• No results found

Självförsörjande hushåll med biogasproduktion och akvaponi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Självförsörjande hushåll med biogasproduktion och akvaponi"

Copied!
59
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

INOM

EXAMENSARBETE TEKNIK, GRUNDNIVÅ, 15 HP

STOCKHOLM SVERIGE 2018,

Självförsörjande hushåll

med biogasproduktion och

akvaponi

EMIL SUND

KTH

SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD

(2)

I

Summary

Around the world, energy supplying technologies need to advance regardless of its purpose of use.

Burning of fossil fuels are the number one source of increase in greenhouse effect and its lifecycle is too long to be an option for the future.

One of the more sustainable options is the production and use of biogas which utilizes more convenient resources like sewage waste, manure and domestic waste. This enables more local energy solutions and reduces the need for transport, but also contributes far less to the elevation and concentration of greenhouse gases in the atmosphere. The main component is methane which is also a potent greenhouse gas, but methane is also the one thing that is combustible in the gas and therefore the technology advances in utilizing more and more of this and reducing the loss fractions.

Therefore, the purpose of this report is to contribute in the development of small-scale biogas production since most of the operating conditions today are optimized for large scale plants like sewage treatment plants, which handles much larger volumes of waste from whole towns and regions. The smaller scale operations are often in farm environments that have a lot of raw materials and wastes from their daily operations like manure and crop residues. Today these sizes struggle with profitability since biogas yield is strongly linked to production volume, and often maintenance becomes a problem because of on-site builds.

The potential of biogas production is even located in smaller operations like household and domestic environments, mainly because of the high fraction of waste that originates in these sectors of society. Food waste and sewage are two important fractions that are being utilized today but mainly in scientific efforts or large-scale operations.

This led to the question of how these two smaller-scale situations could work together, and how production of biogas could aid in becoming self-sufficient in food and energy consumption.

The report started off with an overview of the literature on the subjects to help create a foundation for the many assumptions and template calculations that were required to model this situation. Each component in the system where given input- and output variables regarding energy, water and spacing required. This was then used to model a total area where it could take place.

The results showed that already at 593 m2 you could grow enough food for a household to be self- sufficient for a year. This was without concern of energy usage which led to exceeding costs at about 540 000 SEK yearly, with a self-sufficiency rate of about 31 %. Furthermore, a sensitivity analysis was conducted on a few selected variables that was considered more uncertain which showed a variance in both total area and heating costs.

(3)

II

Sammanfattning

Energiförsörjningsteknologier behöver avanceras, oberoende av var i världen och i vilket syfte.

Fossila bränslen bidrar till kraftiga växthusgasutsläpp när de förbränns och kretsloppet för dessa råvaror är en långsam process. Biogas är en av möjligheterna till utveckling då denna teknik i många fall kan använda råvaror mer tillgängliga för utvinning än de fossila, vilket möjliggör lokala

energilösningar som kan bidra till att minska transporter, men framförallt mindre klimatpåverkande utsläpp. Detta då biogasens energikapacitet ligger i just mängden metan som gasen innehåller, vilket medför att teknologins utveckling strävar mot att ta tillvara på så mycket av denna växthusgas som möjligt, samtidigt som den stora biprodukten, koldioxid, är grön och ej bidrar till ökad växthuseffekt.

Syftet med denna rapport är att bidra till utvecklingen av småskalig biogasproduktion, som idag ej är tillräckligt utvecklad för att kunna erbjuda självklara alternativ i situationer som har en god potential.

Dessa situationer uppstår i exempelvis gårdsmiljöer där mycket avfall genereras i form av gödsel och jordbruksrester som är en utmärkt råvara för biogasproduktion. Men biogasanläggningar är idag optimerade för storskaliga verksamheter, som avloppsverk där stora volymer kommunalt avfall från hela städer hanteras. Mindre biogasanläggningar får problem med lönsamheten då volymerna idag är kraftigt kopplade till biogasavkastningen, men problem uppstår även vid drift och service av själva anläggningen då dessa är långt ifrån standardiserade och oftast platsbyggts för ändamålet.

Biogas på ännu mindre skala, exempelvis i situationer med vanligt hushållsavfall har även det en potential då det i hushållen idag förbrukas väldigt mycket livsmedel, vatten och energi som med ett mer slutet kretslopp kan ta tillvara på mer resurser och på så sätt kan minska sitt ekologiska

fotavtryck. Detta ledde till frågeställningen om hur det med en odling-och gårdsverksamhet kan, med hjälp av biogas, produceras en tillräcklig mängd mat och energi för att försörja ett hushåll.

Arbetet inleddes med en litteraturstudie för att sammanställa data över viktiga parametrar och relevant bakgrundsinformation då mycket antaganden och schablonvärden behövde användas.

Varje komponent i systemet fick input- och outputvärden gällande yta, energi, vatten m.fl. för att tillslut kunna uppskatta en landareal tillräcklig för matförsörjning, med eller utan energibalans.

Resultaten från denna rapport visade att redan vid 593 m2 kunde ett hushålls matproduktion och förbrukning försörjas i ett år. Vidare utfördes en känslighetsanalys på viktiga variabler för att uppskatta hur ett framtida arbete med frågan bör utformas.

(4)

III

Förord

Rapporten är ett resultat av kandidatexamensarbetet vid civilingenjörsprogrammet Energi och Miljö vid Kungliga Tekniska Högskolan under vårterminen 2018 där omfattningen på arbetet är 15 hp. Idén för rapporten kommer från Gunnar Bech vid Innovationsverket och Micro Biogas International AB som även bistått med värdefulla åsikter och kritik tillsammans med handledare Anders Malmquist, universitetslektor vid institutionen för energiteknik på KTH. Processen innefattade djupdykning i flertalet för utbildningen outforskade områden vilket krävde mycket tid och ansträngning men som tillslut kom samman med hjälp från dessa tidigare nämnda, vilka förtjänar ett stort tack.

Stockholm, maj 2018 Emil Sund

(5)

IV

Innehåll

Summary ... I Sammanfattning ... II Förord... III Figurförteckning ... VII Tabellförteckning ... VII Ekvationsförteckning ... VII Nomenklatur ... IX

1. Introduktion ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Syfte, mål och metod ... 2

1.2.1 Syfte ... 2

1.2.2 Mål ... 2

1.2.3 Huvudfråga ... 2

1.2.4 Metod och avgränsning ... 2

2. Litteraturstudie ... 3

2.1 Matens roll i samhället ... 3

2.1.1 Tillgången till mat ... 3

2.1.2 Ransonering under andra världskriget ... 3

2.1.3 Från jordbruk till urbanisering ... 5

2.1.4 Maten och energi ... 6

2.1.5 Olika inställningar inom en befolkning ... 8

2.2 Biogas ... 9

2.2.1 Egenskaper och komposition ... 9

2.2.2 Substrat ... 10

2.2.3 Användningsområden ... 12

2.2.4 Uppgradering ... 14

2.2.5 Vätesulfid ... 15

2.2.6 Problem ... 15

2.3 Odling ... 16

2.3.1 Markanvändning och övergödning ... 16

2.3.2 Yteffektiv odling ... 16

2.3.3 Variation ... 17

2.3.4 Vattenåtgång ... 17

2.3.5 Energiåtgång ... 17

(6)

V

2.4 Avlopp och slutna kretslopp ... 18

2.5 Hur mycket mat behövs ... 18

2.5.1 Livsmedelskonsumtionen i Sverige ... 18

2.5.2 Nordiska näringsrekommendationerna (NNR2012) ... 19

3. Metod och modell ... 20

3.1 Systemmodell och antaganden ... 20

3.1.1 Ytor ... 20

3.1.2 Biomassan ... 22

3.1.3 Näringsvärde ... 22

3.1.4 Energiinnehåll ... 23

3.1.5 Värmevärde ... 24

3.1.6 Bioslurryn ... 25

3.2 Biogasanläggningens komponenter ... 26

3.2.1 Förbehandling ... 26

3.2.2 Rötkammare... 28

3.2.3 Uppgradering och motor ... 29

3.2.4 Lagring ... 29

3.3 Odling ... 30

3.3.1 Odlingslandskap ... 30

3.3.2 Energibehov ... 30

3.3.3 Näringsbehov ... 31

3.3.4 Exempel ... 31

4. Resultat ... 32

4.1 Arealer ... 32

4.2 Matproduktion ... 33

4.3 Odlingsbehov ... 34

5. Känslighetsanalys ... 36

5.1 Avfallsfraktioner ... 36

5.2 Värmebehov ... 36

5.3 Metanhalt... 37

6. Diskussion ... 38

6.1 Hållbarhetsanalys ... 39

7. Slutsats ... 40

8. Framtida arbete ... 41

9. Referenser ... 42

(7)

