INOM
EXAMENSARBETE TEKNIK,
GRUNDNIVÅ, 15 HP ,
STOCKHOLM SVERIGE 2018
Sönderdelning av biomassa för småskalig
biogasproduktion
ROBERT DJURBERG ALBIN MARKSKOG
KTH
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
II
Abstract
With the growing threats from climate change it is vital that we are able to lessen our reliance of fossil fuels and start using more renewable energy sources. One of these renewable energy sources which brings us closer to a circular resource management system is the production of biogas from biological waste.
The purpose of this report is to help the expansion of mainly the small-scale biogas production technology through identifying criteria connecting size reduction to the energy balance of the biogas production system. By doing this we hope to find the optimal particle size reduction of the substrate.
To achieve this, a study was done to map the biogas process and find out which substrates and size reduction technologies are currently available. The study concluded that wheat straw, manure and sorted out crops where some of the main substrates of interest and that
mechanical size reduction is most suitable for small scale biogas plants. From this the optimal particle size could be found through comparing the energy from the increase in biogas yield with the energy costs of the size reduction equipment specifically for the substrate wheat straw and the mechanical size reduction technologies hammer mill and knife mill.
This resulted in an optimal particle size through knife milling of 0.26 mm and by hammer milling 1.59 mm, although the sensitivity analysis showed that changes in the energy balance could shift the optimum of the hammer mill closer to a significantly larger particle size. Even though the results clearly show that knife mills are superior when it comes to energy
efficiency there are several other factors that affect which method is most efficient for different substrates and conditions, with the two main being the robustness of the technology and the characteristics of the substrate such as moisture content and structure.
Increases in efficiency like, the one mentioned above, is done to give biogas a fighting chance
on the fuel and energy market and enable it to become one of the important fuels of the future.
III
Sammanfattning
Med de växande hoten från klimatförändringar är det av största vikt att vi minskar vårt beroende av fossila bränslen och börjar använda oss utav mer förnyelsebara energikällor. En utav dessa förnyelsebara energikällor som för oss närmare ett cirkulärt resurshanteringssystem är produktionen av biogas från biologiskt avfall.
Syftet med denna rapport är att bidra till expansionen av i huvudsak den småskaliga
biogasproduktionen genom att identifiera kriterier som kopplar minskning av partikelstorlek med energibalansen över biogasproduktionssystemet. Genom att göra detta hoppas vi kunna hitta den optimala partikelstorleken för sönderdelning av substratet.
För att uppnå detta gjordes en studie över biogasprocessen och de tillgängliga substraten samt sönderdelningsteknologierna. Denna studie visade att halm, gödsel och utsorterade grödor var några av de huvudsakliga intressanta substraten och att mekanisk sönderdelning är det som främst är lämpligt för småskalig biogasproduktion. Från detta kunde den optimala
partikelstorleken identifieras genom att jämföra energin från det ökade biogasutbytet med energiförbrukningen av sönderdelaren, specifikt för substratet halm och
sönderdelningsteknikerna hammarkvarn och knivkvarn.
Detta resulterade i en optimal partikelstorlek för knivkvarn på 0,26mm och för hammarkvarn på 1,59 mm, dock visade känslighetsanalysen att förändringar i energibalansen kunde ändra hammarkvarnens optimum till en betydligt större partikelstorlek. Även om resultatet tydligt visar att knivkvarnen är överlägsen när det kommer till energieffektivitet finns det flera andra faktorer som påverkar vilken metod som blir mest effektiv för olika förhållanden och substrat, där de två främsta faktorerna är teknologins robusthet och substratets egenskaper som
fuktighet och struktur.
Det är av yttersta vikt att ökningar i effektivitet som den nämnd ovan görs för att ge biogas en möjlighet att slå sig in på bränsle och energimarknaden samt möjliggöra det till att bli ett viktigt bränsle i framtiden.
IV
Förord
Denna rapport är vårt kandidatexamensarbete genomfört vid Kungliga Tekniska högskolan,
inom Hållbar Energiteknik, och omfattar 15 hp. Arbetet utfördes under vårterminen 2018 som
del av civilingenjörsprogrammet Energi och Miljö. Idén bakom arbetet har sitt ursprung från
Gunnar Bech, ordförande för Innovationsverket i Gamleby. Vi vill tacka Gunnar inte bara för
projektidén utan också för stöd och inspiration genom arbetsprocessen. Vi vill även tacka
Anders Malmquist, universitetslektor vid institutionen för energiteknik vid KTH för råd och
vägledning under arbetets gång.
V
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 2
1.3 Angreppssätt och avgränsningar ... 2
2 Litteraturstudie ... 3
2.1 Substrat ... 3
2.2 TS-halt ... 3
2.3 VS-halt ... 3
2.4 Näringssammansättning ... 3
2.5 Nedbrytbarhet ... 4
2.6 Tillgängliga substrat ... 4
2.7 Processen ... 5
2.8 Biogas i Sverige ... 7
2.9 Förbehandlingstekniker ... 9
2.9.1 Mekanisk förbehandling ... 10
2.9.2 Termisk sönderdelning ... 11
2.9.3 Kemisk sönderdelning ... 12
2.9.4 Biologisk sönderdelning ... 12
2.9.5 Sammanfattning av olika tekniker ... 12
2.10 Partikelstorlek kontra gasutbyte ... 13
3 Metod och modell ... 15
3.1 Data ... 15
3.2 Bigasens energiinnehåll ... 15
3.3 Energibalans ... 16
3.4 Modellering ... 16
4 Resultat och analys ... 17
5 Felkällor och känslighetsanalys ... 22
6 Diskussion ... 24
6.1 Substrat ... 24
6.2 Sönderdelningsmetod ... 24
6.3 Processen ... 25
7 Slutsats ... 26
8 Förslag till fortsatta studier ... 28
VI
Nomenklatur
Förkortning/beteckning Innebörd
𝑪𝑯 𝑪𝑶𝑶𝑯 Ättiksyra
𝑪𝑯 Metan
𝑪𝑶 Koldioxid
𝑬 Nettoenergi
GWh Gigawattimme
𝑯 Vätgas
𝑯 𝑶 Vatten
kt Kiloton
kWh Kilowattimme
Nm
3Normalkubikmeter
PCHIP Piecewise Cubic Hermite Interpolating
Polynomial
𝑸
𝒚Energiinnehåll för metan
𝑸
ö 𝒊 𝒈Sönderdelningsenergi
TS Torrsubstans
VS Glödförlust/volatile solids
VII
Figurförteckning
Figur 1 Tillverkningsprocessen för biogas. ... 5 Figur 2 Energibalans över biogasprocessen. ... 16 Figur 3 Graf över metanutbytets förändring med avseende på Partikelstorleken under
experimentets totala rötningstid. ... 17 Figur 4 Graf över hammarkvarnens energiförbrukning för sönderdelning till en viss
partikelstorlek. ... 18 Figur 5 Graf över nettoenergi som erhålls vid olika partikelstorlekar för sönderdelning med hammarkvarn. ... 19 Figur 6 Graf över knivkvarnens energiförbrukning för sönderdelning till en viss
partikelstorlek. ... 20 Figur 7 Graf över nettoenergi som erhålls vid olika partikelstorlekar för sönderdelning med knivkvarn. ... 21
Tabellförteckning
Tabell 1 Biogas- och metanutbyte vid fullständig rötning av substratkomponenter. ... 4 Tabell 2 Energimängd i producerad biogas i Sverige år 2016 samt förändring mot 2015. ... 7 Tabell 3 Producerad mängd biogas, ungefärligt biogasutbyte och huvudsakligt substrat för olika anläggningstyper. ... 8 Tabell 4 Användning av producerad biogas (GWh) för olika typer av anläggningar, år 2016. . 9 Tabell 5 Specifik energiförbrukning för sönderdelning av halm med en fuktighetshalt på 4 %.
... 13 Tabell 6 Producerad mängd gas för halm (vete) vid olika partikelstorlekar. ... 14 Tabell 7 Optimal partikelstorlek, uttryckt i millimeter, vid förändrad specifik
energiförbrukning och metanutbyte. ... 23
1 1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Det rådande klimathotet är ett växande problem. Den utveckling som kom med
industrisamhället har gjort människan beroende av fossila energikällor som i sin tur har bidragit till en ökad växthuseffekt. Dagens samhälle blir allt mer påmint om sitt missbruk då smältande isar, ökenspridning och försurade hav är några av de klimatförändringar som sker i en takt som riskerar att påverka jordens ekosystem till ett irreversibelt tillstånd (WWF, 2017).
