EKSPERTER I TEAM LANDSBY 35, GRUPPE 2, VÅREN 2009

Transkript

1 EKSPERTER I TEAM LANDSBY 35, GRUPPE 2, VÅREN 2009 TORIL GRANLY MARIANNE BERDAL MARTE HELENE HOLIEN OTTO ROSENDAHL HALVORSEN ANNA SYNNØVE ØDEGAARD RØSTAD TBT4850 Eksperter i team Biodrivstoff: Fakta/Fiksjon? Institutt for bioteknologi, NTNU

2

3 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby 35 I FORORD Denne rapporten er en del av vurderingsgrunnlaget i faget TBT4850 Eksperter i team: Biodrivstoff, fakta/fiksjon? Ved NTNU våren Vi ønsker å takke landsbyleder Professor Olav Vadstein for god veiledning, samt Professor Kjetil Østgaard for hans bidrag til arbeidet. Rapporten er utarbeidet av studenter fra to fakultet ved NTNU; SVT og NT. - Trondheim, 29. april Marte Helene Holien Toril Granly Marianne Berdal Anna Synnøve Ødegaard Røstad Otto Rosendahl Halvorsen

4 II Eksperter i Team Våren 2009 SAMMENDRAG Rapporten tar for seg hvorvidt biogass kan være et miljømessig og økonomisk gunstig alternativ til konvensjonelle drivstoff. Anaerob fermentering er en god løsning på problemer knyttet til deponering og et alternativ til forbrenning av husholdningsavfall. Denne prosessen danner biogass som gjennom rensing og oppgradering kan benyttes som drivstoff i kjøretøy. Det eksisterer betydelige stordriftsfordeler ved utbygging og drift av produksjonsanlegg for biogass, men en utfordring er distribusjon av gassen og økte kostnader for sluttbruker. Miljøgevinsten ved bruk av biogass som drivstoff er stor i alle ledd av verdikjeden med tanke på globale utslipp av CO 2, metan og NO x gasser, i tillegg til lokale reduksjoner av partikkelutslipp, støyforurensning og lukt. Gruppen har med bakgrunn i rapporten utarbeidet en kronikk som forhåpentligvis vil bli utgitt i en riksdekkende avis. Gjennom kronikken ønskes det å nå ut til mannen i gata med budskapet om at biogass er en alternativ energikilde med stort potensial. Denne rapporten peker på noen viktige forutsetninger for at produksjon av biogass som drivstoff skal kunne realiseres i Norge. Det ville vært interessant å videreføre dette arbeidet gjennom blant annet å innhente flere erfaringer fra foregangsland på det aktuelle feltet. Videre bør det forsøkes å få biogass inn på den politiske agendaen som et reelt alternativ til andre fornybare energikilder.

5 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby 35 III INNHOLDSFORTEGNELSE FORORD... I SAMMENDRAG... II FIGURLISTE... IV TABELLISTE... IV 1 INNLEDNING PROBLEMSTILLING MÅLSETNING METODER PROSESSEN DEN MIKROBIELLE PROSESSEN PROSESSDESIGN FRA SØPPEL TIL BIOGASS RENSING OG OPPGRADERING UTNYTTELSE TILGANGEN PÅ HUSHOLDNINGSAVFALL I NORGE HVA BESTÅR HUSHOLDNINGSAVFALLET AV? ANVENDELSE AV BIOGASSEN CASESTUDIE BIOGASSBUSSER I FREDRIKSTAD ØKONOMISKE VURDERINGER UTBYGGING OG DRIFT AV BIOGASSANLEGG INFRASTRUKTUR OG DISTRIBUSJON KOSTNADER FOR SLUTTBRUKER ALTERNATIVKOSTNADER SAMMENFATNING AV ØKONOMISKE VURDERINGER DISKUSJONER OG KONKLUSJONER BIBLIOGRAFI VEDLEGG VEDLEGG 1: FLYTSKJEMA FREDRIKSTAD BIOGASS VEDLEGG 2: KRONIKKEN... 32

6 IV Eksperter i Team Våren 2009 FIGURLISTE FIGUR 1: OVERSIKT OVER DE FORSKJELLIGE TRINNENE SOM INNGÅR I DEN MIKROBIELLE ANAEROBE FERMENTERINGEN. HENTET FRA: 3 FIGUR 2. KOMMUNALT USORTERT HUSHOLDNINGSAVFALL PROSENTVIS INNDELT ETTER TYPE MATERIALE. SEKTORDIAGRAMMET ER BASERT PÅ TALL FRA STATISTISK SENTRALBYRÅS AVFALLSSTATISTIKK FRA 2007 [SSB, 2009A] FIGUR 3 FYLKESVIS FORDELING AV TEORETISK ENERGIPOTENSIAL FRA MATAVFALL [RAADAL ET AL., 2008] FIGUR 4. SAMMENSETNINGEN AV BIOMASSE OG FOSSILT BRENNSTOFF. HJØRNENE I TREKANTEN REPRESENTERER HUNDRE PROSENT KARBON, OKSYGEN OG HYDROGEN [HEIN, D., KARL, J., 2006] FIGUR 5: GJENNOMSNITTLIG LIVSSYKLUSUTSLIPP AV KLIMAGASSER FRA FOSSILE DRIVSTOFF OG BIODRIVSTOFF BASERT PÅ NÅVÆRENDE PRODUKSJONSBETINGELSER I SVERIGE. PILENE ILLUSTRERER STØRRELSEN PÅ GJENNOMSNITTLIG REDUKSJON AV KLIMAGASSER (%) NÅR BIODRIVSTOFF ERSTATTER DIESEL ELLER BENSIN. [BÖRJESSON, P., MATTIASSON, B., 2008] FIGUR 6: DE TOTALE KAPITAL-, DRIFTS- OG VEDLIKEHOLDSKOSTNADENE FOR KJØRETØY SOM BENYTTER BIOGASS OG KONVENSJONELLE DRIVSTOFF. DERSOM EN ANGIR DE TOTALE KOSTNADENE TIL Å VÆRE I PROSENT AV KOSTNADENE FOR KONVENSJONELLE DRIVSTOFF, SER EN AT BÅDE ET ØKENDE DRIVSTOFFORBRUK OG ØKENDE KJØRELENGDE BIDRAR TIL Å GJØRE BIOGASS TIL ET GUNSTIG ØKONOMISK ALTERNATIV. KJØRELENGDE ALENE KAN IKKE RETTFERDIGGJØRE EN OVERGANG TIL BIOGASS, MENS ET ØKENDE DRIVSTOFFORBRUK HAR STØRRE INNVIRKNING PÅ TOTALKOSTNADENE.. 22 TABELLISTE TABELL 1: STIMULERENDE OG INHIBERENDE KONSENTRASJONER AV ULIKE IONER VED ANAEROB FERMENTERING. HENTET FRA ØSTGAARD

