• No results found

Microalgal Biomethane Production Integrated with an Existing Biogas Plant: A Case Study in Sweden

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Microalgal Biomethane Production Integrated with an Existing Biogas Plant: A Case Study in Sweden"

Copied!
9
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

ICAE 2012, Jul 5‐8, 2012, Suzhou, China  Paper ID: ICAE2012‐ A10560 

MICROALGAL BIOMETHANE PRODUCTION INTEGRATED WITH AN EXISTING 

BIOGAS PLANT: A CASE STUDY IN SWEDEN 

   

Xiaoqiang Wang 1, 3, *, Eva Nordlander1, Eva Thorin 1, and Jinyue Yan 1, 2, *      1. School of Sustainable Development of Society and Technology, Mälardalen University, 72123 Västerås, Sweden, Email:  jinyue.yan@mdh.se; jinyue@kth.se; Tel: +46‐21‐103134  2. School of Chemical Science and Engineering, Royal Institute of Technology, 10044 Stockholm, Sweden    3. National Engineering Laboratory for Biomass Power Generation Equipment (NELB), School of Renewable Energy, North China  Electric Power University, 102206 Beijing, China, Email: wang80@139.com; Tel: +86‐10‐61772032       

ABSTRACT 

Microalgae  are  considered  as  potential  sources  for  biodiesel  production  due  to  the  higher  growth  rate  than  terrestrial  plants.  However,  the  large‐scale application  of  algal  biodiesel  would  be  limited by  the  downstream  cost  of  lipid  extraction  and  the  availability  of  water,  CO2  and  nutrients.  A  possible  solution  is  to  integrate  algae  cultivation with existing biogas plant, where algae can be  cultivated  using  the  discharges  of  CO2  and  digestate  as  nutrient  input,  and  then  the  attained  biomass  can  be  converted  directly  to  biomethane  by  existing infrastructures. This integrated system is investigated and  evaluated  in  this  study.  Algae  are  cultivated  in  a  photobioreactor  in  a  greenhouse,  and  two  cultivation  options  (greenhouse  with  and  without  heating)  are  included.  Life  cycle  assessment  of  the  system  was  conducted,  showing  that  algal  biomethane  production  without  greenhouse  heating  would  have  a  net  energy  ratio  of  1.54,  which  is  slightly  lower  than  that  (1.78)  of  biomethane from ley crop. However, land requirement of  the  latter  is  approximately  68  times  that  of  the  former,  because  the  area  productivity  of  algae  could  reach  at  about 400 t/ha (dry basis) in half a year, while the annual  productivity of ley crop is only about 5.8 t/ha. For the case  of  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås,  Sweden,  the  integrated  system  has  the  potential  to  increase  the  annual biomethane  output  by 9.4  %.  This new process  is  very simple, which might have potential for scale‐up and  commercial application of algal bioenergy. 

 

Keywords:  Microalgal  biomethane,  Biogas  plant,  Life  cycle assessment, Energy balance, Cold region   

NONMENCLATURE 

LCA    life cycle assessment  GHGs    greenhouse gases  CO2e    CO2 equivalent  NER    net energy ratio  PBR    photobioreactor  DM    dry matter  VS    volatile solid  LD    liquid digestate  SD    solid digestate  TN    total nitrogen  TP    total phosphorus  TK    total potassium  WWTP  wastewater treatment plant   

1. INTRODUCTION 

Microalgae  are  considered  as  potential  sources  for  biodiesel  production  due  to  the  higher  growth  rate  than  terrestrial  plants.  However,  the  large‐scale application  of  algal  biodiesel  would  be  limited by  the  downstream  cost  of  lipid  extraction  and  the  availability  of  water,  CO2  and  nutrient [1]. To produce 1 t algae biomass, about 1.8 t CO2  70  kg  N,  10  kg  P  and  8  kg  K  are  required  [2,  3].  The  downstream  processes  of  biomass  drying  and  lipid  extraction  would  take  up  50‐90%  of  the  overall  energy  consumption [4, 5]. It is therefore worth to explore simple  and  robust  processes  for  the  energy  utilization  of  algae  biomass [3]. 

The  technology  of  anaerobic  digestion  is  applied  to  convert  organic  waste  directly  into  biogas.  Many  countries  are  now  advocating  energy  crop  planting  to  attain  more  biogas  feedstock.  For  example,  29%  (dry 

(2)

Paper ID: ICAE2012‐ A10560 

2 Copyright © 2012 by ICAE2012

land  [6].  Certainly,  algae  biomass  could  be  used  to  produce biogas. This idea was first proposed by Golueke et  al.  [7]  in  1957,  and  is  still  being  investigated  today.  The  study by Yuan et al. [8] showed that anaerobic digestion is  a promising method to treat the blue algae biomass from  eutrophic  lakes.  In  addition,  some  scientists  [9,  10]  from  countries  with  cold  climate  are  also  interested  in  algae  cultivation  for  biogas  production.  As  shown  in  the  research by Collet et al. [3], the coupled process of algae  cultivation  and  succeeding  biogas  production  is  a  better  option  compared  to  algal  biodiesel  production.  However,  it still needs fertilizer supplements and the investment of  biogas infrastructures [3].       