Klimatforskare är enade om att den globala medeltemperaturen inte får höjas med mer än 2 grader jämfört med förindustriell nivå för att undvika tröskeleffekter som kan driva på växthuseffekten. Detta mål förutsätter att den negativa trenden med ökade utsläpp av växthusgaser vänder. Dagens utsläpp på 50 miljarder ton koldioxidekvivalenter behöver då minska till 20 miljarder ton till år 2050 (Naturvårdsverket, 2013).
FN:s 193 medlemsstater har satt upp 17 globala mål för en hållbar utveckling som ska arbeta för att avskaffa extrem fattigdom, minska ojämlikheter, lösa klimatkrisen samt främja fred och rättvisa (FN, 2016). För att åtgärda de globala utmaningarna är det viktigt att integrera och balansera de ekologiska, sociala och ekonomiska dimensionerna av hållbar utveckling (Farrington & Khulman, 2010). Några av de mål som varje medlemsstat har ansvar för att genomföra är Hållbar energi för alla, Hållbar konsumtion och produktion samt Bekämpa klimatförändringar. Hållbar utveckling är svår att definiera, men genom att sätta upp mål som 2-gradersmålet och FN:s globala mål kan hållbar utveckling mer specificerat definieras vilket förtydligar och förenklar arbetet med att skapa konkreta åtgärder som arbetar mot ett hållbart samhälle (Kates, R. W. et al., 2005).
Vi behöver alltså hitta tekniska lösningar och sätt att bygga vårt samhälles system som tillåter oss att fortsätta konsumera samtidigt som vi håller oss inom de ekologiska gränserna. För att vi ska kunna nå en långsiktigt hållbar samhällsstruktur räcker det inte med att vi minimerar våra utsläpp och avfall. Vi behöver hitta ett sätt att leva utan att förorena våra omgivningar och sluta skapa avfall som inte återförs till vårt samhälle som en resurs. Därför behöver vi hitta metoder för att arbeta mot en cirkulär ekonomi där vi tar tillvara på vårt avfall som en resurs (Brännlund & Kriström, 2012). Ett tydligt exempel på detta är användandet av sopor och annat biologiskt avfall för produktionen av biogas. Istället för att avfallet läggs på hög och får brytas ned och bilda metan och koldioxid så kan det tillföras som en resurs till
energisystemet genom produktion av biogas som sedan kan användas exempelvis för att driva fordon eller för uppvärmning av lokaler (Naturvårdsverket, 2017). Samtidigt förloras inga näringsämnen från biomassan, varför avfallet som bildas från rötningsprocessen kan användas som gödsel på grund av dess höga näringsinnehåll (Jørgensen, 2009). Det är lösningar som dessa som behövs för att kunna bygga ett hållbart samhälle grundat på cirkulära system. Dessa system kommer även att bli allt mer ekonomiskt lönsamma när allt fler externa effekter börjar internaliseras, alltså att miljöpåverkan från dessa inkluderas till de ekonomiska kostnaderna, genom exempelvis styrmedel som koldioxidskatt och elcertifikat (Energimyndigheten, 2006).
Denna rapport syftar till att främja detta tankesätt kring cirkulära system genom att bidra till utvecklandet av en standardiserad biogasanläggning som ska kunna användas för både
småskaliga och större produktionsanläggningar där lantbrukare kan producera eget drivmedel för fordon samt få möjlighet att bygga upp ett energilager för eget bruk. Detta skapar
möjlighet exempelvis för mat som är helt hållbart producerad utan några utsläpp (Glavic &
Lucman, 2007). Avsikten med denna rapport är att den ska bidra till denna standardisering
2
genom att undersöka vilka tekniker som finns för sönderdelning av biomassa samt hur mycket energi dessa tekniker kräver beroende på vilken partikelstorlek som uppnås. Den energi som behövs för att minska partikelstorleken sätts sedan i relation till hur mycket energi som genereras från det ökade gasutbytet.
1.2 Syfte och mål
Projektet syftar till att finna relationer mellan sönderdelningen av biomassa i
förbehandlingsprocessen och gasutbyte vid rötningsprocessen i biogasproduktion. Ju mer biomassan sönderdelas desto bättre blir metangasbildningen i rötkammaren. Rapporten syftar därmed till att hitta ett optimum mellan hur mycket energi som läggs på sönderdelning relativt hur mycket energi som erhålls från det ökade biogasutbytet. Detta inom praktiska och
ekonomiska ramar för att bidra till en standardisering för gårdsbaserade biogasanläggningar.
För att projektets syfte ska uppfyllas definieras dessa mål:
• Att identifiera/sätta upp kriterier för att kunna göra en modell över biogasutbyte kontra sönderdelning.
• Undersöka vilka typer av substrat som uppkommer på svenska gårdar, vilka egenskaper de har samt i vilken mängd det uppkommer.
• Undersöka vilka tekniker det finns för sönderdelning av biomassa.
• Utreda vilken teknik som lämpar sig bäst för gårdsbaserad biogasproduktion ur ett energiperspektiv men som samtidigt är praktiskt och ekonomiskt möjligt.
1.3 Angreppssätt och avgränsningar
För framtagande av den information och data som arbetet är grundat på gjordes en
litteraturstudie över rapporter som behandlar områden kopplade till biogas, sönderdelning samt substrat. Valet av en litteraturstudie som angreppssätt gjordes i avsaknaden av tid och resurser att ta fram egna experimentella data att modellera utifrån, samtidigt som
framtagandet av information gav arbetet en vetenskaplig grund att stå på. Litteraturstudie som metod är ett beprövat arbetssätt för att skapa vetenskapliga rapporter givet ett källkritiskt synsätt. Detta källkritiska synsätt har varit bakomliggande genom hela litteraturstudien.
Arbetet avgränsas till att främst fokusera på olika mekaniska sönderdelningsmetoder utifrån
ett effektivitetsperspektiv. Gällande substrat avgränsas rapporten till att titta på de substrat
som är vanliga på gårdar med fokus på de som ger ett betydande ökat biogasutbyte vid
sönderdelning. Modelleringen avgränsas till att bara jämföra energiförlusterna från
sönderdelning med energivinsterna i form av ett ökat biogasutbyte. Partikelstorlekens
påverkan på exempelvis omblandning samt värmeledning försummas därmed. Arbetet
undersöker inte heller hur lämpligheten av olika sönderdelningsmetoder förändras när
storleken på biogasverket ökar.
3 2 Litteraturstudie
Litteraturstudien syftar till att insamla grundläggande fakta om biogasprocessen samt kring andra påverkande faktorer rörande sönderdelning och biogasutbyte såsom tillgång till substrat och dess egenskaper. Litteraturstudien innefattar även en undersökning över möjliga
sönderdelningsmetoder, fördelar och nackdelar med dessa samt fakta kring hur denna sönderdelning påverkar gasutbytet.
2.1 Substrat
Den biomassa som används vid biogasproduktion kallas substrat. Det kan vara energigrödor som odlas till syfte att producera biogas såsom vallväxter och sockerbetor. Avfall och
restprodukter är andra vanliga substrat som uppstår från hushåll, livsmedelsindustrin och även från jordbruk. Det finns flera viktiga substrategenskaper som påverkar hur effektivt ett
substrat kan omvandlas till biogas genom en rötningsprocess. Dessa egenskaper styr flera beslut som måste göras för att tillverkningsprocessens verkningsgrad ska bli så hög som möjligt. Det kan bland annat påverka vilken blandning av de ingående substraten som används, vilka tekniker för förbehandling och rötning som ska användas samt hur mycket substratet ska sönderdelas. Nedan redovisas de viktigaste egenskaperna hos ett substrat för att avgöra dess lämplighet som biogasråvara.
2.2 TS-halt
Torrsubstans, förkortat TS, är den mängd torrt material som finns kvar efter att
vatteninnehållet har låtits dunsta bort vid 105
°C. Substrat med hög TS-halt (typiskt omkring 10 –15 %) kan vara svårare att pumpa, sönderdela och röra om (Carlsson & Uldal, 2009).