VI

(8)

VII

Figurförteckning

Figur 2.1 - Ökningen av hektarskörd i Sverige 1913–2017 ... 5

Figur 2.2 - Total åkerareal i Sverige 1913–2017... 6

Figur 2.3 - Ekologiskt fotavtryck per capita 2013. ... 7

Figur 2.4 - Energifördelning över en typisk kolvmotor. ... 12

Figur 2.5 - Enkel beskrivning av värmeväxlare. ... 13

Figur 3.1 – Flödesschema över förbehandlingen ... 27

Figur 3.2 – Flödesschema över rötkammaren. ... 28

Figur 3.3 - Flödesschema över uppgradering samt motor. ... 29

Figur 3.4 - Flödesschema över tänkt odling. ... 30

Figur 4.1 - Resultat, arealer. ... 32

Figur 4.2 - Resultat, matproduktion. ... 33

Figur 4.3 - Resultat, odlingsbehov... 34

Tabellförteckning

Tabell 2.1 - Typisk komposition av biogas... 9

Tabell 2.2 - Mikroorganismer och dess föredragna temperaturområde ... 10

Tabell 2.3 - Typiska sammansättningar av olika substrat ... 12

Tabell 2.4 - Uppskattade värden för avloppsavfall ... 18

Tabell 2.5 - Energi- och näringsbehov per dag. ... 19

Tabell 3.1 - Uppskattade värden för en svinhage. ... 20

Tabell 3.2 - Uppskattat näringsvärde i fiskfoder. ... 21

Tabell 3.3 - Uppskattningar för tilapia och grödor per år. ... 21

Tabell 3.4 - Uppskattade produktionsmängder per år ... 22

Tabell 3.5 - Uppskattade näringsvärden ... 23

Tabell 3.6 - Uppskattad näringsavkastning per år och kvadratmeter. ... 23

Tabell 3.7 - Sammansättningar och dess metanavkastning. FW (food waste), PS (primary sludge) .... 23

Tabell 3.8 - Sammansättningar och dess metanavkastning. FW (food waste), RS (Raw Sludge) ... 24

Tabell 3.9 - Uppskattad näring i bioslurry. ... 25

Tabell 3.10 - Uppskattat behov av näring. ... 25

Tabell 4.1 - Resultat för scenario 1 ... 35

Tabell 5.1 - Variationer i avfallsfraktion ... 36

Tabell 5.2 - Variation av värmebehov ... 36

Ekvationsförteckning

Ekvation 2.1 - Förhållande mellan total, organisk och upplöst substans. ... 10

Ekvation 3.1 - Medelvärde för TS-halt ... 24

Ekvation 3.2 - Energibalans över förbehandlingsenhet ... 27

Ekvation 3.3 - Energibalans över Uppgradering och Motor. ... 29

Ekvation 3.4 - Energibehov odling. ... 30

Ekvation 3.5 - Total mängd biomassa per år ... 31

Ekvation 3.6 - Andel kväve i bioslurry ... 31

Ekvation 3.7 - Andel fosfor i bioslurry ... 31

Ekvation 3.8 - Andel kalium i bioslurry ... 31

Ekvation 3.9 - Totalt kvävebehov ... 31

(9)

VIII

Ekvation 3.10 - Totalt fosforbehov ... 31 Ekvation 3.11 - Totalt kaliumbehov ... 31

(10)

IX

Nomenklatur

Beteckning Beskrivning Enhet

𝐴𝐷 Anerobic digestion -

𝐹𝑊 Food-waste, matavfall -

𝑃𝑆 Primary sludge, obehandlat

avloppsavfall

-

𝑊𝐴𝑆 Waste-activated sludge, behandlat

avloppsavfall

-

𝐻𝑅𝑇 Hydraulic retention time, uppehållstid 𝑑𝑎𝑔𝑎𝑟

𝑂𝐿𝑅 Organic loading rate, uppfyllnadstakt -

𝐻𝐻𝑉 Higher heating value, högre värmevärde 𝑀𝐽/𝑘𝑔

𝐿𝐻𝑉 Lower heating value, lägre värmevärde 𝑀𝐽/𝑘𝑔

𝑉𝑆 Volatile solids, organiskt innehåll %

𝑇𝑆 Total solids, material efter

vattenavdunstning

%

𝐷𝑆 Dissolved solids, upplöst material -

𝑘𝑔𝑉𝑆 Mängd organiskt material 𝑘𝑔

𝐶/𝑁 Kol-väte-förhållande −

𝐶𝐻𝑃 ”Combined heat and Power” −

𝐵𝑀 Biomassa 𝑘𝑔

𝑄 Energiinnehåll 𝑘𝑊ℎ/𝑡𝑜𝑛

𝑚 Massa 𝑘𝑔/𝑡𝑜𝑛

𝑞 Energibehov 𝑘𝑊ℎ/𝑚2

𝐴 Area 𝑚2

𝑁𝐹𝑇 Nutrient film technique -

𝑁 Kväve 𝑘𝑔

𝑃 Fosfor 𝑘𝑔

𝐾 Kalium 𝑘𝑔

Index Beskrivning

tot Total kvantitet

el Elektrisk energi

värme Värmeenergi

F Förbehandling

R Rötkammare

U Uppgradering

UM Uppgradering och Motor

BS Bioslurry

odling Samtliga grödor, ej fisk

Prod Producerad kvantitet

Behov Kvantifierat behov

deg Degradable, nedbrutet

(11)

X

(12)

1

1. Introduktion

1.1 Bakgrund

Den största globala utmaningen världen har stått inför är de annalkande klimatförändringar de flesta är överens kommer. På många håll geografiskt studeras effekterna av konsumtion av resurser och råvaror, samtidigt som konsumenter blir mer och mer medvetna om vad våra val av livsstil har för konsekvenser (WWF, 2017). I det politiska Sverige existerar blocköverskridande avtal gällande klimatåtgärder och under slutet av 2017 meddelades den största klimatsatsningen någonsin från regeringen. Denna ämnar stimulera det redan klimatmedvetna Sverige att minska sin miljöbelastning genom satsningar på energi- och klimatrådgivning samt även direkta medel för fossilfria energi-och transportlösningar (Miljö-och energidepartementet, 2017).

En av dessa fossilfria energilösningar är s.k. biogas som i Sverige har en än så länge högre potential än vad som idag utnyttjas. Ca. 60 % av all producerad biogas i Sverige idag går till drivmedel för fordon, vilket motsvarar 1,3 TWh. Detta kan jämföras med den totala nettokrafttillförseln i Sverige som 2015 låg på 370 TWh (Energimyndigheten, 2017). Men potentialen för biogas är desto högre som sagt. Biomassa kan återvinnas från källor som skogsmark, jordbruk, avlopp m.fl. vilket är en fördel då det är fraktioner som kontinuerligt uppkommer och även förväntas öka.

Biogasproduktionen uppskattas kunna nå 5–8 TWh till 2030 där det mesta kommer från jordbruksrelaterat avfall, men även mat-och avloppsavfall (Börjesson, 2017).

Jordbruk och biogas är alltså något som går hand i hand i och med de stora volymer gödsel och avfall som genereras vid daglig drift. Men processen från tanke till förverkligande av en biogasanläggning på en gård är idag lång. Den ekonomiska kalkylen är genomsyrad av osäkerheter och de höga investeringskostnaderna kan ibland räcka för att avstå från möjligheten att producera egen biogas, då detta förväntas ske när en redan fungerande verksamhet är aktiv, vilket kan göra det svårare att fokusera på då. Men trots detta är det många gårdar idag som tagit steget med framgång och producerar egen biogas för att täcka delar av energibehovet (LRF, u.d.).

Matens påverkan på miljön är även den en anledning att titta närmare på biogas det varje år i Sverige slängs bort stora mängder ätbar mat, samtidigt som det genereras annat avfall i form av utgångna produkter och övrigt matavfall (Jordbruksverket; Naturvårdsverket; Livsmedelsverket, 2016).

Matsvinn är ytterligare en resurs som med fördel kan utnyttjas som råvara för produktion av biogas och är något som varje hushåll har ett överskott av, dock inte ett tillräckligt stort sådant för att biogasproduktion ska löna sig för ett enskilt hushåll.

Både fler alternativ och en kraftigt ökad mängd mat och livsmedel är i omlopp idag än för bara 50 år sedan vilket kan anses vara en bidragande orsak till det ökade matsvinnet som uppstått.

Detta arbete vill med detta i åtanke undersöka hur en samverkan av dessa avfallsfraktioner kan se ut och vilken dess potential kan tänkas vara. Hur mycket mat kan produceras av egna processer och vad är det för processer och variabler inblandade i samrötning av gödsel och annat jordbruksavfall tillsammans med vanligt hushållsavfall. Vart går gränsen för att detta skulle kunna vara ekonomiskt lönsamt med dagens förutsättningar?

