Kandidatexamensarbete
KTH – Skolan för Industriell Teknik och Management Energiteknik EGI-2020
TRITA-ITM-EX 2020:219 SE-100 44 STOCKHOLM
Energianalys komplett biogassystem
En sammanställande analys av en gårdsbaserad biogasanläggnings energiförbrukning
Erika Sandberg
Teodor Tapper
Bachelor of Science Thesis EGI-2020 TRITA-ITM-EX 2020:219 Energianalys komplett biogassystem
Erika Sandberg Teodor Tapper Approved
2020-06-05
Examiner
Anders Malmquist
Supervisor
Anders Malmquist
Commissioner Contact person
Gunnar Bech
Sammanfattning
Biogasanläggningar har oftast en relativt låg verkningsgrad och en låg lönsamhet, detta har gjort att biogasens potential inte utnyttjas till fullo utan används endast till några få procent globalt.
Till följd av detta har Innovationsverket i Gamelby, i samarbete med KTH sedan hösten 2014 tagit fram en analys av hur ett framtida gårdsbaserat biogassystem kan se ut och samtidigt vara mer energioptimalt än dagens motsvarigheter. Företaget International Micro Biogas AB har skapats och patent har beviljats. Detta arbete syftar på att ta fram en komplett energianalys av ett småskaligt gårdsbaserat biogassystem utifrån dess huvudkomponenter, vilket har utförts genom att analysera tidigare examens- och projektarbeten som genomförts i samarbete mellan Innovationsverket och KTH, för att ur dessa dra ut relevanta delar och skapa det övergripande systemet. Energidata för de ingående huvudkomponenterna analyserades och beräkningar utfördes i Microsoft Excel. En Excelfil har skapats där det genom att ange gårdens antal kor går att beräkna den årliga energiåtgången för det gårdsbaserade biogassystemet, denna rapports resultat baserades på en gård med 200 kor. Sammanställningen av systemets huvudkomponenter resulterade i en energiåtgång på 385 MWh per år. Det nya gårdsbaserade biogassystemet har visat sig ha en god potential ur ett energiperspektiv och skulle med stor sannolikhet kunna bli självförsörjande om en optimering av systemet skulle genomföras.
Abstract
Commercial biogas facilities often tend to have a relative low efficiency and low profitability, resulting in the worldwide biogas potential not being utilized to its full extent. Consequently, since autumn 2014, Innovationsverket in Gamelby has in collaboration with KTH analysed the potential of a farm-based biogas system compared to the energy efficiency of today’s equivalents. The company International Micro Biogas AB was started, and patents has been granted. This essay aims to conduct a comprehensive energy analysis of a small-scale farm- based biogas facility based on its main components, which has been performed by evaluating preceding master theses and project assignments conducted by the collaboration between Innovationsverket and KTH, with the goal of compiling information from these and creating the comprehensive system. The energy data of the main components were analysed, and calculations were conducted in Microsoft Excel. An Excel spreadsheet were one can insert essential farm data to calculate the yearly energy expenditure of a biogas facility has been created. This study was conducted with the intention of utilizing 200 cows as the essential data and the collection of the energy components output resulted in a yearly energy consumption of 385 MWh. The new farm-based biogas facility has displayed great potential, from an energy consumption perspective, and could with high probability become self-sufficient if an optimization of the system were conducted.
Förord
Denna rapport är resultatet av vårt kandidatexamensarbete på 15 hp utfört vid Kungliga Tekniska högskolan på institutionen för Energiteknik. Arbetet utfördes under våren 2020 och utgör en del av civilingenjörsprogrammet Design och Produktframtagning. Arbetet har baserats på flera olika idéer och koncept från International Micro Biogas AB:s VD Gunnar Bech. Vi skulle därför vilja rikta ett tack till dig för ett bra samarbete och stöd under arbetets gång. Vi vill också tacka vår handledare Anders Malmquist för vägledning och råd under arbetets gång.
Dessutom vill vi tacka de personer som tidigare utfört arbeten vid KTH för IMB AB då de bidragit med värdefull data och av dessa även rikta ett speciellt tack till David Saldarriaga som tagit sig tid att hjälpa oss med frågor kring sitt tidigare arbete.
Erika Sandberg och Teodor Tapper Stockholm – Maj 2020
Innehållsförteckning
Figurer ... I Tabeller ... II Nomenklatur ... III Storheter och konstanter ... III Index ... V
1 Inledning ... 1
1.1 Syfte och Mål ... 2
2 Litteraturstudie ... 3
2.1 Rötningsprocessen och biogasens egenskaper ... 3
2.2 Substrat ... 5
2.3 Sönderdelning ... 6
2.4 Rötkammare ... 9
2.5 Rötkammarens omrörning ... 10
2.6 Uppgradering - vattenskrubber ... 11
2.7 Förbränningsteknologi ... 12
3 Metod ... 13
3.1 Systembeskrivning och avgränsningar ... 13
3.2 Energianalys ... 13
3.2.1 Energibehov vid sönderdelning och förvärmning av substrat ...14
3.2.2 Energibehov för omrörning ...14
3.2.3 Energibehov för uppgradering ...15
3.2.4 CHP och erhållen energi ...16
3.3 Sammanställning av energidata ... 17
4 Resultat och Diskussion ... 18
4.1 Sönderdelning och förvärmning ... 18
4.2 CHP ... 19
4.3 Omrörning ... 19
4.4 Uppgradering ... 20
4.5 Sammanställning av resultat... 22
5 Känslighetsanalys ... 24
6 Hållbarhetsanalys ... 25
7 Slutsatser ... 27
8 Rekommendationer för att fortsätta studier ... 28
Referenser ... 29
I
Figurer
Figur 1 Schematisk bild av den anaeroba nedbrytningsprocessen (Jarmander & Sjöberg, 2015).
... 4 Figur 2 Beskrivning av byggnaden ovanifrån samt byggnadens koncept ( (Emilsson &
Buhrgard, 2019) ... 9 Figur 3 Schematisk bild över nya blandningssystemet och Omblandnings skoveln från ovansidan (Bech, 2018) ... 10 Figur 4 Uppgraderingsenhetens delkomponenter och energikrävande delar (Saldarriaga, 2018) ... 12 Figur 5 Förenklat schema över biogasanläggningens energi- och värmeflöde. modifierad från (Enefalk & Ersöz, 2016) ... 13 Figur 6 Nettoenergi för knivkvarnen, tagen från (Djurberg & Markskog, 2018) ... 18 Figur 7 Energidata för sönderdelning, förvärmning och CHP-enheten per timme vid användning av 200kor ... 19 Figur 8 Energiförbrukning per timme för ingående huvudkomponenterna i en gårdsbaserad biogasanläggning ... 20 Figur 9 Årlig energiförbrukning för huvudkomponenterna i ett gårdsbaserat biogassystem .... 21 Figur 10 Årlig energiförbrukning för biogasanläggningen då uppgraderingen endast anses beröras av externt tillförd elektricitet och inte intern förbränd biogas ... 21 Figur 11 Sammanställning av data, bild på Excel dokumentets resultat för delsystemen ... 22