7 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby INNLEDNING 1.1 PROBLEMSTILLING Menneskeskapte klimaendringer er noe som i dag debatteres verden over. CO2 utslippene fra forbrenning av petroleumsprodukter har ført til en økt interesse for alternative energikilder. Spesielt interessant er mulighetene for å benytte alternative energikilder i motoriserte kjøretøy. Dette er et område som berører de fleste innbyggerne i den vestlige verden vi bidrar alle til klimaendringene gjennom vår behagelige bilisttilværelse. Biodiesel, bioetanol og biogass er alle alternativer til fossile drivstoff, men det er uklart hvor stor miljøgevinst disse alternativene egentlig gir. Vil biodrivstoff kunne begrense menneskers klimapåvirkning, eller er fremstillingsprosessen for innsatskrevende? Biodiesel og bioetanol er i dag de mest utviklede og allment kjente formene for biodrivstoff. I produksjonen av disse benyttes det i hovedsak planter og trær som råstoff, noe som legger beslag på landbruksareal. Dette faktum gir opphav til etiske og miljømessige dilemma; skal vi produsere drivstoff eller mat? Kan vestlige land betale seg til å kjøre bil med god samvittighet mens mennesker sulter i andre land? Er det bedre å binde CO2 i stående skog enn å bruke de samme arealene til biodrivstoffproduksjon? Et alternativ som ikke har blitt viet så stor oppmerksomhet er muligheten for å fremstille metan fra biologisk masse. Slik metan kalles for biogass og er et perfekt substitutt til fossil metan (naturgass). Biogass har til forskjell fra de andre alternativene den egenskapen at det kan produseres fra alt organisk nedbrytbart materiale. Ved å bruke råstoff som eksempelvis husholdningsavfall eller avløpsslam unngår en dermed de etiske dilemmaene i forhold til landbruksareal og felling av skog. Biogass er altså en alternativ energikilde med en tilsynelatende rosenrød beskrivelse, men hva er egentlig fakta og hva er fiksjon? Vi ønsket å undersøke dette nærmere og formulerte vår problemstilling som følger: Hvordan kan biogass fra husholdningsavfall produseres, og er det mulig å benytte biogass som drivstoff på en miljømessig og økonomisk levedyktig måte? Denne problemstillingen kom vi til enighet om etter å ha gjort et grundig arbeid med å avklare hvilke forutsetninger gruppen hadde med tanke på faglig bakgrunn. De forskjellige bakgrunnene gjør at vi har spisskompetanse på flere områder. Den på gruppen som studerer siv.ing Kjemi og bioteknologi har større kompetanse på prosessdesign. Biologi og bioteknologistudentene har på sin side de beste forutsetningene for å forstå biologiske prosesser i fremstillingen av biogass. Kjemistudenten på gruppen har den beste forståelsen for kjemiske prosesser og miljøutfordringer knyttet til biogassproduksjon. Med fire medlemmer med en slik sterk bakgrunn innefor realfag har gruppen gode forutsetninger for å jobbe med problemstillinger relatert til produksjon av biogass. Det siste medlemmet på gruppen har mindre kjennskap til temaet. Likevel har han som student ved siv.ing i industriell økonomi en god teknisk bakgrunn og dermed gode forutsetninger for å kunne forstå de teknologiske aspektene knyttet til biogassproduksjon. Han tilfører også gruppen et godt utgangspunkt for å kunne vurdere økonomien og de kommersielle utfordringene knyttet til

8 2 Eksperter i Team Våren 2009 temaet. Den aktuelle problemstillingen krever at gruppen har måttet arbeide med spesifikke utfordringer knyttet til biogassproduksjon for så å se disse i en helhetlig sammenheng. Den unike sammensetningen av fagpersoner i gruppen er noe som har muliggjort en slik tilnærming til temaet i tillegg til å tilrettelegge for objektive og nøytrale vurderinger. På grunn av en noe homogen faglig sammensetning i gruppen har vi ikke hatt kompetanse til å nøye vurdere andre viktige aspekter som for eksempel samfunnsmessige og politiske forhold. 1.2 MÅLSETNING Målet vårt for prosjektet var å skrive og publisere en kronikk som tok for seg produksjon av biogass fra husholdningsavfall. Kronikken skulle ta for seg både biologiske, teknologiske, økonomiske og samfunnsmessige forhold rundt temaet. Ønsket for kronikken var at den skulle rette seg mot folk flest, og etter å ha vurdert ulike medium anså vi at målgruppen for kronikken best kunne nås gjennom en riksdekkende avis. 1.3 METODER Informasjonsinnsamling Utgangspunktet for informasjonsinnsamlingen var å hente innhente relevante erfaringer fra tidligere arbeid. Vi brukte blant annet universitetsbiblioteket i Trondheims (UBiT) tjeneste BIBSYS hvor vi fant relevante fagbøker og artikler. I tillegg benyttet vi UBiTs elektroniske databasesøk (eubit). Gjennom dette søket fikk vi tilgang til databaser med vitenskapelige artikler, som for eksempel PubMed og SpringerLink. For å utvide informasjonsgrunnlaget, benyttet vi søketjenester på internett. Disse søkene ledet oss til kilder som Statistisk sentralbyrå og IEA. I arbeidet med å tilegne oss noe mer detaljert informasjon om biogassproduksjon i Norge, har vi vært i kontakt med Bjørn Sandhaug (BorgBuss AS), Knut Lileng (FREVAR KF), Henrik Lystad (Avfall Norge), og professor Kjetill Østgård (NTNU). Kildekritikk Vi har vurdert publisert forskning til å være den mest pålitelige informasjonskilden, siden denne har vært gjennom en faglig kvalitetssikring. Informasjon innehentet fra kommersielle aktører er mindre objektiv og mer usikker. Dette gjelder spesielt informasjon rundt de økonomiske forholdene knyttet til temaet.

9 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby PROSESSEN Biogass er den eldste moderne fornybare energien som man vet om. Blant annet ble det brukt til å varme badevannet i Assyria i det 10. århundre før Kristus. Teknologien bak anaerob fermentering er så gammel som vitenskapelig forskning kan være. Flere kjente forskere har vært inne på denne teknologien. Benjamin Franklin beskrev i 1776 at han kunne se lys på overflaten av en gjørmete innsjø. Alexander Volta var den første til å beskrive vitenskapelig dannelsen av brennbare gasser i myrer og sedimenter i innsjø. I 1804 kom Dalton med den riktige kjemiske formelen for metan, CH 4. I løpet av de siste årene har anaerob fermentering blitt en av de ledende teknologiene for produksjon av fornybare energier i Europa, og mer enn 60 nye biogassanlegg bygges månedlig i Europa. Biogass er den eneste fornybare energien som kan brukes til produksjon av både varme, elektrisk energi, damp og drivstoff. [Wellinger, A., 2007] 2.1 DEN MIKROBIELLE PROSESSEN Alt organisk materiale kan brytes ned enten ved aerob respirasjon eller anaerob fermentering, der produktene som produseres er vidt forskjellige. Anaerob fermentering er en lovende metode for å behandle den organiske delen av for eksempel husholdningsavfall, der anaerobe bakterier omdanner biomassen til biogass, som så kan brukes til å danne energi. [IEA Bioenergy, 2005] ANAEROB FERMENTERING Den totale prosessen kan deles inn i 4 trinn; hydrolyse, syredannelse, eddiksyredannelse og metandannelse, der forskjellige mikroorganismer står for de ulike trinnene, som vist i figur 1. FIGUR 1: OVERSIKT OVER DE FORSKJELLIGE TRINNENE SOM INNGÅR I DEN MIKROBIELLE ANAEROBE FERMENTERINGEN. HENTET FRA: Hydrolyse er nedbrytningsprosessene der komplekse organiske molekyler som proteiner, karbohydrater og fett brytes ned til enklere forbindelser, hhv aminosyrer, sukker og fettsyrer. Disse prosessene er langsomme, og vil derfor ofte være det hastighetsbegrensende trinnet. Mikrobiell hydrolyse skjer ved produksjon av ekstracellulære enzymer som utskilles av