Utspädning med vatten eller andra substrat med lägre TS-halt är vanligt förekommande för att förenkla de mekaniska momenten. Studier från Delgenes et al. (2013) har visat att låga TS- halter vid rötning av halm blir viktigare vid mindre partikelstorlekar. De experiment som utfördes visade på en liten förändring av metanutbytet för partiklar med storlek 1,4 mm då TS-halten ändrades från 15 till 25 %. Men mer än en halvering av metanutbytet kunde observeras när detta experiment utfördes för partikelstorlekarna 0,1 och 0,7 mm.
2.3 VS-halt
VS är en förkortning av det engelska uttrycket volatile solids (på svenska glödförluster). Vid förbränning av substrat vid 550 °C anger VS-halten hur mycket av det organiska materialet som har förgasats och således inte finns kvar som aska (Carlsson & Uldal, 2009). Detta är viktigt för att bedöma substratets organiska innehåll. Generellt brukar en hög VS-halt innebära ett högt gasutbyte. I rötningsprocessen bryts enbart den organiska andelen av substratet ner vilket förklarar varför VS är en viktig faktor vid biogasproduktion.
2.4 Näringssammansättning
Det är vitalt för mikroorganismer att det finns tillgång till kol, kväve, fosfor, vitaminer och mikronäringsämnen för att de ska frodas (Carlsson & Uldal, 2009). Då det är
mikroorganismer som bryter ner substratet så det bildas gas är det viktigt att den blandning
som förs in i rötkammaren innehåller tillräckliga mängder av tidigare nämnda ämnen. En
riktlinje är att kvoten mellan kol och kväve ska vara omkring 30, en lägre kvot betyder att det
finns ett överskott på kväve vilket leder till ammoniumackumulering och för höga pH-värden
för mikroorganismer. Värden över 30 betyder att det är ett överskott av kol vilket leder till att
4
nedbrytningen avtar (ibid.). För att undvika näringsbrist är samrötning av olika typer av substrat vanligt, det möjliggör till exempel rötning av substrat med icke önskvärda andelar kväve utan att processen blir instabil på grund av ammoniumackumulering.
2.5 Nedbrytbarhet
För att det ska bildas gas krävs det att substratet är anaerobt nedbrytbart. Sammansättningen av fett, kolhydrater och protein har en stor påverkan över hur snabbt materialet bryts ner och hur stort gasutbytet blir. Biogasutbytet beskriver ett materials förmåga att bilda biogas, här spelar även andra faktorer roll som exempelvis andelen torrsubstans och andelen organiskt material i torrsubstansen. I tabell 1 redovisas hur stort gasutbytet vid fullständig anaerob nedbrytning blir samt gassammansättningen för fett, protein och kolhydrater. Det verkliga utbytet är lägre då det aldrig sker en fullständig rötning av substratet, det ger dock en idé om hur olika ämnens gasutbyte är. Ur tabellen går det att se att fett ger ett stort gasutbyte med hög metanhalt jämfört med kolhydrater.
Tabell 1 Biogas- och metanutbyte vid fullständig rötning av substratkomponenter.
Modifierad från Schnürer (2008).
Substrat Biogas Metan Metan
Nm3/kg VS Nm3/kg VS %
Fett 1,37 0,96 70
Protein 0,64 0,51 80
Kolhydrater 0,84 0,42 50
Innehåller substratet stora mängder cellulosa och hemicellulosa, såsom gödsel, halm och vallgröda, går nedbrytningsprocessen långsammare. Mängden lignin i ett substrat har också stor påverkan på nedbrytbarheten. Lignin är inte anaerobt nedbrytbart vilket skapar problem för bland annat substrat som halm (Carlsson & Uldal, 2009). Kemisk förbehandling eller finfördelning av substratet kan dock motverka detta. Protein och stärkelser går däremot snabbt att bryta ner och olika typer fetter kan ha en varierad nedbrytningshastighet (ibid.).
Partikelstorlek har också inverkan på hur snabbt ett material bryts ner då mikroorganismer får en större angreppsyta för små partiklar. Vid rötning kan uppehållstiden förlängas i kammaren vilket leder till större metanutbyte, det är dock önskvärt med en snabb nedbrytningsprocess då det är energikrävande att röra om i och värma kammaren.
2.6 Tillgängliga substrat
2008 uppskattades biogaspotentialen i Sverige, den teoretiska energi som kan utvinnas från
inhemska råvaror, till totalt 15,6 TWh/år (Andersson et al., 2009). Räknas förluster för
råvaruinsamling in med tekniska och ekonomiska förutsättningar blir den begränsade
potentialen 10,6 TWh/år. Nästan all råvara uppstår i koppling till lantbruk. Halm och gödsel
är de råvaror som uppkommer mest och ger en begränsad potential på 4,3 TWh/år respektive
3,1 TWh/år. Gödsel behöver nödvändigtvis inte förbehandlas och kan pumpas direkt in i
rötkammaren. Halm däremot ger en betydelsefull ökning i biogasutbyte om det sönderdelas
5
vilket kommer visas senare i rapporten. Andra råvaror som normalt uppstår inom lantbruk är odlingsrester såsom blast och bortsorterade grödor.
2.7 Processen
Tillverkningsprocessen för biogas kan delas upp i tre delar. Detta illustreras i figur 1 nedan.
Först ett förbehandlingssteg där biomassa bland annat renas och finfördelas till en mindre partikelstorlek. Sedan kommer själva rötningen där biomassa bryts ner och biogas bildas.
Slutligen är det vanligt med ett renings- och uppgraderingssteg för att få en mer användbar och högkvalitativ gas.
Figur 1 Tillverkningsprocessen för biogas.
Utformningen av försystemet varierar mycket beroende på vilket substrat som
biogasanläggningen använder samt vilken storlek anläggningen har. De huvudsakliga metoderna som används i försystem är sortering, finfördelning, spädning och hygienisering.
Sortering är främst viktigt i större anläggningar där det inte går att kontrollera allt som förs in i anläggningen. I detta steg sorteras material ut som kan störa eller förorena
rötningsprocessen. Detta kan ske genom en mängd olika metoder, vanligtvis med hjälp av olika sorters siktar och magneter.
Finfördelningen är ett mycket viktigt förbehandlingssteg speciellt för substrat som är mer svårnedbrytbara. Den minskade partikelstorleken skapar en större yta som bakterierna kan angripa under rötningsprocessen vilket ökar gasutbytet (Nordberg, 2006). En minskad partikelstorlek kan också förbättra omrörning samt minska risk för skiktning (Olsson, 2014).
Finfördelningen sker främst genom mekanisk sönderdelning med knivar, kvarnar eller krossar. Men det finns även andra typer av nedbrytningstekniker som använder sig av olika kemiska och biologiska processer (Kratky & Jirout, 2010).
Spädning görs helt enkelt genom att tillföra vätska till substratet för att minska andelen torrsubstans i den ingående biomassan, detta förbehandlingssteg är ofta nödvändigt i
anläggningar som använder sig av våtrötning där TS är mellan ca 2 –12 % vilket är vanligast i Sverige. Fördelarna med våtrötning jämfört med torrötning, som har en TS på omkring 15 % och högre, är att det går att använda sig av pumpar och rörsystem för transport av substratet samt att biomassan blir mer lättåtkomlig för mikroorganismerna i rötkammaren
(Bioenergiportalen, 2009). Dock kräver denna teknik en större rötkammare vilket leder till att den initiala kostnaden för kammaren samt driftskostnaden blir högre (Starberg et al., 2005).
Hygieniseringssteget går ut på att få bort skadliga ämnen som bakterier och virus från substratet vilka kan vara farliga för människor och natur eller störa bakterierna i rötkammaren. Detta sker främst genom olika former av termisk, kemisk och biologisk behandling beroende på vilka skadliga ämnen som finns i substratet. I den termiska
behandlingen sker behandling i form av temperaturförändringar som exempelvis pastörisering eller torkning. Den kemiska behandlingen går ut på att förändra den kemiska miljön i
biomassan så att de icke önskvärda patogenerna dör medan den biologiska behandlingen
innefattar olika sorters rötnings- och komposteringsprocesser. Det går även att genomföra
6
olika typer av behandling med strålning för att få bort icke önskade mikroorganismer (Norin, 2007).
Rötningsprocessen kan delas upp i tre delsteg: Hydrolys, fermentering och metanbildning.