A  possible  solution  for  overcoming  the  high  cost  is  to  integrate  algae  cultivation  with  an  existing  biogas  plant,  where algae can be cultivated using the discharges of CO2  and  digestate  as  nutrient  input,  and  then  the  attained  biomass  can  be  converted  directly  to  biogas  or  biomethane  by  the  existing  infrastructures.  Until  now  little is known about such integrated system, and there is  also  no  report  on  the  evaluation  of  algae  cultivation  in  cold climate. This study is to evaluate the performance of  above  mentioned  system  based  on  the  case  of  the  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås,  Sweden.  Energy  and  GHGs  balances  of  algal  biomethane  production  were  assessed  in  the  perspective  of  life  cycle,  and comparison  with ley crop was also conducted.   

2. DATA AND METHODS   

2.1 The existing biogas plant 

The  existing  biogas  plant  Växtkraft  in  Västerås  (59.61°N,  16.51°E),  Sweden,  started  in  the  summer  of  2005  [11].  The  plant  can  treat  about  14000  t  municipal 

organic  waste,  4000  t  liquid  waste  (grease  trap  removal  sludge),  and  5000  t  ley  crop,  and  produce  54000  GJ  biomethane and 1979t CO2 annually (Table 1). If including  the  upgrading  of  the  raw  biogas  from  WWTP,  the  productions  of  biomethane  and  CO2  are  82800  GJ  and  3034t,  respectively.  After  pretreated  (i.e.  shredding,  sieving,  mixing,  suspending)  and  sanitized  at  70°C  for  at  least  one  hour,  the  wastes  are  co‐digested  with  ley  crop  at  37°C  [6].  The  digestate  is  separated  into  a  solid  and  a  liquid  fraction  by  decanting  centrifuges  and  stored  separately, and then transported to farm land for ley crop  plantation  of  300  ha  [12].  The  average  distance  from  digester to storage site is 17 km [11, 13]. The ensilaging of  harvested ley crop is conducted in the plant, and takes up  about  1  ha  land.  The  produced  biogas  is  upgraded  to  biomethane for vehicle fuel [6, 12]. 

2.2 Studied integrated process 

In Fig.1, the suggested layout of the integrated plant in  this  study  is  shown.  Due  to  the  cold  climate  conditions,  algae should be cultivated in a photobioreactor (PBR) in a  greenhouse,  using  the  discharges  of  CO2  and  liquid  digestate from biogas process as nutrient input. The algae  suspension  in  the  PBR  could  be  concentrated  by  the  methods  of  natural  setting  and  centrifugation,  and  then  the  dry  matter  (DM)  of  the  attained  algae  slurry  could  reach  at  6.6  %  [3,  14],  which  is  about  the  same  DM  content  as  that  of  the  digester  inflow  of  the  existing  biogas  plant.  The  supernatant  during  concentration  is  recycled  to  the  PBR,  and  the  concentrated  algae  slurry  can  be  put  into  the  existing  digester  directly,  and  co‐ digested  with  current  feedstock.  After  the  raw  biogas  is  upgraded to biomethane, the byproduct CO2 is recycled to  the PBR. .    Table 1 Data of Växtkraft biogas plant in Västerås, Sweden [6, 12, 14, 15]  Feedstock    DM %  Percent % a       Organic waste, t/a  14000  30%  68.7%        Liquid waste, t/a  4000  4%  2.6%        Ley crop, t/a  5000  35%  28.6%                Output    DMb  TN b TP b TK b  NH4‐N/TN Liquid digestate (LD), t/a  89131b    2.5%  0.367%  0.025%  0.183%  65%  Solid digestate (SD), t/a  6500    25%  0.868%  0.180%  0.204%  28%  Digestate (LD+SD), t/a  95631b    4.4%  0.431%  0.036%  0.177%  56%  LD / SD (w/w)  13.7    1.4    5.8    1.9    12.2      CO2, t/a b, c  1978.9        Biomethane, GJ/a c  54000  1597826 m3/a        a. Feedstock percent on DM basis. b. Estimation according to the reference [14]. c. 82800 GJ biomethane and  3034 t CO2 in total can be produced annually, if including the upgrading of the raw biogas from WWTP. 

(3)

ICAE 2012, Jul 5‐8, 2012, Suzhou, China  Paper ID: ICAE2012‐ A10560  Biogas Production PBR Cultivation Concentration Algae 0.1% Sup ernat ant Liquid  digestate Solid digestate Biogas Upgrading Biogas Biomethane CO 2   Algae 6.6% Existing  Bi og as  Plan t Biogas Production Ley Crop  Cultivation Transportation Ley  Crop Digestate Biogas Upgrading Biogas Biomethane Ley  Crop Existing  Bi og as  Pla n t Transportation CO2    Fig 1. Microalgal biomethane integrated with an existing biogas plant (Left), and biomethane production from ley crop (Right)   

A  flat‐plate  PBR,  which  is  one  of  the  most  common  reactors, is employed, since it consumes less energy than a  tubular  reactor  [16].  According  to  reference  [16,  17],  the  PBR  unit  is  designed  as  follows:  height  1.45m,  working  height  1.25m,  and  depth  0.1m  (Fig.  2).  The  two  biggest  surfaces  of  the  PBR  are  made  by  glass,  while  the  other  surfaces  could  be  of  metal  material.  Several  PBR  units  are  stacked vertically into two layers to enhance the utilization  efficiency  of  the  greenhouse,  and  they  are  located  one  meter apart from each other to avoid shading [2, 16]. Using  such  PBR  system,  23200  m2  glass  and  4400  m2  land  are  required for an algae cultivation of 1000 m3. 