10 4 Eksperter i Team Våren 2009 bakteriene. Dannelsen av syre er rask i forhold til de andre delprosessene. Det utføres av de samme bakteriene som utfører hydrolysen, altså de acidogene bakteriene. Ingen organismer får energi kun fra hydrolyse. Bakteriene bruker substrater etter hydrolysen; primært monomerer som aminosyrer, karbohydrater og fettsyrer og danner produkter som kalles flyktige fettsyrer, VFA (Volatile Fatty Acids), f.eks eddiksyre, propionsyre, smørsyre osv. Dannelse av eddiksyre involverer en liten gruppe acetogene bakterier, som er veldig spesialiserte. Substrater her er hydrolyseprodukter, samt VFA, som omdannes til eddiksyre og H 2 + CO 2. Metandannelse involverer en liten gruppe metanogene mikroorganismer som tilhører Archaea. Disse kan kun bruke H 2 + CO 2, eddiksyre og noen metylforbindelser som substrat. Produktene som dannes er metan, CO 2 og H 2 O. [Østgaard, K., 2005] METANOGENE ARCHAEA Metanogene archaea finnes naturlig blant annet i bunnsedimentene av innsjøer, myrer, varme kilder og tarmene til drøvtyggere. Evolusjonært sett er anaerobe mikroorganismer veldig gamle, de var trolig de første til å etablere seg før oksygen var en hovedbestanddel i atmosfæren. [IEA Bioenergy, 2005] Metanogene archaea har et stort mangfold i morfologi; de har forskjellige typer cellevegg; pseudopeptidoglykan, protein eller glykoproteinvegg, og S-lag vegg. De er obligat anaerobe, men selv om de ikke fungerer med oksygen til stede kan de overleve lengre perioder med oksygenstress. De fleste metanogener er mesofile og ikke-halofile, dvs at de vokser best i temperaturer rundt o C og under normale saltforhold. Minst 11 substrater kan brukes til å danne metan, og disse kan deles inn i 3 forskjellige substrattyper; CO 2 -typer (CO 2, maursyre og CO), metylforbindelser (metanol, mono-, di-, trimetayaminer, metylmercaptan, og dimetylsulfid) og acetotrofe forbindelser. CO 2 type substratene reduseres av H 2 til metan [Madigan M.T et al., 2006]. FORHOLD SOM PÅVIRKER BPROSESSEN For at den anaerobe fermenteringen skal forløpe optimalt må prosessen tilpasses bakterienes optimale forhold. En rekke faktorer spiller inn her, som ph, temperatur, substratsammensetning og toksiner. ph: Den anaerobe fermenteringen begrenses til ph mellom 6,0 og 8,5. De forskjellige gruppene med bakterier har sine spesifikke ph områder; de metanogene og acetogene har ph optimum rundt 7, mens de acidogene har et lavere optimum rundt 6. Metanogene archaea vokser veldig sakte ved lavere ph enn 6,6. I en reaktor vil ustabilitet som regel føre til akkumulering av VFA, som kan gi et dropp i ph, acidifisering. På grunn av bufferkapasitet til noen avfallstyper vil det imidlertid ikke alltid uttrykkes som redusert ph. Mange faktorer påvirker ph, de viktigste er organiske syrer og CO 2, som senker ph, mens ammoniakk bidrar til økt ph. [Angelidaki, I. et al, 2003] Forholdet mellom karbon og nitrogen: Bakteriene krever både karbon og nitrogen, men forbruker karbon ca 30 ganger raskere enn nitrogen, dvs. at det optimale karbon : nitrogen ratio er ca 30:1.

11 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby 35 5 Temperatur: Anaerob fermentering forekommer ved temperaturer fra 0 til 69 o C, men bakterieaktiviteten synker drastisk ved temperaturer under 16 o C, og produksjonen av gass er raskest mellom 25 og 40 o C (mesofil prosess) eller mellom 45 og 60 o C (termofil prosess). Fordeler med termofile temperaturer: nedbrytningen går fortere, og gir dermed kortere retensjonstid mindre reaktorvolum kreves for å behandle samme mengde avfall høyere rate og effektivitet av hydrolysen mer effektiv destruksjon av patogener Oksygen og andre inhiberende faktorer: Oksygen kan ikke være tilstede, da dette stopper den anaerobe prosessen og dreper bakteriene. Heller ikke nitrat eller sulfat kan være tilstede, da disse fungerer som elektronmottakere i aerob respirasjon (motprosessen til anaerob fermentering) [Angelidaki I. et al, 2003]. Tilstedeværelsen av tungmetaller, antibiotika, ioner og detergenter kan ha inhiberende effekter på den anaerobe fermenteringen. Tabell 1 viser hvordan ioner påvirker den anaerobe fermenteringen, både inhibitorisk og stimulatorisk. [Østgaard, K., 2005] TABELL 1: STIMULERENDE OG INHIBERENDE KONSENTRASJONER AV ULIKE IONER VED ANAEROB FERMENTERING. HENTET FRA ØSTGAARD Kation Stimulering Moderat inhibering Sterk inhibering Na 0,1 0,2 3,5 5,5 8 K 0,2 0,4 2,5 4,5 12 Ca 0,1 0,2 2,5 4,5 8 Mg 0,075 0,15 1,0 1, PROSESSDESIGN FRA SØPPEL TIL BIOGASS PROSESSDESIGN Teknologien som brukes til produksjon av biogass må tilpasses det faktum at det er en biologisk prosess. Ofte går en slik prosess sakte i begynnelsen for at mikroorganismene skal rekke å tilpasse seg et nytt miljø og nye substrater. Føderaten inn på reaktoren vil være liten i begynnelsen, for deretter å øke sakte til en maksverdi. Den organiske materien blir behandlet i reaktoren i en viss tid før den går videre. Oppholdstiden i reaktoren kalles hydraulisk retensjonstid (HTR) og er med på å bestemme størrelsen på reaktoren. Gjennomsnittlig HTR vil variere med typen substrat og hvor mye metan som lages, og kan være på ca dager for husholdningsavfall.[karlsen, R., 2009 (pers.med.)] Vanligvis får man ca 0,5-1 m 3 biogass fra 1 kg tørt organisk materiale.[held, J., et al., 2008] Ved anaerob fermentering må man passe på å ha riktig temperatur. De vanligste temperaturene er 37 C ved bruk av mesofile bakterier og 55 C ved bruk av termofile bakterier. I motsetning til kompost som tilføres luft, må en anaerob prosess tilføres varme siden den ikke produserer varme på egenhånd. Reaktoren må derfor være godt isolert og ha miksere installert. Miksere vil blande biomassen slik at man unngår temperaturgradienter, får