Tekniskt sett finns det två olika huvudmetoder för hur rötningsprocessen kan vara uppbyggd, enstegsrötning och tvåstegsrötning. Vid enstegsrötning sker hela rötningsprocessen i en enda kammare medan i tvåstegsrötningen delas processen upp i två steg. Biomassan får först vara i en kammare där hydrolysen och fermenteringen startas varefter biomassan förs vidare till en andra kammare vars förhållanden är mer anpassade för metanbildningsprocessen (Nordberg, 2006).
Under det första delsteget, hydrolysen, spjälkas biomassan ned till mindre beståndsdelar som socker och aminosyror med hjälp av olika enzymer som skapas utav en typ av bakterier som finns i rötningskammaren. I fermenteringen omvandlas de enkla organiska föreningarna från hydrolysen till organiska syror. Detta sker genom antingen en oxidering eller en
jäsningsprocess. Den typ av bakterier som skapar denna process är snabbt förökande och genererar stora mängder energi varför detta är ett fortgående delsteg. De organiska syrorna bryts sedan ned av ättiksyrabildande bakterier till vätgas, koldioxid och ättiksyra. Dessa bakterier är dock känsliga, därför behöver det finnas en blandning av bakterier som upptar väte- och metanbildande bakterier för att upprätthålla rätt förhållanden. Slutligen kommer det metanbildande steget där vätet, koldioxiden och ättiksyran bryts ned av metanbildande bakterier, vilket visas av formlerna nedan.
𝐶𝐻 𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐶𝐻 + 𝐶𝑂 𝐶𝑂 + 4𝐻 → 2𝐻 𝑂 + 𝐶𝐻
Dessa bakterier kräver dock specifika miljöförhållanden för att kunna arbeta optimalt varför just att bevara rätt förhållanden blir ett kritiskt moment för biogasproduktionen. Temperaturen för processen är en viktig faktor. Det finns dock tre olika typer av mikroorganismer som kan användas för metanbildning som trivs under olika temperaturintervall. Den första av dessa, psykrofila mikroorganismer trivs under ett temperaturintervall på 4 till 24
°C. Sedan kommer de mesofila mikroorganismerna som trivs mellan 24 och 45
°Coch de termofila som vill ha mellan 45 och 60
°C. Förutom temperaturen finns det en rad andra viktiga faktorer. Ett stabilt pH-värde som vanligtvis bör ligga mellan 6,5 och 7,5 är grundläggande för att
mikroorganismerna ska kunna arbeta och föröka sig.
Eftersom det är en levande process är näringsinnehållet viktigt. Det måste finnas tillräckligt med vitaminer och andra ämnen som är nödvändiga för bakterieodlingens tillväxt. Dessutom behöver halten kol i förhållande till kväve hållas på en balanserad nivå, med en tillräcklig andel kväve så bakterierna trivs men samtidigt får inte höga halter ammoniak bildas. Kopplat till detta blir vattenhalten i processen viktig eftersom vattnet behövs för att lösa och
transportera näringsämnena. Uppehållstiden, alltså genomsnittstiden det organiska materialet
befinner sig i reaktorn, är viktig för en fungerande process. Uppehållstiden skiljer sig mycket
åt mellan olika tekniker men är vanligtvis mellan 10 och 30 dygn. En annan viktig faktor är
den organiska belastningen, alltså att processen tillförs organiskt material i relation till
nedbrytningskapaciteten. Slutligen är även omblandningen viktig för att mikroorganismerna
ska få kontakt med nytt organiskt material samt för att underlätta gasavgång och undvika
temperaturgradienter, det vill säga att temperaturen i rötkammaren är homogen (Nordberg,
2006).
7
Efter rötningsprocessen kan gasen redan i detta skede användas exempelvis för uppvärmning av hus. Om däremot gasen ska användas som fordonsbränsle behöver den genomgå ett renings- och uppgraderingssteg. I detta steg renas gasen från korrosiva produkter som
svavelväte samt andra partiklar, till exempel vatten. Därefter så avskiljs koldioxid från gasen så att metanhalten hamnar på 96 –98 % som är A-standard för fordonsgas eller 95–99 % vilket är B-standarden för fordonsgas (Persson, 2003).
2.8 Biogas i Sverige
År 2016 producerades biogas motsvarande 2,0 TWh och produktionen har ökat med omkring 60 % de senaste tio åren (Energimyndigheten, 2017). Samma år fanns det totalt 279
biogasproducerande anläggningar, av dessa var 220 rötningsanläggningar som antingen använde mesofil eller termofil rötningsmetod. Det finns 34 samrötningsanläggningar, dessa utgör omkring hälften av biogasproduktionen och har varit den typ av anläggning som har ökat mest i antal de senaste åren. I tabell 2 redovisas biogasproduktion 2016 för olika
anläggningstyper samt procentuell förändring sedan 2015. Biogas från deponier, där organiskt material läggs på hög i “soptippar”, har årligen minskat sedan deponering av organiskt
material blivit förbjudet 2005. Förbudet kom eftersom metangas bildas i deponier och sprids okontrollerat till atmosfären vilket bidrar till växthuseffekter.
Tabell 2 Energimängd i producerad biogas i Sverige år 2016 samt förändring mot 2015.
Modifierad från Energimyndigheten (2017).
Anläggningstyp Biogasproduktion Förändring mot 2015
GWh %
Avloppsreningsverk 709 +2
Samrötningsanläggningar 944 +11
Gårdsanläggningar 49 – 3
Industrianläggningar 128 +6
Deponier 174 – 7
Förgasningsanläggningar 14 – 55
Summa 2 018 +4
8
De främsta substraten som används vid biogasproduktion i Sverige är avloppsslam, gödsel, avfall från livsmedelsindustrin och källsorterat matavfall. Dessa substrat varierar stort i energiinnehåll och vattenhalt, vilket har stor påverkan på biogasutbytet för de olika anläggningstyperna. I tabell 3 nedan redovisas totala mängden producerad biogas,
biogasutbyte och huvudsakliga substrat för olika typer av anläggningar. Gödsel som substrat har blivit mycket mer vanligt, från 204 365 ton år 2009 till 881 983 ton år 2016 på totalt 60 anläggningar.
På uppdrag av regeringen drev jordbruksverket igenom ett pilotprojekt, kallat gödselgasstöd, under 2015 (Edström & Niemi Hjulfors, 2017). Projektets mål är att förbättra
gödselhanteringen och på så vis minska onödiga växthusgasutsläpp genom att öka de ekonomiska incitamenten för att behålla de anläggningar som finns men även för att nya anläggningar ska byggas. Skälen till produktionsstödet är dels den dubbla miljönyttan med minskade metanutsläpp och minskade koldioxidutsläpp från fossila bränslen som biogas ersätter, dels att produktionskostnaden för biogas är dyrare än produktionskostnader för många andra energislag. Företag som tar del av gödselstödet får ersättning för varje
producerad kWh. Under 2015 och 2016 var ersättningen som mest uppe i 20 respektive 40 öre per kWh. 2016 betalades det ut totalt 49,8 miljoner kronor och den uppskattade minskningen av koldioxidekvivalenter var 6 632 ton (ibid.).
Tabell 3 Producerad mängd biogas, ungefärligt biogasutbyte och huvudsakligt substrat för olika anläggningstyper.
Modifierad från Energimyndigheten (2017).
Typ av anläggning Totalt producerad mängd biogas
Biogasutbyte Huvudsakligt substrat
GWh GWh/kt våtvikt
substrat
Avloppsreningsverk 709 0,11 Avloppsslam
Samrötningsanläggningar 944 0,59 Gödsel, matavfall,
livsmedelsindustrin
Gårdsanläggningar 49 0,15 Gödsel
Förgasningsanläggningar 14 0,98 Pellets, flis, bark
9
64 % av den producerade biogasen i Sverige uppgraderas, det är nästan 1,3 TWh. Andelen biogas som uppgraderas har förändrats mycket de senaste 10 åren och nästan all uppgraderad gas används som drivmedel till gasdrivna fordon. Näst största användningsområdet är värme, vilket är en femtedel, dock finns det osäkerheter i hur denna värme faktiskt används. El producerad av biogas minskade 2016 med 13 % till 54 GWh jämfört med 2015. För samrötningsanläggningar används större delen av gasen till uppgradering medan
gårdsanläggningar främst använder gasen till uppvärmning. Tabell 4 redovisar hur biogas som produceras i olika anläggningstyper används.
