Energianvändning på Gårdsbiogasanläggningar

(1)

Energianvändning på

Gårdsbiogasanläggningar

Rapport i projektet ”Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå”

Hushållningssällskapens Förbund 2014 David Hårsmar

KUNSKAP FÖR LANDETS FRAMTID

(2)

(3)

Förord

Projektet Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå ägs av Hushållningssällskapens Förbund och utförs i nära samarbete med Institutet för jordbruks- och miljöteknik (JTI). Dess främsta syfte är att utvärdera gårdsbiogasanläggningar avseende teknik, drift, biologi och ekonomi. Projektet pågår mellan 2011 och 2014 och ett trettiotal anläggningar för biogasproduktion ingår i projektet. Dessa besöks regelbundet av projektets rådgivare.

Det viktigaste syftet med projektet är att inhämta och sprida kunskap om gårdsbiogasproduktion till befintliga och blivande anläggningsägare. Projektet ska därutöver utveckla och formulera rådgivning till branschen.

I denna sammanställning vill projektet presentera nycketal för energianvändningen på 30 av biogasanläggningar i projektet. Rapporten är skriven av David Hårsmar, Energirådgivare vid Rådgivarna i Sjuhärad.

Projektet finansieras av Jordbruksverket via EU-medel. Vi vill härmed tacka alla som bidragit till studiens genomförande. Speciellt tack till ägarna för de studerade anläggningarna.

Mer information om projektet finns på hemsidan www.bioenergiportalen.se.

Stockholm december 2014

Jesper Broberg, förbundsordförande, Hushållningssällskapens Förbund David Hårsmar, huvudförfattare

Karin Eliasson, projektledare

(4)

4

(5)

Innehållsförteckning

Beskrivning av uppdraget ... 1

Metod ... 2

Resultat ... 4

Slutsatser och rådgivning ... 6

Bilaga 1 ... 1

Bilaga 2 ... 2

Bilaga 3 ... 4

(6)

(7)

1

Beskrivning av uppdraget

Hushållningssällskapet har inom projektet ”Utvärdering av biogasanläggningar på gårdsnivå”

sammanställt biogasanläggningarnas behov av energi för internt bruk, både gällande behovet av el samt av värme för uppvärmning av reaktorn. Uppdragets syfte var att ta fram underlag och nyckeltal för att kunna jämföra och utvärdera hur energianvändningen ser ut för biogasanläggningarna i projektet.

Resultatet kan också användas i diskussion om vilka insatser som i framtiden behövs inom forskning, och rådgivning. Detta med syfte att i förlängningen ge befintliga anläggningar bättre tekniska och ekonomiska förutsättningar för fortsatt drift, samt stärka rådgivningen till kommande anläggningar.

(8)

2

Metod

Uppgifter om energianvändningen på varje studerad anläggning har hämtats in via de rådgivare som är engagerade i projektet. Som grund för datainsamlingen användes en enkät i form av ett Excel- dokument (se Bilaga 2).

För utvärderingen används befintliga mätvärden för energimängder (gas, el, värme, diesel) där dessa finns och i annat fall görs rimliga skattningar. Samtliga värden för energi har enhet MWh/år.

Energiinnehåll i rågasen beräknades genom nedanstående formel:

𝑁𝑚³ 𝑟å𝑔𝑎𝑠 × 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑔𝑎𝑠ℎ𝑎𝑙𝑡 × 9,97 𝑘𝑊ℎ/𝑁𝑚³

1 000 = 𝑀𝑊ℎ 𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠

Målsättningen har varit att använda data som är representativa för hur anläggningarna fungerar i dagsläget. I många fall finns inte kompletta serier för helt år utan data baseras på medeltal för en kortare tidsperiod som extrapolerats.

Enkäterna sammanställdes i en gemensam tabell varifrån medeltal beräknades. För nyckeltalet elverkningsgrad gjordes en indelning i tre grupper utifrån motortyp. Övriga medeltal baseras på samtliga 30 studerade biogasanläggningar. De efterfrågade mätvärdena är markerade i nedanstående generella anläggningskiss. Se även Bilaga 1.

