Intensiv Biogassprosess for Landbruket (IBL); Pilotanlegg Statusrapport per

Transkript

1 Intensiv Biogassprosess for Landbruket (IBL); Pilotanlegg Statusrapport per Sammendrag: Den nye biogassprosessen utviklet i Telemark er utprøvd i pilotskala på Foss gard til behandling av kumøkk. Grunnlaget for prosjektet er bekreftet både gjennom forsøkene og teoretiske vurderinger. De viktigste momentene er at den intensive biogassprosesser fungerer godt på møkk hvor større partikler er fraskilt. Små og effektive prosesser kan derfor bli løsningen på utfordringen med å få investeringskostnadene redusert kraftig, men det gjenstår utviklingsarbeid for å finne den beste måten å skille ut partikler fra møkka. En rekke organisasjoner og personer er engasjert i planleggingen av rask implementering av slike løsninger straks adekvate løsninger på alle tekniske utfordringer er på plass. Innledning: Mineralisering av husdyrgjødsel og annet organisk materiale i anaerobe prosesser for produksjon biogass er eneste tilgjengelige bærekraftige løsningen for å redusere den største kilden til utslipp av klimagasser i landbruket. Dette er forklart i mer detalj i Vedlegg 1. Rask implementering av slike løsninger begrenses nå hovedsakelig av de høye investeringskostnader, som medfører dårlig lønnsomhet for bruk. En mer effektiv biogassprosess er utviklet etter mer enn ti år med intensivt FoU-arbeid ved HiT og partnere. Prinsippet er først testet i lab-skala og nå i et pilotanlegg på et gårdsbruk med kumøkk som føde. Pilotanlegget som er kjernen i dette prosjektet og oppfølging, analyser etc. er finansiert i hovedsak fra følgende kilder: 1. Forskningsrådet, via HiT og programmet små driftsmidler. 2. Mat- og landbruksdepartementet (i 2007). 3. SLF (2008-9). 4. Egeninnsats. Forskningen på prosessen utføres i hovedsak av Dr.grad stipendiater, Prof. R. Bakke og mastergradstudenter som tar hovedoppgaven innen HiTs Energy and Enviromental Technology program. I tillegg er teknologer med industriell og kommersiell erfaring engasjert til å sette den nye teknologien inn i en større sammenheng. På den måten kan vi raskere få vurdert teknologiens potensial og etablert strategier for effektiv tilpassning av løsningen til landbrukets og samfunnets behov. Deltagere og roller er beskrevet i Vedlegg 2. Målet med prosjektet er å evaluere det nye prinsippets potensial ved grundige studier av pilotanlegget, sammen med litteraturstudier og teoretiske analyser, samt å foreslå strategier for å spre den nye biogassteknologien dersom den er så effektiv som resultatene så langt tyder på. Metoder: Eksperimentelle metoder for å evaluere pilotanleggets effektivitet er beskrevet i prosjektets søknad og vil bli beskrevet i fremtidige publikasjoner. Det meste av de analytiske metodene brukt er beskrevet i Dinamarca og Bakke (2009) og Chang et al. (2009.