II
Tabeller
Tabell 1Biogasens genomsnittliga sammansättning (Jarmander & Sjöberg, 2015) ... 4 Tabell 2 Utvinnet asutbyte vid nedbrytning av olika substrat (Jarmander & Sjöberg, 2015) ... 6 Tabell 3 Sönderdelningstekniker och deras energiförbrukning vid olika partikelstorlekar ... 8
III
Nomenklatur
Storheter och konstanter
Tecken: Benämning: Enhet:
𝑪𝒎𝒆𝒕𝒂𝒏 Koncentrationen av metan m3metan/m3biogas
𝑪𝒑 Specifik värmekapacitet J/kg/°C
𝑪𝑶𝑷𝟐 Kylfaktorn för kylsystemet -
𝒆𝑪𝑯𝑷 Energi skapad av CHP J/m3
𝑬𝒄𝒚𝒄𝒍𝒆 Totala energin för en omrörnings cykel J
𝑬𝒄𝒚𝒄𝒍𝒆,𝒓𝒆𝒂𝒍 Verkliga energiåtgången för en omrörnings cykel J
𝑬𝒏𝒆𝒕𝒕𝒐 Nettoenergin J
𝒆𝒐𝒎𝒓ö𝒓𝒏𝒊𝒏𝒈 Energiåtgången för omrörning J/m3
𝒆𝒔ö𝒏𝒅𝒆𝒓𝒅𝒆𝒍𝒏𝒊𝒏𝒈 Energiåtgången för sönderdelning J/m3
𝒆𝒖𝒑𝒑𝒈𝒓𝒂𝒅𝒆𝒓𝒊𝒏𝒈 Energiåtgången för uppgradering J/m3
g Gravitation m/s2
𝒉𝒓ö𝒕𝒌𝒂𝒎𝒎𝒂𝒓𝒆 höjdskillnaden m
k =𝑐𝑝
𝑐𝑣, specifika värmekapaciteterna dividerat med varandra
-
KH Henrys lags konstant -
Lmas Massflödet av vatten Kg/s
𝑳𝑯𝑽𝒎𝒆𝒕𝒂𝒏 Lägsta värmevolymen för biogas J/kg
𝒎̇𝒃𝒊𝒐𝒈𝒂𝒔,𝑪𝑯𝑷 Biogasens massflöde in i förbränningsmotorn kg/s
𝒑𝒂 Arbetstrycket för kolonnen Pa
𝒑𝒂𝒕𝒎 Atmosfärstrycket Pa
𝑷𝑩 Energin för att driva fläkten W
𝑷𝑪𝒃𝒈 Effekt för driva kompressorn W
𝑷𝑪𝑯𝑷 Energin från CHP W
𝑷𝑪𝑶𝒃𝒈 Energi för att kyla biogasen W
𝑷𝑪𝑶𝑳𝑳 Energi för att kyla vattnet W
𝒑𝒐𝒗 Övertrycket Pa
𝑷𝑷 Energin för att återföra vattnet från
desorptionskolonnen till absorptionskolonnen
W
𝒑𝒔 Arbetstrycket i desorptionskolonnen Pa
𝑷𝒙 Kompressionens effekt för varje steg W
𝑸̇𝑪𝑯𝑷 Erhållen värme från CHP W
𝑸̇𝒇ö𝒓𝒗ä𝒓𝒎𝒏𝒊𝒏𝒈 Tillförd värme i förvärmningen W
𝑸̇𝒎𝒆𝒕𝒂𝒏𝒖𝒕𝒃𝒚𝒕𝒆 Metans energiinnehåll W
𝑸̇𝒔ö𝒏𝒅𝒆𝒓𝒅𝒆𝒍𝒏𝒊𝒏𝒈 Sönderdelningens energiinnehåll W
𝑸̇𝒖𝒑𝒑𝒗ä𝒓𝒎𝒏𝒊𝒏𝒈 Värmeflödet för uppvärmning W
R Universal gaskonstanten J/mol/K
IV
T Vakuum/sug temperatur °C
𝑻𝒂 Arbetstemperaturen i absorptionskolonnen °C
𝑻𝒂𝒅 Temperaturfall för kompensation °C
𝑻𝒂𝒕𝒎 Omgivningens temperatur °C
𝑻𝒓ö𝒕𝒌𝒂𝒎𝒎𝒂𝒓𝒆 Rötkammarens temperatur °C
𝑻𝒐𝒗 Övertemperatur °C
𝑻𝒔 Temperatur efter desorptionskolonnen °C
𝑻𝒔𝒖𝒃𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕,𝒊𝒏 Ingående substratets temperatur °C
𝑽𝒎𝒂𝒔 Massflödet av biogas kg/s
𝑽̇𝒎𝒐𝒍 Volymflödet av biogas m3/s
𝑽̇𝒔𝒖𝒃𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕 Substratets volymflöde m3/s
𝑽̇𝒗𝒐𝒍𝒂𝒊𝒓 Volymflödet av luft m3/s
𝑽̇𝒗𝒐𝒍𝑳 Volymflöde av vatten m3/s
∆𝒎𝒎𝒊𝒙𝒆𝒓 Skillnaden i massa för omrörningskomponenten kg
𝜼𝑩 Fläktens verkningsgrad -
𝜼𝑪𝒊𝒔 Isentropiska verkningsgraden -
𝜼𝑪𝒎𝒆𝒄 Mekaniska verkningsgraden -
𝜼𝒆𝒍𝒆𝒌𝒕𝒓𝒊𝒄𝒊𝒕𝒆𝒕 Förbränningsmotorns elektriska verkningsgrad -
𝜼𝒑 Pumpens verkningsgrad -
𝝆𝒔𝒖𝒃𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕 Substratets densitet kg/m3
V
Index
Beteckning: Benämning:
CH3COOH Ättiksyra
CH4 Metan
CO2 Koldioxid
H2 Vätgas
H2O Vatten
Nm3 Normalkubikmeter
O2 Syre
TS Torrsubstans
VS Volatile Solids (glödförluster)
1
1 Inledning
Denna studie är ett kandidatexamensarbete inom Hållbar Energiteknik utfört under våren 2020 på Kungliga Tekniska Högskolan. Studien avhandlar en energisystemanalys på ett framtida komplett gårdsbaserat biogassystem. Biogassystemet är framtaget av Innovationsverket i Gamleby, Västervik under ledning av Gunnar Bech med hjälp av flertal tidigare samarbeten med KTH i form av studentprojekt och examensarbeten. De tidigare projekten och arbeten står till grund av denna studie där relevanta delar tagits ut. Avsikten är att biogassystemet ska kunna vara kommersiellt framgångsrikt och implementeras globalt, samtidigt ska systemet vara energimässigt optimerat och vara prefabricerat vilket ska ge lägre investeringskostnad än för platsbyggda system. Patent har tagits och ett företag har bildats under namnet International Micro Biogas AB.
Biogas produceras i försök att minska de skadliga utsläppen av växthusgaser i atmosfären, för att förhindra att jordens medeltemperatur fortsätter stiga och skada ekosystem samt den biologiska mångfalden (Bengtsson, 2020). Biogasen kan användas både till fordonsbränsle, värme, elförsörjning och dessutom kan restprodukterna användas till gödsel (Klackenberg, 2019). För fordonsbränsle behöver biogasen uppgraderas, vilket betyder att biogasen renas och uppnår en högre halt CH4 då CO2 avskiljs. När biogas däremot används för uppvärmning behöver biogasen inte uppgraderas och kan vid förbränning av gasen användas lokalt eller distribueras ut via fjärrvärmenätet. Tanken bakom det nya biogassystemet är att det ska ha kapaciteten för att få en gård självförsörjande. Transporter av bränslen och avfall minskar då gården kan skapa sitt eget bränsle genom att dels använda avfall som skapats på gården, vilket leder till minskade utsläpp. Biogasen ger upphov till ett slutet kretslopp och skapar en cirkulär ekonomi där resurser av avfall och restprodukter blir av värde i form av klimatvänligt bränsle och biogödsel (Energigas Sverige, 2017).
Att använda biogas istället för fossila bränslen minskar utsläppen av växthusgaser. När fossila bränslen förbränns bildas CO2 och är direkt proportionellt till användningen av energin och detta bidrar till växthuseffekten (Naturvårdsverket, 2019). De fossila bränslena förorenar även luften. Biogas förorenar däremot inte luften utan bidrar till en kraftig reducering av CO2 utsläpp.
Dock är det viktigt att framställningen av biogas sker kontrollerat, då läckage i produktionen leder till utsläpp av bland annat CH4 vilket skulle bidra till en ökad växthuseffekt. Istället kan det sägas att biogasanläggningarna tar hand om nedbrytningen av organiskt avfall och ser till att växthusgaserna som bildas vid nedbrytningen inte sprids till omgivningen. Ytterligare en positiv aspekt med biogas är att den även är förnybar vilket de fossila bränslena inte är.
2
1.1 Syfte och Mål
Detta kandidatexamensarbete är en del av ett långsiktigt projekt på KTH med vägledning av International Micro Biogas AB (IMB AB). Syftet med projektet är att utifrån ett energiperspektiv analysera samtliga ingående komponenter av en småskalig biogasanläggning samt lösa vanligt uppkomna problem. I denna rapport genomförs en övergripande energisystemanalys av ett komplett småskaligt biogassystem för gårdar genom sammanställning av tidigare examensarbeten och en kompletterande litteraturstudie. Rapporten ämnar besvara följande målformulering.
• Hitta energidata för de ingående huvudkomponenterna
• Sammanställa en komplett energianalys över systemets huvudkomponenter
• Analysera systemet i helhet
• Utifrån sammanställning undersöka om systemet blir självgående med hjälp av en förbränningsmotor driven av skapad biogas.