  Fig 2. Flat‐plate photobioreactor 

2.3 Life cycle assessment 

The  life  cycle  boundary  used  in  this  study  is  from  feedstock production to biomethane sold at the gate of the 

transportation. Because the main material for the PBR and  greenhouse is glass with high energy intensity (Table 2), the  boundary  also  includes  the  stage  of  infrastructure  construction.  The  function  unit  (FU),  the  quantity  which  is  hypothesized  to  be  produced  (or  treated)  in  the  life  cycle  assessment, was set to one GJ of produced biomethane. In  cold  regions,  algae  could  be  cultivated  during  the  warmer  half of the year [18], but greenhouse heating is required in  cold  seasons.  To  evaluate  the  efficiency  of  algal  biomethane,  ley  crop  is  also  considered  for  biomethane  production.  So,  three  optional  processes  as  follows  were  analyzed:     

Option I: Algal biomethane operated for 180 days annually,  without greenhouse heating; 

Option  II:  Algal  biomethane  operated  for  330  days  annually,  with  greenhouse  heating.  To  reduce  the heating requirement, another 30 days in the  coldest  month  could  be  used  for  equipment  maintenance;     

Option III: Biomethane from ley crop operated for whole  year. 

The  analysis  mainly  focused  on  the  energy  use  and  GHGs  emission  during  the  life  cycle  of  the  optional  process.  According to LCA principles [19], Life‐cycle energy use (ELC)  and  GHGs  emission  (G )  are  calculated  as  the  sum  of  all LC corresponding energy use and GHGs emission due to all the  inputs directly used in all the stages, respectively: 

 

s i i i LC

I

EI

E

(

)

      (1) 

 

s i i i LC

I

GI

G

(

)

      (2) 

(4)

Paper ID: ICAE2012‐ A10560  4 Copyright © 2012 by ICAE2012 the energy and GHGs intensities of Input type i(Table 2).  The energy efficiency could be evaluated by the net energy  ratio ( NER ):  LC P

E

E

NER

      (3)  whereEPis the amount of energy in the products.  Table 2 Energy and GHGs intensities in Sweden  Energy Intensity      District  heating,  MJ/MJ  1.10  [20]  Diesel,  MJ/MJ  1.18*  [21]  Electricity,  MJ/kWh  3.67  [22]  Glass,  MJ/kg  7.42  [23]  GHGs Intensity      District  heating,    kg  CO2e/MJ  0.021  [20] 

Diesel,    kg  CO2e/MJ  0.089*  [21]  Electricity,  kg  CO2e/kWh  0.38  [22]  Glass,    kg  CO2e  /kg  0.76  [23]  * From the model GREET 1.8c within US context.       

3. RESULTS AND DISCUSSION   

3.1 Life‐cycle inventory  Spirulina sp. is the kind of algae with a larger cell size and 

has  the  capability  of  autoflocculation,  and  thus  could  be  harvested  easily,  and  it  would  be  the  best  algae  for  biomethane production. Based on information in reference  [24‐27], algal growth rate in the PBR was assumed to be 1  kg/(m3.d).  Many  reports  suggested  that  about  9.4  GJ  biomethane could be produced from one tonne algae [3, 9,  28,  29].  The  algae  are  cultivated  in  a  Flat‐plate  PBR  in  a  greenhouse  (Fig.2).  Glass  is  the  main  material  for  the  PBR  and  greenhouse  construction,  and  the  requirement  was  assumed  to  be  15  kg/m2[23].  The  lifespan  of  the  greenhouse and PBR was set to 30 years [3, 4, 23], and the  reuse  rate  of  the  used  glass  was  set  to  50%,  that  is,  the  intensities  of  energy  and  GHGs  for  glass  production  was  considered  to  be  half  of  those  shown  in  Table  2  in  this  study. Based on these data, the requirements of glass and  land can be calculated (Table 3).

For the CO2 injection into the photobioreacror, about 53  W/m3 electricity is requested [17], and the injection period  was assumed to be 10 hours per day. Greenhouse heating  would  be  necessary  if  algae  cultivation  needs  to  be  operated in the cold seasons. District heat, which has been  installed  in  the  existing  biogas  plant,  could  be  used  for  greenhouse heating, and annual consumption was assumed  to be 62 kWh/m2 according to the statistics of district heat  used  in  office  [30,  31]  and  the  climate  of  Västerås.  Theoretical  calculation  by  Larsdotter  et  al.  [32]  also  indicated that around 60 or 125 kWh/m2 would be required  in  Stockholm  (59.35°N),  if  the  year‐round  temperature  in  the greenhouse need to be kept at 10 or 20°C, respectively.  The temperature optima for the growth of mesophilic algae  is about 20‐30 °C [24, 33]. Since higher night temperatures  had  no  recognizably  favorable  effect  except  when  it  is  as 

low  as  7°C  [34],  the  greenhouse  needn’t  to  be  heated  in  night  when  temperature  is  over  7°C.  To  attain  the  concentrated  slurry  with  one  tonne  dry  algae  biomass,  electricity consumptions during the steps of natural setting  and centrifugation would be 15.3 and 42 kWh, respectively  [3]. 

