Sammanställning av resultat - Energianalys komplett biogassystem

Vid sammanställningen av tidigare projekt och studiernas resultat gjordes beräkningarna i Microsoft Excel. Detta för att som komplement till Saldarriagas tidigare beräkningar för uppgraderingsprocessen kunna bidra till en helhetsbild över energibehovet hos en fullt fungerande småskalig gårdsbaserad biogasanläggning, se figur 11. Excel filen är uppbyggd för att utifrån antal kor beräkna den årliga energiförbrukningen för biogasanläggningens huvudsakliga delsystem. Vid val av antal kor kommer gårdsdata, med hjälp av tidigare arbeten, att beräknas och ett genomsnittligt biogasutbyte för substraten i rötkamrarna fastställs. Genom applicering av biogasflödet i Saldarriagas modell kan energibehovet för uppgradering beräknas och implementeras som indata, mörkblå markering. Resterande indata beräknas utifrån Emilsson och Buhrgards (2019) arbete och beror på antal kor, beskrivet i resultatdelen ovan. I figur 11 går det att avläsa den totala energiförbrukningen hos biogasanläggningen. Ett resultat på ca 44 kWh eller 385 MWh/år presenteras baserat på gårdens storlek och antal kor.

Figur 11 Sammanställning av data, bild på Excel dokumentets resultat för delsystemen

Uppgraderingen av biogasen står för över hälften av den årliga energiförbrukningen och blir ur ett energi- och ekonomiskt perspektiv det dyraste delsystemet. Men eftersom större delen av dess energiförbrukning är intern i form av biogas så går det att diskutera hur krävande uppgraderingen egentligen är ur ett energiperspektiv. Tanken bakom den gårdsbaserade biogasanläggningen är att den uppgraderade metangasen ska innehålla tillräckligt hög halt metan för att kunna driva fordon men inte vara fullt uppgraderad till kommersiell standard, detta för att spara kostnader. Eftersom beräkningarna i denna rapport baseras på en kontinuerlig produktion av uppgraderad biogas till metangas så speglar även energiförbrukningen detta.

Alternativ för användning av CHP-enheten för att enbart producera elektricitet och värme har i Emilsson och Buhrgards arbete analyserats och ger bra indikationer på ett självförsörjande elnät hos en småskalig gård. Eftersom ett överskott av producerad el går att sälja tillbaka till elnätet så finns en alternativ inkomstkälla hos gården vid övergång till elproduktion under förhållanden där eventuellt överskott av metangas finns tillgängligt. Behovet av biogas växlar under året medan biogasproduktionen är mer eller mindre konstant så blir det aktuellt att även sälja av gasen, antingen uppgraderad eller inte, till antingen de som är i behov av värme eller möjligtvis en större aktör som själv uppgraderar biogas till fordonshaltig metangas.

5 Känslighetsanalys

I följande avsnitt presenteras en känslighetsanalys som utgår från hur de antaganden som gjorts kan ha påverkat resultatet.

Omrörningsmekanismen är som tidigare nämnt baserad på en teoretisk analys då den är under utvecklingsprocessen av IMB AB och i dagsläget inte finns. Detta gör att modelleringen av omrörningsmekanismen är av en högre grads osäkerhet. Eftersom resultaten baseras på denna teoretiska modell kan det därför förekomma ett annat värde på energiåtgången i verkligheten när en fysisk modell testats.

I uppgradering används till stor del energi från egenproducerad biogas, av så kallad rå biogas. Det går även att välja uppgraderad biogas men eftersom den har genomgått uppgradering för att kunna användas så kommer dess energinetto troligen att understiga det som fås ut vid användning av rå biogas. Därför kommer resultatet påverkas om man väljer uppgraderad biogas istället för rå biogas och kommer då leda till en högre energikonsumtion.

Parametrar som kan komma påverka resultaten är de ingående substraten till rötkamrarna. Antaganden har gjorts utifrån ett kontinuerligt flöde av avföring och halm och dessa värden kan ändras under året. Vid eventuella förändringar av ingående data på 20% upp och ner påverkas resultatet i form av en total årlig energiförbrukning på 411 respektive 357 MWh. Vid jämförelse med den normala energiförbrukningen skiljer det sig med 26 MWh mer eller 28 MWh mindre vilket ses som en rimlig påverkan på systemet utifrån ändringarna.