(13)

2

1.2 Syfte, mål och metod

1.2.1 Syfte

Att undersöka om en implementation av en biogasanläggning kan försörja en odling ämnad att producera tillräckligt med mat till ett hushåll sett över ett år. Ett delmål med studien kommer också att vara att lyfta fram att total isolering från samhället, alltså 100 % självförsörjning, i de flestas fall inte är att föredra. Detta kommer eventuellt kunna motiveras samhällsekonomiskt/socialt. Detta då samspelet med andra aktörer är en drivkraft som inspirerar och motiverar innovation och utveckling från både konsument och producentperspektiv.

1.2.2 Mål

• Utreda begreppet och definiera "självförsörjande".

• Identifiera vilka processer som är mest energikrävande vid odling och biogasproduktion.

• Undersöka energibehovet för tillräcklig matproduktion i ett hushåll innehållande tre personer.

• Utvärdera om en uppgraderingsenhet (rå biogas till biometan) är energiekonomiskt och miljömässigt försvarbar att inkorporera.

1.2.3 Huvudfråga

Hur mycket yta behövs för att försörja ett hushåll och hur självförsörjande kan denna yta bli?

Relevansen i det hela ligger i det ekologiska fotavtrycket den moderna, västerländska människan har idag och hur det kan förbättras med hjälp av fler slutna kretslopp. Tanken är att visa på hur det i Sverige gått ifrån självhushållning med grödor och boskap, till ett liv i staden en kraftigt ökad belastning på miljön genom konsumtion och i många fall obefintlig återanvändning.

1.2.4 Metod och avgränsning

Arbetet inleds med en litteraturstudie inom områdena matproduktion och jordbruk för att sedan gå vidare mot energianvändning och biogas. Mat-och jordbruksdata har i första hand tagits ifrån Jordbruksverket och SCB, då modellen förväntas gälla under svenska förhållanden som en första avgränsning.

Modellen är skapad utifrån de data som lyckats extraheras från litteraturstudien över området.

Uppskattningar har behövts på samtliga områden då tidigare publikationer om självförsörjning i de flesta fall inte är av akademisk art. Denna modell ska då ses som en första ansats till hur ett självförsörjande hushåll möjligen kan utformas.

Rapporten har även valt att fokusera på biogastekniken som i första hand ska försörja systemet.

Uppenbara ytterligare hjälpmedel som exempelvis solceller och annan kraftproduktion har ej beaktats av denna anledning.

För att uppskatta energibehovet i systemet har både energi-och materialbalanser utförts över respektive komponent, vilket är ett standardförfarande i termodynamiska modeller.

Vidare löstes material-och energibalanserna i Excel sett över ett helt år.

(14)

3

2. Litteraturstudie

2.1 Matens roll i samhället

2.1.1 Tillgången till mat

I Sverige idag har folk generellt sett en väldigt hög levnadsstandard. OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) producerar vartannat år en omfattande statistisk undersökning gällande dess medlemsländers välbefinnande. Av uppenbara skäl betyder välbefinnande olika saker för alla människor, men organisationen jobbar utifrån en modell som mäter faktorer såsom boende, jobb och inkomst. Även hälsa, utbildning, säkerhet och faktiskt också miljö och nuvarande och framtida naturtillgångar används som variabler (OECD, 2017).

Sverige presterar över medel i de flesta av dessa kategorier och toppar listan på framtida möjligheter för välmående, där både social- och humankapital samt ekonomisk- och naturkapital räknats in (OECD, 2017). Sverige har mycket naturresurser främst i form av skogsråvaror, men detta

återspeglar även vår livsmedelsäkerhet och den nuvarande och kommande möjligheten att äta oss mätta.

Tillgången till mat och matbutiker är en aspekt i samhällsbygget idag också.

Enligt Jan Amcoff som under 2017 publicerade en studie på detta var genomsnittet för Sverige 1,37 km till närmsta matbutik år 2008, medan medianen var knappa 500 m. Orsaken till denna spridning var enligt författaren de som hade de längsta avstånden drog upp rikets snitt, då det i ett

undantagsfall exempelvis var 70 km. Dessa undantagsfall skedde för det mesta i de mest glesbefolkade områdena i norra Sverige (Amcoff, 2017).

Så uppenbarligen har invånarna i Sverige idag inte särskilt svårt att både få tag i mat och råvaror för matlagning, men så har inte alltid varit fallet.

2.1.2 Ransonering under andra världskriget

Under andra världskriget uppstod ett fenomen som är tämligen unikt i modern tid, nämligen ransonering. Ransonering innebar att statsledningen ingick i ett outtalat avtal med befolkningen om framförallt matråvaror och att de under den svåra tiden som rådde skulle förse alla med tillräcklig mängd mat utifrån vad som fanns tillgängligt. Alltså ett väldigt tydligt initiativ för att åstadkomma en hållbar konsumtion. Tillräcklig mängd var en definitionsfråga beroende på bland annat ålder, kön, sysselsättning och nuvarande medicinska status. Systemet var uppbyggt så att hushållet fick tilldelat kuponger i en viss kvantitet varje månad, som gav de rätt att handla dessa varor i butiken när de fanns tillgängliga. I en redogörelse för Norges situation, som får anses likna Sveriges, har (Theien, 2009) lyft fram just avtalet som en viktig faktor i det hela, att befolkningen satte sin tilltro i att staten faktiskt hade den enda möjligheten att se till att resurserna fördelades rätt och mot intuitionen kanske så förekom det faktiskt väldigt lite klagomål på själva systemet under denna tid.

Kontentan av matransoneringssystemet är att under en tid då matproduktion och import var begränsad så accepterade samhället en begränsning i konsumtion och förlitade sig på att staten skulle reda ut situationen. Ransonering har diskuterats i modern tid för att tackla klimatproblemen som följer av överkonsumtion (Roodhouse, 2007), men har fått kritik gällande den idag aktuella faran. Kritiker menar att under andra världskriget fanns en tydlig fiende som behövde bekämpas och att klimatproblemen omöjligt kan likställas med detta (McKinstry, 2007). Tanken om matransonering för att förhindra klimatproblemen skulle vara väldigt svår att realisera, som kritiken mot den säger,

(15)

4

mest för att folk i allmänhet inte kan tänkas agera lika altruistiskt som under så svåra situationer som världskrig.

Befolkningen har blivit van att kunna handla och äta det som faller en in och i en tid när råd om mat och fysisk aktivitet för ens egen hälsa verkar passera samhället förbi ska det mycket till för att folk ska acceptera en ransonering för miljöns skulle som automatiskt betyder ett sämre urval för individen.

Tanken är dock helt på sin plats att något måste göras åt överkonsumtionen.

(16)

5 2.1.3 Från jordbruk till urbanisering

I Sverige har det länge varit enn pågående urbanisering där människor söker sig mot större städer för arbetstillfällen och en högre levnadsstandard. Det svenska jordbruket har som följd av detta utvecklats på ett sätt som är tydligt att följa och är rimlig utifrån gällande omständigheter.

Under 1900-talet minskade antal jordbruksföretag stadigt för att i början av 2000-talet ha fallit med mellan 80–90 % beroende på storlek sedan slutet av 1800-talet. Det är framförallt storleken som är intressant här då statistiken tydligt visar en situation idag som känns igen.

Antalet stora jordbruksföretag (>20 ha) har varit relativt konstant sedan slutet av 1800-talet och ligger idag på nivåer som de gjorde redan i början på 1900-talet. Det är alltså de mindre

jordbruksföretagen som upplösts och framförallt företag med en jordbruksareal mellan 0,26 och 2,0 ha som efter andra halvan av 1900-talet inte finns representerade i statistiken längre. Detta kan ha många förklaringar, men redan innan uttåget ur statistiken visade denna del en kraftig nedgång, på samma sätt som för samtliga företag som brukade mindre än 20 ha (Jordbruksverket, 2005).

Produktionen har trots detta ökat, vilket varit nödvändigt för att försörja en växande population.

De stora har blivit större men den kraftigt ökade hektarskörden, som de senaste 20 åren legat relativt konstant har även den varit en nyckelfaktor då den totala jordbruksarealen har minskat stadigt sedan 1950-talet (Jordbruksverket, 2011). Exempel med höstvete och havre visas i Figur 2.1.