2 Konstruksjonskostnader for fullskala anlegget, både et første anlegg og produksjonskostnader ved serieproduksjon er estimert ved å kalkulere materialkostnader og arbeidstid, samt at en studentgruppe har innhentet tilbud fra produsenter på serieproduksjon av anlegg som de har detaljprosjektert (Aspheim et al., 2009). Driftsfordeler og ulemper med prinsippet, sammenlignet med konvensjonelle løsninger, er evaluert basert på erfaringene med pilotanlegg på gård og på lab. Prinsippets økonomiske potensial for norske gårdsbruk er evaluert ved å sammenligne investerings- og driftskostnader. Mulighetene det nye prinsippet representerer for landbruket er formidlet ved å kontakte flere gårdsbruks, landbruksorganisasjonene, leverandører av relevant teknologi og forskningsmiljøer for å styrke samarbeidet om å løse landbrukets klimautfordringer. Resultater: Resultatene er beskrevet under hver av hovedaktivitetene i prosjektet. Prosess Pilotanleggets effektivitet er evaluert basert på kritiske prosessparametre, som følger. Det er dokumentert at biogassens sammensetning er som forventet (CH 4 > 60%). Produksjonen varierer i takt med innmatingen av løste organiske forbindelser. Granuler fra renseanlegg i treforedlingsindustrien fungerer bra som inoculum. ph er stabil og nær nøytral. Relativt lite fettsyrer (VFA) er funnet i reaktoren, noe som indikerer god drift. Parallelle forsøk med grisemøkk, utført i laboratoriet til våre kinesiske samarbeidspartnere, viser at filtrert grisemøkk også behandles godt i en intensiv biogass reaktor. Granuler fra renseanlegg for et bryggeri fungerer bra som inoculum. ph er stabil og nær nøytral. Relativt lite fettsyrer (VFA) er funnet i reaktoren. Resultatene er publiser (Chang et al., 2009). Parallelle forsøk med eple-avfall (fra eple juice fabrikk), utført i pilotreaktor på vårt laboratorium, viser at det er mulig å regulere innmatingen baser på hydrogenmålinger i biogassen. Det betyr for eksempel at produksjonen kan økes relativt raskt uten å overbelaste prosessen, noe som tradisjonelt har vært et problem (som normalt løses ved å kjøre mest mulig konstant produksjon). Denne nye reguleringsmetoden kan få stor betydning for mulighetene for å regulere metanproduksjonen opp og ned i tråd med behovet for energi, slik at biogassen får større verdi. Siling av kumøkk i lagertank, testet i fullskala, viser relativt stabil og brukbar produksjon, med følgende begrensninger: a. Nivået i lagertanken er til tider (en gang om våren og en gang om høsten) så lav at silen blir liggende over væskenivået, slik at luft tenger inn i silen. b. Det dennes gass i silen eller gass skilles fra væsken i silen på grunn av undertrykk, noe som medfører redusert effektivitet i sugepumpen som anvendes. Gassen førte også til at silen fløt opp, men dette ble ordnet ved justeringer av silens montering. Resultatene viser at siling er mulig, men alternative sileteknikker eller separering ved gravitasjon kan vise seg mer effektivt. Konseptets verdi avhenger av dette, så det er definert som hovedfokus i det videre arbeidet.

3 Observasjoner av grisemøkk i lagertank tyder på at separering ved gravitasjon ( septiktank prinsippet ) vil fungere godt på grise møkk. Dette skal følges opp med grundigere analyser på flere bruk Kostnader Konstruksjonskostnadene for oppskalering av det eksisterende pilotanlegget til å håndtere møkk fra tilsvarende 70 kyr er estimert til over en million. Produksjonskostnadene for serieproduksjon av tilsvarende biogassreaktor er beregnet til mellom 150 og 200 knok (Aspheim et at., 2009). Den høye og slanke formen på slike reaktorer kan medføre betydelige kostnader med grunnarbeid og sikring mot velting. Det er derfor konkludert at en annen reaktor type ( anaerobic baffel reactor ; ABR), med tilsvarende prosessegenskaper, men med en annen, lavere og bredere, form er bedre egnet for gårds anlegg. Våre partnere i Kina har utstrakt erfaring med denne reaktorformen og vi har i felleskap publisert relevante resultater (Bakke et al., 2009). Det videre arbeidet mot fullskala produksjon baseres på ABR. Materialkostnaden for en 8 m3 ABR er ca 50 knok, så produksjonskostnader ned mot 100 knok bør være mulig ved produksjon av større serier. ABR vil også medføre betydelig enklere installasjon, grunnarbeid og drift siden høyden er på bare 2 m. Drift Den viktigste driftsfordelen med prinsippet, sammenlignet med konvensjonelle løsninger, er at produksjonen av biogass kan styres etter behovet for gass. Alle tre pilotforsøkene beskrevet under Prosess bekrefter denne fordelen. Produksjonen reguleres enkelt ved å regulere innmatingen av føden fra lager til bioreaktor. Dette krever en noe mer avansert prosessregulering enn tradisjonelle anlegg, men det vil ikke være særlig kostnadsdrivende. Det blir muligens behov for å ha gassoppsamling i gjødsellageret. Prosessregulering v.h.a. PC og programvaren LabView fungerer godt og gir god oversikt over prosessen tilstand. Fjernovervåkning testes også, med gode resultater, og betyr at eksperter på prosessen kan gi driftsassistanse til alle brukere av teknologien fra egen PC. Ingen direkte ulemper med denne løsningen er identifisert så langt. Økonomi Prinsippets økonomiske potensial for norske gårdsbruk er ikke svært positivt fordi verdien av produsert biogass er lav. Dette fordi det er vanskelig å finne effektive anvendelser på typiske norske gårdsbruk. Dette har vi identifisert som en flaskehals i forhold til å få til større satsing på biogass i norsk landbruk. Støtteordninger og handel med klimakvoter kan forbedre økonomien noe. Dersom bruket har betydelige interne energibehov, eller nære naboer har det, som kan dekkes med biogass, vil dette også virke positivt på økonomien. Gårder med grisehold vil generelt ha større fordeler av biogassproduksjon enn de som driver med kyr. På det aktuelle gårdsbruket blir det derfor vurdert å etablere et gårdsmeieri, hvor energien fra den fremtidige biogassproduksjonen kan utnyttes mer effektivt (Vedlegg 3).