Ytterligare en parameter som kan påverka resultaten är omvandlingsfaktorn för biogas som enligt litteraturen har angetts till 200 Nm3/ton VS avföring. Detta värde valdes utifrån brist på

sammanhängande data och har visat sig variera mellan 100–300 Nm³/ton VS. Beroende på

förhållanden i rötkamrarna och innehåll i avföring kan biogasutbytet variera och därför beaktas två möjliga scenarier där biogasutbytet utifrån mängd avföring varierar med 50%. Vid ett utbyte på 100 respektive 300 Nm³/ton VS avföring resulterade detta i en årlig minskning på 13 MWh

respektive en ökning på 12 MWh, en ändring som härstammar från energikraven vid uppgradering av biogasen utifrån det dagliga flödet.

6 Hållbarhetsanalys

Implementeringen av ett gårdsbaserat biogassystem kan analyseras ur ett miljömässigt, ekonomiskt och socialt hållbarhetsperspektiv.

Ur ett ekonomiskt perspektiv används restprodukter från gården för framställning av biogas, av restprodukterna produceras fordonsbränsle och elektricitet. Restprodukterna från framställningen av biogasen kan användas som gödsel och det skapas en cirkulär ekonomi för gården. Detta är gynnsamt för gården, däremot står det inte helt klart att gården kan bli självförsörjande. Ytterligare implementeringar eller ändringar av den nuvarande processen kan därutöver gynna den ekonomiska hållbarheten för gården.

Utifrån det miljömässiga perspektivet är det precis som för det ekonomiska perspektivet positivt att gården tar hand om de egna restprodukterna och kan förvandla restprodukterna till något användbart, som fordonsbränsle eller elektricitet. Gården tar då hand om en del av koldioxidutsläppen som annars släppts ut vid förbränning, genom att framställa biogas vilket har en positiv påverkan på växthuseffekten. Biogasen som framställs bidrar även till en renare, mindre koldioxidtät, luft genom att inte använda fossilt bränsle för att driva maskiner på gården utan istället använda biobränslet och elektriciteten som skapats. För uppgraderingsenheten är tanken att använda en kommersiell generator för rå biogas, vilket kan leda till att delar i generatorn behöver bytas oftare. Rå biogasen sliter mer på generatorn än vad uppgraderad biogas hade gjort vilket är negativt ur ett miljöperspektiv då delar kommer behöva bytas ut oftare.

Det sociala hållbarhetsperspektivet främjas genom att appliceringen av en gårdsbaserad biogasanläggning. Detta eftersom det uppmuntrar folk till att bo på landet med idéen om att kunna försörja gården genom biogasanläggningen och därmed kunna skapa en bättre levnadsstandard. I dag är det både svårt och dyrt för gårdar att få tillgång till elektricitet och fordonsbränsle och därför skulle biogasanläggningen kunna hjälpa gårdar med detta problem. Vilket även skulle kunna leda till att fler väljer att bosätta sig eller bo kvar på landet. Däremot kommer biogasanläggningarna inte bidra till arbetsmöjligheter för personer som bosatt sig i närheten av gården. Eftersom anläggningarna är lätta att driva och framställningen av delar till anläggningen troligen kommer göras av stora företag och monteringen kommer ske av IMB AB egen personal.

Energianalysen av biogasanläggningen är relevant både ur ett ekonomisk- och ekologiskt hållbarhetsperspektiv. Genom att få fram en årlig förbrukning för den småskaliga biogasanläggningen kan slutsatser dras kring hur effektivt systemet är. Ytterligare beräkningar kring resurseffektivitet skulle vara positivt för den ekologiska hållbarheten. Eftersom denna rapport främst ämnar undersöka fallet där samtlig biogas uppgraderas till metangas så finns det utrymme för att fördela mängden rå biogas mellan uppgradering och CHP-enheten. Tidigare arbeten visade att vid enbart elproduktion så genererar CHP-enheten fem gånger så mycket elektricitet och fyra gånger så mycket värme årligen. Energiåtgången vid uppgradering skulle i detta fall helt försvinna och den tillförda energin, i form av värme och elektricitet, skulle bidra till att de undersökta delsystemen blir helt självgående. Utifrån detta går det att hitta ett optimum där uppgradering av biogas genomförs men systemets energiåtgång fortfarande helt kan genereras av CHP-enheten. Olika optimeringar av uppgraderingsandel kontra förbränningsandel kan även bidra till en bättre driftsekonomi, som stärker den ekonomiska hållbarheten. Möjligheterna för gynnsamma småskaliga verksamheter är stora och vid varje undersökande arbete i projektserien kommer IMB AB med hjälp av KTH närmare visionen om

att etablera småskaliga biogasanläggningar i utvecklingsländer för att främja den ekonomiska, ekologiska och främst den sociala hållbarheten.