Area  productivity  of  ley  crop  silage  is  approximately  5.83  t/ha  (DM  basis)  [6,  11].  Strid  and  Flysjö  conducted  a  detailed  LCA  of  ley  crop  silage  based  on  Swedish  context,  and  the  results  showed  that  energy  input  and  GHGs  emission  of  one  tonne  silage  (DM  basis)  were  1.4  GJ  and  250  kg,  respectively  [35].  It  could  predict  that  9.7  GJ  biomethane could be produced from one tonne silage (DM  basis)  from  a  pilot  study  in  Sweden  [36].  In  the  case  of  Växtkraft  biogas  plant,  the  average  transport  distance  of  silage  and  digestate  is  17  km  [6,  11].  Energy  intensity  of  transportation  was  conservatively  estimated  as  0.7  MJ  diesel/(t.km) without  empty  return  [37].  For  both  cases of  algae  biomass  and  ley  crop,  Dry  matter  (6.6%)  of  digester  inflow,  energy  consumption  during  biogas  production  and  succeeding upgrading were assumed as the same with the  practical  data  of  Växtkraft  biogas  plant.  Energy  inputs  caused  by  electricity  consumption  for  biogas  production  and  upgrading  are  equivalent  to  9%  and  7.7%  of  the  biomethane  produced,  respectively,  and  the  equivalent  is  20%  for  the  district  heat  consumption  during  biogas  production [14].   

Based on above data, life‐cycle inventories of energy use  and CO2e emission for one GJ biomethane production from  algae  and  ley  crop  were  attained  as  shown  in  Table  3.  Option II is operated for 330 days, and could be stopped in  the  coldest  month  for  equipment  maintenance  (Section  2.3). In the respect of GHGs emission, there is no significant  difference  for  the  three  Options,  because  the  GHGs  intensities  of  electricity  and  district  heating  are  not  very  high  in  Sweden.  One  GJ  biomethane  from  Options  I  and  II  would  emit  CO2e  of  49  kg  approximately,  which  is  about  55%  of  that  (89  kg)  of  one  GJ  diesel  (Table  2).  If  no  greenhouse heating is required (Option I), algal biomethane  has  an  NER  of  1.54,  which  is  slightly  lower  than  the  NER  (1.78) of biomethane production from ley crop (Option III).  However, Option III requires arable land of 177 m2, which is  68 times the land area needed for Option I. In addition, the  results show that it is difficult to attain net energy through  the algal pathway in cold regions if a greenhouse heated by  additional energy is used (Option II).  3.2 Distributions 

Fig.  3  shows  the  distributions  of  energy  use  and  GHGs  emission for the production of one GJ biomethane. In case  of Option I (Table 3), 31.8 % of the used energy is utilized  for  algae  cultivation,  and  the  percent  would  increase  sharply  to  56.4%  for  Option  II  due  to  the  significant  consumption  of  greenhouse  heating.  Ley  crop  cultivation  (Inc.  ensilaging)  required  less  energy  than  that  of  algae  cultivation  in  case  of  Option  II.  For  Options  I  and  III,  the 

(5)

most energy‐expensive stage is biogas production, while it  is  algae  cultivation  for  Option  II.  PBR  infrastructure  only  takes up 4.7% and 1.7% of the energy use for Options I and  II,  respectively,  so  the  assumptions  (e.g.  glass  reuse  rate)  for the PBR infrastructure have a little effect on the overall  energy  use.  Because  the  stages  of  biogas  production  and  upgrading  are  identical,  respectively  (Fig.  1,  Section  3.1),  energy use and GHGs emission are same at the two stages  for all Options (Fig. 3).   

GHGs  are  mainly  emitted  during  algae  or  ley  crop  cultivation  for  all  cases  (Fig.  3B).  GHGs  intensity  (0.021  kg/MJ)  of  district  heat  is  much  smaller  than  that  (0.38  kg/kWh,  i.e.  0.106  kg/MJ)  of  electricity  (Table  2),  so  the  distributions of energy use and GHGs emission are not very  consistent.  Taking  Option  I  for  example,  the  most  energy‐ expensive  stage  is  biogas  production  followed  by  algae  cultivation,  while  the  most  GHGs‐intensive  step  is  algae  cultivation.  All  energy  used  during  algae  cultivation  in  Option  I  is  electricity,  while  energy  used  during  biogas  production  is  composed  of  electricity  (31%)  and  district  heat (69%) (Table 3).   

3.3 Sensitivity analyses 

Sensitivity  analyses  of  integrated  algal  biomethane  production  are  showed  in  Fig.4.  For  both  cases  of  without  (Option  I)  and  with  (Option  II)  greenhouse  heating,  biomethane productivity is the most significant factor. This  study  assumed  that  9.4GJ  biomethane  (i.e.  292  m3  CH4/t  VS)  could  be  produced  from  one  tonne  algae  biomass  according  to  reference  [3],  where  such  productivity  was  corresponding  to  the  algal  degradability  of  56%.  If  algal  carbon could be degraded completely and converted to CH4  and CO2, the theoretical biomethane potential of one tonne  VS  would  be  around  470‐800  m3  CH4  [28].  Experimental  studies  also  reported  that  the  productivity  could  reach  at  337[9],  450[28]  or  587[29].  If  the  productivity  could  be  increased  by  20%  based  on  the  assumption  of  this  study, 