Figur 2.1 - Ökningen av hektarskörd i Sverige 1913–2017

Enligt statistik från SBC har den totala åkerarealen minskat med 25 % sedan 1950 och urbana områden har trängt in på tidigare jordbruksmarker, men mycket jordbruksmark har även vuxit igen och bildat grönområden (SCB, 2008). Illustration av statistiken presentas i Figur 2.2.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

1 9 1 3 1 9 3 3 1 9 5 3 1 9 7 3 1 9 9 3 2 0 1 3

KG PER HEKTAR

HEKTARSKÖRD I SVERIGE

Höstvete Havre Linjär (Höstvete) Linjär (Havre)

(17)

6

Figur 2.2 - Total åkerareal i Sverige 1913–2017

Urbanisering hänger ihop med de industriella revolutionerna då växande industrier behöver

arbetskraft, ofta geografiskt lokaliserade i större städer med omnejd. En fördelning av tillverkningen av varor och tjänster sker och människor blir mindre beroende av egenförsörjning då närheten till det mesta möjliggör att släppa taget om vissa delar i vardagen, exempelvis mat-och

råvaruproduktion, medan det urbana området växer och tränger undan tidigare jordbruk (Satterthwaite, et al., 2010).

Denna urbanisering nådde i Sverige sin s.k. demografiska brytpunkt under 1930-talet då lika många människor levde i städer som på landsbygden och ökningen av inflyttningen till städer har nu ansetts nått sin kulmen (Svanström, 2015).

Livet i staden kommer med nya utmaningar gällande mat och matval också.

Företag får en möjlighet att marknadsföra sig och sina produkter till en växande skara vilket också har påverkat hur och vad en befolkning äter (Fraser & Lowe, 2015). Detta har gjort mat-och livsmedelsindustrin är en otroligt stark faktor i samhällsbygget där även konsumenterna är högst involverade då industrin direkt lever av denna köpkraft.

2.1.4 Maten och energi

Energianvändningen i det svenska jordbruket låg 2013 på ca. 3,3 TWh/år (Energimyndigheten; SCB, 2014). Om detta fördelas schablonmässigt på de ca 2,7 milj. ha åkerareal som återfanns i Sverige runt samma tid enligt Figur 2.2 landar siffran per hektar på 1,2 MWh, eller 1 200 kWh.

Hushållen är idag en av tre storförbrukare av energi i det svenska samhället, med 23 % av den totala svenska konsumtionen (Energimyndigheten, 2017).

Den vanligaste bostadsformen i Sverige är idag direkt ägande av småhus sett till antalet personer, vilket innefattar närmare fem miljoner människor. Snittförbrukningen av energi ligger runt 22 000 kWh/år där 26 % är hushållsel och 74 % går till uppvärmning och varmvatten (Energimyndiheten, 2017).

Läggs det till resurs-och råvarukonsumtionen till detta uppstår vad som brukar benämnas det ekologiska fotavtrycket och Sverige är ingen förebild gällande detta. Fotavtrycket jämförs med den

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

1 8 6 0 1 8 8 0 1 9 0 0 1 9 2 0 1 9 4 0 1 9 6 0 1 9 8 0 2 0 0 0 2 0 2 0

MILJONER HEKTAR

ÅR

ÅKERAREAL I SVERIGE

(18)

7

globala biokapaciteten, vilket för närvarande ligger på 1,7 hektar. Detta innebär att alla länders konsumtion av resurser kan representeras av denna landareal om resurserna ska kunna försörja alla (Global Footprint Network, 2017). En jämförelse mellan några länder visas i Figur 2.3.

Hushållen i Sverige beräknas ligga bakom 76 % av landets totala konsumtionsutsläpp av CO2- ekvivalenter som år 2015 låg på dryga 100 miljoner ton (Minx, et al., 2008).

Figur 2.3 - Ekologiskt fotavtryck per capita 2013.

Maten som äts (och slängs) står för en betydande del av vår klimatpåverkan. På uppdrag från regeringen utförde Naturvårdsverket, Jordbruksverket och Livsmedelsverket en omfattande

kartläggning av matsvinnet i Sverige och konstaterade att enbart bortkastat mat stod för närmare 1 miljon ton år 2014. Det finns även mycket dokumenterat gällande varför och i vilka situationer som matsvinnet uppstår. I svenska hushåll slängs det cirka 50 kg ätbar mat och dryck varje år och det är just i hushållen som den största mängden matsvinn uppstår. Detta bidrog år 2014 med 440 000 kg CO2-ekvivalenter till atmosfären (Jordbruksverket; Naturvårdsverket; Livsmedelsverket, 2016).

Industriella processer såsom livsmedelsproducenter, storkök och matbutiker får idag högre och högre krav på sig att energieffektivisera sina verksamheter, vilket även inkluderar matsvinnet vilket har gjort att dessa sektorer gör bättre och bättre ifrån sig medan individerna och konsumenter inte visar denna medvetenhet.

13,1 12,6 8,6 6,5 5,5 4 0,6 0,6 0,5

L U X E M B U R G Q A T A R U S A S V E R I G E T Y S K L A N D S P A N I E N B U R U N D I H A I T I E R I T R E A

EKOLOGISKT FOTAVTRYCK PER CAPITA

(19)

8

Matsvinnet är även något som har lyfts högre upp på agendan de senaste åren. Exempelvis återfinns detta i ett av FN:s utvecklingsmål;

” 12.3 By 2030, halve per capita global food waste at the retail and consumer levels and reduce food losses along production and supply chains, including post-harvest losses.” (UN General Assembly, 2015)

2.1.5 Olika inställningar inom en befolkning

Vad gäller hushållens inställning till mat och matsvinn varierar den mellan socio-och demografiska områden vilket kan vara väntat. Det uppstår skillnader i medvetenhet, moraliska insikter och inköpsstrategier.

Men även om ekonomiska faktorer påverkar inköp och tidsmässiga planeringssvårigheter så lever även andra uppfattningar kvar som att matavfall i sig inte är ett lika stort problem som andra avfall, då det är biologiskt nedbrytbart och känslan är ofta att det på en individuell skala inte spelar lika stor roll (Stancu, et al., 2015).

Så det verkar inte vara några tvivel om att vad och hur mycket som konsumeras påverkar såväl energiförbrukning som klimat. Förekomster av alternativa levnadssätt finns det gott om, men vissa står ut mer än andra. Att leva på vad jorden erbjuder, ”off-grid”, är självklart ett alternativ, men är inget sätt som verkar föredras idag. Därför är det intressant att lyfta fram de som lyckats bättre än andra.

”The urban homestead” är ett företag om ligger på en vanlig gata i Los Angeles, men som skiljer sig radikalt från sina grannar.

På sin 400 m2 tomt producerar de 2,7 ton mat årligen och förser sig själva med upp till 90 % av deras vegetariska diet. Energiförbrukningen är nere på knappa 6 kWh per dag och de har även lyckats börja med egen biodieselproduktion. Mer information om detta återfinns på

http://urbanhomestead.org/.

Detaljerna i verksamheten är inte viktiga för detta projekt, men det visar en viktig poäng i att det är möjligt att få en viss mängd mat och energi från egna processer.

Även i Sverige ökar medvetenheten om matens roll i en hållbar stadsplanering och många initiativ får mer och mer uppmärksamhet. På Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm har forskare inom matproduktion startat KTH Food Network som vill bidra med kunskap och innovation inom området.

I en intervju utförd av onlinemagasinet KTH Magazine med en av grundarna Rebecka Milestad diskuteras framtiden inom urban odling och många exempel lyfts fram som eventuella steg på vägen. Där läggs stor vikt vid att många behöver och tar i större utsträckning nu ett större ansvar för att säkra livsmedelstillgången genom urbana odlingar i utrymmen som förr inte beaktas. Bland annat planeras undersökningar på sallad odlad i ett källarutrymme för att jämföras med importerad sallad från Spanien och sallad från konventionell odling i växthus i Sverige (Öhman, 2018).

(20)

9

2.2 Biogas

För att få till ett mer slutet kretslopp och på så sätt försörja sig själv med den energi som behövs är biogas framställd genom anaerob nedbrytning (AD) i det här fallet lämpligt.

AD är när biomassa får, vid frånvaro av syre, brytas ner till mikroorganismer och bilda vad som kallas biogas. Gasen består till stor del av metan (CH4) vilket då kan användas som energikälla.

De enklaste anläggningarna består bara av ett täckt hål i marken med murade väggar, där gasen används till matlagning (Foundation myclimate , u.d.).

2.2.1 Egenskaper och komposition

Generellt består biogas av två huvudkomponenter, metan och koldioxid där den senare är en inert gas. Denna sammansättning presenteras i Tabell 2.1.

Tabell 2.1 - Typisk komposition av biogas

Ämne Kemisk beteckning Enhet Värde

Metan CH4 Volym-% 60–70

Koldioxid CO2 Volym-% 30–40

Kvävgas N2 Volym-% 0–0,2

Vätesulfid H2S ppm 0–4000

Ammoniak NH3 ppm 100

(SGC, 2012)

Uppställningen av systemet kan vidare delas in i två distinkta typer av nedbrytningsprocesser;

• Kontinuerligt (ett eller fler steg) – Biomassa tillförs kontinuerligt under nedbrytningsprocessen.