7 Slutsatser

Följande slutsatser kan dras utifrån resultaten av denna studie:

• Omrörningsmekanismen är den huvudkomponent som kräver minst energi i biogasanläggningen på 0,5 kWh medan uppgraderingen kräver mest energi på 27,8 kWh. Sönderdelning av substrat kräver 10,7 kWh medan förvärmningen kräver 8,9 kWh och de ligger därmed relativt jämnt i hur mycket energi de två processerna kräver. CHP ger däremot tillbaka energi till systemet i form av elektricitet och värme och ger då tillbaka elektricitet på 4 kWh till systemet.

• De ingående huvudkomponenterna i biogasanläggningen drar totalt 44 kWh vilket resulterar i en energiåtgång på 385 MWh/år vid konstant uppgradering till metangas. Av detta kommer cirka 47% av den tillförda energin från egenproducerad biogas.

• I helhet är den nya skalbara biogasanläggningen från IMB AB lovande ur en energisynpunkt. Resultaten visar på att det är en lägre energiåtgång för IMB AB anläggning än de biogasanläggningar som finns idag. Till följd av detta bör en prototypanläggning byggas för att kunna validera resultaten.

• Utifrån intentionen av att uppgradera samtlig tillgänglig biogas till metangas visar sammanställningen av delsystemen att biogasanläggningen inte blir helt självgående med hjälp av en förbränningsmotor. Däremot finns alternativ för optimering av andel uppgraderad biogas kontra andel förbränd biogas som verkar lovande ur ett självförsörjningsperspektiv.

8 Rekommendationer för att fortsätta studier

Omrörningsmekanismen är i dagsläget endast baserad på teoretiska grunder, då det inte existerar någon liknande modell på marknaden. Därav skulle en prototyp behöva byggas för att kunna förstå mer om dynamiken samt tillhörande problem. Prototypen kommer även kunna ge en bättre indikation på hur mycket energi som kommer krävas för omrörningsmekanismen. Samma sak gäller även resten av biogasanläggningen, det behöver byggas en prototypanläggning för att kunna testa och utvärdera delsystemen tillsammans, dels ur en energisynpunkt men även utifrån kostnads- och hållbarhetsaspekter. Skillnaden med resterande delar av anläggningen är att det i dagsläget finns liknande prototyper på marknaden och därför går det att veta mer exakta värden för energiåtgången på de komponenterna. Däremot är frågan om IMB AB:s anläggning kommer kunna konkurrera mot biogasanläggningarna som finns på dagens marknad. Därför behövs ett fullskaligt test av anläggningen för att kunna utvärdera hur väl IMB AB:s biogasanläggning står sig mot den nuvarande marknaden.

För uppgraderingsenheten används energi från egenproducerad biogas och denna biogas används som rå biogas, det vill säga innan biogasen har uppgraderats. En undersökning för att ta reda på om det finns eventuella kommersiella generatorer för biogas tillgängliga, som är i rätt storlek och med rätt teknologi som fungerar för att kunna använda den råa biogasen. Detta kopplar även samman till avsnitt ovan där olika alternativ för uppgraderingens energitillförsel diskuteras. Ur ett hållbarhetsperspektiv blir det väldigt relevant att undersöka vilken fördelning av biogas inom systemet som bidrar till bästa möjliga resultat, vid jämförelse mellan tillförd energi kontra mängd uppgraderad gas.

Referenser

Ahlberg Eliasson, K. (2015). Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå. JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Stockholm: Hushållningssällskapens Förbund.