NER  of  Option  I  and  II  would  reach  at  1.65  and  1.13, 

respectively, indicating that Option II is still unpractical due  to the small NER.      Table 3 Life‐cycle inventories for one GJ biomethane production from algal biomass and ley crop    i I Unit

Option I: Algae, 180 days  Option II: Algae, 330 days Option III: Ley crop, whole year

i I   E   G  Ii  E   G  Ii  E  G  Infrastructure      30.25  3.10    16.50  1.69        PBR glass [23, 38]  m2  0.23  25.42  2.60  0.12  13.87  1.42          Greenhouse glass [23,38]  m2  0.04  4.82  0.49  0.02  2.63    0.27          Land use c  m2  2.60      1.42      176.83 a        Cultivation      206.95  21.42    555.86 27.92   144.33 b 25.77b    Air pumping [17]  kWh 56.36    206.95  21.42  56.36  206.95  21.42          Greenhouse Heating c  kWh 0.00  0.00  0.00  87.91  348.91  6.51        Concentration[3]      22.37    2.32      22.37  2.32        Natural settling  kWh 1.63    5.97    0.62    1.63  5.97    0.62          Centrifugation  kWh 4.47    16.40    1.70    4.47  16.40  1.70        Biogas Production [3, 14]      312.31  13.61    312.31  13.61    312.31  13.61      Electricity  kWh 25.00    91.80    9.50    25.00  91.80  9.50  25.00    91.80    9.50      District heat  kWh 55.56    220.51  4.11    55.56  220.51  4.11  55.56    220.51  4.11    Biogas Upgrading [3, 14]      78.54    8.13      78.54  8.13    78.54    8.13      Electricity  kWh 21.39    78.54    8.13    21.39  78.54  8.13  21.39    78.54    8.13    Transportation [6, 11, 26]                  26.07    1.98      Ley crop to Digester      4.14    0.31      Digestate to farm land      21.93    1.66             

    Option I: Algae, 180 days  Option II: Algae, 330 days Option III: Ley crop, whole year

Biomethane(EP), MJ      1000  1000  1000  LC E , MJ    650.42  985.58  561.25  LC G , kg CO2e    49  54  49  NER     1.54  1.01  1.78 

Note: Ii,  the  amount  of  Input  typei; E ,  Energy  consumption, E  Ii EIi; G ,  GHGs  emission, G Ii GIi;

  EIiand  i

GI are the energy and GHGs intensities of Input type i, respectively; a. Reference [6, 11]; b. Reference [35, 37]; c. Reference [30‐32]. 

(6)

Paper ID: ICAE2012‐ A10560  6 Copyright © 2012 by ICAE2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.3. Distributions of energy use (A) and GHGs emission (B). Option I: Algal biomethane operated for 180 days annually, without  greenhouse  heating;  Option  II:  Algal  biomethane  operated  for  330  days  annually,  with  greenhouse  heating;  Option  III:  Biomethane  from  ley  crop  operated  for  whole  year.  Data  label  with  color  presents  the  distribution  percent  for  the  corresponding Option with the same color.    Algae growth rate is significant. When algal growth rate  could be increased by 20% to 1.2 kg/(m3.d), NER for Option  I would be 1.64. Only when the growth rate could be over 2  kg/(m3.d), Option II may be practical with NER 1.44. Light is  important for algae growth, and some algae could use the  organic matter to some extent for heterotrophic growth in  dark  [39].  Using  the  nutrient‐rich  digestate  to  cultivate  algae  in  PBR,  high  algae  growth  rate  could  be  attained.  Doušková  et  al.  [27]  used  distillery  stillage  for  biogas  production,  then  digestate  nutrients  and  biogas  were  recycled  for  algae  growth  in  bubbled  column  with  continuous illumination, and the results suggested that the  growth rate could reach at 2.25 kg/(m3.d). Poultry manure  digestate  was  employed  as  nitrogen  supplement  for  algae 

growth in flask with continues illumination, and the growth  rate could be enhanced to 2.09 kg/(m3.d) [26].   

Because  greenhouse  heating  is  energy‐expensive,  50%  enhancement  of  most  factors  can’t  still  make  Option  II  feasible (Fig.4B). Like biomethane production from lay crop,  cultivation  is  a  main  contributor  for  energy  use  in  the  process  of  algal  biomethane  (Fig.  3).  Air  pumping  for  CO2  injection  during  algal  cultivation  has  great  impact  on  NER.  Apparently,  increasing  PBR  working  height  (i.e.  the  height  of  greenhouse)  could  improve  the  utilization  efficiency  of  greenhouse,  and  thus  reduce  energy  requirement  for  Option II. Owing to the possible shading of vertical PBR, the  working height can’t be increased without limitation.   