I enkäten efterfrågades även två ytterligare mätpunkter: ”Inköpt el” och ”Leverans el”. Dessa punkter visade sig enbart komplicera bilden utan att tillföra nytta avseende undersökning av

energianvändningen. Därmed ströks dessa ur studien.

Nyckeltal beräknades (se under Resultat). I denna studie användes aktiv rötkammarvolym som värde då nyckeltal beräknades, i andra studier i projektet har total rötkammarvolym inklusive

efterrötkammare använts.

(9)

3

Uppvärmningsbehovet för biogasanläggningarna beräknades för alla anläggningar på samma sätt.

Värmebehovet består av värmning av substrat och transmissionsförluster. Transmissionsförluster beräknades genom att använda huvudrötkammarens mantelarea och en antagen

värmegnomgångskoefficient (U-värde) som sattes till 0,166 W/m² K.

(10)

4

Resultat

De nyckeltal som av projektet bedömdes vara mest intressanta valdes ut och presenteras i tabellen nedan.

Nyckeltal Beskrivning Medel-

värde

Spridning min - max

Kommentarer

Rötkammarvolym m³ (aktiv volym) 1 152 165 – 6 000

Gasproduktion Nm³ biogas /

RK (aktiv volym), dygn

1,0 0,5 – 2,5

Gasproduktion (inkl ERK)

Nm³ biogas /

RK (total volym inkl ERK), dygn

0,7 0,3 – 1,3

Energiproduktion MWh biogas / RK (aktiv volym), dygn

5,7 2,8 – 15,6 Spridningen av nyckeltal beror framförallt på typ av substrat och hur pass väl processen fungerat i stort.

Elbehov MWh elbehov /

MWh rågasproduktion

7 % 1 % – 21 % Driftstrategier och behov av pumpning och omrörning skiljer sig åt. Några av anläggningarna har dock värmepumpar som drivs av el vilket innebär att elbehovet ökar – allt annat lika.

Uppvärmningsbehov MWh uppvärmningsbehov / MWh rågasproduktion

24 % 9 % – 37 % Transmissionsförluster står för ca 5 – 10 % av det totala värmebehovet och dessa har beräknats teoretiskt med antagande av U-värde och omgivningstemperatur.

Spridningen av nyckeltal härrör till större delen från skillnader i total energiproduktion enligt ovan.

Elverkningsgrad MWh el producerat / MWh rågas (+ev dual-fuel- diesel) till CHP enhet

30 % Verkningsgraden är ett snitt för alla motortyper i projektet.

Dual Fuel (data från 4 anläggningar) 45 % 43 % – 51 % Ottomotor (data från 15 anläggningar) 28 % 22 % – 36 %

Stirlingmotor (3 anläggningar) 17 % Uppgifter om verkningsgrad baseras på faktiska data för endast en anläggning

Energieffektivitet MWh tillfört / MWh levererat (in till och ut ur system)*

44 % 15 % – 84 %

* Biogas som produceras i reaktorn räknas här som ”in till system” - se även förklaring i text nedan

(11)

5

Säkerheten i sifforna för elproduktion, elbehov och gasproduktion är relativt god. Dock finns i många fall inte data från ett helt år med likartad produktionsnivå och teknik (omrörare mm). I dessa fall har rådgivaren gjort extrapoleringar och antaganden utifrån en kortare tidsperiod.

För värmebehov har använts en schablonberäkning vilket innebär att resultatet endast beror av substratmängd, reaktortemperatur och rötkammarens mantelarea. Här har antagits samma isolering och samma omgivningstemperaturer för alla anläggningar vilket gör att resultatet kan skilja sig från verkligt behov. I ett par fall finns värmemätare men någon närmare analys av dessa värden har inte gjorts.

Spridningen mellan min och max för nyckeltalen går inte att förklara utifrån anläggningens storlek eller energiproduktionen per reaktorvolym. Andra möjliga grupperingar och urval för att hitta förklaringar till spridningen kan vara till exempel leverantörsval och motortyper. Projektet har dock bedömt urvalet för litet för att göra en sådan genomlysning.