Utifrån problemformuleringen ovan kommer arbetets tillvägagångssätt att baseras på analys och sammanställning av tidigare genomförda arbeten inom projektserien. I dialog med Gunnar Bech på IMB AB och kandidatarbetets handledare Anders Malmquist har riktlinjer etablerats, att läsa in sig på tidigare arbeten, att dra ut relevanta delar och att genom dessa skapa det övergripande systemet samt analysera resultatet i detalj. Eftersom tidigare arbeten genomfört i princip samtlig relevant teoretisk forskning, för appliceringen av en småskalig biogasanläggning, under tillsyn av Gunnar Bech så anses vald metodik som korrekt sätt att gå tillväga för att leda arbetet i projektserien framåt. Samtliga essentiella data finns tillgänglig men det saknas ett enkelt sätt att presentera resultaten tillsammans.
3
2 Litteraturstudie
Här presenteras det förarbete som genomförts i mån om att ge en kunskap kring biogasanläggningar och deras delkomponenter. Arbetet ämnar fokusera på en översiktlig energianalys och berör olika delar som förväntas användas vid en småskalig biogasanläggning för gårdsbruk. Biogas är en lättantändlig gas och kan generera både energi och värme med hjälp av olika processer. I ett småskaligt biogassystem på gårdsbaserade anläggningar används biogas normalt sett till produktionen av värme för att täcka gårdens egna uppvärmningsbehov, till produktionen av högt metanhaltig biogas för fordonsanvändning och till produktionen av elektricitet för att driva delkomponenter (Jarmander & Sjöberg, 2015). Biogasanläggningar kan byggas upp på olika sätt och utformningen som detta arbete analyserar är resultaten av tidigare arbetens jämförelser och upptäckter. Anläggningen består av en maskin som sönderdelar ingående substrat, en kammare där rötningsprocessen sker, en uppgraderingsenhet där fordonshaltig biogas utvinns och en förbränningsmotor som producerar värme och energi. Det är en energianalys av dessa delkomponenter och nödvändig information kring dem som förklaras nedan.
2.1 Rötningsprocessen och biogasens egenskaper
Biogas bildas under en anaerob process vilket innebär att det organiska materialet genom ett antal delreaktioner bryts ned av en bakteriepopulation till rötrester under syrefria förhållanden.
Det material som ska undergå nedbrytning och genomföra framställning av biogas kallas substrat. Nedbrytningen bildar främst CH4 och CO2 i gasform (Nordberg, 2006). Det är ett komplicerat mikrobiologiskt händelseförlopp där mikroorganismer angriper substratets molekyler i frånvaro av O2. Bildandet av biogas äger vanligtvis rum i naturliga miljöer med begränsad syretillgång men god tillgång på levande material, till exempel på risfält, i sumpmarker och i magen på idisslande djur (Jarmander & Sjöberg, 2015). Det är denna naturliga process som önskas efterliknas i biogasanläggningar och kan genomföras om bioavfallet innesluts i ett slutet utrymme, en kammare.
Nedbrytningens viktigaste driftfaktorer är tillgången till vatten, näringsämnen, omrörningens temperaturförhållanden, partikelstorleken och pH-värdet. Vid optimala förhållanden kan rätt typ av bakterier leva och föröka sig. Processen är beroende av de nedbrytande bakteriernas aktivitet (Nordberg, 2006).
Rötningsprocessen delas in i tre delsteg i följande ordning: Hydrolys, fermentering och metanbildning. Det finns två vanliga huvudmetoder för hur processen kan vara uppbyggd, enstegsrötning och tvåstegsrötning. Under enstegsrötning sker nedbrytningsprocessen i en enskild rötningskammare och i tvåstegsrötningen delas processen upp i två steg (Nordberg, 2006). Detta arbete ämnar studera biogasbildningen av en enstegsrötning. I hydrolysen spjälkas biomassan, med hjälp av hydrolytiska bakterier, till lösliga enklare föreningar, se figur 1.
Spjälkningen sker genom oxidering eller jäsning och bakterierna som genererar processen är självförökande och utvinner stora mängder energi (Nordberg, 2006). Hastigheten som hydrolysen sker i har stor påverkan på nedbrytningsprocessen och om substratet innehåller stora mängder svårnedbrutet material, till exempel cellulosa, kan nedbrytningen pågå flera dagar (Andersson, 2011). De enkla molekylerna (Aminosyror, enkla sockerarter och långa fettsyror)
4
bryts sedan ned av acidogena ättiksyrabildade bakterier till intermediära partiklar, H2, CO2 och CH3COOH, se figur 1. Till sist sker det metanbildande steget där vätgasen, koldioxiden och ättiksyran bryts ned av metanogena bakterier till biogas, vilket ekvation 1 och 2 redovisar.
𝐶𝐻3𝐶𝑂𝑂𝐻 → 𝐶𝐻4+ 𝐶𝑂2 (1)
𝐶𝑂2+ 4𝐻2 → 2𝐻2𝑂 + 𝐶𝐻4 (2)
Figur 1 Schematisk bild av den anaeroba nedbrytningsprocessen (Jarmander & Sjöberg, 2015).
Biogasens sammansättning kan variera beroende på produktionsförutsättningarna och substratval. I tabell 1 redovisas den genomsnittliga sammansättningen för biogas.
Tabell 1Biogasens genomsnittliga sammansättning (Jarmander & Sjöberg, 2015)
5
Skapandet av biogas kräver specifika miljöförhållanden inom rötningskammaren för att kunna fungera optimalt. Rötningstemperaturen är en viktig faktor och det finns olika typer av mikroorganismer, psykrofila, mesofila och termofila, som alla verkar inom olika temperaturintervall. Psykrofila mikroorganismer trivs inom ett intervall av omgivningstemperaturen på 4 till 24 °C. Mesofila trivs mellan 24 och 45 °C och de termofila arbetar bäst inom 45 till 60 °C. En gemensam faktor för alla mikroorganismer är att pH-värdet bör ligga mellan 6,5 och 7,5 för att de ska kunna arbeta och föröka sig.
2.2 Substrat
Substrat kan ha olika ursprung, sammansättning, storlek och genomgår därför olika förhandlingsprocesser (Nordberg, 2006). Energigrödor, avfall och restprodukter är vanliga substrat. För att avgöra substratets lämplighet som råvara i en biogasprocess blir dess TS-halt, VS-halt, näringssammansättning och nedbrytbarhet viktig att analysera.
TS-halt beskriver den mängd torrt material som finns efter vatteninnehållet har indunstats efter uppvärmning till 105 °C. Hög TS-halt brukar omfattas av substrat runt 10–15 % och kan vara besvärligt att sönderdela och röra om. Vanligtvis brukar utspädning ske med låghaltiga TS substrat eller vatten förekomma för att underlätta mekaniska moment.
VS-halt ger en indikation av materialets kvarstående innehåll av förbränningsbar substans vid 550 °C. VS-halten förenklar bedömningen av substratets organiska innehåll och ger en inblick i dess lämplighet för rötningsprocessen eftersom endast organiskt material kan brytas ned i den biologiska processen. En hög VS-halt tenderar att resultera i en hög transporteffektivitet, högt gasutbyte per transportenhet (Carlsson & Uldal, 2009).
Samrötning är tillståndet då en enhetlig blandning av två eller flera olika substrat ingår i rötningsprocessen. Samrötning som uttryck är oberoende av andel involverade substrat och generellt tillämpas samrötning för processer med en torrsubstanshalt kring 8–15%, en våtrötningsprocess (Carlsson & Uldal, 2009). I strävan efter att erhålla en optimal näringssammansättning och uppbyggnad av rötningssubstratet kan därmed en blandning av olika substrat ge en stabilare och effektivare biogasprocess. Det finns ett flertal ekologiska, tekniska och ekonomiska fördelar vid samrötning då substraten kan komplettera varandra och mikroorganismerna som sköter nedbrytningsprocessen behöver en allsidig kost (Carlsson &
Uldal, 2009). Kol/kväve-kvoten är essentiell vid anaerob nedbrytning av organiskt material och kan avgöra processens effektivitet. Kolet utgör materialets energikälla och kväve-halten påverkar tillväxthastigheten. Låg eller hög kol/kväve-kvot kommer påverka processen på olika sätt. Vid en hög kvot kommer nedbrytningsförloppet avta och populationen organismer hållas låg. Om det däremot finns en alltför stor andel kväve finns det risk för ammoniumbildning, vilket kan vara giftigt för processens mikroorganismer (Carlsson & Uldal, 2009). Generellt så brukar det optimala förhållandet kol/kväve vara runt 20 för att nedbrytningsprocessen inte ska påverkas av händelseförloppen ovan.