(7)

ICAE 2012, Jul 5‐8, 2012, Suzhou, China  Paper ID: ICAE2012‐ A10560 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.4. Effect of factor change on Net Energy Ratio (NER). (A) Option I: Algal biomethane operated for 180 days annually, without  greenhouse heating; (B) Option II: Algal biomethane operated for 330 days annually, with greenhouse heating.      3.4 The potential to increase biomethane output  As  the  analysis  above  shows,  it  is  worthy  to  cultivate  algae  without  greenhouse  heating  at  the  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås  (59.61°N)  Sweden  for  180  days  annually.  The work by Grönlund et al. [18] also suggested that high‐ rate algal pond for wastewater treatment could be realized  during  the  period  from  early  April  to  late  October  in  the  subarctic  mid‐Sweden  region  at  latitude  63°N.  8.3  t  CO2  is  available  in  the  Växtkraft  biogas  plant  every  day  (Table1),  and enough for the production of 4.6 t algae [2]. According  to  the  assumptions  on  PBR  structure  and  algae  characteristics  (Section  2.2  and 3.1),  it  could  be  calculated  that  7776  GJ  biomethane  could  be  produced  in  180  days,  increasing  the  biomethane  output  of  the  plant  by  9.4% 

Compared  with  the  land  requirement  of  ~1  ha  only  for  ensilaging  and  storage  of  the  ley  crop  at  the  biogas  plant  (Section 2.1), the integrated process has much higher area  productivity.  These  analyses  suggest  that  the  scale  of  existing  biogas  plants  is  suitable  for  algal  CO2  fixation.  However,  the  fixation  would  be  limited  strongly  by  land  availability  for  the  algae  cultivation  in  a  large‐scale  coal  power  plant.  According  to  the  reference  [40,  41],  about  941g  CO2  are  emitted  in  coal‐fired  plants  for  one  kWh  electricity  generation,  that  is,  a  300MW  plant  would  emit  approx. 6775 t CO2 every day. To fix half of the emitted CO2,  the  land  requirement  is  up  to  816  ha  for  the  algae  cultivation  under  the  fixation  ability  of  4.15  t  CO2/(ha.d)  (Table  4).  Certainly,  the  power  plant  fired  with  fossil  fuels  could  be  a  potential  CO2  source  for  algae,  when  carbon 

(8)

Paper ID: ICAE2012‐ A10560 

8 Copyright © 2012 by ICAE2012

Table  4  The  potential  of  algal  biomethane  production  integrated  with  the  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås,  Sweden      Per day      CO2 availability  8.3 t/d Section 2.1 Algae  4.6 t/d =8.3/1.8  Land requirement  2.0 ha  =4.6*0.44  Biomethane production    43.2 GJ/d  =4.6*9.4        Annually (180d)        Algae  828 t  =4.6*180  Biomethane production  7776 GJ =43.2*180 Biomethane increase    9.4%  =7776/82800

4. CONCLUSION   

Existing  biogas  plants  could  provide  abundant  free  nutrients  and  CO2  for  algae  cultivation,  and  share  digester  and  the  system  of  biogas  upgrading  for  biomethane  production  from  algae.  Biogas  plants  could  therefore  be  suitbale  places  for  microalgal  biomethane  development.  The  integrated  algal  biomethane  could  have  a  net  energy  ratio (NER) of 1.54, which is slightly lower than that (1.78)  of  biomethane  from  ley  crop.  However,  land  requirement  of  the  latter  is  approximately 68  times  that  of  the  former,  showing  that  algae  biomass  is  a  promising  feedstock  for  biogas  production.  The  sensitivity  analyses  indicates  that  methane  productivity and growth  rate  of  algae  have  great  impacts on NER of algal biomethane. To attain net energy,  greenhouse  heating  can’t  be  employed  during  algae  cultivation. If only operated during the warmer half of the  year,  the  integrated  system  could  be  realized  in  cold  regions.  For  the  case  of  the  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås, Sweden, the integrated system has the potential  to  increase  the  annual  biomethane  output  by  9.4  %.  The  system  presented  in  this  study  is  very  simple,  and  might  have  potential  for  commercial  application  of  algal  bioenergy.   

5. ACKNOWLEDGEMENTS   

This  study  is  partly  founded  by  the  exchange  program  "CAE‐IVA Renewable Energy and Environment Cooperative  Project"  between  Chinese  Academy  of  Engineering  (CAE)  and  Royal  Swedish  Academy  of  Engineering  Science  (IVA).  The acknowledgement is also to Mälardalen University and  North  China  Electric  Power  University  (NCEPU)  for  their  supports.   

6. REFERENCE 

[1] Pate  R,  Klise  G,  Wu  B.  Resource  demand  implications  for  US  algae  biofuels  production  scale‐up.  Appl  Energy  2011;  88: 3377–88. 

[2] Wijffels  RH,  Barbosa  MJ.  An  outlook  on  microalgal  biofuels. Science 2010; 329: 796‐9. 

[3] Collet  P,  Hélias  A,  Lardon  L,  Ras  M,  Goy  R‐A,  Steyer  J‐P.  Life‐cycle  assessment  of  microalgae  culture  coupled  to  biogas production. Bioresour Technol 2011; 102: 207‐14. 

[4] Lardon  L,  Hélias  A,  Sialve  B,  Steyer  J‐P,  Bernard  O.  Life‐ cycle assessment of biodiesel production from microalgae.  Environ Sci Technol 2009; 43: 6475‐81. 

[5] Stephenson  AL,  Kazamia  E,  Dennis  JS,  Howe  CJ,  Scott  SA,  Smith  AG.  Life‐cycle  assessment  of  potential  algal  biodiesel production in the United Kingdom: A comparison  of  raceways  and  air‐lift  tubular  bioreactors.  Energy  Fuels  2010; 24: 4062–77. 

[6] Svensk Växtkraft AB. Växtkraft – Process description of the  Biogas  plant  in  Västerås.  Auguest  2006.  http://www.  vafabmiljo.se/filarkiv/pdf/vaxtkraft/process%20eng.pdf  (accessed in January, 2012) 

[7] Golueke  CG,  Oswald  WJ,  Gotaas  HB.  Anaerobic  digestion  of algae. Appl Microbiol 1957; 5: 47–55. 