12 6 Eksperter i Team Våren 2009 bedre kontakt mellom biomasse og substrat og hindre at biomassen legger seg lagvis inne i reaktoren [Held, J., et al., 2008]. Før substratet fødes inn på reaktoren, må det ofte forbehandles. Fremmede objekter i avfallet, som plast og metall, må fjernes. Metall kan enkelt fjernes med en magnet, mens plast kan fjernes ved screening. Organisk materiale blir ofte knust i mindre biter for at det skal være lettere tilgjengelig for bakteriene i tillegg til at et mer finknust og homogent substrat gir mer biogass pr enhet organisk materiale [Held J., et al., 2008]. Selve biogassprosessen kan designes på flere forskjellige måter. Felles for de fleste er at biogassen tas ut i toppen av reaktoren, mens substratet blir pumpet inn. Restfraksjonen fjernes vanligvis ved pumping eller ved at det flyter over. Dette kan så lagres for senere bruk eller resirkuleres. Reaktoren(e) kan designes ut ifra om man bruker ett eller to trinn i prosessen. I ett-trinns-reaktoren foregår alle trinnene fra hydrolyse til metangass i samme reaktor. Dette er den enkleste og vanligste typen. I en to-trinns-rektor foregår hydrolyse og syredannelse i den første reaktoren. Produktene herfra, sammen med litt metan, blir så pumpet over i en annen reaktor som er bedre tilpasset metanproduksjon. Her foregår da eddikksyredannelsen og metanproduksjonen. Reaktor nummer to kan tilpasses ved å for eksempel designe den med et anaerobt filter med et innebygd bæremateriale. De metanogene bakteriene kan da feste seg til dette bærematerialet slik at de gror bedre. Dette forbedrer ofte produktiviteten og gi biogass med metaninnhold på opptil 85 %. Det som er bakdelen med en to-trinns-reaktor er at de krever mer logistikk. Man må kjøpe inn flere tanker, pumper og rør. Det blir også mer å passe på. I liten skala kan det være bedre å bruke en ett-trinns-reaktor, men for store anlegg kan det lønne seg med to-trinns. [Held, J., et al.,2008] Reaktorer kan fødes på forskjellige måter. En CSTR (Continous Stirred Tank Reactor) har lik føderate inn og ut. Denne typen brukes oftest til flytende substrater som industrielt avfallsvann og lignende. En semi-kontinuerlig reaktor har føding inn mer eller mindre kontinuerlig. Slike reaktorer kan passe bedre til mer viskøse substrater som kloakk og husdyrgjødsel. Batch-reaktorer er en type reaktorer hvor alt substratet tilsettes med en gang og ingenting tas ut før reaksjonen er ferdig. Slike reaktorer er mer aktuelle ved tørr nedbryting, dvs. substrater med lavt vanninnhold (tørrvekt > %). Disse reaktorene er mer robuste enn en CSTR siden de vanligvis ikke krever miksing og de eneste bevegelige delene er pumpene på utsiden av reaktoren.[held, J., et al., 2008] Selve tankdesignet kan også variere. De kan være sylindriske, rektangulære eller eggeformede. Det vanligste designet er sylindriske reaktorer, mens de som er minst brukt er de rektangulære. De rektangulære har ofte store problemer med miksingen og man får heterogene lommer i hjørnene. Eggeformede tanker er mye i bruk i Europa. Disse blir gravd ned i bakken slik at bare et sylindrisk topp står over bakkenivået. Meningen med eggeformen er å minimere behovet for å vaske tanken. Miksingen går også lettere og krever et mindre areal på bakkenivå. [Tchobanoglous, 1991] Ofte kan produksjonen av metan økes ved å bruke flere forskjellige substrater, såkalt ko-nedbryting (co-digestion) [Held, J., et al., 2008] DRIFT En anaerob kontinuerlig prosess krever en lengre oppstartsperiode enn en aerob prosess pga. at anaerobe organismer har en mye lavere veksthastighet. Dette gjelder spesielt de

13 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby 35 7 metanogene bakteriene. Det kan også være vanskeligere å komme i gang. Hydrolysetrinnet er substratspesifikt og er dermed avhengig av innkommende råstoff. De acidogene bakteriene lager syrer og de acetogene og metanogene forbruker disse. Dette kan gi en phbalansert prosess til slutt, men de metanogene bakteriene krever kontroll av ph for å komme i gang. Grunnen til at ph må overvåkes så nøye, er at hvis mediet blir for surt kan bakteriene få problemer. VFA er små dissosierte fettsyrer ved nøytral ph. Hvis ph synker ned mot 4,5 vil H + sette seg på fettsyren og man har et lipid. Protolyserte VFA har ingen ladning og kan da gå rett gjennom celleveggen. Inne i cellen vil det være nøytral ph og lipidet vil dissosiere igjen. For å kompensere for all den ekstra H + og for å opprettholde nøytral ph, må bakterien pumpe ut protonene, noe som krever energi. Bakteriene blir rett og slett utslitte og dør. Hvis man pasteuriserer substratet før det tilsettes reaktoren, vil mange av bakteriene som man trenger dø. Man kan da trenge et godt inokulum. Dette bør hentes fra et anlegg som ligner mest mulig. Oksygennivået bør være så lavt som mulig siden bakteriene er anaerobe, men det kan være vanskelig å oppnå et oksygennivå lik null. Bakteriene kan håndtere denne kontaminasjonen, men dette koster substrat. Andre typiske driftsproblemer kan være surgjæring, svovelreduksjon og forgiftning. Surgjæring kan slå ut hele reaktoren hvis det ikke stoppes. Produksjonen av VFA går mye raskere enn metandannelsen. Hvis prosessen overbelastes, vil VFA akkumuleres og dette senker ph. Lavere ph vil i sin tur hemme aktiviteten hos de metanogene bakteriene. Det gir igjen mer VFA og enda lavere ph. Dermed slås hele reaktoren ut. Svovelreduksjon kan forstyrre driften ved at svovelreduserende bakterier utkonkurrerer de metanogene bakteriene i konkurransen om karbon- og energikildene. Forgiftning kan være alt fra sjokkeksponering av for eksempel oksygen til konkurranse om ioner og for sur/basisk ph. For eksempel vil NH + 4 ved basisk ph gå over til NH 3 som er giftig. [Østgaard, K., 1995] 2.3 RENSING OG OPPGRADERING For at biogassen skal få den kvaliteten som kreves for å bli brukt som drivstoff for kjøretøy må gassen bli oppgradert [IEA Bioenergy, 2001]. Oppgradert biogass blir idag hovedsaklig brukt som drivstoff for kjøretøy, men kan også supplere naturgass-nettet [Lie, 2005] RENSING AV BIOGASS Rensing av biogass er fjerning av korroderende komponenter og partikler. Dette innebærer hovedsaklig fjerning av svovel, vann, ammoniakk, partikler og halogenerte hydrokarboner[lie, J.A., 2005; IEA Bioenergy, 2001]. Grunnen til at disse stoffene må bli fjernet fra gassen er at disse kan føre til problemer både under produksjonsprosessen og lagringen av gassen. I tillegg kan de føre til skader på både kompressorene, gasslagringstankene og motorene [IEA Bioenergy, 2001]. SVOVEL Hydrogensulfid er alltid tilstede i biogass, selv om konsentrasjonene varierer [IEA Bioenergy, 2001]. Hvis ikke H 2 S blir fjernet fra biogassen kan det forårsake problemer som korrosjon, vanskeligheter i oppgraderingsprosessen, vond lukt og oksidering til svoveldioksid hvis det blir brent. Den beste løsningen er å fjerne svovelen i nedbrytingskammeret. Ved å tilsette FeCl 2 vil FeS bli felt ut, og følge de faste restene fra kammeret. Å fjerne H 2 S vil også hjelpe