Den totala energieffektiviteten för anläggningen är utifrån en strikt systemgräns runt själva anläggningen, dvs. energi som används internt är inte inräknad. Nyckeltalet ”Energieffektivitet”

definieras alltså här som all tillfört energi dividerad med den energi om levererats. De ingående delarna presenteras nedan (alla delar anges med enhet MWh/år – resultatet är ett procent-tal):

(𝐿𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑠 𝑔𝑎𝑠 − 𝐹𝑎𝑐𝑘𝑙𝑎𝑑 𝑔𝑎𝑠) + 𝐿𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎𝑛𝑠 𝑣ä𝑟𝑚𝑒 + 𝐸𝑙𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛

𝐺𝑎𝑠𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜 + 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 𝑡𝑖𝑙𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 𝑚𝑚. + 𝐼𝑛𝑘ö𝑝𝑡 𝑣ä𝑟𝑚𝑒 + 𝐸𝑙𝑏𝑒ℎ𝑜𝑣 × 100

(12)

6

Slutsatser och rådgivning

De presenterade nyckeltalen ger en indikation på vilken energianvändning som kan förväntas på en biogasanläggning. Resultatet baseras på relativt få anläggningar vilket gör det svårt att dra generella slutsatser.

Elbehovet på anläggningarna har inte analyserats närmare i denna rapport. Medeltal om 7 % av producerad gas är dock högre än det behov på mellan 2-3 % som tidigare ofta återkommit i

leverantörers beskrivning och som också använts i kalkyler som tagits fram som beslutsunderlag inför investering i biogasanläggning. I projektet finns även separat rapport om omrörning och pumpning.

Flertalet anläggningsägare vittnar även om behovet av bättre energieffektivitet på anläggningen.

Nycketalet Uppvärmningsbehov som baseras på en schablonberäkning av uppvärmningsbehovet och faktisk Energiproduktion, enligt tabell ovan, varierar mellan 9 – 37 %. En vanlig uppfattning som grundar sig på tidigare kalkyl-beräkningar är att denna siffra ligger mellan 10 – 20 % vilket är klart lägre än det medeltal som gäller för dessa 30 anläggningar (24 %).

I framtida projekt vore det intressant att närmare studera hur pass väl uppvärmningsbehovet kan tillmötesgås genom att hushålla med den energi som tillförs materialet genom omrörning och

pumpning samt hur man bäst tar tillvara värme i rötresten. Att internt ta vara på värme är dock endast av ekonomiskt intresse i de fall gasen levereras vidare eller då behovet av värme är större än vad anläggningen ger.

I rådgivning till kommande anläggningar är det viktigt att ta till sig information om det interna elbehovet, en bättre och mer anpassad design av omrörningssystemen kan vara en effekt av det.

Omrörarna är de största elförbrukarna och kunskapen om detta bör tas på allvar av leverantörer av biogassystem.

(13)

Bilaga 1

Generell anläggningsskiss

(14)

Bilaga 2

Huvudsida i enkät såg ut enligt nedan:

Grunddata notering

Våtvikt substrat ton/år

Temperatur blandningsbrunn °C

Förvärmt substrat?

isåfall hur många grader? °C

Temperatur i rötkammare (RK) °C Antal temp.givare i RK? säkerhet? st

Rötkammare RK volym m3

aktiv volym m3

höjd m

diameter m

Efterrötkammare ERK volym m3

aktiv volym m3

höjd m

diameter m

Metangashalt %

Värmevärde metan 9,81 kWh/Nm3

Motortyp

Generatoreffekt kW

Drifttimmar h/år

Energidata (definition enligt skiss) notering

Gasproduktion Nm3/år

Beräknat värde 0 MWh/år

Gasproduktion brutto MWh/år

Facklad gas Nm3/år

Facklad gas MWh/år

Leverans gas Nm3 Nm3/år

Leverans gas MWh/år

Gas till motor Nm3 Nm3/år

Gas till motor MWh/år

Levererad mängd Nm3 Nm3/år

Gas till panna MWh/år

Elproduktion MWh/år

Elproduktion 0 MWh/år

Inköpt el 0 MWh/år

Leverans el 0 MWh/år

Elbehov biogasanläggning MWh/år

Inköpt el MWh/år

Leverans el MWh/år

Inköpt diesel 0 liter/år

Värmevärde 10 kWh/liter

Inköpt diesel MWh/år

Gas till motor 0 MWh/år

Värmeverkningsgrad %

Värmeproduktion motor MWh/år

Värmeproduktion panna MWh/år

Värmebehov biogasanläggning MWh/år

Inköpt värme MWh/år

Leverans värme MWh/år

Tillgänglig värme 0 MWh/år

Netto produktion el 0 MWh/år

(15)