[8] Yuan XZ, Shi XS, Zhang DL, Qiu YL, Guo RB, Wang LS. Biogas  production  and  microcystin  biodegradation  in  anaerobic  digestion of blue algae. Energy Environ Sci 2011; 4: 1511‐ 15. 

[9] Liu  Y.  Greenalgae  as  a  substrate  for  biogas  production  –  cultivation  and  biogas  potentials.  Master  thesis  of  Linköping University, 2010. 

[10] Odlare  M,  Nehrenheim  E,  Ribé  V,  Thorin  E,  Gavare  M,  Grube  M.  Cultivation  of  algae  with  indigenous  species  –  Potentials  for  regional  biofuel  production.  Appl  Energy  2011; 88: 3280–5. 

[11] Gunnarsson  C,  Vågström  L,  Hansson  P‐A.  Logistics  for  forage  harvest  to  biogas  production  —  Timeliness,  capacities  and  costs  in  a  Swedish  case  study.  Biomass  Bioenergy 2008; 32: 1263–73. 

[12] Svensk  Växtkraft  AB.  The  Växtkraft‐project  in  Västerås.  January,  2007.  http://www.vafabmiljo.se/filarkiv/pdf/  vaxtkraft/vkeng07.pdf. (accessed in in January, 2012)  [13] Vågström  L.  Evaluation  of  a  handling  system  for  ley  crop 

used  in  biogas  production:  Capacities  and  costs  for  a  centralised  system.  Report  from  Swedish  Institute  of  Agricultural  and  Environmental  Engineering,  2005.  http://www.jti.se/uploads/jti/RKA‐32LV.pdf  (accessed  in  January, 2012) 

[14] Weiland  P,  Ahrens  T.  Demonstration  of  an  optimized  production  system  for  biogas  from  biological  waste  and  agricultural  feedstock.  Report  from  Federal  Agricultural  Research Centre of Germany, 2006. 

[15] Rodhe L, Salomon E, Edström M. Handling of digestate on  farm  level.  Report  form  Swedish  Institute  of  Agricultural  and  Environmental  Engineering,  2006.  http://www.jti.se/  uploads /jti/R‐347WP8.pdf (accessed in January, 2012)  [16] Jorquera  O,  Kiperstok  A,  Sales  EA,  Embiruçu  M,  Ghirardi 

ML.  Comparative  energy  life‐cycle  analyses  of  microalgal  biomass production in open ponds and photobioreactors.  Bioresour Technol 2010; 101: 1406–13. 

[17] Sierra  E,  Acién  FG,  Fernández  JM,  García  JL,  González  C,  Molina E. Characterization of a flat plate photobioreactor  for  the  production  of  microalgae.  Chem  Eng  J  2008;  138:  136–47. 

[18] Grönlund  E,  Klang  A,  Falk  S,  Hanæus  J.  Sustainability  of  wastewater  treatment  with  microalgae  in  cold  climate,  evaluated  with  emergy  and  socio‐ecological  principles.  Ecological Engineering 2004; 22: 155–74.     

[19] International Organization for Standardization. ISO 14040– Environment  management–Life  cycle  assessment–  Principles and framework. Geneva, 1997. 

[20] http://www.svenskfjarrvarme.se/Statistik‐‐Pris/Fjarrvarm  e/Energitillforsel/(In Swedish); and http://www. atee.fr/cp 

(9)

/37/6‐%2018‐09%20SCHWAIGER%20JOANNEUM%20R.pdf  (accessed in January, 2012) 

[21] Argonne  National  Laboratory.  Greenhouse  Gases,  Regulated  Emissions,  and  Energy  Use  in  Transportation  (GREET)  Computer  Model,  GREET  1.8  c.  2009.  http://www.transportation.anl.gov/modeling_simulation/ GREET/index.html. (accessed in January, 2012) 

[22] Word  Nuclear  Association,  http://www.world‐nuclear.org  /info/inf11.html;  http://secondlawoflife.wordpress.Com  /2007/06/17/the‐impact‐of‐nuclear‐and‐hydro‐based‐ electricity‐generation‐on‐co2‐emissions/;  http://www.vatt  enfall.com/en/file/2005‐lifecycleassessment_8459810.pdf  and  http://www.barsebackkraft.se/files/lifecycle_studies.  pdf (accessed in January, 2012) 

[23] Carlsson‐Kanyama  A.  Food  consumption  patterns  and  their  influence  on  climate  change:  greenhouse  gas  emissions  in  the  life‐cycle  of  tomatoes  and  carrots  consumed in Sweden. Ambio 1998; 27: 528‐34.   

[24] Chisti  Y.  Biodiesel  from  microalgae.  Biotechnol  Adv  2007;  25: 294‐306. 

[25] Chiu  S‐Y,  Kao  C‐Y,  Chen  C‐H,  Kuan  T‐C,  Ong  S‐C,  Lin  C‐S.  Reduction of CO2 by a high‐density culture of Chlorella sp. 

in  a  semicontinuous  photobioreactor.  Bioresour  Technol  2008; 99: 3389–96. 