4 To svært rimelige generatorer for strømproduksjon med drift basert på biogass er anskaffet fra Kina, men er foreløpig ikke testet. Naturgass Grenland (NG) har uttrykt ønske om å kjøpe biogass til bruk / videre salg til transportnæringen. Salg av biogass kan være et økonomisk gunstig alternativ for Foss gård, sammenlignet med å bruke den til produksjon av elektrisitet på gården som opprinnelig planlagt. Flere anvendelser på gården kan også være aktuelle. Uansett valg av anvendelse av biogassen så vil det medføre investeringer i utstyr for rensing og/eller tørking av gassen, men valg av utstyr vil avhenge av gassens endelig anvendelse. Produksjon av varmt prosessvann/damp, ved direkte forbrenning av gassen, krever minimalt av forbehandling. Et eksempel på at biogass kan kombineres med drift av gårdsmeieri for å oppnå en gunstig energibalanse er analysert (Vedlegg 3), og indikerer at en slik løsning også vil gi positive økonomiske utslag. Verdien av stabilisert møkk i forhold til ubehandlet møkk som gjødsel er ikke ansett som vesentlig forskjellig for det enkelte bruk. Bruk av gjødsel med mindre lukt og mindre avdampning av klimagasser og mindre tap av nitrogen via de-nitrifikasjon er likevel positivt for lokalmiljøet og globale miljøproblemer. Dette forventes å gi seg utslag gjennom de støtteordninger som må komme og i klimakvote beregningene. Den viktigste konklusjonen m.h.p. økonomi er at anleggskostnadene for biogassanlegg må svært langt ned for å forsvare investeringen. Det betyr at: 1. Konvensjonelle anlegg med en prislapp på > 10 6 NOK ikke er bedriftsøkonomisk forsvarlig. 2. Kostnaden bør ned på mellom 100 og 300 knok for å gjøre det (marginalt) bedriftsøkonomisk forsvarlig. 3. Konseptet studert her ser ut til å ha potensial for å bli så rimelig. Formidling Mulighetene det nye prinsippet representerer for landbruket er formidlet til flere gårdsbruk, landbruksorganisasjonene, leverandører av relevant teknologi, Innovasjon Norge og forskningsmiljøer for å styrke samarbeidet om å løse landbrukets klimautfordringer. Flere møter er avholdt med de nevnte partene, både for å formidle, men like viktig for å skaffe relevant informasjon og planlegge videre utvikling. Det arbeides nå med planlegging av industriell produksjon av biogassanlegg (av typen ABR) med støtte fra IN. Det arbeides også med å integrere dette utviklingsarbeidet i større FoU programmer. Partnere i dette arbeidet er UMB, NTNU, UiS, IFE, Ålborg U. og flere kinesiske universiteter. Referanser 1. Aspheim, D.H. Holte O.I, Myrvang L., Presthaug E Design av biogassreaktor. Rapport fra emnet Maskindelers konstruksjon med videregående DAK, MA4506 våren s. 2. Bakke R., Bo X., and Xi-quan H Sustainable Urban Wastewater Treatment in China. Proceedings (Invited Oral Pres.) The International Workshop on Strategy for Anaerobic Biotechnology, Xi an, China: Chang L., Bo X., and Bakke R Biogas from pig manure leachate. Proceedings (Oral Pres.) The International Workshop on Strategy for Anaerobic Biotechnology, Xi an, China:

