för bonden leder till en socialt ohållbar situation för bonden personligt. Samtidigt kan situationen bli omvänd om biogassystemet fungerar bra och leder till ekonomiska vinster så bonden exempelvis kan anställa ytterligare personal. Det är även tänkbart att en gård som i hög grad är självförsörjande i värme, bränsle eller elektricitet från en egen biogasanläggning blir beroende av att anläggningen regelbundet fortsätter producera gas. Skulle produktionen av någon anledning minska eller upphöra kan det bli kostsamt att, från andra källor, ersätta dessa energibehov.
27 7 Slutsats
Utifrån studien har en rad olika kriterier identifierats kopplade till hur partikelstorleken påverkar biogasutbytet. Dessa handlar till stor del om substratets egenskaper där några av de viktiga är substratets fuktighetshalt, dess strukturella uppbyggnad och allmänt hur en minskad partikelstorlek av substratet påverkar biogasutbytet. Beroende på renheten av det ingående substratet från oönskat material som stenar så sätts även olika krav på robustheten av sönderdelningstekniken. Det spelar en stor roll vid valet av sönderdelningsteknik och hur försystemet i allmänhet behöver vara uppbyggd för att få en fungerande process. Hur lång uppehållstid substratet har i rötkammaren är en annan faktor som spelar roll eftersom en initial sönderdelning har en större påverkan vid kortare uppehållstider och även ser till att en större andel av substratet rötas. Ett annat kriterium kopplat till rötkammaren som kan ha en betydande påverkan på biogasutbytet är TS-halten, detta eftersom studier har visat på en kraftig sänkning av biogasutbytet när en liten partikelstorlek kombineras med höga TS-halter.
De substrat som funnits vara vanligt förekommande kopplade till lantbruk är främst gödsel samt olika former av biomaterial som blast, bortsorterade grödor och halm. Just halm identifierades som ett substrat med mycket outnyttjad potential när det kommer till sönderdelning eftersom det är ett vanligt förekommande material i många gårdsmiljöer samtidigt som det är ett substrat som gynnas markant av sönderdelning.
De tekniker som är tillgängliga för sönderdelning av biomaterial kan delas in i: Mekanisk sönderdelning, termisk sönderdelning, kemisk sönderdelning och biologisk sönderdelning. De tre sistnämnda ansågs dock antingen för kostsamma, avancerade eller tidskrävande för att vara effektivt applicerbara i en mindre skala varför rapporten främst undersökte de mekaniska sönderdelningsmetoderna.
Denna undersökning jämförde mer specifikt knivkvarnens och hammarkvarnens
energieffektivitet vilket tydligt visade att knivkvarnen med den optimala partikelstorlek på 0,26 mm ur en energisynpunkt var avsevärt bättre än hammarkvarnen som hade den optimala partikelstorleken 1,59 mm. På grund av osäkerheter framförallt från den data som studien baserar sig på så kan sönderdelning till dessa partikelstorlekar ifrågasättas. Men det tyder ändå på att sönderdelning till partikelstorlekar kring 0,5 mm kan vara rimlig vid användning av en knivkvarn och att hammarkvarnens optimala partikelstorlek är avsevärt större, speciellt med hänsyn till känslighetsanalysens resultat. Med tanke på att metanutbytet i faktiska biogasanläggningar rimligtvis kan vara lägre än i laboratoriefallet blir hammarkvarnens känslighetsanalys högst relevant varför en något större partikelstorlek på omkring 2 mm kan vara optimal. Dock räcker det inte bara att titta på vilken teknik som är energieffektivast utan en avvägning behöver ske mellan energieffektivitet, robusthet och förmåga att sönderdela substrat med hög fuktighetshalt.
Det blir dock ytterst viktigt att effektiviseringar som dessa sker för att biogas ska kunna fortsätta ta andelar av bränsle- och energimarknaden samt möjliggöra biogas att uppnå sin potential att få en viktig roll bland framtidens energikällor.
28 8 Förslag till fortsatta studier
I följande kapitel presenteras förslag till fortsatta studier för att undersöka relationer mellan sönderdelning av substrat och ett erhållet gasutbyte. Dessa förslag grundar sig på olika problem, avgränsningar men även idéer och tankar som uppstått under arbetets gång som på grund av tids-, resurs- och informationsbrist inte har undersökts.
Partikelstorlekens påverkan på omrörning och uppvärmning har nämnts i olika studier men eftersom det finns flera olika metoder för omrörning och uppvärmning samt eftersom
påverkan från detta har antagits relativt liten i sammanhanget har denna rapport inte behandlat detta område. TS-halten är en egenskap hos substrat som blir viktig när det kommer till omrörning och transport men det går inte att direkt se kopplingar mellan partikelstorlek och TS-halt. För att göra en bättre modell över energiförbrukning för sönderdelning och
energivinst i form av metanutbyte kan följande undersökas: Hur olika omrörningsteknikers energibehov samt hur uppvärmningsbehovet i rötkammaren beror på partikelstorleken för vanligt förekommande substrat.
Rapportens fokus har varit att undersöka hur metanutbytet ökar med mindre partiklar för substratet halm samt energiförbrukningen för att nå dessa partikelstorlekar. Halm har
undersökts för att det är ett substrat som har visats vara en outnyttjad resurs med stor potential för effektiviseringar genom sönderdelning. Dock finns det andra substrat som också kommer användas på gårdsanläggningar. Därför är det intressant att undersöka andra substrat såsom halm-gödselblandningar från djupströbäddar, blast och bortsorterade grödor från bondgårdar samt avfall från hushåll och livsmedelsindustrin.