Retrieved from

http://hushallningssallskapet.se/wp-content/uploads/2015/05/slutrapport_utvardering-av-biogasanlaggningar.pdf

Alanne, K., & Saari, A. (2003). Sustainable small-scale CHP technologies for buildings: the basis for multi-perspective decision-making. Renewable and Sustainable Energy

Reviews, 8(5), 401-431. Retrieved from

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032104000036

Andersson, M. (2011). Energikartläggning vid biogasanläggningen, Kungsängens gård. SLU, Institutionen för energi och teknik. Uppsala: Mats Andersson. Retrieved from https://stud.epsilon.slu.se/2300/1/andersson_m_110222.pdf

Bailón Allegue, L., & Hinge, J. (2012). Biogas and bio-syngas upgrading. Aarhus: Danish

Technological Institute. Retrieved 03 07, 2020, from

file:///C:/Users/teota/Downloads/Report-Biogas%20and%20syngas%20upgrading.pdf Bauer, F., Hulteberg, C., Persson, T., & Tamm, D. (2013). Biogas upgrading – Review of

commercial technologies. Malmö: Svenskt Gastekniskt Center AB. Retrieved from

http://www.sgc.se/ckfinder/userfiles/files/SGC270.pdf

Bech, G. (2018, 11 27). Swedish patent and registration office. Retrieved from Swedish patent

and registration office:

https://tc.prv.se/spd/p/pdf/5Iq_ypfNCb3WS3oljenFlQ/SE540836.C2.pdf?token=03AE RD8XrdfEhvXgmf8Sp5-FTYJ5Kz64fRIzRux6dHBlCU7VnRMkDVHQDgO5NBZg-aTxnIVtpJ1ZLHSiUN3VRA_mWeS7kiOpcD4o2es4R3U9JbD9TaFdXwECgB9bDR ObP5cWv80q7gVv0rQZBEsaEOQceNuLFt3hC3BjbDGbh8oggEWBh7oZlu

Bengtsson, J. (2020, 01 30). Naturvårdsverket. Retrieved from Naturvårdsverket: http://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Klimat-och-luft/Klimat/Tre-satt-att-berakna-klimatpaverkande-utslapp/Biogena-koldioxidutslapp-och-klimatpaverkan/# BIERNAT, K., & SAMSON-BRĘK, I. (2011). Review of technology for cleaning biogas to

natural gas quality. 65, 435-444. Retrieved from

https://pdfs.semanticscholar.org/6329/95b880f624e967b9d203c3afa171cca06a21.pdf Bitra, V., Womac, A., Igathinathane, C., Miu, P., Yuechuan, Y., Smith, D., . . . Sokhansanj, S.

(2009, 09). Direct measures of mechanical energy for knife mill size reduction of switchgrass, wheat straw, and corn stover. Bioresource technology, 100, 6578-85. doi:10.1016/j.biortech.2009.07.069

Björnsson, L., Dahlgren, S., Eriksson, P., Lantz, M., Lindström, J., Mickelåker, M., & Andersson, H. (2009). Gårdsbiogashandbok. Malmö: ©Svenskt Gasteknisk Center. Retrieved from http://www.sgc.se/ckfinder/userfiles/files/SGC206.pdf

Budzianowski, W. M., Wylock, C., & Marciniak, P. (2017). Power Requirements of Biogas Upgrading by Water Scrubbing and Biomethane Compression. 141, 2-19.

Buhrgard, A., Emilsson, A., Lindblad, K., & Mizgalewicz, M. (2018). Energy audit and

strategies towards net zero energy use on farms. KTH Sustainable Energy Engineering,

Applied Energy Technology, MJ2409. STOCKHOLM: KTH.

Carlsson, M., & Uldal, M. (2009). Substrathandbok för biogasproduktion. Malmö: Svenskt

Gastekniskt Center AB. Retrieved 03 2020, from

https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/948934

Djurberg, R., & Markskog, A. (2018). Sönderdelning av biomassa för småskalig

biogasproduktion. KTH, SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD. Stockholm: KTH. Retrieved 03 05, 2020

Edström, M., Nordberg, Å., & Ringmar, A. (2005). Utvärdering av gårdsbaserad

biogasanläggning på Hagavik. JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik. Malmö:

Emilsson, A., & Buhrgard, A. (2019). Towards a prototype of a modular biogas system. KTH School of Industrial Engineering and Management, Energy Technology, Division of Heat and Power Technology. Stockholm: KTH.