5 4. Dinamarca C. and Bakke R Apparent hydrogen consumption in acid reactors: Observations and implications. Wat. Sci. Tech. 59, No. 7:

6 Vedlegg 1 Background Anaerobic digestion is a method where micro-organisms mineralize organic matter, generating biogas, ammonia and other mineralized nutrients. The biogas consists mainly of methane that can be used for energy purposes, such as to be burned for heating and electricity generation. The mineralized nutrients are used as fertilizers for plant production and represent a substantial contribution in the effort to feed the world s rapidly increasing population. The feed for such biogas processes are energy crops and various wet organic wastes, such as manure, food waste and sewage, which presently is a major source of greenhouse gas emissions (GGE). An efficient biogas plant has many environmental advantages. Containing and using the waste is in itself helpful. Converting chemically bound energy in the waste into usable methane is determined to be the only sustainable method presently available to handle wet organic wastes. Such renewable energy production can replace demand on fossil fuels and is especially beneficially for the rural population. Biogas from energy crops, waste and sewage in small scale can be used for heating and light, while larger plants can also produce electricity. The end product of the solid mass is a soil improving fertilizer where the extraction of methane has rendered the nitrogen and other nutrients more readily available for plants. Hence the process also diminishes the need for artificial fertilizers and/or enhances the agricultural food yield. Again, such solutions are particularly suitable in rural settings where the distance from the fertilizing production to the application is short, minimizing transport costs and transport related GGE. The partners of this proposal are presently involved in research projects on the processes of extracting methane from wet organic waste materials though anaerobic digestion, and on how the remaining mass can become a clean and weed-free fertilizing product, also prevent spread of parasites and diseases. The biogas technique developed at TUC, in cooperation with industry and with support from The Norwegian Research council (NFR), over the past decade, was initially intended to solve problems in larger, more industrialized agriculture in Europe. A commercial product is established on this market, while a process suitable for smaller scale applications may be regarded as a spin-off from this development work and from the parallel, more fundamental biogas research. We aim to make such solutions affordable and available to large numbers of people, to consistently treat wet organic matter in biogas processes in which mechanical complexity is low and cost of construction and operation is low. Biogas processes are recognized as environmental friendly and profitable solution in handling various organic wastes, but such processes are not always very stable and reliable, especially when exposed to changes such as load and temperature variations. Some existing biogas plants, therefore, suffer from temporary failures and inconsistent gas production and waste treatment. This problem is especially frequent in small treatment plants, such as those used on farms, while larger plants, such as those treating food residues from cities, have operators, continuous process measurements and process control strategies to avoid or reduce such problems. There are millions of small biogas plants in the world (especially China and India), in spite of their technical limitations, and millions more are planned installed in farm related settings, because this method is significantly better than all alternative solutions. It is, however, clear that a new approach is required to fully utilize the potential of biogas