Minst två steg är att föredra då processens biologiska steg därmed kan kontrolleras bättre.

• Satsvis (eng. batch) - Biomassa tillförs i starten av processen och får sedan brytas ned helt innan en ny omgång påbörjas och ny biomassa tillförs

(Abu-Dahrieh, et al., 2011).

(21)

10

Optimal temperatur för processen varierar. Då ett substrat innehåller många olika mikroorganismer frodas dessa bäst vid olika temperaturer och nedbrytningsprocessen behöver vara avvägd enligt detta. Dessa mikroorganismer brukar även grupperas därefter, se Tabell 2.2.

Tabell 2.2 - Mikroorganismer och dess föredragna temperaturområde

Grupp Temperatur [°C]

Psykrofil 4–25

Mesofil 25–40

Termofil 50–60

Hypertermofil >60 (Jarvis & Schnürer, 2009)

Biogasproduktion fungerar bäst vid mesofil samt termofil temperatur och beroende på sammansättningen på substratet kommer alltså den optimala temperaturen variera (Jarvis & Schnürer, 2009).

2.2.2 Substrat

Val av substrat vid biogasproduktion är essentiellt för utgången. Processens tidsåtgång, metanhalt och producerad volym beror på biomassans karaktär. Matavfall har funnits vara ett bra alternativ för AD, mycket på grund av tillgängligheten men också för att nedbrytningen sker relativt snabbt och det har en hög andel organiskt material.

Hittills har mycket matavfall runt om i världen forslats bort och hamnat på deponier. Detta orsakar problem då dessa tar upp plats och på många ställen i världen har lösningar som denna tvingats bort av just denna orsak (Leung & Wang, 2016). Avfallet bryts även ner på dessa deponier, men utan att residuerna tas tillvara på vilket skapar problem i närområdet med lukt och läckage (Jordbruksverket, 2018). Matavfall förbränns också många gånger direkt, vilket inte heller är effektivt på grund av dess höga vätskeninnehåll vilket skapar ett lågt energivärde (Leung & Wang, 2016).

2.2.2.1 Parametrar

Vid AD kallas en viktig parameter VS (volatile solids) och är ett mått på substratets förbränningsbara organiska innehåll. Detta utreds genom att låta substratet avdunsta vid 550°C och ger en indikation på den eventuella gaskapaciteten. Denna parameter används tillsammans med TS (total solids), som är substratets torra substans efter enbart vattenavdunstning vid 105°C (Jarmander & Sjöberg, 2015).

DS (dissolved solids) är även en parameter som inte listas lika ofta.

En enkel relation visas i Ekvation 2.1.

𝑇𝑆 = 𝑉𝑆 + 𝐷𝑆

Ekvation 2.1 - Förhållande mellan total, organisk och upplöst substans.

(22)

11

Co-digestion (samrötning) är när man blandar olika typer av biomassa, vilket även det har vunnit mark senaste tiden. Samrötning är ett bra sätt att ta tillvara på fler avfallsresurser, men även för att balansera näringsinnehåll och andra parametrar.

Matavfall tillsammans med fekalier från avloppsverk är ett beprövat koncept då båda dessa med enkelhet återfinns i miljöer där människor lever och har visats vara ett effektivt sätt att öka mängden biomassa (Nygren, 2013).

Här brukar man skilja på PS (primary sludge) och WAS (waste activated sludge) där den senare genomgått behandling för att ta bort oönskade komponenter för andra ändamål, till exempel klassisk vattenrening (IWA, u.d.).

En annan tillgänglig resurs associerad med jordbruk och gårdsmiljöer är svingödsel. Biogas på svingödsel har studerats och prövats runtom i världen med framgång. I Sverige och runt Östersjön anses svingödsel vara lönsamt att använda framförallt vid samrötning (BalticSea2020, 2011).

Detta mycket på grund av de stora volymer gödsel som produceras av just svin jämfört med hushållens matavfall (Fleming, et al., 1999).

Anledningen till att samrötning utforskas är som sagt för att ta tillvara på mer avfall, men även kompositionen av biomassan kan förbättras. Temperatur och VS/TS är två viktiga parametrar som tidigare nämnts. Men även pH och C/N-förhållandet (Carbon-to-nitrogen) är två viktiga faktorer som spelar in.

Nedbrytningen skapar mycket sura substanser och kvävets roll i nedbrytningsprocessen är att förbättra nedbrytningen och kontrollera pH-balansen då den tar form som ammoniak vilket är en stark bas som buffrar dessa syror. De flesta substrat föredrar ett neutralt pH-förhållande.

Ett allt för högt C/N skapar problem då det blir mycket organiskt material att bryta ned i förhållande till kvävetillgång, samtidigt som ett lågt C/N kan bidra till överproduktion av ammoniak, vilket skapar toxiska problem. Boskapsgödsel är ett substrat som har lågt C/N (6–8) och har funnits kunnat samröta väl med exempelvis matavfall och andra grödor som har ett naturligt högt organiskt innehåll, närmare bestämt högt C/N (Zhu, 2006).

En annan aspekt viktig att ta i beaktning vid biogasproduktion är HRT (hydraulic retention time) och OLR (organic loading rate). OLR definierar hur mycket organiskt material som stoppas in i

rötkammaren och används oftast som enheten kgVS∙m-3 och en given tidsenhet passande för applikationen, exempelvis vid kontinuerlig rötning. Dag-1, s-1, h-1 är vanliga tidsenheter.

I litteraturen anges allt från 1 till 30 kgVS∙m-3∙sats-1. I modellen kommer ett medelvärde på 15 kgVS∙m-3 att användas och tidsenheten blir beroende av HRT.

HRT är det tidsspann som substratet tillbringar i rötkammaren och påverkar hur mycket metan processen producerar per införd massa. I denna modell behandlas gödsel, matavfall och en liten del avloppsavfall som alla anses vara våta substanser, alltså ett lågt TS. Ett vanligt HRT-spann är allt ifrån 15–90 dagar vid mesofil rötning (Nges & Liu, 2010).

I denna modell kommer en HRT på 30 dagar att användas, för att uppskatta OLR och ge en fingervisning om storleken på rötningskammaren.

Typiska sammansättningar av olika substrat presenteras i Tabell 2.3.

(23)

12

Tabell 2.3 - Typiska sammansättningar av olika substrat

Substrat TS [%] VS/TS [%] C/N Källa

PS/WAS 10–20 70–90 7

(INOIJE, et al., 1996), (Kabbashi,

2011)

Matavfall 10–30 90–95 15–30

(Tanimu, et al., 2014)

Svingödsel 6–10 80–90 7

(Hamilton, et al., u.d.)

2.2.3 Användningsområden

Ett applikationsområde för biogas är CHP (combined heat and power). CHP går ut på att ta tillvara på den spillvärme som traditionella motorer genererar vid elproduktion. I denna modell kommer en kolvmotor att användas där typiska elverkningsgrader varierar mellan 20–40 %. Om värmet tas tillvara på kan den totala verkningsgraden för motorn öka till 70–80 % (Breeze, 2018).

En enkel modell illustreras i Figur 2.4 och Figur 2.5.

Figur 2.4 - Energifördelning över en typisk kolvmotor.

Värmet används för uppvärmning av vatten som används av hushållet för både komfort med hjälp av radiatorer i utrymmen och direktanvändning av varmvatten.

(24)

13

Figur 2.5 - Enkel beskrivning av värmeväxlare.

(25)

14 2.2.4 Uppgradering

För att biogas ska kunna användas som fordonsbränsle och i övriga motorer måste metanhalten öka.

Uppgraderad biogas brukar gå under benämningen biometan. Till vilken grad denna uppgradering måste ske skiljer sig beroende på användningsområde. Enligt en studie utförd av (Swain & Shrestha, 2014) var resultatet att en metanhalt på 90 % krävdes för att få en optimal verkningsgrad för en encylindrig motor, vilket kommer att användas som riktlinje i detta arbete.

En utredning gällande optimala verkningsgrader och energiåtgång i motorer med biogas har även utförts vid ett tidigare tillfälle av (Enefalk & Ersöz, 2016), som bland annat använt den tidigare nämnda rapporten som referens.

Själva uppgraderingen kan ske med hjälp av olika tekniker. Denna modell kommer att fokusera på vattenbaserad rening (water scrubbing, vattenskrubbning), vilket idag är en välanvänd teknik som används av bland annat nordens största biometantillverkare.