Enefalk, T., & Ersöz, T. (2016). Optimal rening av biogas för småskalig produktion och

användning. Energi och Miljö. Stockholm: KTH.

Energigas Sverige. (2017, 05 22). Energigas Sverige. Retrieved from Energigas Sverige:

https://www.energigas.se/om-oss/nyheter-och-press/nyheter/biogas-nyckel-foer-cirkulaer-ekonomi/

Goulding, D., & Power, N. (2013, 05). Which is the preferable biogas utilisation technology for anaerobic digestion of agricultural crops in Ireland: Biogas to CHP or biomethane as a transport fuel? Renewable Energy, 53, 121-131. Retrieved from https://www-sciencedirect-com.focus.lib.kth.se/science/article/pii/S096014811200691X

Hansol, L., & Sudhagar, M. (2017, 10). Mechanical pretreatment of cellulose pulp to produce cellulose nanofibrils using a dry grinding method. Industrial Crops and Products, 104, 179-187. doi:10.1016/j.indcrop.2017.04.044

Jarmander, S., & Sjöberg, I. (2015). Ny utformning för gårdsbaserad biogasproduktion -en

utvärdering ur material- och energisynpunkt. Civilingenjörsprogrammet Energi och

Miljö. Stockholm: Kungliga Tekniska högskolan (KTH). Retrieved 02 2020

Klackenberg, L. (2019, 01 14). Energigas Sverige. Retrieved from Energigas Sverige: https://www.energigas.se/fakta-om-gas/biogas/anvaendningsomraaden

Krátký, L., & Jirout, T. (2011, 03). Biomass Size Reduction Machines for Enhancing Biogas Production. chemical Engineering & Technology, 34, 391-399. doi:10.1002/ceat.201000357

Naturvårdsverket. (2019, 11 07). Naturvårdsverket. Retrieved from Naturvårdsverket:

Nordberg, U. (2006). Biogas – Nuläge och framtida potential. Stockholm: VÄRMEFORSK

Service AB . Retrieved 02 2020, from

http://www.sgc.se/ckfinder/userfiles/files/sokmotor/Rapport993.pdf

Olsson, H. (2014). Utvärdering av viskositet och omrörningsmetoder vid gårdsbiogasanläggningar. JTI , Institutet för Jordbruks- och Miljöteknik. Stockholm:

Hushållningssällskapens Förbund 2014. Retrieved from http://ri.diva-portal.org/smash/get/diva2:959892/FULLTEXT01.pdf

Saldarriaga, D. (2018). Small-Scale Biogas Upgrading System Modeling Tool Development. Department of Energy Technology, Unit of Heat and Power. Stockholm: KTH School of Industrial Engineering and Management.

Ståhl, S. (2016). Energiförbrukning på gårdsbiogasanläggningar. Borås: Högskolan i Borås. Retrieved from http://hb.diva-portal.org/smash/get/diva2:940194/FULLTEXT01.pdf Starberg, K., Karlsson, B., Larsson, J.-E., Moraeus, P., & Lindberg, A. (2005). Problem och

lösningar vid processoptimering av rötkammardriften vid avloppsreningsverk.

VA-Forsk. Stockholm: Svenskt Vatten AB. Retrieved from http://vav.griffel.net/filer/VA-Forsk_2005-10.pdf

STG, S. (1999, 09 15). Standardiseringen i Sverige. Retrieved from sis.se: https://www.sis.se/api/document/preview/25631/

Svensson, K. (2017, 03 14). Energimyndigheten. Retrieved from Energimyndigheten: http://www.energimyndigheten.se/arkiv-for-resultat/Resultat/nya-metoder-for-att-uppgradera-och-lagra-biogas/

Treichel, H., Fongaro, G., Scapini, T., Camargo, A. F., Stefanski, F. S., & Venturin, B. (2020).

Utilising Biomass in Biotechnology, A Circular Approach discussing the Pretreatment of Biomass, its Applications and Economic Considerations. Green Energy and

Technology. Cham, Switzerland: © Springer Nature Switzerland AG. Retrieved from https://link-springer-com.focus.lib.kth.se/content/pdf/10.1007%2F978-3-030-22853-8.pdf

In document Energianalys komplett biogassystem (Page 32-41)