Som underlag och hjälp med beräkning av energianvändningen fanns ytterligare tre kalkylblad:

valfri rubrik Tidsperiod 1 (fritt val)

datum avläst värde enhet

avläsning 1 avläsning 2

period 0 dagar 0 0 0 0 0 0

/år /år /år /år /år /år

MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/ MWh/

MWh/år MWh/år MWh/år MWh/år MWh/år MWh/år

/år /år /år /år /år /år

valfri rubrik valfri rubrik valfri rubrik valfri rubrik

månad summa månad enhet månad summa månad enhet månad summa månad enhet månad summa månad enhet

Summa 0 Summa 0 Summa 0 Summa 0

Månadsmedel Månadsmedel Månadsmedel Månadsmedel

/år /år /år /år

MWh/ MWh/ MWh/ MWh/

Beräknat värde MWh/år Beräknat värde MWh/år Beräknat värde MWh/år Beräknat värde MWh/år

Utrustning antal effekt, kW tim/dag kWh/dag dagar/år kWh/år använd kWh/år notering

Pump 1 11,0 2,67 29,37 365 10 720 10 700

0,00 0

29,37 10 720 10 700

Beräknat värde 10,7 MWh/år

(16)

Bilaga 3

Presentation från workshop, Skövde den 26 nov 2014

Utvärdering Energi

David Hårsmar, Energirådgivare

Rådgivarna i Sjuhärad 0325-618 685 david.harsmar@radgivarna.nu

Bakgrund och syfte

• Energianvändning

• Effektivitet i systemet

• Nyckeltal

(17)

Metod

• Insamling av data – Enkät till rådgivare

• Systemgränser

• Svårigheter

Anläggningsskiss:

Energiflöden, Systemgränser

Facklad gas

Leverans värme Inköpt värme Elbehov

biogasanläggning

Värmebehov biogasanläggning netto

Leverans gas Gasproduktion

brutto

Elproduktion Värmeproduktion

motor Gas till panna Gas till motor

Värmeproduktion panna Diesel för att

preparera substrat Diesel till gasmotor

(18)

Resultat

• Utvalda nyckeltal

– Energiproduktion (gas/aktiv volym) – Elbehov

– Uppvärmningsbehov – Elverkningsgrad

– Energieffektivitet (”totalverkningsgrad”)

medel; 5,7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

C7 C1 A8 C5 A1 A9 A10 A16 B7 A2 B2 C4 A6 A5 A13 B8 A3 B4 B1 A12 B5 A15 B3 A14 C2 A11 A7 C6 A4 C8

kWh / RK (aktiv volym), dygn

Energiproduktion

Anläggningar sorterade från högsta årliga energiproduktion till lägsta.

(19)

medel; 7%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

kWh elbehov / kWhrågas

Elbehov

Beräkning värmebehov

Värma upp inkommande substrat

Mantelarea och U-värde 0,03 MWh

per ton

0,05 MWh per ton (termofil)

0,02 – 0,05 MWh per m3 och år

(20)

medel; 24%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

kWh värmebehov / kWhrågas

Uppvärmningsbehov

medel; 45%

medel; 28%

medel; 17%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

C5 A9 B7 C4 B8 C7 C1 A8 A1 A10 A2 B2 A5 A13 A3 B4 B1 A12 A15 B3 A14 A11 A7 A4

kWhel/ kWhrågastill motor (+ev diesel)

Ottomotor Dual Fuel

Stirling Ottomotor

Dual Fuel

Stirling

Elverkningsgrad

(21)

medel; 44%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

kWh nyttig energi / kWh totalt tillfört