Tabell 4 Användning av producerad biogas (GWh) för olika typer av anläggningar, år 2016.
Modifierad från Energimyndigheten (2017).
Anläggningstyper Värme El Uppgradering Industriell användning
Övrig användning
Fackling Saknad data
Avloppsreningsverk 177 16 437 2 0 77 1
Samrötningsanläggningar 43 17 832 0 17 36 0
Gårdsanläggningar 18 8 12 0 0 1 9
Industrianläggningar 40 3 0 51 0 34 0
Deponier 116 10 2 0 11 36 0
Förgasning 0 0 14 0 0 0 0
Summa 394 54 1 296 53 28 184 9
2.9 Förbehandlingstekniker
Sönderdelning av substratet är viktigt när substratets molekylära struktur är svåråtkomligt för mikroorganismerna och dess enzymer. Detta sker när substratet är uppbyggt med starka molekylära bindningar, alltså att de har en så kallad kristallin struktur, eller när substratet har en lite ytarea. Syftet med detta förbehandlingssteg är således att öka den anaeroba
nedbrytningsprocessen och därmed kunna få ett högre biogasutbyte samt möjliggöra användningen av substrat som annars skulle vara olämpliga för biogasproduktion. Det ger också fördelar genom minskad energiåtgång vid omrörningen eftersom finfördelningen ger biomassan en lägre viskositet samt minskar risken för bildandet av skiktade lager
(Montgomery & Bochmann, 2014). Det finns en rad olika förbehandlingstekniker för att bryta ner biomassan och göra den mottaglig för enzymerna. Dessa förbehandlingsmetoder kan kategoriseras i mekaniska, kemiska, termiska och biologiska metoder (ibid.). Studier har visat att minskning av partikelstorlek till 1 –2 mm avlägsnar hinder kopplade till värme- och
masstransport vid hydrolyssteget (Tillman et al., 1990). Sönderdelning är ett energikrävande
steg och har visat sig kunna stå för omkring 33 % av den totala energiförbrukningen i
tillverkningsprocessen av biogas, därför är det av stor vikt att val av teknik och slutgiltig
partikelstorlek är optimal för en så energieffektiv process som möjligt (Kratky & Jirout,
2010).
10
2.9.1 Mekanisk förbehandling
Den mekaniska sönderdelningen går ut på att inte bara finfördela biomassan utan syftar även till att förändra dess struktur och minska dess kristallinitet. Vilken typ av sönderdelning det blir beror på vilken metod som används. Knivkvarnar finfördelar främst biomassan medan hammarkvarnar och ball mills främst bryter ner cellulosans struktur och skapar långa tunna fibrer. De stora nackdelarna med mekanisk sönderdelning är dess höga energiförbrukning samt risken för att komponenter skadas av olika material som råkat följa med in i processen som stenar eller metaller (Montgomery & Bochmann, 2014). Det finns också stora fördelar med den mekaniska sönderdelningen, genom mekanisk sönderdelning så kan effektiviteten i hydrolysen öka med 5 –25 % samtidigt som rötningstiden minskar med 23–59 % då
angreppsytan för mikroorganismerna ökar (Kratky & Jirout, 2010). För de material som till stor del består av lignocellulosa rekommenderas en sönderdelning till 1 –2 mm för en effektiv hydrolys (Montgomery & Bochmann, 2014). De metoder som används för denna typ av sönderdelning är sönderflisningsmetoder med knivar eller nedmalningsmetoder med hjälp av olika typer av kvarnar. Sönderflisning ger ofta partikelstorlekar kring 10 –30 mm medan malning ger partikelstorlekar kring 0,2 –2 mm (Kratky & Jirout, 2010). De faktorer som påverkar energiförbrukningen är främst sönderdelningsteknik, partikelstorlek före och efter sönderdelning samt substrategenskaper. Substratets fuktighetshalt är särskilt viktig för
energiförbrukning för olika sönderdelningstekniker. Till exempel är hammar- och knivkvarnar effektiva för sönderdelning av substrat med lägre fuktighetshalt än 10 –15 % (ibid.). Större delen av energin som förbrukas i kvarnbaserad teknik omvandlas till värme vilket till viss del påverkar substratets sönderdelning positivt samt minskar uppvärmningsbehovet av
rötkammaren, dock försvinner mycket värme till stor del som värmeförlust (ibid).
Shredding är en metod för initial sönderdelning av kompakta svårhanterliga material som trä, gräs och pappersmaterial. Exempelvis så kan shredders effektivt sönderdela gräsmaterial till omkring 3 cm i längd men därefter är det mer effektivt att använda malningstekniker för att uppnå storlekar på omkring 1 –2 mm. Det finns både kniv-, hammar- och skruvshredders.
Vilken teknik som är mest lämplig för användning beror på biomassans egenskaper, till exempel storlek och fuktighet (ibid.).
Ball milling går ut på att biomassan läggs i en roterande cylindrisk trumma innehållande kulor. Denna typ av malning är effektiv för att bryta ner cellulosans struktur, minska partikelstorleken, skapa en större ytarea och höja biomassans densitet. Detta tillåter att anläggningen kan röta med en hög koncentration av substrat vilket innebär att rötkammaren inte behöver vara lika stor. Nackdelarna med denna teknik är att dess effektivitet varierar med biomassans cellulosainnehåll där den fungerar sämre vid låga halter av cellulosa samt att det är en tidskrävande process (ibid.).
Vibro energy milling är likt ball milling fast kvarnen vibrerar istället för att rotera. Beroende på vad det är för biomaterial och vilken frekvens kvarnen vibrerar med så kan denna typ av kvarn vara mer effektiv än ball milling för att bryta ner cellulosans kristallinitet. Denna teknik har visat sig bli mer effektiv om biomassan värms till en temperatur på 40 –60
°C(ibid.).
Knivkvarnar används vanligen vid sönderdelning av torra växtmaterial med en fuktighetshalt på upp till 15 % (ibid.). Denna typ av kvarnar är fördelaktig vid sönderdelning av biomassa bestående av längre strån och stjälkar jämfört med exempelvis hammar- och diskkvarnar som har svårt att hantera denna typ av material utan en initial sönderdelning (Bitra et al., 2009).
Vilken partikelstorlek som denna typ av kvarn kan uppnå beror på inmatningshastigheten,
rotationshastigheten och vilken typ av trumma som omsluter kvarnen. Samtidigt varierar
11
energibehovet beroende på partikelstorleken som ska uppnås, rotorns hastighet samt hur knivarna är vinklade. Knivkvarnar jämförs ofta med hammarkvarnar och generellt har knivkvarnar funnits vara energieffektivare när det kommer till torr biomassa och kan i vissa fall vara så mycket som fem gånger energieffektivare än hammarkvarnsmetoder (Kratky &
Jirout, 2010). Dock är denna teknik mer känslig för att skadas av stenar, metaller och andra icke önskade material som kan ta sig in i processen (Montgomery & Bochmann, 2014).
Hammarkvarnar är en av de vanligaste teknikerna när det kommer till sönderdelning av biomassa. Detta eftersom de snabbt kan sönderdela material samtidigt som det är lätt att justera intervallet av partikelstorlekar. Denna kvarntyp är även relativt billig och lätthanterlig.
Hammarkvarnen är uppbyggd med ett antal hammare som är fastsatta på en rotor som slår sönder det ingående materialet, en skärm omsluter kvarnen som har öppningar i den storlek som partiklarna önskas uppnå. Energimängden som krävs beror på hur stor minskning av partikelstorlek som ska uppnås, fuktighet av materialet, materiella egenskaper,
inmatningshastighet samt maskinella egenskaper som hammarspetsarnas fart (Kratky &
Jirout, 2010).
Diskkvarnar kan vara uppbyggda med en eller två diskar där biomassan matas in i centrum mellan diskarna varifrån materialet trycks utåt under malningsprocessen där biomassan sönderdelas från trycket och skjuvningskrafterna. I denna sönderdelningsmetod har temperaturen av ingående material visats spela roll (ibid.).
Valsning där materialet pressas mellan två cylindrar är ett annat sätt för att sönderdela biomassans cellulosastruktur, minska dess kristallinitet samt öka biomassans densitet. Denna metod har visat sig vara energieffektiv när det kommer till att minska partikelstorlek men anses inte vara ekonomiskt genomförbar på grund av stora investeringskostnader och dyra underhållsbehov (ibid.).