För att biogas ska bildas krävs det att de blandade substraten är anaerobt nedbrytbara.
Kompositionen av näringsämnena fett, kolhydrater och protein hos materialitet har en stor
6
påverkan på gasutbytet. Tabell 2 visar hur stort gasutbytet vid komplett anaerob nedbrytning blir för de olika substratkomponenterna (Djurberg & Markskog, 2018).
Tabell 2 Utvinnet asutbyte vid nedbrytning av olika substrat (Jarmander & Sjöberg, 2015)
2.3 Sönderdelning
För svårnedbrytbara substrat är finfördelning i förbehandlingsprocessen viktigt då en mindre partikelstorlek bidrar till en för helheten ökad yt-area som bakterierna kan livnära sig på under samrötningsprocessen och därmed öka det totala gasutbytet (Nordberg, 2006).
Förbehandling av olika biomassor har en nyckelroll i processerna kring ett bioraffinaderi.
Biogasproduktion är beroende av de effektiva, tekniska, ekonomiska och miljömässiga attributen hos olika förbehandlingsprocesser. Förbehandling är endast ett steg i processen men genom att involvera finfördelning av rå substrat så höjs effektiviteten hos kommande delsteg genom att främst öka tillgängligheten till biomassans struktur för rötningsprocessens enzymer (Treichel, o.a., 2020).
I en studie genomförd av Djurberg och Markskog (2018) var syftet att finna relationer mellan sönderdelningen av biomassa i förbehandlingsprocessen och gasutbyte vid rötningsprocessen under småskalig biogasproduktion. Rapporten syftade på att hitta det optimala förhållandet mellan hur mycket energi som går åt vid sönderdelning och hur mycket energi som utvinns genom det ökade biogasutbytet.
Mindre partikelstorlekar has visat sig vara fördelaktiga vid omrörning samt minska risken för skiktning av substratet (Olsson, 2014). Det finns flera olika sönderdelningstekniker och studien som Djurberg och Markskog (2018) genomförde fokuserade på mekanisk sönderdelning då denna process är kostnadseffektiv och enklare att genomföra än andra kemiska och biologiska processer (Krátký & Jirout, 2011).
Sönderdelningen av partiklarna möjliggör användning av substrat som annars inte är lämpliga för produktion av biogas. Det krävs mindre energiåtgång vid omrörning i rötkammaren och
7
mindre partikelstorlek leder också till en minskad risk för bildande av skikt (Djurberg &
Markskog, 2018). Sönderdelning kan vara ett mycket energikrävande steg i biogasprocessen och har vid tillfällen visat sig stå för runt 33% av tillverkningsprocessens energiförbrukning (Krátký & Jirout, 2011). Att använda rätt sönderdelningsteknik och erhålla optimal partikelstorlek blir därmed essentiellt vid en energianalys av ett gårdsbaserat biogassystem.
Mekanisk eller fysisk förbehandling består av operationer designade för att modifiera den fysiska attributen hos biomassa utan tillsats av kemiska preparat eller mikroorganismer.
Mekaniska förbehandlingar används brett och är kända för att reducera partikelstorleken och därmed öka materialets porositet och yt-area. Eftersom mekaniska processer inte involverar kemiska reaktionsmedel blir den väldigt eftertraktad och de mekaniska processerna är bland de mest lämpliga förbehandlingsmetoderna inom biogasproduktion för en industriell expansion (Treichel, o.a., 2020). Vilken typ av sönderdelning som sker beror på val av mekanisk metod.
Studierna som kandidatarbetet ovan ämnade genomföra fokuserade främst på jämförelserna av finfördelning med hammarkvarn och knivkvarnar. Sönderdelningsprocesserna arbetar på olika sätt, där den första främst bryter ned cellulosas struktur och skapar långa fibrer medan den senare finfördelar biomassan. Energiförbrukningen är som ovan nämnt relativt hög och även risken att delkomponenter skadas av material som följt med i processen, som stenar eller metaller, gör att mekanisk sönderdelning inte alltid är optimal (Djurberg & Markskog, 2018).
Fördelarna övervinner oftast nackdelarna då effektiviteten i hydrolysen, genom mekanisk sönderdelning, kan öka med 5–25% och rötningstiden minskar med 23-59% eftersom den totala ökade yt-arean ger en större angreppsyta för mikroorganismerna (Krátký & Jirout, 2011).
De faktorer som främst påverkar energiförbrukningen vid mekanisk förbehandling är val av sönderdelningsteknik, skillnaden mellan partikelstorlek före och efter samt substratets egenskaper. Även fuktighetshalten har stor påverkan på energiförbrukningen och till exempel kniv- och hammarkvarnar är som effektivast vid sönderdelning av substrat med en fuktighetsgrad som är lägre än 10–15% (Djurberg & Markskog, 2018). En del av den energi som går åt vid mekanisk sönderdelning omvandlas till värme vilket till viss del underlättar sönderdelningsprocessen och minskar uppvärmningsbehovet av rötkammaren, majoriteten av värmen är dock endast en värmeförlust (Krátký & Jirout, 2011).
Användningen av knivkvarnar har av Hansol och Sudhagar (Hansol & Sudhagar, 2017) beskrivits som en beskärningsprocess av cellulosafibrer med relativt låg energiutvinningsgrad jämfört med liknande processer. Knivkvarnar används i regel vid nedbrytning av torra växtmaterial och är fördelaktig vid sönderdelning av biomassa bestående av längre strån och stjälkar vid jämförelse med hammarkvarnar (Bitra, o.a., 2009).
Energiåtgången och partikelstorleken korrelerar då de båda beror på inmatningshastighet, rotationshastighet, knivbladens vinkling och typ av trumma som omsluter kvarnen. Rent övergripande har knivkvarnar visat sig vara ledande inom energieffektivitet när det handlar om torr biomassa. De har i vissa fall visat sig vara fem gånger effektivare än hammarkvarnsmetoder (Krátký & Jirout, 2011), men knivkvarnar leder större risk för att skadas under sönderdelningsprocessen (Djurberg & Markskog, 2018).
I hammarkvarnar sker finfördelningen under två steg. Först genomförs kontakten mellan biomassa och hammarna för att slå sönder materialet och sedan kommer rotorn att pressa
8
partiklarna mot en omslutande skärm med öppningar av storlek utifrån önskvärd partikelstorlek.
Utrustningen används på många ställen och har en hög produktivitet och relativt låg energikonsumtion (Treichel, o.a., 2020). Energin som går åt beror på åtråvärd minskning av partikelstorlek, materialets fuktighet, dess egenskaper, inmatningshastighet samt anordningens egenskaper som hammarspetsarnas fart, se tabell 3 (Krátký & Jirout, 2011). TS-innehållet för halm antas vara 78% (Carlsson & Uldal, 2009).
Tabell 3 Sönderdelningstekniker och deras energiförbrukning vid olika partikelstorlekar
Val av sönderdelningsmetod påverkas av ett flertal faktorer. Inför rötningen är det viktigt att finfördela biomassan för att uppnå optimal rötningseffektivitet. Det går att kombinera tekniker för att erhålla bästa möjliga gasutvinning men för småskaliga biogasanläggningar kommer det främst handla om att välja en metod, ett val som beror mycket på vilken typ av substrat som används. Vid småskalig produktion för främst eget bruk gör de kemiska metodernas investeringskostnader och deras komplexitet dem mindre önskvärda. Utifrån studier av mekaniska sönderdelningsprocesser är knivkvarnar av högsta grad relevanta eftersom de kan uppnå små partikelstorlekar. Begränsningen av fuktighetshalt skulle kunna elimineras genom användning av enklare torkningsmetoder och överskådlig sortering innan sönderdelning kan motverka problemen med knivbladens känslighet mot icke önskvärda material (Djurberg &
Markskog, 2018).