7 processes in rural communities, because present farm units are typically too small to sustain profitable operation of adequate biogas processes. High efficiency industrial biogas plants are available today, but these are not directly applicable for the challenges faced in farms. Improving and adapting this industrial technology for the rural challenges is identified as one route towards sustainable solutions. Research to develop processes to recover energy from wet organic wastes from towns and from farms in Norway has been carried out at Telemark University College (TUC) with support from NFR for several years, in cooperation with Tel-Tek, BioTek AS and others. BioTek has constructed four such full scale plants for public customers and one full scale farm plant (the largest one in Norway; Åna, Rogaland). It is, however, concluded that these designs are not directly applicable in typical Norwegian agriculture due to high investment cost (unless large subsidies are applied). The existing technology achieves all the treatment goals but is not efficient enough from a cost-benefit perspective. All farms in Europe suffer from this dilemma and some countries (e.g. Germany) offer large subsidies to promote the implementation of biogas plants and the use of biogas to generate electricity. This has led to significant construction of farm based biogas plants, mainly large, centralized plants with feed from several farms and other sources. This is generally not a sustainable solution if there is any significant distance between the farms (as is usually the case in Norway), since the gains of the biogas plant is lost in GGE for transport. The truly sustainable solution, therefore, need to be so cost effective that it can be implemented on individual farms. The development of such a solutions has been the aim of our research effort for a decade, first on behalf of Norsk Hydro (Hydro Agri) with support from the Norwegian research council (NFR) and lately based on a variety of small projects with support from Innovasjon Norge, NFR, TUC, Ministry of food and agriculture, farmers and industry. The solution developed in Telemark fully utilizes and can easily be adapted to existing (typical Norwegian) farm infrastructure, using an extreme high rate industrial biogas reactor (75 times more efficient than traditional farm biogas reactors) based on designs developed in Holland (van Lier, 2008) and a adding a few, inexpensive components in order to achieve enhanced production and stability. Given the high efficiency of such reactors they can be small compared to traditional plants (less than 2 % in volume). The construction cost is therefore also very low and such biogas reactors can be constructed in an assembly line to further cut cost. Such high rate processes have additional advantages in stability and controllability, implying that the biogas production can be turned up or down according to the energy demand without the usual danger of destabilisation of the process. By using a modern control system with Internet access also give possibilities for on-line data evaluation and support. The main hypothesis of this project is that the new technological solution can make farm based biogas production cost effective and therefore affordable even to small / Norwegian scale farmers. To test this hypothesis the follow issues are investigated: 1) biogas production efficiency of this process; 2) process stability and control; 3) cost of construction of individual plants and in an industrial assembly line production; 4) cost of integration with farm infrastructure; 5) cost of operation; 6) economical value and environmental benefits of the utilization of the energy yield and of the stabilized manure (as fertilizer)

8 Vedlegg 2 Participants: 1. Høgskolen i Telemark / Telemark University College; 2. Knut Vasdal, Foss farm, Dairy farmer. 3. Jon Hovland, Consultant in environmental technology, bioenergy and biofuels. Task Force - Jon Hovland has coordinated several industrial bioenergy projects, including a major biogas research effort by Norsk Hydro, with financial support from the Norwegian Research Council. Hovland has 28 years experience as a scientist at the Norsk Hydro Research Centre in Porsgrunn. Presently he is an independent consultant within the fields of environmental technology, bioenergy and biofuels. - Prof. Rune Bakke at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) has studied Environmental Biotechnology for > 30 years with focus on biogas processes the last 13. He has, together with his research group, worked on integration and adaptations of biogas processes to various domestic, industrial and agricultural applications. - Siv.ing. Harald Stjernholm at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) has worked for > 25 years as an engineer in the field of energy-recovery and environmental hygiene, both in the industry and as an extern consultant on environmental-, and/or energy issues. His recent master thesis included the erection and operation of a pilot reactor and later the work of design, manufacturing and all stages of erection of the full scale biogas reactor that is used in this project. - Assistant Prof. Carlos Dinamarca at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) has worked for 15 years as student and scientist in the field of biological process. His PhD work is an important contribution to the new biogas process and the analytical methods. - PhD student Deshai Botheju at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) has studied biogas processes for his master thesis and as research scientist. His on-going PhD work is directly relevant for the new biogas process and the model based analytical methods applied. - PhD student Wenche Bergland at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) is hired this autumn to work exclusively on research related to the biochemical reactions relevant for this project. - PhD student Finn Haugen at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Elektro, IT og Kybernetikk) is hired this autumn to work exclusively on research on automation and control of biogas reactors related to this project.