14 8 Eksperter i Team Våren 2009 fermenteringsprosessen, da H 2 S er en inhibitor for bakteriene som produserer biogassen [Lie,J.A., 2005]. De mest brukte kommersielle metodene for fjerning av svovel er beskrevet under: Biologisk desulfatisering Desulfatisering av biogass kan utføres av mikroorganismer. De fleste av disse er autotrofe, dvs. at de bruker karbondioksid fra biogassen for å dekke karbonbehovet sitt. For den mikrobiologiske oksideringen av sulfid er det nødvendig å tilsette en stokiometrisk mengde oksygen til biogassen. Avhengig av konsentrasjonen til hydrogensulfid vil dette tilsvare 2-6 % luft i biogassen. Den enkleste metoden for desulfatisering er tilsetting av oksygen eller luft direkte til fermenteringsbeholderen eller til en lagringstank som samtidig fungerer som en gassbeholder. Avhengig av temperatur, reaksjonstid, mengde og sted for tilsetting av luft kan hydrogensulfid-konsentrasjonen bli redusert med 95 % til mindre enn 50 ppm [IEA Bioenergy, 2001]. Jernkloriddosering til fermenteringsslammen: Jernklorid kan tilsettes direkte til fermenteringsslammen. Jernkloriden vil da reagere med hydrogensulfiden og danne jernsulfid salt, som blir felt ut. Denne metoden er ekstremt effektiv for å redusere høye hydrogensulfid-nivåer, men er mindre effektiv for å oppnå et lavt og stabilt nivå av hydrogensulfid som kreves for å kunne bruke gassen som drivstoff til kjøretøy [IEA Bioenergy, 2001]. Jernoksid: Hydrogensulfid reagerer lett med jernhydroksider eller jernoksider til jernsulfid. Reaksjonen er svakt endoterm, og dermed kreves en temperatur i området på minimum 12ºC for å gi den nødvendige energien. Reaksjonen er optimal mellom 25 og 50ºC. Reaksjonen med jernoksid trenger vann, og dermed bør ikke biogassen være for tørr ved dette trinnet. Jernsulfidene som blir dannet kan bli oksidert med luft. Denne prosessen er veldig eksoterm, noe som betyr at det alltid vil være en sjanse for at massen kan bli selvantent. Vanligvis har en installasjon to reaksjonssenger. Mens den første desulfatiserer biogassen, blir den andre regenerert med luft [IEA Bioenergy, 2001]. Natriumhydroksid-vasking: Absorpsjon i en vannløsning av natriumhydroksid (NaOH) øker absorpsjonskapasiteten til vannet. Natriumhydroksid reagerer med hydrogensulfid for å danne natriumsulfid eller natriumhydrogen sulfid. Begge disse saltene er uløselige, og metoden er ikke regenererbar. Da absorpsjonsmetoden til vann er økt trengs et lavere volum av løsning, og pumpebehovet er dermed redusert i forhold til vasking med kun vann. Den viktigste ulempen med denne fremgangsmåten er avfallshåndteringen av de store mengdene vann kontaminert med natriumsulfid [IEA Bioenergy, 2001]. VANN Rågassen er mettet med vann. Ved hvilket trinn vannet bør bli fjernet avhenger av hvilken oppgraderingsteknikk som blir brukt. Kondensering, adsorpsjon til metalloksider, eller absorpsjon i glykol eller et hygroskopisk salt er de mest brukte teknikkene [Lie, J.A., 2005].

15 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby 35 9 AMMONIAKK Hvis ammoniakken ikke blir fjernet fra biogassen vil det bli dannet nitrøse gasser (NO x ) ved forbrenningen [Khalil, R., et al, 2008]. Ammoniakk blir dannet under anaerob nedbryting av proteiner. Mengden ammoniakk i biogassen vil derfor i stor grad være avhengig av avfallskilden. I tilfeller der det er en betydelig konsentrasjon av ammoniakk i biogassen vil det kunne være nødvendig med et separat trinn for å fjerne dette. Hvis ikke kan ammoniakken fjernes sammen med vannet, eller i oppgraderingstrinnet. Den beste løsningen er trolig å fjerne ammoniakken allerede i nedbrytingskammeret, da ammoniakken inhiberer bakteriene som står for fermenteringen av det organiske materialet til biogass [Lie, J.A., 2005]. PARTIKLER Spor av olje og partikler fjernes fra biogassen ved mekanisk filtrering. Filterets porestørrelse avhenger av drivstoff-kriteriene [Lie, J.A., 2005]. HALOGENERTE HYDROKARBONER Høyere hydrokarboner og halogenerte hydrokarboner (spesielt kloro- og fluoroforbindelser) blir hovedsaklig funnet i deponigass. Disse forårsaker korrosjon, og må fjernes for at biogassen skal kunne bli brukt som drivstoff for kjøretøy. Halogenerte hydrokarboner kan bli fjernet ved bruk av trykkbelagte rør-vekslere fylt med aktivert karbon. Små molekyler som CH 4, CO 2, N 2 og O 2 passerer igjennom, mens større molekyler blir absorbert. Vanligvis brukes to parallelle beholdere, der en behandler gassen mens den andre blir desorbert. Regenereringen av det aktive karbonet skjer ved at den blir varmet opp til 200ºC, der alle adsorberte forbindelser blir fordampet og fjernet ved en gjennomstrømning av en inert gass [IEA Bioenergy, 2001] OPPGRADERING Med oppgradering menes fjerningen av de energifortynnende komponentene i biogassen. Dette er i hovedsak CO 2, men også fjerning av O 2 og N 2 vil øke energikonsentrasjonen i biogassen [Lie,J.A., 2005]. PRESSURE SWING ADSORPTION (PSA) PSA fjerner CO 2, O 2, og noe N 2 gjennom adsorpsjon til aktivert karbon eller zeolitter ved høyt trykk. Adsorbenten blir regenerert ved at trykket blir redusert. H 2 S og vann må bli fjernet før adsorpsjonen, da disse blir irreversibelt sorbert til det aktiverte karbonet [Lie, J.A., 2005]. I PSA blir det brukt karbon-molekylære sikter. Disse er utmerket for å separere flere forskjellige gasskomponenter i biogass. Molekylene blir vanligvis løst adsorbert i hulrommene til karbonsikten, men disse blir ikke irreversibelt bundet. Selektiviteten til adsorpsjonen blir oppnådd ved forskjellige nettstørrelser og/ eller bruk av forskjellige gasstrykk. Når trykket fjernes vil gassene som er blitt fjernet fra biogassen bli desorbert. Det er på grunn av dette prosessen kalles PSA (pressure swing adsorption). For å kunne redusere energiforbruket for gasskompresjonen blir flere beholdere koblet sammen. Gasstrykket som blir fjernet fra en beholder vil påfølgende bli brukt av de andre. Vanligvis blir fire beholdere koblet etter hverandre, og disse er fylt med molekylære sikter som fjerner CO 2 og vanndamp samtidig. Etter fjerning av H 2 S ved bruk av aktivert karbon, og vannkondens i en kjøler ved 4 o C, flyter biogassen inn i adsorpsjonsenheten ved et trykk på 6 bar. Den første kolonnen renser gassen