Colloid mills eller våtdiskkvarnar fungerar i princip som diskkvarnar bara att de är anpassade för att sönderdela material med en vätskehalt på över 15 %. Även för denna teknik spelar den ingående biomassans temperatur roll för energiförbrukningen och en högre rotationshastighet på diskarna ger lägre energiförbrukning. Denna kvarntyp når energiförbrukningsnivåer på liknande nivåer som hammarkvarnen (ibid.). Dock kan denna kvarntyp vara lämplig vid användningen av alger som substrat (Montgomery & Bochmann, 2014).
Extrudering används vanligtvis inte för att minska partikelstorlek av material men skulle kunna vara lämplig för biomassa genom att det är en kontinuerlig process som kan vara användbar i större produktionsanläggningar. Extrudern kan sönderdela material genom att det skapas stora skjuvkrafter under processen, samtidigt blandas materialet på ett effektivt sätt och värme kan enkelt ledas bort eller tillföras vid behov. Extrudering kan också lämpligt kombineras med andra typer av sönderdelningstekniker, exempelvis så kan en våtdiskkvarn användas efter extrudering med goda resultat. Energiförbrukningen för denna metod kan jämföras med hammarkvarnen med vissa fördelar i att det lättare går att implementera exempelvis kemiska förbehandlingsmetoder till denna teknik (Kratky & Jirout, 2010).
2.9.2 Termisk sönderdelning
Denna typ av sönderdelning går vanligtvis ut på att substratet tillsammans med vatten utsätts för en temperaturhöjning till 125 –190
°Cunder ett förhöjt tryck som kan vara runt 20 –30 bar.
Dessa förhållanden stör vätebindningarna i substratet vilket bryter ned cellulosans struktur.
Denna typ av förbehandling har visat sig kunna ge upp till 30 % ökat metanutbyte. Det har
12
också visat sig att temperaturen bara spelar roll till en viss grad, alltså finns det en optimal processtemperatur för varje substrat (Montgomery & Bochmann, 2014).
2.9.3 Kemisk sönderdelning
Det finns en rad olika kemikalier som kan användas för att bryta ner biomassa inför rötning.
Det finns dock tre huvudsakliga förbehandlingsmetoder vid kemisk sönderdelning. Den första, alkalisk förbehandling, går ut på att tillföra starka baser som exempelvis
natriumhydroxid till substratet vilket gör det mer mottagligt för hydrolys. Detta är dock en dyr typ av förbehandling men kan ha ett användningsområde för substrat med ett lågt pH-värde som inte skulle kunna användas för biogasproduktion annars. Den andra är förbehandling med syror vilket bryter ned hemicellulosan i växtmaterialet. Denna typ av kemisk förbehandling blir mer effektivt implementerat vid högre temperatur. Slutligen kan även oxidativa
förbehandlingsmetoder användas med hjälp av antingen ozon eller väteperoxid. Denna förbehandling fungerar på liknande sätt som den alkaliska genom att bryta ner ligninet och gör biomassan mer mottaglig för hydrolysen men används i nuläget inte i större skala på grund av dess höga kostnad (ibid.).
2.9.4 Biologisk sönderdelning
Biologisk sönderdelning kan göras genom användning av olika typer av aeroba eller anaeroba mikroorganismer, svamp eller genom att tillföra enzymer till biomassan. Fördelen med denna typ av förbehandling är att den kan användas vid låga temperaturer utan kemikalier, dock kan det vara en mycket tidskrävande process. Förbehandlingen med aeroba eller anaeroba
mikroorganismer har uppmätts kunna ge ett ökat biogasutbyte med 26 respektive 21 %.
Förbehandlingen med svampar har visat sig ge en viss ökning i biogasutbyte men har främst en hygieniserande verkan medan tillsättningen av enzymer är en dyr process som är svår att göra lönsam (ibid.).
2.9.5 Sammanfattning av olika tekniker
Det finns många olika metoder för att sönderdela biomassa inför rötning, sedan kan en hel del av dessa kombineras för att uppnå en mer optimal förbehandling. Vilken
sönderdelningsteknik som är optimal beror mycket på vilken typ av substrat som används, storleken på och typen av anläggning, de ekonomiska förutsättningarna och förutsättningarna i området. Exempelvis så spelar substrategenskaper som fuktighet, kemiska egenskaper och risk för medföljande stenar och annat icke önskvärt material en avgörande roll. En stor anläggning har också möjlighet till att investera i dyrare förbehandlingsystem eftersom dess större produktion ger en högre ekonomisk vinst från en förbättrad process. Hur tillgången och kostnaden ser ut för olika kemikalier kan påverka hur lönsamma de olika kemiska
förbehandlingsmetoderna är medan om stora mängder spillvärme skapas i närområdet kan det motivera användningen av en termiskt baserad förbehandling.
När det gäller mer småskaliga anläggningar gör de stora investeringskostnaderna och
komplexiteten av de kemiska och många av de termiska förbehandlingsmetoderna dem
mindre önskvärda. För dessa anläggningar kan det vara mer aktuellt med någon typ av
mekanisk sönderdelning eller en enklare typ av biologisk förbehandling. Utav de mekaniska
sönderdelningsmetoderna är knivkvarnar särskilt intressanta eftersom den kan uppnå små
partikelstorlekar till en relativt liten energiåtgång. Denna teknik är dock begränsad till att
substratet måste ha en fuktighetshalt under cirka 15 % för att fungera effektivt, vilket skulle
kunna uppnås genom användning av enkla torkningsmetoder. Konstruktionen av denna
kvarntyp är också känslig för att förstöras av oönskat material som exempelvis stenar.
13
Däremot när det kommer till material med hög fuktighet kan tekniker som diskkvarnar vara mer fördelaktiga. Om substratet har en hög initial storlek kan det dessutom vara lämpligt att använda en shredder som först sönderdelar materialet till en mindre storlek innan malning i en kvarn sker för att uppnå resterande storleksminskning. I tabell 5 presenteras den specifika energiförbrukningen vid sönderdelning av vetehalm för knivkvarnar och hammarkvarnar med en varierad partikelstorlek.
Tabell 5 Specifik energiförbrukning för sönderdelning av halm med en fuktighetshalt på 4 %.
Modifierad från Kratky & Jirout (2010).
Sönderdelningsteknik Initial/slutgiltig partikelstorlek
Specifik energiförbrukning
mm kWh/ton TS
Knivkvarn 19,05/1,6 9,7
19,05/2,4 7,7
19,05/6,4 6,4
19,05/9,5 5,8
19,05/12,5 3,6
Hammarkvarn 19,05/1,6 53,8
19,05/2,4 38,5
19,05/3,0 25,6
2.10 Partikelstorlek kontra gasutbyte
Som tidigare nämnts påverkar partikelstorleken av den ingående biomassan vilket
biogasutbyte som erhålls från rötningsprocessen. Detta kan dock variera stort mellan olika substrat, exempelvis ger sönderdelning av matavfall, slam från avloppsvatten och papper ett ökat biogasutbyte med 28, 7 respektive 60 %. Vid sönderdelning av matavfall användes tekniken ball milling vilket gav en medelpartikelstorlek på 0,718 mm (Izumi et al., 2010). För sönderdelning av slam användes en diskkvarn som tillåter partiklar med maximal storlek av 0,2 mm att passera (Sundin, 2008). För sönderdelningen av papper minskades
partikelstorleken från 15 mm till runt 1 mm vid laboratorieförsök med en ospecificerad
sönderdelningsmetod (Jedrczak & Królik, 2007). Det är inte bara partikelstorleken som
spelar roll sett till hur sönderdelningen påverkar gasutbytet, eftersom sönderdelningen
dessutom kan påverka biomassans struktur genom tryck och skjuvningskrafter (Lindmark et
al., 2011).
14
Studier från Sharma et al (1988) har visat att minskning av partikelstorlek har en större påverkan på gasutbytet den första tiden i rötningsprocessen varför sönderdelning får större betydelse desto kortare rötningstid processen har. Dessutom har det visats vara en mycket liten förbättring i producerad mängd metan mellan partikelstorlekarna 0,4 och 0,088 mm.
Utifrån data från tabell 6 över effekterna från partikelstorlek på biogasproduktion kan ett samband byggas upp mellan substratets partikelstorlek och det erhållna gasutbytet.