Vattenskrubbning bygger på att koldioxid har en högre löslighet i vatten än vad metan har.

Processen låter gasen och vatten under högt tryck (6–10 bar) flöda mot varandra (eng. counterflow), vilket orsakar denna lösning av CO2 i vattnet. Den kvarvarande gasen får därmed en högre andel metan och processen kan upprepas till det att önskad metanhalt uppnås. Gasen kan ledas vidare för direkt användning eller komprimeras och lagras (Rotunno, et al., 2016).

Det finns även gott om lagringstekniker för biometan, men lagring av biogas är generellt en dyr process och kommer i denna modell enbart användas om behovet uppstår, vilket det med fördel kan göras då produktionen kan anses vara, som de flesta förnybara energikällor, intermittent.

Detta blir påtagligt i nordiska och andra länder som har säsongsbetonat klimat med kalla vintrar som kräver mer el och värme.

Biogas bör å andra sidan i största mån användas direkt då den efter komprimering återigen måste expanderas och omvandlas till användbar energi, såsom el eller värme med tillhörande

energiförluster (Budzianowski & Brodacka, 2016).

(26)

15 2.2.5 Vätesulfid

Det framgår även av Tabell 2.1 att vätesulfid bildas vid rötningsprocessen. Denna gas är mycket korrosiv och minskar levnadslängden hos de komponenter den passerar. Därför är en kraftig reducering av vätesulfid en förutsättning för en eventuell användning i maskiner och motorer.

Biogas innehåller normalt mellan 0–0,4 % vätesulfid, alltså upp till 4 000 ppm.

Denna siffra minskas till 50–100 ppm genom tillsättning av syre till nedbrytningen för att inducera avsvavling eller genom andra, biologiska tillsatser som fångar upp svavlet. Men denna

reduktionsprocess är inte tillräcklig för att åstadkomma tillräckligt låg nivå av vätesulfid som ligger på

<5 ppm (Scholwin, et al., 2017). I tillägg till detta så används ofta bakteriekulturer som omvandlar vätesulfid till svavelsyra. Dessa bakterier kräver näring vilket finns tillgängligt i och med den efterföljande näringsrika bioslurryn.

Kravet på <5 ppm kommer av att naturgas, vilket är den mest använda energigasen idag, har en naturligt låg halt på ca. 4 ppm och för att kunna tillsätta biogas till dessa ledningar krävs detta steg för att bibehålla kvaliteten och även minska korrosionen på existerande rör och komponenter.

Metoderna för rening ställs alltid inför samma ekonomiska utmaning, eftersom både fler

komponenter och tillsatser som har tryck-och temperaturskillnader tillkommer. Många metoder faller i denna kalkyl, framförallt vid småskalig biogasproduktion och exempelvis vid tillsättning av syre kan också själva metanproduktionen försämras.

Därför pågår försök att samtidigt som vätesulfid aktivt försöker avlägsnas, manipuleras processen så mer metan och mindre vätesulfid produceras.

Detta har i ett experiment med rötslam från kommunalt avloppsvatten i Shanghai lyckats.

Processens huvuddrag är att, genom en förbehandingsmetod som går ut på att öka pH-halten av biomassan (alkaline fermentation), bidra till att mindre vätesulfid produceras samtidigt som processen även gav en ökad produktion av metan (Dai, et al., 2017).

2.2.6 Problem

Systemet i rapporten är menat att använda den överflödiga koldioxiden som renas bort från biogasen som tillsats för odling. Detta ökar fotosyntesen hos grödorna med upp till 30–40 % i växthus (Alexandersson & Tran, 2017).

I studier har det dock observerats att en förhöjd nivå av CO2 kan bidra till en minskning av

näringsinnehåll i grödorna, vilket totalt sett kan försämra skörden. Även om det går fortare att odla dessa växter finns det risk att varje gröda innehåller mindre näring, vilket skulle kräva en ökad skörd.

Detta gäller näringsämnen som framförallt kväve men även mikronutrienter såsom zink och järn (Feng, 2015; Taub, 2008).

Dessa studier är inte utförda på skördar odlade i näringslösningar och resultaten är även

svårtolkade. Inga negativa effekter på baljväxter rapporterads exempelvis, vilket indikerar att detta inte behöver vara ett problem.

(27)

16

2.3 Odling

2.3.1 Markanvändning och övergödning

År 2007 var åtta procent av Sveriges landareal jordbruksmark (SCB, 2008).

Samma siffra för världen låg på 38 % (World Bank, 2018).

Utsläppet av växthusgaser från jordbruket i Sverige samma år var 6,9 miljoner ton CO2-ekvivalenter vilket var 16 % av Sveriges totala produktionsutsläpp (Naturvårdsverket, 2017).

Dock ligger jordbrukets största påverkan på miljön i all den näring som utsöndras när marken plöjs och arbetas. I odlingsfasen förekommer även gödsling som är en extra tillförsel av näring. Allt kan inte tas om hand av grödorna vilket gör att överskottet, med hjälp av bland annat regnvatten, förs vidare ner till omkringliggande vattendrag för att till sist hamna i sjöar och hav.

Detta problem har till stor del kommit av den ökade konsumtionen av konstgödsel och produktionen som resultat, vilket kräver transporter av exempelvis utfordring och gödsel, till ställen där de behövs.

Näring flyttas alltså från en geografisk plats till en annan, som på så sätt får problem med övergödning (Jordbruksverket, 2017).

2.3.2 Yteffektiv odling

Hydroponisk odling är att odla växter i en näringslösning, istället för i jord.

En mängd olika tekniker kan användas, men den stora fördelen med denna typ av odling är att grödor generellt kan växa snabbare, på en mindre yta och förbruka mindre vatten jämfört med odling i jord.

Ett substrat för att rota växten används oftast. Dessa kan vara lecakulor, grus, sand och liknande.

Syftet är att växten ska stanna kvar och själv till viss del kunna reglera näringsupptaget från lösningen (Bergman, 2018).

Något som fått större utrymme med tiden är tanken att inkorporera fiskodling i ett sådant system, s.k. Aquaponics eller Akvaponi.

Akvaponi i sig är alltså fiskodling, ofta av fiskfamiljen Tilapia, kombinerat med växtodling där växterna renar vattnet genom sitt näringsupptag. Utfordringen av fiskarna sker med hjälp av till exempel jordbruksrester och det näringsöverskott som uppkommer via denna process förs alltså vidare till den hydroponiska delen av systemet, som renar och sedan för vattnet tillbaka till fisktanken (Hallström, 2015).

Dessa båda är yteffektiva sätt att odla på vilket i denna rapport är önskvärt. Därför kommer en beskrivning av ett sådant system vara av vikt. Vissa problem har dock uppstått med denna typ av odlingar. Exempelvis förväntas systemet leverera näring både på makro och mikronivå och även om tanken är simpel så är utförandet av ett sådant system mer komplext, dvs att även om en odling kan producera tillräckligt med energi, kolhydrater, fett och protein kan underskott av vissa vitaminer och mineraler förekomma som tidigare nämnts.

(28)

17 2.3.3 Variation

Utformningen av ett akvaponiskt/hydroponiskt system kan i praktiken vara svårt.

Olika typer av växter kultiveras bäst med olika tekniker av bevattning. Den populäraste tekniken för hemmaodling är dock NFT (Nutrient film technique) där det näringsrika vattnet flödar förbi växternas rötter (Alexandersson & Tran, 2017). Flödet åstadkoms oftast med hjälp av en lutning och är även använd ofta tillsammans med ett akvaponiskt system med framgång.

2.3.4 Vattenåtgång

Det globala jordbruket står idag för 70 % av färskvattenförbrukningen i världen. Fram till 2050 förväntas befolkningen öka till över nio miljarder vilket kommer att kräva att matproduktionen ökar med 60 %, vilket då leder till ett ännu högre färskvattenuttag. All denna vattenförbrukning är heller inte effektiv då många bevattningssystem är föråldrade och därav kräver mer vatten än nödvändigt genom läckage och sämre regleringsförmåga.

Färskvattenkonkurrensen spås även kunna bli orsak till konflikter på ställen i världen där bristen blir som störst (Singh, 2014). Vatten har ansetts vara en typ av kollektiv vara, vilket har lett till ohållbart utnyttjande och marknadspriset varit lågt eller obefintligt, vilket idag mer och mer börjar synas är ett stort problem.

Med en Hydroponisk odling är situationen annorlunda. Hydroponisk odling kan ge samma mängd grödor med 10 % av vattenanvändningen som vid traditionellt jordbruk och 25 % av landarealen (Földhazy, 2018).

Det som ger den största skillnaden är den egentliga vattenförbrukningen, som kan ligga på så lågt som 1% om dagen. För att systemet ska fungera så krävs dock en initial nivå som måste behållas (Love, et al., 2015). I denna modell kommer resultaten från studien utförd av (Love, et al., 2015) användas justerat med storleken.