16 10 Eksperter i Team Våren 2009 ved 6 bar til en oppgradert biogass med et damptrykk på mindre enn 10 ppm, og et metaninnhold på 96 % eller mer. I den andre kolonnen synker trykket først til rundt 3 bar. Deretter blir trykket redusert til atmosfærisk trykk. I den tredje kolonnen senkes trykket fra 1 bar til 0,1 bar. For å redusere metantap kan systemet bli designet med resirkulering av de desorberte gassene. Produktgassen til kolonne 1 blir kontinuerlig overvåket for metan av en infrarød analysator. Hvis metaninnholdet er høyt nok blir gassen enten introdusert til naturgass-nettverket, eller det blir komprimert i en tre-trinns kompressor til opp mot 250 bar [IEA Bioenergy, 2001]. FYSISK ABSORPSJON Ved vannabsorpsjon separeres CO 2, H 2 S og NH 3 fra biogassen. Noe metan vil også bli løst, men denne har en betydelig lavere løselighet i vann enn de andre gasskomponentene [Lie, J.A., 2005]. Vanligvis blir biogassen satt under trykk og fylt på i bunnen av en pakket kolonne der vann er fylt på toppen. Dermed skjer absorpsjonen via et motstømssystem. Vannabsorpsjon kan også bli brukt for selektivt å fjerne hydrogensulfid da dette er mer løselig i vann enn det som er tilfellet for karbondioksid. Vannet som går ut av kolonnen med absorbert karbondioksid og/eller hydrogensulfid kan bli regenerert og resirkulert tilbake til absorpsjonskolonnen [IEA Bioenergy, 2001]. Den oppgraderte gassen vil være mettet med vann, og trenger derfor å tørkes før den blir odorisert og komprimert [Lie, J.A., 2005]. KJEMISK ABSORPSJON Med absorpsjon med kjemiske reaksjoner menes at absorbenten som brukes er selektiv for CO 2, og i noen tilfeller også for H 2 S. Absorpsjon (og tap) av metan vil i denne prosessen være veldig lav, og dette kan resultere i en metankonsentrasjon på 99 % i den oppgraderte gassen. Energiforbruket for regenerering av absorbenten er høy, og H 2 S bør bli fjernet fra gassen før dette trinnet. En mikroporøs hydrofobisk membran kan bli brukt som en fysisk barriere mellom gassfasen og væskefasen under denne oppgraderingsprosessen [Lie, J.A., 2005]. MEMBRANSEPARERING Membranseparering er basert på de forskjellige gjennomtrengningsratene til metan og karbondioksid gjennom membranmaterialet på grunn av forskjellige molekylstørrelser og former, og forskjeller i interaksjoner med membranmaterialet. I praksis er det ingen begrensning for renheten av metan i den produserte gassen, men en høy metankonsentrasjon er assosiert med noe tap av metan [Lie, J.A., 2005]. Det er to hovedsystemer for gassrensning med membraner: en høytrykks gass-separasjon med gassfaser på begge sider av membranen, og en lavtrykks gass-væske absorpsjonsseparasjon der en væske absorberer molekylene som diffunderer gjennom membranen. Høytrykks gass-separasjon: Gass satt under trykk blir først renset over f.eks. aktivert karbon for å fjerne hydrokarboner og hydrogensulfid fra rågassen i tillegg til oljedamp. Deretter går gassen gjennom et partikkelfilter og et varmeapparat. Membranene som er lagd av acetat-cellulose separerer små polare molekyler som karbondioksid, fuktighet og resterende hydrogensulfid fra metanen. Disse membranene er ikke effektive for å separere nitrogen fra metan. Rågassen blir oppgradert i tre trinn til en ren gass med 96% metan eller mer. Avfallsgassen fra trinn 3 blir brent eller brukt i en dampkoker (steamboiler) da den fortsatt inneholder %

17 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby metan. Membranene som brukes er veldig spesifikke for gittemolekyler, dvs. at H 2 S og CO 2 er separert i forskjellige moduler. Gass-væske absorpsjonsmembraner: Gass-væske absorpsjon ved bruk av membraner er en separasjonsteknikk som kun nylig er utviklet for biogass-oppgradering. Det essensielle elementet er en mikroporøs hydrofob membran som separerer gassfasen fra væskefasen. Molekylene i gassfasen flyter i en retning, og de molekylene som kan diffundere gjennom membranen vil bli absorbert på den andre siden av væsken som flyter i motsatt retning. Absorpsjonsmembranene fungerer ved omtrent atmosfærisk trykk (1 bar). Ved en temperatur på 25 til 35 C vil hydrogensulfid i rågassen bli redusert fra 2% til mindre enn 250 ppm. CO 2 blir fjernet av en aminløsning. Biogassen blir da veldig effektivt oppgradert fra 55 % metan til mer enn 96 % metan. Aminløsningen vil bli regenerert ved oppvarming. Karbondioksiden som da blir frigitt vil da være ren, og kan selges til industrien [IEA Bioenergy, 2001]. KRYOGEN SEPARASJON: I denne prosessen blir biogassen komprimert og kjølt ned. Karbondioksid blir så kondensert og separert i væskefase. CO 2 kondensasjon oppstår ved et lavere trykk og en høyere temperatur enn metan-kondensasjon. Vann og H2S blir fjernet før denne separasjonen. Kryogen separasjon er ikke kommersialisert [Lie,J.A., 2005].

18 12 Eksperter i Team Våren UTNYTTELSE 3.1 TILGANGEN PÅ HUSHOLDNINGSAVFALL I NORGE. Fra 1.juli 2009 blir det forbudt å legge biologisk nedbrytbart avfall på deponi i Norge [Miljøverndepartementet, ]. På grunn av krav til hygiene og hensyn til smitterisiko har det også siden 1998 vært forbud mot å bruke matavfall eller matrester fra husholdningene som dyrefôr. [Miljøverndepartementet, ] Samtidig øker mengden av husholdningsavfall fra år til år. Tall fra Statistisk sentralbyrå viser at innbyggere i Norge gjennomsnittlig kastet 429 kilo husholdningsavfall i 2007, dette var 15 kilo mer enn året før [SSB, 2007]. En rapport fra Østlandsforskning fra november 2007 viser at mengden av husholdningsavfall som går til biologisk behandling i Norge er økende. Dette gjelder både for kompostering og biogassbehandling. På 1990-tallet ble det bygget store komposteringsanlegg her til lands, men fra rundt år 2000 ble det sett på som ønskelig å begrense kompostering av matavfall i storskala. Grunnen til dette var at anleggene både er kostbare og energikrevende, og også fordi komposteringen førte til utslipp av klimagasser og lokale luktproblemer. I dag satses det derfor på å etablere biogassanlegg for behandling av husholdningsavfall [Langerud, B., et al, 2007]. 3.2 HVA BESTÅR HUSHOLDNINGSAVFALLET AV? I følge statistikk fra statistisk sentralbyrå består det kommunale husholdningsavfallet i gjennomsnitt av papp- og papir (31 %), våtorganisk avfall (15 %), treavfall (15 %), park- og hageavfall (14 %), metall (6 %), elektrisk avfall (5 %), glass (4 %), farlig avfall (3 %), tekstiler (1 %), plast (1 %) og annet (4 %), deriblant bleier og bind og diverse annet (figur 2). Usortert husholdningsavfall (2007) 1 % 3 % 4 % Papir, papp og drikke-kartong Våtorganisk avfall 1 % 14 % 4 % 5 % 6 % 15 % 31 % 16 % Treavfall Metall EE-avfall Glass Plast Park- og hageavfall Tekstiler FIGUR 2. KOMMUNALT USORTERT HUSHOLDNINGSAVFALL PROSENTVIS INNDELT ETTER TYPE MATERIALE. SEKTORDIAGRAMMET ER BASERT PÅ TALL FRA STATISTISK SENTRALBYRÅS AVFALLSSTATISTIKK FRA 2007 [SSB, 2009A]. Tallene representert i Figur 2 er et gjennomsnitt for landet, og det må derfor tas i betraktning at kommuner ofte har noe forskjellig avfallshåndterings- og sorteringssystemer. Mye papp-