9
2.4 Rötkammare
Från tidigare studier utförda av Buhrgard och Emilsson (2019) samt av Jarmander och Sjöberg (2015) görs energianalyser på bland annat rötkammaren i ett gårdsbaserat biogassystem. Där Jarmander och Sjöbergs studie gick ut på att göra en energianalys av systemet med flera små rötkammare inuti en byggnad och jämföra det mot en referensanläggning med motsvarande volym på rötkammare (Jarmander & Sjöberg, 2015). Medan Buhrgard och Emilssons arbete gick ut på att undersöka och genomföra lösningar för den låga energieffektiviteten gentemot den höga energiförbrukningen, om en ny mixermetod i rötkammaren av IMB AB skulle lösa problem vid omrörning och om ett paketkoncept till lösning skulle fungera (Emilsson &
Buhrgard, 2019). I Buhrgard och Emilssons arbete framgår även en förbättrad dimensionering och energianalys av rötkammaren och dess ombyggnad, vilket kommer användas i denna studie.
Efter förbehandlingen där substratet brutits ner pumpas det in i rötkammaren, för att genomgå en naturlig rötningsprocess (Klackenberg, 2019). Rötkammaren är en tätsluten behållare och det bildas huvudsakligen CH4 och CO2 under processen, vilket kallas för rå biogas. I denna studie utvinns biogasen från bland annat gödsel och lantbruksgrödor och kan därför även kallas för rötgas. Den råa biogasen eller rötgasen är i de flesta fall mättad av vattenånga. Det bildas även en rötrest i rötkammaren, den kan användas till gödningsmedel eftersom rötresten är rik på näring.
Gårdsbaserade rötkamrar är idag stora och kan inte köras på halvfart om dem inte är fyllda.
Därför har IMB AB tagit fram konceptet att bygga flera små rötkammare där inte alla behöver vara i drift samtidigt, utan det går att dimensionera hur många rötkammare som ska vara igång utefter mängden substrat som finns för användning. Detta för att konstant kunna producera biogas och inte behöva ha systemet ståendes eller gående på halvfart utan att då nyttja maximal kapacitet konstant.
Från Buhrgard och Emilssons studie framgår det att det är fyra rötkammare på 120m3 vardera, med en diameter och höjd på 5,3m vardera. Med en isoleringstjocklek på 70mm för rötkammaren och 100mm för hela isolerings skyddet runt rötkammaren. Där byggnaden runt omkring kommer ha en höjd på 7,3m, djup på 16,7m och en bredd på 16,7m, där en säkerhetsmarginal på 2m mellan rötkammare och väggar är inräknad i den omgivande byggnadens storlek, figur 2. Måtten kommer användas även i denna studie för att kunna genomföra en energianalys.
Figur 2 Beskrivning av byggnaden ovanifrån samt byggnadens koncept ( (Emilsson &
Buhrgard, 2019)
10
2.5 Rötkammarens omrörning
Omrörningen i rötkammaren är viktig för att rötningen ska erhålla en jämn temperatur och även för att underlätta kontakten mellan substratet och mikroorganismerna (Björnsson, o.a., 2009).
Dessutom ser även omrörningen till att det blir jämnt fördelat i rötkammaren vilket förhindrar att slamtäcke och bottensediment bildas. Slamtäcket bildas när substrat flyter upp och lägger sig på ytan och bottensediment bildas när organiskt material samlas på botten av rötkammaren.
Detta vill undvikas eftersom det hämmar produktionen av biogas till följd av att rötningsvolymen blir mindre. Det är av yttersta vikt att omrörningen sker varsamt för att inte störa mikroorganismernas arbete, vilket sker om omrörningen är för snabb. Däremot i de fall där omrörningen sker för långsamt kan slamtäcke samt bottensediment bildas (Ahlberg Eliasson, 2015).
Omrörningen i rötkammaren kan ske på flertal olika sätt de vanligaste förekommande teknikerna är mekanisk-, hydraulisk- och pneumatisk omrörning. Den vanligaste omrörningstekniken på gårdsbaserade anläggningar är den mekaniska, den har även bäst omrörningseffekt av de tre. Det finns flera olika typer av mekaniska omrörare i biogasanläggningar, de kan arbeta med en långsam, mellan eller snabb hastighet. Mekaniska omrörare är alla integrerade i rötkammaren vilket gör dem känsliga för slitage och vid reparation av omröraren kan det vara komplicerat (Ahlberg Eliasson, 2015). Den Pneumatiska omrörningen går ut på att den producerade biogasen i rötkammaren komprimeras och blåses därefter med hjälp utav pumpar under högt tryck ut i rötkammarens nedre del, för att skapa omrörning i substratet. Till skillnad från de mekaniska omrörarna är de pneumatiska placerade på utsidan av rötkammaren. Tredje omrörningsmetoden, den hydrauliska omrörningen, använder pumpar för att transportera substratet i rötkammaren vilket ger upphov till omrörning.
Även den hydrauliska omröraren fästs på utsidan av rötkammaren (Edström, Nordberg, &
Ringmar, 2005).
Gunnar Bech på IMB AB har utvecklat en ny teknologi för omrörningen i rötkammaren där patent har tagits men ännu inte testats, tanken är att den nya omrörningsmetoden ska användas i rötkammaren. Denna nya blandningsanordning sägs reducera den totala energikonsumtionen i processen genom att använda gravitationen. Principen av blandningsanordningen är en statiskt trycksatt behållare anpassad att kunna anordnas inuti rötkammaren och en skovel fäst i tryckbehållaren, se figur 3. Ett vätskepumpsystem är anslutet till tryckbehållaren och är anpassat för att pumpa in och ut vätska ur behållaren, i behållarens övre del är även gas fångad.
Genom att pumpa in och ut vatten resulterar det i en vertikal rörelse till följd av viktskillnad och flytkraft. Skoveln är utformad till att omfatta behållaren i största mån genom att dess omkrets sträcker sig ner från behållaren och täcker till största del rötkammarens diameter. Hålen i skoveln vilket ses i figur 3 är för att substratet ska kunna åka igenom och skapa en effektivare omrörning (Bech, 2018).
Figur 3 Schematisk bild över det nya blandningssystemet och Omblandnings skoveln från ovansidan (Bech, 2018)
11
2.6 Uppgradering - vattenskrubber
För att kunna använda biogasen till fordonsbränsle behöver den uppgraderas. Det betyder att det sker en separering av CH4 från övriga gaser. Enligt standard behöver biogasen innehålla minst 97% CH4 för att användas till fordonsbränsle (Svensson, 2017) (STG, 1999). Det finns ett flertal olika metoder för att genomföra uppgradering bland annat vattenskrubber, aminskrubber och PSA (pressure swing adsorption). I denna studie kommer vattenskrubber användas och därav tas ingen hänsyn till någon annan metod.
Det finns ett antal fördelar med vattenskrubbers och det är bland annat en relativt lätt teknik, den kräver inga kemikalier och om läckage skulle ske har det en låg påverkan på miljön. De behöver ingen tillförd värme och har även en hög flexibilitet där kapaciteten kan ändras av antingen gas och vattenflödet eller genom tryck och temperatur (Bailón Allegue & Hinge, 2012).
Vattenskrubber är avsedd att separera CO2 från den råa biogasen med hjälp av vatten. Detta tack vare att CH4 är svårlöst i H2O och kommer koncentreras i gasströmmen istället.
Koldioxiden kommer däremot lösa sig i vattnet och separeras från metanen. Metoden bygger på att koldioxiden har en högre löslighet i vatten än metan. I vattenskrubbern är biogasen i ett tryck mellan 6 till 10bar, vilket gör att koldioxiden löses i vattnet och separeras från biogasen.
För att föra bort koldioxiden sätts vattnet i kontakt med luft. Detta kan beskrivas med hjälp av Henrys lag eftersom den beskriver relationen mellan partialtrycket av en gas och koncentrationen av gas i en vätska. Lösligheten av en gas i vattnet ökar med trycket men minskar när temperaturen sänks, detta då Henrys lag konstant, KH värde ändras med temperaturen. CH4 har ungefär 26 gånger lägre löslighet än CO2 i H2O. Dock löses även en liten mängd CH4 i H2O och måste tas bort. Detta är en anledning till det återcirkulerande vattnet i systemet (Bauer, Hulteberg, Persson, & Tamm, 2013).