Hur uppbyggnaden av ett generellt och småskaligt, optimalt fungerande sönderdelningssystem mer specifikt ska se ut skulle vara mycket intressant att undersöka vidare. Vilken teknik eller kombination av olika tekniker som blir lämplig för att kunna hålla en hög energieffektivitet samtidigt som krav på robusthet för att hantera oönskat material och hantera olika
substrategenskaper såsom förändringar i fuktighetshalt. Att undersöka djupare hur
förutsättningarna förändras vid uppskalning av systemet är ytterligare ett område av intresse för framtida studier.
29
Källförteckning
Andersson, Håkan et al., (2009). Gårdsbiogashandbok. ISRN SGC-R-206-SE
Bioenergiportalen (2009) Våtrötning http://www.bioenergiportalen.se/?p=3135&m=1639 (Hämtad 2018-03-20)
Bitra, Venkata S. P. et al., (2009) Direct measures of mechanical energy for knife mill size reduction of switchgrass, wheat straw, and corn stover. DOI:10.1016/j.biortech.2009.07.069 Brännlund, Runar & Kriström, Bengt. (2012). Miljöekonomi. ISBN: 978-91-44-08086-4 Carlsson, My & Uldal, Martina. (2009). Substrathandbok för biogasproduktion. ISRN SGC-R-200-SE
Delgenes, J.-C. et al., (2013). Dynamic effect of total solid content, low substrate/inoculum ratio and particle size on solid-state anaerobic digestion. Bioresource Technology 144 (2013) 141–148
Edström, Frida & Niemi Hjulfors, Lena. (2017). Utvärdering av gödselstödet. 2015–2016.
Rapport 2017:11
Energimyndigheten. (2006). Ekonomiska styrmedel i miljöpolitiken. ISBN 91-620-5616-6 Energimyndigheten. (2017). Produktion och användning av biogas och rötrester år 2016. ES 2017:07
Eriksson, Ola. (2010). Environmental Technology Assessment of Natural Gas Compared to Biogas, In: Natural Gas, Primoz Potocnik (Ed.), ISBN: 978-953-307-112-1
Farrington, John & Kuhlman, Tom. (2010). What is sustainability? Sustainability (2) 3436-3448
FN. (2016). The Sustainable Development Goals Report, 2016.
Glavic, Peter & Lukman, Rebeka. (2007) Review of sustainability terms and their definitions.
Journal of Cleaner Production 15 (2007) 1875-1885
Izumi, Kouichi. et al., (2010). Effects of particle size on anaerobic digestion of food waste. Int Biodeterior Biodegr 2010;64:601–8
Jedrczak, Andrzej & Królik, Dariusz., (2007). Influence of paper particle size on the efficiency of digestion process. Environ Prot Eng 2007;33(2):145–55
Jørgensen, Peter Jacob., (2009) Biogas – green energy ISBN: 978-87-992243-2-1 Kates, Robert. W., Parris, Thomas. M., & Leiserowitz, Anthony. A. (2005). What Is
Sustainable Development? Goals, Indicators, Values, and Practice. Environment – Science and policy for sustainable development. April 2005.
Kratky, Lukas & Jirout, Tomas., (2010). Biomass Size Reduction Machines for Enhancing Biogas Production. DOI: 10.1002/ceat.201000357
30
Lindmark, Johan. Leksell, Niklas. Schnürer, Anna. Thorin, Eva., (2011). Effects of mechanical pre-treatment on the biogas yield from ley crop silage.
DOI:10.1016/j.apenergy.2011.12.066
Montgomery, Lucy F. R. & Bochmann, Günther., (2014) Pretreatment of feedstock for enhanced biogas production. ISBN 978-1-910154-05-2
Naturvårdsverket. (2013). 2050, Ett koldioxidneutralt Sverige. ISBN: 978-91-620-8608-4 Nordberg, Ulf., (2006). Biogas - nuläge och framtida potential. ISSN 1653-1248
Norin, Erik., (2007). Alternativa hygieniseringsmetoder. ISRN SGC-R-179-SE Olsson, Henrik., (2014). Utvärdering av viskositet och omrörningsmetoder vid gårdsbiogasanläggningar. Institutet för Jordbruks- och Miljöteknik.
Persson, Margareta., (2003). Utvärdering av uppgraderingstekniker för biogas. ISSN 1102-7371
Sharma, Sudhir K. et al., (1988). Effect of Particle Size on Biogas Generation from Biomass Residues. Biomass, (17), pp.251-263
Starberg, Katarina. Karlsson, Bernt et al., (2005). Problem och lösningar vid processoptimering av rötkammardriften vid avloppsreningsverk. VA-forsk.
Sundin, Anna Maria., (2008). Disintegration of sludge – a way of optimizing anaerobic digestion. In: Proccedings of the13th European biosolids and organic resources conference, November 10–12, Manchester, UK.
Tillman, L. M., Lee, Y. Y., Torget, R., (1990). Effect of Transient Acid Diffusion on Pretreatment/Hydrolysis of Hardwood Hemicellulose. Applied Biochemestry and Biotechnology, (24), pp 103-115
WWF. (2017). Konsekvenser Klimatförändringarna. http://www.wwf.se/wwfs-arbete/klimat/konsekvenser/1124276-konsekvenser-klimat (Hämtad 2018-02-05)
TRITA TRITA-ABE-MBT-18173
www.kth.se