19 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby og papiravfall, plast, metall, glass, tekstiler og farlig avfall sorteres ofte ut og går til gjenvinning. Dette fører til at en sitter igjen med en våtorganisk del av avfallet som er omtrent 70 %, og tørrstoff på omtrent 30 %. Av tørrstoffet er omtrent 80 % brennbart, og består i hovedsak av fett, sukker, stivelse og proteiner [Langerud, B., et al, 2007]. Det teoretiske energipotensialet fra matavfall fra husholdninger er totalt beregnet til omtrent 644 GWh/år [PFI et al., 2007]. Fylker har forskjellig potensial når det gjelder tilgangen på husholdningsavfall. De fleste kommunene sorterer også ut matavfall for seg selv. På fylkesbasis har over 95 % av innbyggerne som bor i Vest-Agder, Aust-Agder, Troms og Hedmark tilbud om henteordning for matavfall. Samtidig har kun 17 % av innbyggerne i Sør- Trøndelag tilbud om det samme [SSB, 2009b]. Det teoretiske energipotensialet vil naturligvis også variere med antall innbyggere i fylket, da det beregnes ut fra mengde matavfall per innbygger (Figur 3). Fylkene med høyest antall innbyggere (Oslo, Akershus, Hordaland, Rogaland) har naturlig nok høyest teoretisk energipotensial fra husholdningsavfall [Raadal, H.L., et al, 2008]. FIGUR 3 FYLKESVIS FORDELING AV TEORETISK ENERGIPOTENSIAL FRA MATAVFALL [RAADAL ET AL., 2008]. Husholdningsavfall er vanligvis lite homogent. Fuktigheten i avfallet og typen forskjellig materiale avfallet består av vil også variere voldsomt. I tillegg vil kjemisk og fysisk sammensetning variere. De viktigste forskjellene mellom fossilt brennstoff og biomasse (Figur 4), er at biomassen har en signifikant lavere brennverdi, og biomassen har og et høyere nivå av flyktige komponenter, hydrogen og oksygen [Hein, D., Karl, J., 2006].

20 14 Eksperter i Team Våren 2009 FIGUR 4. SAMMENSETNINGEN AV BIOMASSE OG FOSSILT BRENNSTOFF. HJØRNENE I TREKANTEN REPRESENTERER HUNDRE PROSENT KARBON, OKSYGEN OG HYDROGEN [HEIN, D., KARL, J., 2006]. På grunn av høyt vanninnhold gir forbrenning av matavfall relativt dårlig energiutbytte. Brennverdien for avfallet vil variere fordi andelen brennbart tørrstoff pr. volumenhet varierer. Dersom en bruker usortert husholdningsavfall, som består av både restavfall og matavfall, vil mye av energien komme fra bleier, bind og tekstiler eller annet syntetisk materiale av fossil opprinnelse. Denne typen avfall må forbrennes i anlegg som er godkjent for avfallsforbrenning, og når avfallet forbrennes vil flyktige næringssalter mistes, og asken som dannes må behandles som farlig avfall [Langerud, B., et al, 2007]. 3.3 ANVENDELSE AV BIOGASSEN De vanligste bruksområdene for biogass er produksjon av varme, produksjon av kombinert varme- og elektrisitet (CHP) og produksjon av drivstoff PRODUKSJON AV VARME Varmeproduksjon er helt klart den enkleste og vanligste måten å anvende biogassen på. Gjennom å forbrenne gassen genereres varme. Når gassen brukes direkte på denne måten kan man brenne biogass med så lavt metaninnhold som 20 %. Til produksjon av varme (for eksempel oppvarming av varmt vann til fjernvarme) kreves det ingen oppgradering/rensing av gassen [Raadal, H.L., et al, 2008]. I biogassanlegg er det vanlig at en del av gassen som utvinnes brukes til å produsere varmen som kreves for selve prosessen [Lantz, M., et al, 2006]. I Norge ble det i følge statistisk sentralbyrå forbrent 573 tonn husholdningsavfall i Industribedrifter som tar imot avfall til forbrenning er da ikke regnet med i denne statistikken [SSB, 2009c]. Når det gjelder dagens tilstand, så står nettopp kommunalt avfall til produksjon av varme for størstedelen av den bioenergien som produseres i Norge. Men det er likevel ikke snakk om særlig store mengder, for bioenergi utgjør i dag til sammen rundt 1.1 % av det totale energibehovet i Norge [Raadal, H.L., et al, 2008].

21 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby Fjernvarmeproduksjon basert på tre, treavfall og husholdningsavfall har økt siden 2000 og utgjør omtrent 18 % av den bioenergien fra varme som produseres i Norge. Dette tilsvarer omtrent 1,316 TJ. Historisk rikelig og rimelig tilgang på vannkraft har ført til at elektrisitet har blitt utnyttet til varme i Norge i større grad enn mange andre land. Dette sammen med at det er relativt høye investeringskostnader for fjernvarme, har gjort at elektrisitet har dominert det Norske markedet [IEA et al., 2006]. Utbredelsen av fjernvarme i Norge har doblet seg fra I områder med stor forbrukstetthet med tilgang til store mengder rimelig råstoff som for eksempel avfall, vil fjernvarme være gunstigst. For tettsteder og sentrumsnære områder er det økonomiske potensialet for fjernvarme anslått til 3 TWh økning utover dagens nivå [Langerud, B., et al, 2007] PRODUKSJON AV KOMBINERT VARME- OG ELEKTRISITET (CHP) Kombinert varme- og elektrisitetsproduksjon (CHP) har lenge blitt sett på som en lovende videreutvikling av bruk av bioenergi. Dette er ikke bare på grunn av fordeler i energipotensialet, men også fordi det er betraktet som et effektivt instrument for å redusere CO 2 utslipp. CHP produserer både varme og elektrisitet med mindre miljøpåvirkning enn andre kraftvarmeanlegg basert på fossilt brensel. CHP regnes også som en etablert teknologi, som i tillegg er økonomisk konkurransedyktig sammenlignet med konvensjonell elektrisitet [Rosillo-Calle, F., 2006]. På grunn av variasjonen i homogenitet, og fysiske og kjemiske egenskaper til husholdningsavfallet, kan det føre til tekniske utfordringer når avfallet skal omdannes til fjernvarme og elektrisitet. For eksempel krever forbrenning av vått plantemateriale et veldig forskjellig forbrenningssystem enn det som kreves for forbrenning av hard, tørr biomasse som for eksempel treverk [Hein, D., Karl, J., 2006]. Ved CHP kan det i prinsippet brukes det meste av råstoff, det er brenselets eksergi (delen av den termiske energien som kan konverteres til mekanisk energi) som er mest interessant. Dersom en kobler kraftvarmeanlegg opp til industri eller fjernvarmenett kan man øke energieffektiviteten. Energiinnholdet i biobrenselet utnyttes optimalt ved å anvende eksergien til kraftproduksjon og varmen i fjernvarmenettet eller til prosessvarme. Med dagens teknologi får en mindre eksergi ut av biobrensel enn ved bruk av naturgass. Samtidig er kostnadene pr. kwh eksergi høyere ved bruk av biobrensel sammenlignet med naturgass. De viktigste fordelene ved fjernvarmeanlegg er derfor først og fremst knyttet til utnyttelsen av spillvarme og varmen fra avfallsforbrenning [Langerud, B., et al, 2007]. CHP er kun passende i småskalaanlegg med høy effektivitet [Hein, D., Karl, J., 2006]. Det å satse på kraftvarmeproduksjon i småskala kan være et alternativ for å få avsetning på gassen. Prinsippet går ut på at man bruker den varmen som oppstår ved elektrisitetsproduksjon og selger den elektrisiteten en ikke behøver. Det å produsere både elektrisitet og varme innebærer at energiinnholdet i brenselet utnyttes optimalt. Generelt sies det at omtrent 1/3 av brenselet omdannes til elektrisitet og 2/3 blir til varme. Men for å kunne lage elektrisitet må gassen ha et metaninnhold på minst 40 %. Ofte må kvaliteten på gassen forbedres. Mengden vannstoff og damp må minskes. Det har generelt vært en ganske høy produksjonskostnad på elektrisiteten ved denne typen