En vattenskrubber består av två olika kolonner, dessa två används i proceduren och är absorption respektive desorption. Uppgraderingen av biogasen tar plats i absorptionskolonnen där den uppgraderade biogasen blir kvar medan koldioxid och det kvarvarande vattnet förs över till desorptionskolonnen. Innan det avrinnande vattnet kommer till desorptionskolonnen går det genom en flashtank där trycket sänks för att bibehålla samma metanmängd när koncentrationen av metan ökar. Detta för att minska förlusterna av metan. Till följd av att metanet inte är lika lösligt i vatten som koldioxid, blir gasen efter flashtanken metanrik och återförs till inloppet av absorptionskolonnen (BIERNAT & SAMSON-BRĘK, 2011). Det avrinnande vattnet förs vidare till desorptionskolonnens övre del, samtidigt förs luft in i dess nedre del. I desorptionskolonnen har trycket minskats ytterligare och koldioxidhalten i luften är låg vilket leder till att partialtrycket av koldioxiden är nära noll. Vilket leder till att koldioxid har låglöslighet, därmed separeras koldioxiden från vattnet. Det avrinnande vattnet från desorptionskolonnen återförs till absorptionskolonnen och innehåller i princip ingen koldioxid.
Inuti absorptionskolonnen finns fyllkroppar, oftast i form av plast. Detta ger maximal massöverföring till följd av att anläggningsytan mellan biogasen och vattnet ökar.
Fyllkropparna återfinns även i desorptionskolonnen av samma anledning. Från Saldarriagas studie beräknades höjd och diameter av den del av kolonnen som har fyllmaterial med hjälp av HTU-NTU metoden samt beräknas energiåtgången för varje enskild del i vattenskrubbern (Saldarriaga, 2018).
12
2.7 Förbränningsteknologi
Rötningskammarens värmeanvändning delas in i två delar, värme som behövs för kontinuerlig drift och värme som behövs vid förvärmning av substratet. Den ingående optimala temperaturen för substratet är 37°C och det finns olika sätt att distribuera värmen på, interna och externa (Starberg, Karlsson, Larsson, Moraeus, & Lindberg, 2005).
Den energi som används vid uppgraderingen förbrukas främst av dess delkomponenter, se figur 4, och kan antingen levereras av en extern källa eller internt från systemets CHP (Combined Heat and Power).
Figur 4 Uppgraderingsenhetens delkomponenter och energikrävande delar (Saldarriaga, 2018)
En CHP kan arbeta med antingen rå eller uppgraderas biogas. Ur en energisynpunkt så är det mer effektivt att använda rå biogas för ett generera strömmen, utifrån antaganden om att motorn kommer att ha samma effektivitet med båda drivmedlen. En CHP kan ha syftet att vara en intern förbränningsmotor (ICE), en mikrogasturbin (MGT) eller en stirlingmotor (SE). De olika användningsområden har i en studie på KTH jämförts utifrån en värme- och energitillförselsynpunkt på olika gårdar. Det visade sig att samtliga teknologier klarade av att tillfredsställa gårdarnas värmebehov men att det var ICE-motorn som levererade klart bäst energitillförsel till gårdarna (Buhrgard, Emilsson, Lindblad, & Mizgalewicz, 2018).
CHP system bidrar med hög ekonomisk och miljömässig effektivitet då de producerar två olika energityper, värme och el. En av fördelarna med användning av en förbränningsmotor är att biogasen inte behöver uppgraderas och kan användas i systemet utan någon speciell modifikation efter den producerats. Viktigt att observera är dock den ingående metanhalten och eventuella behov av avskiljande av svavelföreningar (Enefalk & Ersöz, 2016). En annan är att en biogas till CHP anläggning kan uppfylla energikraven på plats. Ofta behövs ingen import eller inköp av extern elektricitet (Goulding & Power, 2013). Tumregel, 20–30% av den producerade energin från en CHP används som termisk och elektrisk energi för att underhålla rötningsprocessen (Buhrgard, Emilsson, Lindblad, & Mizgalewicz, 2018)
13
3 Metod
Denna rapport omfattar det kvarstående teoretiska arbetet för projektet mellan KTH och Innovationsverket där en övergripande energisystemanalys av ett komplett system ska sammanställas. För att kunna utarbeta en metod för en sammanställande energianalys innefattar litteraturstudien tidigare examensarbeten, studentprojekt och komplimenterande vetenskapliga artiklar samt rapporter från myndigheter. Metodformuleringen bygger på analys av de tidigare arbetena för att sedan ta ut relevanta delar och skapa det övergripande systemet.
3.1 Systembeskrivning och avgränsningar
Energianalysen baseras på biogasanläggningens delsystem där ingående substrat först sönderdelas i knivkvarnen för att sedan värmas upp och genomgå rötning under omrörnings i rötkammaren. Färdigproducerad biogas förs sedan till uppgraderingsenheten där den fordonshaltiga CH4 kan utvinnas. Den fordonshaltiga gasen går antingen till förbränningsmotorn eller används som fordonsbränsle. Förbränningsmotorn kan arbeta på antingen biogas eller metangas och förser systemet med utgående energi och värme, se figur 5.
Figur 5 Förenklat schema över biogasanläggningens energi- och värmeflöde. modifierad från (Enefalk & Ersöz, 2016)
3.2 Energianalys
I energianalysen kommer energibehovet vid sönderdelning, förvärmning av substrat, omrörning i rötkammare, uppgradering, CHP och erhållen energi att analyseras och beräknas. Detta med stöd från tidigare examensarbeten och projektarbeten utförda på KTH under ledning av IMB AB. Vid rötkammaren kommer ingen energi tillföras för att hålla substratet på rätt arbetstemperatur, utan substratet kommer genomgå en uppvärmning innan det åker in i rötkammaren. Rötkammaren i sig kommer vara omgiven av isolering i mineralull med en tjocklek av 100mm runt hela samt polyuretan skum runt kammaren på 70mm, vilket togs fram i Emilsson och Buhrgards (2019) studie.
14
3.2.1 Energibehov vid sönderdelning och förvärmning av substrat
Utifrån Djurberg och Markskogs (2018) litteraturstudie konstaterades det att sönderdelning med hjälp av knivkvarnar resulterade i ett högre nettoenergigrad än hammarkvarnar.
Ekvationen som används för beräkning av knivkvarnens söderdelningsenergi är:
𝐸𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜 = 𝑄̇𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛𝑢𝑡𝑏𝑦𝑡𝑒 − 𝑄̇𝑠ö𝑛𝑑𝑒𝑟𝑑𝑒𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔 (3) Där sönderdelningsenergin subtraheras från metanutbytets energiinnehåll och nettoenergi kunde då beräknas för olika partikelstorlekar. Formeln baseras på antaganden om att sönderdelningens påverkan på energiförbrukningen i omrörning och uppvärmning är försumbart liten och antags vara konstant oavsett partikelstorlek. Det optimala förhållandet beräknades i studien genom interpolerade funktionskurvor med hjälp av inbyggda verktyg i Matlab och de beskriver hur energiförbrukningen beror på partikelstorlek.
Utifrån tidigare erhållet optimum av energinetto kommer denna rapport granska energianvändningen för sönderdelning och inte energinettot. Den litteratur som granskats kommer huvudsakligen från Kratky och Jirouts (Krátký & Jirout, 2011) rapport där experiment kring partikelstorlek och energiförbrukning genomförts med olika typer av sönderdelning och kandidatuppsatsen från Djurberg och Markskog (Djurberg & Markskog, 2018) där sönderdelning av biomassa undersökts för småskaligt gårdsbaserat syfte.
Energibehovet vid uppvärmning av substratet har tidigare beräknas utifrån antagande om att ingående substrattemperatur är konstant 4°C över medelårstemperaturen (Ståhl, 2016). Som även under arbetet konstaterades av olika gårdar som rimligt antagande. Värmeåtervinning är aktuellt och antaganden om att 50% av värmen från rötkammaren kan återvinnas (Starberg, Karlsson, Larsson, Moraeus, & Lindberg, 2005). Substratet ska förvärmas till 37°C och för att hindra dagg från att formas behöver byggnadens temperatur vara över 8°C. Den värme som behövs vid förvärmning beräknades med formeln:
𝑄̇𝑢𝑝𝑝𝑣ä𝑟𝑚𝑛𝑖𝑛𝑔= 𝑉̇𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡∙ 𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡∙ 𝐶𝑝,𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡∙ (𝑇𝑟ö𝑡𝑘𝑎𝑚𝑚𝑎𝑟𝑒 − 𝑇𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡,𝑖𝑛) (4)
där 𝑉̇𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 är volymflödet av substratet, 𝜌𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 är substratets densitet, 𝐶𝑝,𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡 är substratets specifika värmekapacitet, 𝑇𝑟ö𝑡𝑘𝑎𝑚𝑚𝑎𝑟𝑒 är rötkammarens temperatur och 𝑇𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡,𝑖𝑛
är ingående substratets temperatur. Beräkningarna är utförda under Emilsson och Buhrgards arbete (Emilsson & Buhrgard, 2019) och delberäkningarna kommer inte redovisas i denna rapport. Denna rapport ämnar istället ta del av resultatet av Emilsson och Buhrgards energianalys för vidare arbete.