2.3.5 Energiåtgång

En odling kräver stabilitet i framförallt temperatur för att vara effektiv. Ljusbehovet kan tillgodoses med hjälp av LED-lampor. Då modellen är tänkt att vara ett riktmärke för svenskt klimat behövs energi i form av värme och kylning. Enligt (Alexandersson & Tran, 2017) krävde deras modell av ett växthus 539 kWh/m2år uppvärmning, 241 kWh/m2år kylning och 97 kWh/m2år belysningsel.

Eftersom deras modell använde klimatdata från en mellansvensk stad antas dessa värden uppskattningsvis kunna användas för energibehovet även i denna modell.

Fiskproduktionens energiåtgång beräknas utifrån (Love, et al., 2015) uppmätta värden på 159 kWh per kg producerad tilapia.

(29)

18

2.4 Avlopp och slutna kretslopp

En annan fraktion vatten som har en hög belastning på omgivningen är vårt eget avloppsvatten.

På Henriksdals reningsverk i Stockholm renas 250 000 m3 avloppsvatten varje dygn och reningsprocessens utformning är viktig för resultatet.

Vattnet genomgår först en fysisk rening där stora partiklar och skräp fångas upp, för att sedan fortsätta både genom kemisk och biologisk rening. Även här tas avloppsslammet om hand och biogas produceras genom AD (SVOA, u.d.). Uppskattningsvis utifrån litteraturen producerar även varje person 10–20 m3 avloppsvatten, där vattenförlust efter rening antas vara minimal.

Storskaliga processer som denna är självklart väldigt optimerade, men för modellen kommer det antas att vattenåtervinningen godtyckligt är 10 % av denna kapacitet, för att kunna göra en uppskattning om avloppsvattnets roll i kretsloppet.

Anledningarna för en säker avloppshantering är många men avloppsvatten är även det, på samma sätt som gödsling av åkermark, en näringsrik källa som kan skapa problem om det inte tas om hand på rätt sätt. En undersökning utfördes 2007 av (Ryegård, et al., 2007) där enskilda avlopps belastning av kväve- och fosfor kartlades. I denna studie rapporterades uppskattningar på en persons

avloppsavfall per dag och hur mycket kväve, fosfor och organiskt material detta innehöll. Resultaten från detta kommer att användas som en uppskattning i denna modell och dessa presenteras i Tabell 2.4.

Tabell 2.4 - Uppskattade värden för avloppsavfall

Ämne g/dag och person kg/år och person

Kväve 13,5 4,93

Fosfor 2,1 0,767

Organiskt material 70 25,55

(Ryegård, et al., 2007)

2.5 Hur mycket mat behövs

2.5.1 Livsmedelskonsumtionen i Sverige

Jordbruksverket sammanställde år 2015 en rapport över svenskarnas livsmedelskonsumtion och hur denna har förändrats under de senaste 50 åren. Rapporten berättar bland annat att ca 12 % av vår inkomst läggs på mat och livsmedelskonsumtion idag och denna siffra har sjunkit med åren vilket pekar mot att maten blir allt billigare, då det samtidigt köps mer mat idag än förr.

Utbudet har också det ökat och det finns fler alternativ för samma produkt idag, vilket kan vara en av orsakerna till att det faktiskt konsumeras mer idag.

Andelen mat som konsumeras utanför hemmet, dvs på restauranger och liknande ligger i storstadsområdena på ca 40 % för att på landsbygden hamna kring 20–25 % (Lööv, et al., 2015).

(30)

19

2.5.2 Nordiska näringsrekommendationerna (NNR2012)

Hur mycket mat som behöver produceras för att försörja en familj är relevant för rapporten.

I Sverige används det som kallas för de nordiska näringsrekommendationerna (NNR2012) för att approximera en persons energibehov. Denna presenterar också rekommendationer för makro-och mikronutrientfördelning i kosten.

Rapportens referensmall kommer att vara NNR2012 då livsmedelsverkets rapport bygger på nutritionsforskning och dess status för tillfället och är noga med att poängtera vad som är bevisat och vad som troligen är sant, samt att de lyfter fram att källan till näringen är viktigast, vilket i en modell med mycket självodlat per automatik uppfyller.

Denna rapport kommer använda siffror gällande energibehov, protein, fett och kolhydrater enbart.

Dessa presenteras i Tabell 2.5.

Ytterligare ett krav på 500 g grönsaker/dag samt ett maxintag av 60 g socker/dag har upprättats i modellen utifrån dessa rekommendationer.

Tabell 2.5 - Energi- och näringsbehov per dag.

Män1 Kvinnor2 Barn3 Totalt

Fett [g] 101 81 85 267

Kolhydrater [g] 366 295 310 971

Protein [g] 105 84 89 278

Energibehov [MJ] 11,7 9,4 9,9 31

1 Män 18–30 år 2 Kvinnor 18–30 år 3 Flickor och pojkar, 10–17 år

(Tetens, et al., 2013)

Urvalet är tänkt att representera en godtycklig familjs näringsbehov, samt även markera en övre gräns då dessa utvalda åldersgrupper har det högsta näringsbehovet. Hushållet består i modellen av tre personer där energi-och makrobehov uppskattas utifrån Tabell 2.5.

(31)

20

3. Metod och modell

Modellen beskriver en gård/tomt för ett enfamiljshushåll med tre personer. För att erhålla krävd landareal kommer material-och energibalanser att beräknas över samtliga komponenter i systemet.

Odlade grödor samt fisk kommer att konsumeras och både rest-och matavfall kommer att användas som substrat i biogasanläggningen. Gården kommer även att inkludera svin då dessa producerar mycket gödsel i form av avföring som kan användas för att erhålla en större mängd biomassa, tillsammans med hushållets avloppsavfall.

För biogasens kvalitet och sammansättning är en mer noggrann analys av substratet önskvärd men i denna modell kommer tidigare analyser av liknande substrat användas för uppskattning av viktiga parametrar. En sammanställning av biogaspotential från mat-och avfall som substrat utfördes 2012 av (Iacovidou, et al., 2012) för att fastställa dess potential i Storbritannien. Denna sammanställning tillsammans med en serie försöksexperiment av (Koch, et al., 2016) kommer att användas som två av underlagen för modellens substrat.

Författarna poängterar att denna typ av biomassa varierar kraftigt på grund av dess spridda sammansättning av protein, kolhydrater och fett men även förekomsten av ben, kultivering och grödornas mognad vid skörd. Dessa osäkerheter gäller även i denna modell då odling och skörd samt begränsningen i variation i odlingslandskapet varit en faktor.

3.1 Systemmodell och antaganden

3.1.1 Ytor

Enligt EU-förordningar kräver växande svin minst 1 m2 som minsta boxarea och samma siffra för Sverige ligger på 1,51 m2 (Subotin, 2012). För enkelhetens skull används EU:s siffra i modellen.

Växande svin definieras som svin upp till 110 kg och en översiktsundersökning av 21 svinfarmar i Ontario utförd av (Fleming, et al., 1999) rapporterades data för medelvikt, vattenförbrukning och utfodring bland annat. De fann att svinen vägde i genomsnitt 66 kg och förbrukade 5,54 liter vatten per dag. Utfodringen är enligt (Göransson, 2009) 34 MJ per dag vid 60 kg vikt och ökar sedan med 0,5 MJ per kg och dag. I modellen slaktas grisarna vid 100 kg vilket innebär en utfodring på 12 460 MJ per kvadratmeter och år. Denna utfodringen kommer i modellen bestå av majs som i sin tur kan producera majsensilage. Majsfoder odlat hydroponiskt kan enligt (Lozano, et al., 2016) ge en avkastning på upp till 137 kg torrvikt per kvadratmeter och år vilket kommer att användas i modellen.

I en annan rapport utförd av (Ekström, 2008) rapporterades det även att dessa tillväxtsvin

producerade ca. 6 m3 gödsel per år (fast-och flytande). En annan rapport producerad från (CAEEDAC, 1999) som ett försök att fastställa biogaspotentialen från gödsel från gris fann att samma siffra för gödselproduktion låg på 5–9 m3 och att ett medelstort vuxet svin (68 kg) hade en gödselpotential på 2 kg om dagen. (Hamilton, et al., u.d.) rapporterar om 3,6 kg gödsel per dag och 14 m3 och (Chastain, et al., 2003) 5,14 kg. Med dessa data kan en approximation göras för en kvadratmeter svinhage i systemet vilket visas i Tabell 3.1.

Tabell 3.1 - Uppskattade värden för en svinhage.