[26] Iyovo  GD,  Du  GC,  Chen  J.  Poultry  manure  digestate  enhancement  of  Chlorella  Vulgaris  biomass  under  mixotrophic  condition  for  biofuel  production.  J  Microb  Biochem Technol 2010; 2: 51‐7.   

[27] Doušková I, Kaštánek F, Maléterová Y, Kaštánek P, Doucha  J,  Zachleder  V.  Utilization  of  distillery  stillage  for  energy  generation  and  concurrent  production  of    valuable  microalgal biomass in the sequence: Biogas‐cogeneration‐ microalgae‐products.  Energy  Convers  Manage  2010;  51:  606–11.   

[28] Sialve  B,  Bernet  N,  Bernard  O.  Anaerobic  digestion  of  microalgae  as  a  necessary  step  to  make  microalgal  biodiesel sustainable. Biotechnol Adv 2009; 27: 409‐16.  [29] Mussgnug  JH,  Klassen  V,  Schlüter  A,  Kruse  O.  Microalgae 

as  substrates  for  fermentative  biogas  production  in  a  combined biorefinery concept. J Biotechnol 2010; 150: 51‐ 6. 

[30] Swedish  Energy  Agency.  Energy  use  in  offices  2005,  http://www.swedishenergyagency.se/WEB%5CSTEMFe01 e.nsf/V_Media00/C12570D10037720FC12572D600216791 /$file/office.xls. (accessed in January, 2012) 

[31] Joelsson  A,  Gustavsson  L.  District  heating  and  energy  efficiency  in  detached  houses  of  differing  size  and  construction. Appl Energy 2009; 86: 126–34.   

[32] Larsdotter  K.  Microalgae  for  phosphorus  removal  from  wastewater in a Nordic climate. PhD dissertation of Royal  Institute of Technology, 2006. 

[33] Sydney  EB  ,  Sturm  W,  de  Carvalho  JC,  Thomaz‐Soccol  V,    Larroche C, Pandey A, Soccol CR. Potential carbon dioxide  fixation  by  industrially  important  microalgae.  Bioresour  Technol 2010; 101: 5892–6. 

[34] Tamiya  H.  Mass  culture  of  algae.  Annu  Rev  Plant  Physiol  1957; 8: 309‐34.     

[35] Strid I, Flysjö A. LCA of silage – Comparison of tower silo,  bunker  silo  and  round‐bales  (In  Swedish).  Report  from  Swedish University of Agricultural Sciences, 2007. 

[36] Åke  N,  Mats  E,  Carl‐Magnus  P,  Lennart  T.  Co‐digestion  of  ley  crops  and  source  sorted  municipal  solid  waste  (In  Swedish).  Report  form  Swedish  Institute  of  Agricultural  and Environmental Engineering, 1997.   

[37] Berglund  M,  Börjesson  P.  Assessment  of  energy  performance  in  the  life‐cycle  of  biogas  production.  Biomass Bioenergy 2006; 30: 254–66. 

[38] Li  YJ,  Li  JZ,  Qiu  Q,  Xu  YF.  Energy  auditing  and  energy  conservation potential for glass works. Appl Energy 2010;  87: 2438–46. 

[39] Chen C‐Y, Yeh K‐L, Aisyah R, Lee D‐J, Chang J‐S. Cultivation,  photobioreactor  design  and  harvesting  of  microalgae  for  biodiesel  production:  A  critical  review.  Bioresour  Technol  2011; 102: 71‐81. 

[40] Rao  AB,  Rubin  ES.  A  technical,  economic,  and  environmental  assessment  of  amine‐based  CO2  capture 

technology  for  power  plant  greenhouse  gas  control.  Energy Environ Sci 2002; 36: 4467–75. 

[41] Mann  MK,  Spath  PL.  Net  CO2  emissions  and  energy 

balances  of  biomass  and  coal‐fired  power  systems.  Proceedings  of  the  Fourth  Biomass  Conference  of  the  Americas,  Oakland,  California,  29  Aug–2  Sep,  1999.  p.  379–85.

Figure

Table  4  The  potential  of  algal  biomethane  production  integrated  with  the  Växtkraft  biogas  plant  in  Västerås,  Sweden      Per day      CO 2  availability  8.3 t/d Section 2.1 Algae  4.6 t/d =8.3/1.8  Land requirement  2.0 ha  =4.6*0.44  Biom

References

Related documents

Hypotes 4.2 – En svag aktör som kombinerar hög fysisk kapacitet till uthålligt krig, stark vilja att hålla ut samt hög militär skicklighet i att kontinuerligt orsaka

De ansvarar för all godshantering från inleverans till mottagande avdelning men även utgående gods som skickas från någon enhet vid USÖ till en extern

For any rate of churn and stabilization rates, and any system size, we accurately account for the functional form of: the distribution of inter-node distances, the probability

Nevertheless, a set of challenges persists, such as verification of liveness properties during SDN policy verifi- cation, inclusion of interleaved policy execution, eliminating the

To examine if and how the different developmental paths of social skills in early childhood were associated with school performance in primary school, and also

Att deltagarna uttrycker att grannar och andra personer ser ner på dem för att de inte har ett arbete något som stämmer med vad Jönsson (2003) fått fram i sin studie av

Purpose The aim of the present study was to contribute to the inconsistent literature on the comorbid relationship of alcohol problems and depressive symptoms from late adolescent

Based on interviews and documents, this article explores how marine mammal scientists articulate the validity of particular practices and research at both the International