3.2.2 Energibehov för omrörning
Omrörningsmekanismen bygger på en helt ny princip, den är inte testad och finns inte på marknaden. I ett projektarbete utfört under hösten 2018 (Buhrgard, Emilsson, Lindblad, &
Mizgalewicz, 2018) gjordes prototyper för att testa vilken form på omrörnings mekanism som gav bäst prestanda. Emilsson och Buhrgards arbete har använt en jämförelsemodell där beräkningar av energin har gjorts, denna studie kommer bygga på denna modell.
15
Jämförelsemodellen använder “bulk-fluid velocity” för att kunna beräkna medelhastigheten för alla partiklar i rötkammaren. Den riktiga omröraren anses vara liknande en fallande sfär.
Energikonsumtionen i detta fall sker när omröraren ska röra sig upp respektive ner. För att omröraren ska röra sig ner tillförs vatten vilket ökar massan och omröraren åker nedåt. När omröraren når rötkammarens botten pumpas vattnet tillbaka till tanken igen. Energin för en cykel ges av:
𝐸𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = ∆𝑚𝑚𝑖𝑥𝑒𝑟∙ 𝑔 ∙ ℎ𝑟ö𝑡𝑘𝑎𝑚𝑚𝑎𝑟𝑒 (5)
Där 𝐸𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 står för totala energin som krävs för en cykel, ∆𝑚𝑚𝑖𝑥𝑒𝑟 står för skillnaden i massa för omrörningskomponenten och ℎ𝑟ö𝑡𝑘𝑎𝑚𝑚𝑎𝑟𝑒 står för höjdskillnaden. Till följd av att vattnet pumpas blir den verkliga energiåtgången för en cykel med hänsyn till pumpens verkningsgrad:
𝐸𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒,𝑟𝑒𝑎𝑙 =𝐸𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒
𝜂𝑝 (6)
Där 𝜂𝑝 är pumpens verkningsgrad.
Framförallt bygger denna studie på Emilsson och Buhrgards arbete men även projektarbetet utfört hösten 2018 och det handlar nu om att ta deras tidigare resultat för användning i en sammanfattande systemanalys
3.2.3 Energibehov för uppgradering
I uppgradering analyseras energibehovet för kompressorn, vattenkylare, vattenpump och luftfläkten. Kompressorn ökar trycket av inkommande biogas och den återvunna från flashtanken upp till arbetstrycket för absorption kolonnen. Utifrån Saldarriagas (2018) arbete sägs att det är antaget att varje steg för kompressorn är optimerat på grund av att den återvunna biogasen från flashtanken ska komma in i ett optimalt tillstånd. Till följd av detta kommer det variera när flera steg utförs därav kommer den totala effekten för att driva kompressorn vara summationen av effekten för samtliga utförda steg (Saldarriaga, 2018).
𝑃𝐶𝑏𝑔 = ∑𝑛𝑛=1𝑃𝑥 (7)
PCbg, är effekten som krävs för att driva kompressorn och 𝑃𝑥 är kompressions effekten för varje steg. Där 𝑃𝑥 beräknas enligt (Budzianowski, Wylock, & Marciniak, 2017).
𝑃𝑥 =𝑉𝑚𝑜𝑙⋅𝑅⋅𝑇⋅
𝑘 𝑘−1⋅[(𝑝𝑑𝑖𝑠
𝑝𝑠𝑢𝑐)−1]
𝜂𝐶𝑖𝑠⋅𝜂𝐶𝑚𝑒𝑐 (8)
Vmol är massflödet av biogas, R är universella gaskonstanten, T vakuum/sug temperaturen, k står för cp/cv där cp och cv är specifika värmekapaciteten för biogasens gasblandning vid konstant tryck och volym, 𝜂𝐶𝑖𝑠och 𝜂𝐶𝑚𝑒𝑐 är de isentropiska och mekaniska verkningsgraden av kompressorn.
Från tidigare studier konstateras att flödet kommer flöda mellan desorptionskolonnen till absorptionskolonnen och även från flashtank till desorptionskolonnen tack vare att desorptionskolonnen har högre tryck än flashtanken.
16
Vattenpumpen används till att återföra vattnet från desorptionskolonnen till absorptionskolonnen, energin som krävs ges av:
𝑃𝑃 = (𝑝𝑎∙𝑝𝑜𝑣−𝑝𝑎𝑡𝑚)∙𝑉𝑣𝑜𝑙𝐿
𝜂𝑃 (9)
Där pa är arbetstrycket för kolonnen, pov är övertrycket, VvolL är volymflödet av vatten och 𝜂𝑃 är verkningsgraden för pumpen.
För att försäkra att luften kan flöda genom desorptionskolonnen ökar fläkten trycket av desorptionsluften, energin som krävs för fläkten ges av:
𝑃𝐵 =(𝑝𝑠∙𝑝𝑜𝑣−𝑝𝑎𝑡𝑚)∙𝑉𝑣𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟
𝜂𝐵 (10)
Där ps är arbetstrycket i desorptionskolonnen, Vvolair är volymflödet av luft och 𝜂𝐵 är fläktens verkningsgrad.
Efter komprimering av biogasen samt efter desorptionskolonnen behöver biogas respektive vattenflödet kylas för att nå arbetstemperaturen i absorptionskolonnen. Energin som krävs för att kyla biogasen efter komprimeringen ges av:
𝑃𝐶𝑂𝑏𝑔= 𝑉𝑚𝑎𝑠∙𝑐𝑝𝑏∙[𝑇𝑎𝑡𝑚+𝑇𝑜𝑣−(𝑇𝑎−𝑇𝑎𝑑)]
𝐶𝑂𝑃2 (11)
Där Vmas är massflödet av biogas att kyla, cpb biogasens specifika värmekapacitet, Ta är arbetstemperaturen i absorptions kolonnen, Tatm är omgivningens temperatur, Tov är övertemperaturen, Tad ytterligare temperaturfall för att kompensera för uppvärmning mellan kylaren och absorptionskolonnen, COP2 är kylfaktorn för kylsystemet.
Energiåtgången för att kyla vattenflödet efter desorptionskolonnen beräknas på liknande sätt enligt:
𝑃𝐶𝑂𝐿𝐿 =𝐿𝑚𝑎𝑠∙𝑐𝑝𝑣∙[𝑇𝑠−(𝑇𝑎−𝑇𝑎𝑑)]
𝐶𝑂𝑃2 (12)
Där Lmas är massflödet av vatten att kyla, cpv vattnets specifika värmekapacitet, Ta är arbetstemperaturen i absorptions kolonnen, Ts är temperaturen efter desorptionskolonnen, Tad
är det ytterligare temperaturfallet för att kompensera uppvärmning mellan kylaren och absorptionskolonnen.
Vid energiberäkningarna för uppgraderingen kommer indata främst att baseras på Saldarriagas arbete.
3.2.4 CHP och erhållen energi
Biogasanläggningens interna energikonsumtion har i tidigare studier visats kunna genereras vid användning av en intern förbränningsmotor (ICE) kopplad till en elektrisk generator (Emilsson
& Buhrgard, 2019) (Buhrgard, Emilsson, Lindblad, & Mizgalewicz, 2018). Även beräkningar av nödvändig mängd biogas, antingen uppgraderad eller rå, som behövs har genomförts (Saldarriaga, 2018). Den erhållna energin vid förbränning av producerad biogas i en CHP motor beräknades med:
𝑃𝐶𝐻𝑃= 𝑚̇𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠,𝐶𝐻𝑃∙ 𝐿𝐻𝑉𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛∙ 𝐶𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛∙ 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 (13)
17
Där 𝑚̇𝑏𝑖𝑜𝑔𝑎𝑠,𝐶𝐻𝑃 är massflödet av biogas in i förbränningsmotorn, 𝐿𝐻𝑉𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛 är lägsta värmevolymen för biogasen, 𝐶𝑚𝑒𝑡𝑎𝑛 är koncentrationen av metan och 𝜂𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡 är förbränningsmotorns elektriska verkningsgrad. Vanliga värden för den elektriska verkningsgraden hamnar ofta mellan 25–45% (Alanne & Saari, 2003). För att underlätta arbetet antas en verkningsgrad på 35%.