Tabell 6 Producerad mängd gas för halm (vete) vid olika partikelstorlekar.
Modifierad från Lindmark et al. (2011).
Partikelstorlek Totalt producerad mängd biogas
mm kWh/ton TS
0,088 2 090
0,4 2 080
1,0 2 021
6,0 1 913
30x5 1 354
15 3 Metod och modell
Rapporten baserar sig på en litteraturstudie där grundläggande fakta över biogasprocessen, biogassituationen i Sverige samt substrat och deras egenskaper har undersökts. För att kunna utarbeta en metod för modellering över partikelstorlekens påverkan på gasutbytet innefattar litteraturstudien även insamlande av mer ingående fakta och data kring förbehandling, sönderdelningsmetoder samt hur partikelstorleken påverkar biogasutbytet. I litteraturstudien användes sökmotorerna Primo, Google och Google Scholar. Några exempel på sökord som användes var: Biogas, substrat, förbehandling, sönderdelning, biogasutbyte. Litteraturen som användes var bland annat olika vetenskapliga artiklar samt rapporter från olika myndigheter.
Litteraturstudien visade att växtmaterial som halm, utöver gödsel som inte har ett
sönderdelningsbehov, är ett viktigt substrat till gårdsbaserad biogasproduktion. Utifrån dessa förhållanden visade litteraturstudien att knivkvarnar lämpar sig väl för att energieffektivt kunna sönderdela torr biomassa såsom halm. Kniv- och hammarkvarnar är snarlika tekniker för sönderdelning och är enkla att justera och relativt billiga. De stora skillnaderna är att hammarkvarnen är mer robust och kräver mindre underhåll samtidigt som den är mer
energikrävande. Därför valdes knivkvarnar som teknik att modelleras, vilken sedan jämfördes med hammarkvarnar.
3.1 Data
Den data som modellen är uppbyggd på kommer delvis från Kratky & Jirouts (2010) rapport som sammanställt data över experiment kring energiförbrukningen för att uppnå en viss partikelstorlek genom olika typer av mekanisk sönderdelning. Data har dessutom hämtats från Sharma et al (1988) som har undersökt partikelstorlekens betydelse på biogasutbyte genom att experimentellt undersöka hur biogasutbytet förändras vid rötning av partikelstorlekarna 0,088, 0,4, 1,0 och 6,0 mm. Denna data modifierades sedan till att ha samma enhet för att kunna modelleras. Två fiktiva datapunkter infördes för energiförbrukningen hos de undersökta sönderdelningsmetoderna för att förbättra modellen, en mer ingående förklaring till detta finns under resultatet.
Den vetehalm som användes i experimentet sönderdelades med en portabel kvarn och silades genom silar med olika partikelstorlekar. Substratet tilläts rötas vid en temperatur på 37°C i 8 veckor i en 5-litersbehållare med TS-halten 8 %. Omrörning skedde i två minuter var tredje timme med propellerblad och substratets pH-värde hölls på nivåer mellan 6,75 och 7,25 med hjälp av Kalciumhydroxid. Den biogas som producerades hade en metanhalt på omkring 60
%, det visade inte på någon större variation på metanhalten för de olika partikelstorlekarna som rötades i undersökningen (Sharma et al., 1988).
3.2 Biogasens energiinnehåll
Biogas har ett energiinnehåll som varierar beroende på hur sammansättningen på gasen ser ut, som i sin tur beror på substratets egenskaper. Ren metan har ett energiinnehåll på 9,81
kWh/m
3vid 0
°Coch atmosfärstryck (Eriksson, 2010). Resultatet kommer att presenteras per ton TS vilket är vanligt vid biogasproduktion. För att räkna ut hur mycket energi som kan rötas ur halm måste dess TS-halt, som är omkring 0,78, medräknas (Carlsson & Uldal, 2009).
Genom att använda tabellvärden för substrats sönderdelning och metanproduktion kan en
energivinst för att röta mindre partiklar beräknas.
16 3.3 Energibalans
För att finna ett optimum mellan hur mycket energi som läggs på sönderdelning relativt hur mycket som erhålls från ett ökat biogasutbyte kan en energibalans över biogasprocessen ställas upp. I figur 2 illustreras energibalansen som visar ingående och utgående energiflöden där de rödmarkerade mängderna är de som främst förändras utav en ökad sönderdelning.
I modelleringen antas sönderdelningens påverkan på energiförbrukningen i omrörningen och uppvärmningen vara försumbart liten. Därför kan energin till omrörning samt uppvärmning antas vara konstant oavsett partikelstorlek. Energitillförsel i form av sönderdelning leder då till att en större del av substratet omvandlas till biogas och mindre energi går ut i form av rötrester.
Figur 2 Energibalans över biogasprocessen.
3.4 Modellering
För att beräkna det optimala förhållandet mellan sönderdelning och biogasutbyte skapades funktionskurvor genom interpolering utifrån tidigare nämnda data med hjälp av Matlabs interpoleringsverktyg. Det finns flera inbyggda interpoleringsverktyg i Matlab, efter försök med olika verktyg visade sig funktionen Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial (PCHIP) ge en mest trovärdig kurva. Andra interpoleringsverktyg gav mer oscillerande kurvor som troligtvis stämmer mindre med ett realistiskt scenario. I rapportens resultat kommer interpoleringen nämnas som pchip i figurernas teckenförklaring. Funktionskurvorna beskriver hur energiförbrukningen för sönderdelningen respektive metanutbyte beror på partikelstorleken. Genom att subtrahera sönderdelningsenergin från metanutbytets energiinnehåll kan en nettoenergi beräknas för olika partikelstorlekar vilket illustreras i följande formel.
𝐸 = 𝑄
𝑦− 𝑄
ö 𝑖 𝑔17 4 Resultat och analys
I detta kapitel presenteras och analyseras de resultat som har framtagits genom den tidigare beskrivna modelleringen. Samtliga resultat kommer att redovisas med hjälp av figurer för att ge en helhetsbild över utvecklingen när parametrar ändras i modelleringen. Resultatet
inkluderar gasutbyte vid total rötning för olika partikelstorlekar av halm, specifik
energiförbrukning för kniv- och hammarkvarn samt den nettoenergi vardera tekniken ger.
Figur 3 är uppbyggd genom interpolering från data givet i tabell 6. Figuren beskriver hur mycket metan som bildas vid en åtta veckor rötningstid av halmstrån i olika partikelstorlekar, dessa är representerade av datapunkter i figuren. Kurvan är relativt linjär för partikelstorlekar större än 1 mm, för mindre partikelstorlekar går det att se en stor ökning för gasutbytet. Det kan därmed vara intressant att nå mycket små storlekar när halm rötas. Att öka
sönderdelningen från 1 till 0,4 mm kan enligt figuren ge ett förbättrat metanutbyte på 59 kWh/ton TS, en ökning på cirka 2,9 %, vilket är en högre ökningstakt jämfört med övriga intervall på kurvan. Avsaknaden av punkter mellan 6 och 30 mm ger dock en osäkerhet i hur den verkliga kurvan ser ut.
Figur 3 Graf över metanutbytets förändring med avseende på Partikelstorleken under experimentets totala rötningstid.
18
Figur 4 som är uppbyggd utifrån interpolering av data i tabell 5 beskriver hur mycket energi som går åt för att sönderdela halmstrån till en viss partikelstorlek om dessa halmstrån har en initial storlek på cirka 19 mm genom användning av en hammarkvarn. Funktionsvärdena är negativa i denna figur då energiförbrukningen ska ses som en förlust. På grund av avsaknad av data för små sönderdelningsstorlekar så skapades en fiktiv punkt för att förbättra
interpoleringen. Denna punkt sattes som 5 gånger större än den tidigare datapunkten eftersom energiförbrukningen för sönderdelning teoretiskt sett bör öka med minskande partikelstorlek.
Här bör kurvan gå mot en asymptot mot oändligheten när partikelstorleken går mot noll då mycket små partiklar inte går att nå med denna typ av mekanisk sönderdelning. Dock visade inte tidigare datapunkter på en särskilt stark ökning av energibehov för sönderdelning. Då kurvan inte direkt ska vika av mot mycket stora funktionsvärden används denna mer konservativt valda punkten på 5 gånger den tidigare datapunktens värde. Samtidigt är inte partikelstorlekar mycket nära noll intressanta eftersom denna grad av sönderdelning inte är rimlig att nå. En ytterligare fiktiv punkt skapades för att undvika att interpoleringen ska få positiva funktionsvärden, punkten sattes till att ha värdet 0 vid partikelstorleken 19,05 mm.