22 16 Eksperter i Team Våren 2009 anlegg [Lantz, M., 2008]. Elektrisitetsproduksjon basert på biomasse er dermed veldig lav i Norge. Av den totale elektrisitetsgenereringen i Norge utgjør elektrisitet basert på biomasse mindre enn 1 prosent. Det er hovedsakelig trebasert bioenergi som brukes til elektrisitetsproduksjon (75 %), og kommunalt husholdningsavfall brukes i mindre grad. Kun dersom det blir høyere priser på elektrisitet generelt vil denne type produksjon kunne bli konkurransedyktig [IEA et al, 2006] DRIVSTOFF Det er fire gode grunner til å bruke biogass som drivstoff: Biogass er et fornybart drivstoff og kan bidra til å redusere karbonutslipp fra transportsektoren og dermed bidra til å håndtere klimautfordringen Som et fornybart drivstoff reduserer biogass avhengigheten av fossile brennstoff Biogass bidrar som et produkt av organisk avfallsbehandling, i avfallshåndteringen, så det er både en avfallsbehandling og en energiproduserende prosess Partikkelutslipp og utslipp av NO x fra biogassdrevne kjøretøy er lave sammenliknet med konvensjonelle kjøretøy, og kan bidra til økt lokal luftkvalitet. [NSCA 2006] Sverige og Sveits er de landene med flest biogassdrevne kjøretøy. De har hhv og 3500 gassdrevne kjøretøy der 50 % og 37 % av gassen kommer fra biogass. I Sverige estimeres det at det vil være gassdrevne kjøretøy samt 500 pumpestasjoner for biogass innen Også i andre land som Frankrike og Tyskland har man tatt i bruk biogassdrevne kjøretøy, men Norge er blant landene som henger etter. I Norge er det kun få prosjekter med noen gassdrevne busser, blant annet i Fredrikstad. [Wellinger, A., 2007; NSCA, 2006] Majoriteten av de gassdrevne personbilene er konverterte kjøretøy med en gasstank i bagasjerommet og gassforsyningssystem i tillegg til det vanlige drivstoffsystemet, disse motorene kalles bi-fuel gnisttenningsmotorer. Gassen lagres ved bar i trykktanker laget av stål eller aluminium. [Wellinger, A., 2007] Gassdreve kjøretøy har store fordeler sammenliknet med vanlige kjøretøy; karbondioksidutslipp reduseres med mer enn 95 %, og utslipp av partikler og sot reduseres også drastisk, selv sammenliknet med de moderne dieselmotorene med lave partikkelutslipp. Utslipp av NO x samt metanfrie hydrokarboner (Non Methane Hydrocarbons, NMHC) reduseres også betydelig. Slik gir bruk av biogass som drivstoff økt luftkvalitet, spesielt i urbane områder. [Wellinger, A., 2007; NSCA 2006] Tunge kjøretøy konverteres vanligvis til kun å kjøre på metangass, men i noen tilfeller brukes også dual fuel motorer. Denne motoren har fortsatt det originale dieselsystemet og gassen antennes ved å injisere små mengder dieselolje. Fordelen med slike motorer er at de krever mindre utvikling av motor og har samme kjørbarhet som dieselkjøretøy. Ulempen er at utslippene er høyere enn de kjøretøy som kun drives av gass alene og motorteknologien er et kompromiss mellom gnisttenningsmotor og dieselmotor. Disse motorene produserer opptil 50 % mindre støy enn dieselmotorer. [Wellinger, A., 2007; NSCA 2006] Oppgradert biogass kan brukes som drivstoff alene, det er eksempler der gassen distribueres ved pumpestasjoner nær produksjonsstedet, eller den samles og transporteres av lastebiler til pumpestasjoner i urbane områder, som for eksempel Stockholm. Andre steder

23 Prosjektrapport Gruppe 2, landsby transporteres biogassen på en spesiell gasslinje til byen, eller gassen mates inn i naturgassnettet. [Wellinger, A., 2007] Utviklingen av biogassproduksjon for drivstoff hindres av flere faktorer; det dårlige utviklede kommersielle markedet i biogassteknologi og behovet for å forbedre kvaliteten på biogassen for kjøretøybruk, det begrensede distribusjonssystemet og antall biogassfyllingsstasjoner, og den høye kostnaden på dual-fuel kjøretøy sammenliknet med kjøretøy som bruker enten etanol eller biodiesel. På tross av disse hindringene er trenden økt konsumpsjon av biogass. Den økte etterspørselen etter biodrivstoff vil stimulere utviklingen av både produkt og produksjonsprosess. KLIMAGASSUTSLIPP Å bytte ut fossile drivstoff med biodrivstoff vil redusere utslipp av klimagasser, men det er ikke alle biodrivstoffer som er klimagassnøytrale f. eks fordi fossile brennstoff brukes i dyrkingsprosessen (drivstoff til traktorer, energi til oppvarming, drift av reaktorer osv). Fra et klimagassperspektiv er produksjonen av biogass fra husdyrmøkk spesielt gunstig da utslipp av metan reduseres og CO 2 utslipp fra fossile brennstoff reduseres. Metan er en klimagass 20 ganger mer potent enn karbondioksid. Uttrykt i MJ kan den totale klimagassreduksjonen i teorien være opptil 180 % (se figur 5) Dette gjelder også biogass produsert fra organisk avfall da metan dannes når avfallet brytes ned. [Börjesson, P., Mattiasson, B., 2008] FIGUR 5: GJENNOMSNITTLIG LIVSSYKLUSUTSLIPP AV KLIMAGASSER FRA FOSSILE DRIVSTOFF OG BIODRIVSTOFF BASERT PÅ NÅVÆRENDE PRODUKSJONSBETINGELSER I SVERIGE. PILENE ILLUSTRERER STØRRELSEN PÅ GJENNOMSNITTLIG REDUKSJON AV KLIMAGASSER (%) NÅR BIODRIVSTOFF ERSTATTER DIESEL ELLER BENSIN. [BÖRJESSON, P., MATTIASSON, B., 2008] ANDRE MILJØEFFEKTER Anaerob fermentering og påfølgende biogassproduksjon fra organisk avfall som ellers ville komposteres, reduserer utslipp av ammoniakk, dinitrogenoksid og metan. Ammoniakk bidrar til tilgroing av vann. Disse indirekte effektene kan til og med overgå de direkte miljøfordelene ved å erstatte fossilt brennstoff med biogass. Innsamling av overflødig biomasse fra biprodukter i landbruket for biogassproduksjon reduserer nitrogenutvasking (nitrogen leaching), som er et problem fordi det bidrar til tilgroing av vann. Gjenvinning av næringsstoffer som nitrogen reduserer dessuten behovet for gjødsel, noe som bidrar positivt til netto energibalanse. [Börjesson, P., Mattiasson, B., 2008]