9 Vedlegg 3 Gårdsmeieri: Etablering av eget, økologisk gårdsmeieri i den hensikt å øke utnyttelsespotensialet av både råvarer og tilgjengelig energi på gården. Bakgrunn for dette er bondens ønske om å starte et eget gårdsmeieri, hvor han selv prosesserer sin melk (1000L/d) til ost og inndamping av myse til brunost. I dag fraktes den nedkjølte melken til Tønsberg for videre prosessering, før den fraktes tilbake til distriktets forbrukere. Ved siden av biogassen det er planlagt å produsere på gården, må det også tilføres mye ekstra energi til meieriprosessen, spesielt inndampning av myse krever energi, likeså avkjøling. Vi vil derfor se på mulighetene til å utnytte overskuddsvarmen fra rundt 70 kyr som kontinuerlig utluftes fra fjøset. Kombineres utnyttelse av biogassen med energigjenvinning, redusert frakt og andre fordeler vil miljø-/energikonsekvensene av gårdens omlegging bli særdeles positive sammenliknet med prosessering på sentraliserte meierier. Dagens situasjon: Daglig produksjon av 1000 L melk/d, kjøles ned med kjøleanlegg og melken hentes hver 3.dag for å bli fraktet til Tines meieri i Tønsberg. Foreløpige estimater tyder på at gårdens nåværende energiforbruk ligger på rundt kwh/d for melking og nedkjøling. Videre antas det at energiforbruket for transporten tur-retur Tønsberg ligger på rundt 50 kwh/1000l melk. Fordi distriktet har et stort underskudd i produksjon av meierivarer så man kan trygt anta at all melken returnerer til distriktet etter prosessering. Energiforbruk ved Tines meierier (årsrapport for 2000) ligger i snitt på 0,99 kwh/l melk prosessert og bidrar således med 990 kwh/1000l. Grovt regnet forbrukes det alt i alt 1060 kwh/d i dag for å prosessere bondens melk. Gårdsmeieri, ønsket scenario: Melken avkjøles med varmeveksling fra eget kjølevannsreservoar (RK). Denne kjølevæsken holdes kald ved å tappe systemet for energi med en vann-til-vann varmepumpe. Et stort varmtvannsreservoar (RV) som holder høy temperatur (70-80 grader) varmes hovedsakelig ved å ta ut energien i ventilasjonsluften fra fjøset og lignende med luft-til-vann varmepumper, pluss den overskuddsvarmen som produseres ved nedkjøling. Varmt vann fra RV kan nyttes til indirekte oppvarming ved pasteurisering av 1000 L/d og vakuuminndamping av rundt 900 L myse/d til 130 L. Energieffektiv gjenvinning av energien i 770L fordampet væske/d vil gi meget store besparelser. Høyere temperaturer/damp oppnås ved ytterligere oppvarming av væske fra RV ved hjelp av biogass. Dette er aktuelt for vaskevann. Energiforbruk: Nedkjøling: 20 kwh/1000l. Pasteurisering: 50 kwh/1000l melk, Vakuum-inndamping: 580 kwh/1000l melk. I tillegg til dette kommer energiforbruk ved rengjøring, emballering osv, antatt å være rundt 20 kwh/1000l melk. Total: 670 kwh/1000l melk prosessert, noe som allerede er en reduksjon på rundt 30 % i forhold til Tines forbruk. Skulle gårdsmeieriet etableres uten en omfattende grad av energigjenvinning og et verdifullt energitilskudd fra produksjonen av biogass, ville gårdens årlige strømforbruk øke med om lag kwh. Nyttes den potensielle energien som gården har, kan meieriproduksjonen foregå med et minimum av eksternt tilført energi. Utslipp til omgivelsene reduseres på en gård hvor normalt produktsvinn (grensemelk og lignende) blir dyrefor, eller nyttet til utblanding av kumøkk. Det er også egnede områder for infiltrasjon av behandlet prosessvann, slik at nærmest all

10 vannbåren forurensning kan elimineres. Egen tilgang på kaldt elvevann reduserer også produksjonskostnadene betraktelig. Mulig støtte til etablering av økologisk gårdsmeieri: Det finnes allerede mange former for tilskudd og innovasjonsmidler, beregnet på etablering av gårdsmeierier, blant annet fra ENOVA. Hvis disse kombineres med offentlige tilskudd til energiøkonomisering og andre insentiver til å reduksjon av utslipp fra landbruks- og meierisektoren kan gjenvinningsanleggets ekstra investeringskostnader reduseres betraktelig. Dette vil på sikt gi en god, varig økonomisk gevinst i form av sterkt reduserte driftskostnader. Gården sikrer også sin drift gjennom den verdiøkningen produktene representerer, økologisk og kortreist mat tilbys distriktets kunder, enten ved direktesalg, eller ved distribusjon til lokale grossister.