Enhet Yta [m2] Foderkonsumtion [MJ/år]

Vattenkonsumtion [l/år]

Gödsel [kg/år]

Svin 1 12 460 2022 1300

(32)

21

Den andra komponenten i systemet är akvaponin bestående av tilapiaodling tillsammans med grödor. Ett försök utfördes av (Love, et al., 2015) där ett sådant system under två år driftades i ett försök att studera avkastningen av diverse grödor, men även fiskproduktion.

Totalt användes 10,3 m3 fiskodling fördelat på fyra tankar och en odlingsyta på 13,4 m2. Fiskproduktionen var i snitt över två år 123 kg och skördade grödor var 358 kg. Vatten- och

elkonsumtion dokumenterades, vilket kommer att användas i modellen. Foderåtgång för 1 kg tilapia noterades vara 1,3 kg/år.

Detta fiskfoder har uppskattats utifrån en önskvärd näringssammansättning listad av (Alriksson, 2015) som utfört experiment för att skapa fiskfoder av skogsråvaror. Med detta tillsammans med värden på energiinnehåll i respektive makronutrient kunde näringsvärdet för fiskfodret uppskattas, se Tabell 3.2.

Tabell 3.2 - Uppskattat näringsvärde i fiskfoder.

Näringsvärde

g/100g kcal/100g kcal/kg MJ/kg

Protein 48 192 1920 8

Kolh. 37 148 1480 6

Fett 5 45 450 2

Totalt 90 385 3850 16

Samtliga använda parametrar presenteras i Tabell 3.3. Ett antagande om storleken för fiskodlingen kommer att vara att tanken har en konstant höjd på 2 m. Detta ger att en tank på 1 m2 ger en volym på 2 m3 och alltså ca. 24 kg fisk per år. Samtidigt antas förhållandet mellan fiskodling och grödor vara samma som i studien av (Love, et al., 2015). Dvs. att fisktanken växer i förhållande till odlingsytan.

Som sagt användes 10,3 m3 tilapiaopding och 13,4 m2 grödor (0,77:1,0) vilket för modellen antas vara en förutsättning för avkastningen. En initial uppfyllnad av vatten i systemet är nödvändig men har inte beaktats i denna rapport.

Tabell 3.3 - Uppskattningar för tilapia och grödor per år.

Enhet Yta [m2]

Foderkrav [kg/år]

Foderkrav [MJ/år]

Vatten- konsumtion [l/år]

Elkonsumtion [kWh]

Avkastning [kg/år]

Tilapia 1 31 500 24 159 24

Grödor 1 - - 4 56 27

(33)

22 3.1.2 Biomassan

I modellen kommer antagandet att en viss del av producerad mängd blir avfall och att resten går till konsumtion vara nödvändig. Enligt organisationen Svenskt Kött slaktas grisar efter 6 månader eller när de väger runt 100 kg. Från levande vikt till tallrik försvinner också ca 40 % vilket i modellen tolkas som att på 1 m2 får vi även 60 kg fläskkött per år (Svenskt Kött, u.d.).

Samma siffra för Tilapia har uppskattats vara 50 %.

Grödorna i denna modell kommer att vara godtyckliga då det är väldigt mycket olika typer av grödor som faktiskt kan odlas med både hydroponi och akvaponi med NFT. I studien från (Love, et al., 2015) rapporterades det om säsongsbetonade grödor men mestadels olika typer av bladsallader och kål.

Som (Alexandersson & Tran, 2017) rapporterade odlas tomater med bra avkastning på samma sätt och fler exempel har återfunnits i litteraturen. Samtliga olika grödor kommer med en viss

sammansättning av ätbart/avfall vilket i modellen kommer att antas vara 50 % och näringsbehov för dessa odlingar kommer att jämföras utifrån sammansättningen på bioslurryn efter

rötningsprocessen. Avfallsmängden på 50 % kommer av arbetet med litteraturstudien, då vissa avfallsmängder kan vara nära noll och vissa 70–80 %. Vissa studier rapporterar även om torrvikt, vilket är det faktiska näringsvärdet i avkastningen och vissa gör det inte vilket gör det problematiskt att jämföra värden mellan studier. För denna modell anses därför siffran 50 % vara ett rimligt antagande för ett medelvärde sett över en diversifierad odling.

3.1.3 Näringsvärde

Från livsmedelsdatabasen har näringsinnehåll uppskattats. Dessa presenteras i Tabell 3.5.

Grödorna som odlas har godtyckligt valts till isbergssallad, grönkål, tomat, potatis och majs.

Potatis odlades framgångsrikt av (Wheeler, et al., 1990) med en årlig avkastning på ca. 7 kg per 0,3 m2 vilket ger liknande resultat som de grödor som odlades av (Love, et al., 2015). Därför anses potatis kunna odlas med samma förutsättningar. Samtliga odlade grödor har under arbetets gång stötts på där dessa med hjälp av NFT odlats, vilket gör att de uppskattningsvis har liknande egenskaper i en tänkt odling.

Använda data presenteras i Tabell 3.4, Tabell 3.5 och Tabell 3.6.

Tabell 3.4 - Uppskattade produktionsmängder per år

Enhet Yta [m2] Produktion [kg] Avfall [kg] Ätbart [kg]

Gris 1 100,00 40,00 60,00

Tilapia 1 24,00 12,00 12,00

Tomater 1 27,00 13,50 13,50

Isbergssallad 1 27,00 13,50 13,50

Grönkål 1 27,00 13,50 13,50

Potatis 1 27,00 13,50 13,50

(34)

23

Tabell 3.5 - Uppskattade näringsvärden

Enhet Energi per kg [MJ] Protein per kg [%]

Kolhydrater per kg

[%] Fett per kg [%]

Gris 6,47 19 0 9

Tilapia 3,63 18 0 2

Tomater 0,73 1 3 0

Isbergssallad 0,61 1 3 0

Grönkål 1,67 3 3 1

Potatis 3,29 2 16 0

(Livsmedelsverket, 2018)

Tabell 3.6 - Uppskattad näringsavkastning per år och kvadratmeter.

Enhet

Energi per år och m2 [MJ]

Protein per år och m2 [kg]

Kolhydrater per år och m2 [kg]

Fett per år och m2 [kg]

Gris 388,26 11,51 0,00 5,20

Tilapia 21,78 1,07 0,00 0,10

Tomater 9,86 0,11 0,35 0,02

Isbergssallad 8,24 0,11 0,34 0,02

Grönkål 22,55 0,46 0,43 0,09

Potatis 44,42 0,23 2,21 0,01

3.1.4 Energiinnehåll

Sammanställningen av (Iacovidou, et al., 2012) gällande energiinnehåll i biomassa från samrötning mellan mat-och avloppsavfall presenteras i Tabell 3.7.

Tabell 3.7 - Sammansättningar och dess metanavkastning. FW (food waste), PS (primary sludge)

Substrat VS

Avloppsavfall [%]

DS Avloppsavfall

[%]

VS Matavfall [%]

DS Matavfall [%]

CH4/kgVSdeg

[m3]

PS - - - - 0,116

PS+FW 50 - 50 - 0,215

PS - - - - 0,318

FW - - - - 0,234

PS+FW - 75 - 25 0,439

PS - - - - 0,269

FW - - - - 0,395

PS+FW 80 - 20 - 0,326

WAS + FW 90 - 10 - 0,186

WAS + FW 50 - 50 - 0,321

WAS + FW 10 - 90 - 0,346

References

Related documents

Alternativt kan man skapa en total kunskapsbank där dokument finns tillgängligt för precis alla på företaget, detta innebär att nya projekt kan enklare ta del av tidigare

Platsspecifika riktvärden har enbart tagits fram för de parametrar som överstiger det generella riktvärdet för känslig markanvändning (KM), vilket är PAH-H samt PAH-M... Det

Som i fallet för den varierbara induktiva impedansen kommer analysen av H c (s) göras med filterapproximationen där kapacitansen försummas, detta leder till ett förenklat uttryck av

Ett tips innan denna mappning utförs är att gruppera funktionella krav i EKD’s kravmodell och utföra denna mappning gruppvis på flera olika use case diagram för

Inledning Kokosfett, morot och bärssaft ger dig möjlighet att demonstrera och diskutera vad som händer med olika typer av ämnen i kroppen.. Material Kokosfett, morot och bärssaft

Inledning Kokosfett, morot och bärssaft ger dig möjlighet att demonstrera och diskutera vad som händer med olika typer av ämnen i kroppen.. Material Kokosfett, morot och

Denna rapport ska gå igenom de program som kommer att användas för att skapa grafik till detta arbete.. 3.4.1

Alla våra smarta prylar bygger på en maskinernas evolution, från den första sten en människa tog i sin hand för att slå flisor ur en annan sten, till min smarta telefon.. Jag