Denna partikelstorlek är den initiala storlek som Kratky & Jirouts (2010) rapport utgår från när sönderdelningsmetoders energiförbrukning har undersökts.
Figuren visar att en halvering av partikelstorleken från 3 till 1,5 mm innebär att den specifika energiförbrukningen ökar till lite mer än det dubbla, ytterligare sönderdelning efter det leder till en stor ökning i energiförbrukning.
Figur 4 Graf över hammarkvarnens energiförbrukning för sönderdelning till en viss partikelstorlek.
19
I figur 5 har funktionerna från figur 3 och 4 adderats till varandra för att visualisera hur den förändrade partikelstorleken påverkar energibalansen över systemet vid användandet av en hammarkvarn som förbehandlingsmetod. I denna figur kan en optimal sönderdelningsmängd påvisas där hammarkvarnens energiförbrukning är lika stor som den vunna energin från det ökade gasutbytet. Denna optimala partikelstorlek för hammarkvarnen blir cirka 1,585 mm och det korresponderande metanutbytet blir 1 944 kWh/ton TS. Det går även att se en lokal
maxpunkt ungefär vid partikelstorleken 2,8.
Figur 5 Graf över nettoenergi som erhålls vid olika partikelstorlekar för sönderdelning med hammarkvarn.
20
Figur 6 är likt figur 4 uppbyggd av en interpolering från data i tabell 5 men denna gång utifrån data över hur energiförbrukningen blir för en knivkvarn att sönderdela halmstrån med en initial partikelstorlek på ungefär 19 mm. Likt figur 4 har denna figur negativa
funktionsvärden eftersom den representerar en energiförlust. Även i detta fall saknas data för små partikelstorlekar och initial partikelstorlek varför fiktiva punkter har använts utifrån samma antaganden och motiveringar som för figur 4.
Enligt figur 6 går det att se att en minskning med partikelstorleken från 9,5 till 2,4 ger en ökad energiförbrukning på 33 %, minskas partikelstorleken ytterligare så ökar energiförbrukningen kraftigt.
Figur 6 Graf över knivkvarnens energiförbrukning för sönderdelning till en viss partikelstorlek.
21
Figur 7 är konstruerad genom samma tillvägagångssätt som figur 5 men denna gång används funktionerna från figur 3 och 6 för att visa hur sönderdelning med knivkvarn påverkar
gasutbytet. Figur 7 visar då att den optimala sönderdelningsstorleken med knivkvarnar blir cirka 0,26 mm med ett korresponderande metanutbyte på 2 047 kWh/ton TS. Jämfört med hammarkvarnens figur 5 blir det tydligt att knivkvarnen är mycket effektivare ur ett
energiperspektiv eftersom detta optimum ger en nettoenergi på drygt 100 kWh/ton TS mer än det för hammarkvarnen. I knivkvarnens fall är det också en avsevärt mindre partikelstorlek som erfordras för att nå maximal nettoenergi jämfört med hammarkvarnen.
Figur 7 Graf över nettoenergi som erhålls vid olika partikelstorlekar för sönderdelning med knivkvarn.
22 5 Felkällor och känslighetsanalys
I de experimentella försök där data över biogasutbyte för olika partikelstorlekar hämtats ifrån användes någon typ av portabel kvarn. Vad denna är för sorts kvarntyp har dock inte
specificerats. Detta kan ha en viss påverkan på resultatet av denna studie beroende på vilken typ av kvarn som egentligen användes i dessa experimentella försök. Detta eftersom de producerar olika mängder värme samt att hammarkvarnar har större påverkan på substratets struktur genom skjuvningskrafter jämfört med knivkvarnar. Ifall den experimentella studien använde sig av en hammarkvarn skulle det leda till att denna studies resultat blir något missvisande genom att knivkvarnen får ett högre biogasutbyte än vad den skulle få i ett verkligt scenario där dessa strukturella förändringar inte är samma, därmed skulle den optimala partikelstorleken vara större. Om däremot en knivkvarn användes i dessa
experimentella försök skulle det leda till att hammarkvarnens resulterade biogasutbyte blir något sämre än i ett verkligt scenario, varför den optimala partikelstorleken skulle vara något mindre.
Arbetets avgränsning till att försumma partikelstorlekens påverkan på omrörning och uppvärmning av substrat i rötningskammaren är ytterligare en källa till fel i rapportens resultat. Anledningen till detta är att energibalansen som optimeringen är uppbyggd på skulle förändras om dessa faktorer medräknas eftersom en minskad partikelstorlek kan leda till att omrörningen samt värmeledningen i rötkammaren förbättras. Detta skulle leda till en ökad energivinst för att minska partikelstorleken och därmed skulle också lönsamheten i att sönderdela öka varför den optimala partikelstorleken blir något mindre. En ytterligare faktor som påverkar partikelstorlekens inverkan på omrörningen är vilken typ av omrörare som processen använder eftersom den tekniska utformningen av dessa kan skilja sig åt. Därmed behöver omrörningsteknikens utformning tas hänsyn till för att helt kunna undersöka hur energibalansen över biogasprocessen påverkas av partikelstorleken.
En stor felkälla kopplat till resultatet i denna studie härstammar ifrån den data som arbetet baserar sig på. Mycket av den data som används kommer från experimentella försök vilka i sig kan innehålla vissa felkällor och osäkerheter speciellt jämfört med hur det ser ut i en verklig process. När det kommer till jämförelsen mellan de olika sönderdelningsteknikerna är data hämtad ifrån en rapport som sammanställt information från olika experimentella försök, dessa försök är då inte gjorda av samma forskargrupp och skillnader i metodik och
antaganden mellan dessa experiment kan skapa en viss felkälla. De samband som byggs upp i resultatet är även baserade på relativt få datapunkter vilket skapar en viss osäkerhet speciellt för de mindre partikelstorlekarna där en fiktiv punkt har använts. Detta blir speciellt
problematiskt när det kommer till resultatet för knivkvarnen eftersom dess optimum ligger i det område av interpoleringen som bygger på en fiktiv punkt vars rimlighet kan ifrågasättas.
Gällande kurvan över metanproduktion så finns det ett långt intervall mellan 6 och 30 mm som saknar datapunkter. Denna avsaknad av datapunkter skapar även i detta fall en viss osäkerhet eftersom det inte nödvändigtvis behöver vara ett helt linjärt samband mellan dessa punkter.
En känslighetsanalys utfördes för att undersöka hur utfallet kan påverkas i olika scenarier.
Genom att förändra olika parametrar kan resultatets stabilitet och trovärdighet analyseras då
det alltid finns yttre faktorer och felkällor som påverkar resultatet vilka inte går att kontrollera
eller mäta. Ovanstående felkällor är starkt kopplade till den data som används i rapporten,
denna data är därför inte helt pålitlig, därför kan känslighetsanalysen vara till hjälp för att dra
en rimligare slutsats.
23
De olika scenarierna ska visa hur förändrad energiförbrukning för sönderdelningsteknik och metanutbyte var för sig har för påverkan i hur stor den optimala partikelstorleken ska vara. I känslighetsanalysen har en förändring på 25 % valts för att spegla den osäkerhet som anses finnas i den data som används. I tabell 7 visas resultatet av känslighetsanalysen och visar hur det ursprungliga resultatet för optimal partikelstorlek förändras när parametrarna ändras. Fyra olika scenarier för vardera sönderdelningsteknik går att avläsas från tabellen, dock är en 25 % ökning av metanutbyte mindre troligt då denna data kommer från laboratorieexperiment under kontrollerade förhållanden. Däremot är en minskning av biogasutbytet mer rimligt vid en gårdsanläggning då förhållanden kan vara sämre och processen mer okontrollerad.
Tabell 7 Optimal partikelstorlek, uttryckt i millimeter, vid förändrad specifik energiförbrukning och metanutbyte.
Indataparameter +25% Ursprungsvärde – 25 %
Specifik energiförbrukning knivkvarn 0,344 0,259 0,194
Specifik energiförbrukning hammarkvarn
2,885 1,585 1,506
Metanutbyte knivkvarn 0,206 0,259 0,383
Metanutbyte hammarkvarn 1,527 1,585 2,897