Vid energiberäkningarna för CHP enheten kommer indata främst baseras på resultaten från Emilsson och Buhrgards arbete. Det maximala energibidraget en CHP kan medföra beror på dess dimension och i det tidigare nämnda arbeten jämfördes två fall, ett för användning vid endast elektrisk produktion och ett vid uppgradering av gasen. Det elektriska fallet använde sig av en 18 kW enhet och uppgraderings fallet använde en 5 kW enhet (Emilsson & Buhrgard, 2019).
3.3 Sammanställning av energidata
Den övergripande energisystemalanysen kommer att baseras på ovanstående systemkomponenters energikonsumtion. Dessa kommer utifrån tidigare studiers resultat att sammanställas och summeras med hjälp av Excel för att ge en begriplig helhetsbild över biogasanläggningens energiförbrukning. Ingående data kommer att diskuteras i känslighetsanalysen och jämföras då samtliga analyser av delkomponenter härstammar från olika arbeten. Då tidigare arbeten behandlar olika typer av indata vid energiberäkningar så kommer sammanställningen att vid behov skala om tidigare resultat, med en linjär skalning i första hand. Detta görs för att underlätta för utomstående personer som önskar ta del av den totala energianvändningen för en småskalig biogasanläggning. Som utgångspunkt kommer arbetet från Emilsson och Buhrgard, där 200 kor anger storleken av processen, och Saldarriagas modell att bli grunden för energiberäkningarna. Utifrån tidigare arbeten kan metoden för implementering av data i Excel skapas. Uträkningarna kommer att begrundas på ingående substrat till rötkamrarna, som är linjärt med antal kor på gården. Substratmängderna kan utifrån TS- och VS-halt ge en indikation på hur mycket biogas den gårdsbaserade biogasanläggningen kan utvinna från rötkamrarna under en dag. Genom sammanställning av tidigare rapporterade data kan energikravet för daglig uppgradering och hantering av biogas beräknas utifrån ett antagande om konstant flöde av substrat in i systemet. Vid biogasproduktion och rötning av avföring har olika värden för biogasutbytet utifrån mängd VS använts. Emilsson och Buhrgard använder sig av, utifrån brist på sammanhängande data, ett värde av 200 Nm3 utvunnen biogas per ton VS, vilket även kommer användas i detta arbete.
18
4 Resultat och Diskussion
I detta avsnitt presenteras de resultat som tagits fram av tidigare arbeten tillsammans med egna beräkningar för att sammanställas i en energikalkyl. Det övergripande systemets delar, se figur 5, har utifrån valt antal kor och data från tidigare rapporter kunnat beräknas för att ge en indikation kring hur mycket energi en småskalig biogasanläggning förbrukar vid konstant produktion av metangas. Resultaten för varje delsystem kommer först att presenteras var för sig, för att sedan sammanställas och summeras.
4.1 Sönderdelning och förvärmning
Utifrån Djurbergs och Markskogs (2018) beräkningar och användning av tabellvärden för substrats sönderdelning och metanproduktion kan en energivinst för rötning av mindre partiklar fastställas. Rapporten visade att den optimala sönderdelningsstorleken för knivkvarnar är 0,26mm vilket resulterade i ett metanutbyte på 2 047 kWh/ton TS, se figur 6.
Figur 6 Nettoenergi för knivkvarnen, tagen från (Djurberg & Markskog, 2018)
19
Genom tidigare beräkningar av nettoenergi kunde uträkningen av använd sönderdelningsenergin för att nå en substratstorlek på 0,26 mm genomföras och blir enligt ekvation (3) 37,5 kWh/ton TS halm. Den dagliga mängden halm per ko erhölls utifrån tidigare projektarbete om småskalig biogasproduktion av Buhrgard med flera (2018) och beräknades till ca 1,8 kg. För denna studies energiberäkningar baserat på 200 kor resulterade detta i en energiförbrukning för en knivkvarn på ca 10,5 kWh, och en årlig förbrukning på 93,6 MWh, se figur 7.
Figur 7 Energidata för sönderdelning, förvärmning och CHP-enheten per timme vid en kreatursbesättning på 200 kor
Det årliga energibehovet vid substratets förvärmning är helt beroende av effektiviteten hos den värmeåtervinnande värmeväxlaren som i sig beror på den tillgängliga arean hos värmeöverföringen mellan ingående substrat och utgående substrat. Det årliga förvärmnings behovet beräknades enligt ekvation (4) till 128,7 MWh och genom värmeåtervinning kan energiförbrukningen minskas till ca 77,7 MWh eller ett kontinuerligt värmebehov på 8,87 kWh för hela systemet, se figur 7.
4.2 CHP
Två olika fall undersöktes, ett där all biogas används för produktion av elektricitet och ett där större mängd biogas uppgraderas till högt metanhaltigt fordonsbränsle. Det senare var av intresse och den elektriska produktionen hos CHP-enheten beräknades då med ekvation (13) och resulterade i en elproduktion som varierade mellan 3,7 - 4 kW och en årlig elproduktion på ca 35 MWh. Elproduktionen från CHP-enheten ämnas tillföras systemet vid ytterligare uppgradering av biogas och har därför ur biogasanläggningens energiperspektiv en negativ inverkan, se figur 7.
4.3 Omrörning
Den totala energiåtgången för omrörningsmekanismen baserades på Emilsson och Buhrgards (2019) studie. Där omrörningsmekanismens energiåtgång främst består av att förflytta vatten och beräkningarna grundas på att varje mixer i de fyra rötkamrarna körs sex timmar per dygn vardera. Enligt ekvation (5) beräknas energiåtgången för en cykel och sedan beräknas ekvation (6) för att få ut den verkliga åtgången där pumpen i systemet har en effektivitet på 80%. Detta resulterar i att omrörningsmekanismens energiåtgång är omkring 0,5 kWh och den totala
20
energiåtgången per år är 4,4 MWh/år. Energiåtgången för omrörningsmekanismen är låg jämfört med de andra huvudkomponenterna i framställningen av biogas, se figur 8 och 9.
Energiberäkningarna för omrörningsmekanismen baseras i dagsläget på en teoretisk analys, därav kan energiåtgången för en verklig omrörningsmekanism komma att skilja sig åt från detta resultat.
Figur 8 Energiförbrukning per timme för ingående huvudkomponenterna i en gårdsbaserad biogasanläggning
4.4 Uppgradering
Energiåtgången för uppgraderingen baserades på Saldarriagas (2018) studie där han införde ett verktyg i Excel för att kunna utföra olika beräkningar på uppgraderingsenheten.
Uppgraderingens energiåtgång består framförallt av en kompressor, en biogaskylare, en vattenkylare, en fläkt och en pump, se figur 4. Energiåtgången för dessa delar har lagts ihop i resultatet för att ge den totala energiåtgången för uppgraderingen. Energiåtgången beräknades till 7,22 kWh från externa källor i form av elektricitet och 20,62 kWh från egenproducerad biogas. Det leder till att energiåtgången är 27,84 kWh och den totala energiåtgången för uppgraderingsenheten är ca 244 MWh/år, när anläggningen är optimerad för 200 kor. Viktigt att notera är att energiåtgången för uppgraderingsenheten inte är linjär utan exponentiell. Därav om en annan storlek på anläggningen önskas beräknas behöver Saldarriagas verktyg användas för att få ut den totala energiåtgången för uppgraderingen av biogasen. Uppgraderingen är den av huvudkomponenterna i framställning av biogas som kräver mest energi, se figur 8 och 9.
21
Figur 9 Årlig energiförbrukning för huvudkomponenterna i ett gårdsbaserat biogassystem
Den årliga energiförbrukningen i figur 9 visar hur mycket energi de olika processerna använder sig av eller producerar. Men eftersom uppgraderingens energibehov består av både interna och externa parametrar så beror den egentliga energiförbrukningen på hur en väljer att tolka resultatet. Om endast tillförd energi är i fokus så kommer större delen av förbrukningen vid uppgradering att försummas då processen till stor del använder sig av egenproducerad biogas.
Den totala energiförbrukningen för uppgraderingen i form av tillförd energi till biogasanläggningen hamnar då på ca 63 MWh/år, se i figur 10, istället för tidigare erhållna 244 MWh/år.
Figur 10 Årlig energiförbrukning för biogasanläggningen då uppgraderingen endast anses beröras av externt tillförd elektricitet och inte intern förbränd biogas
