Intensiv Biogassprosess for Landbruket (IBL); Pilotanlegg Sluttrapport 20.12.11 Ved Rune Bakke og Jon Hovland, Høgskolen i Telemark Sammendrag: En ny biogassprosess for kostnadseffektiv behandling av husdyrgjødsel på det enkelte gårdsbruk er utviklet i Telemark. Husdyrmøkka lagres først i eksisterende gjødsellager/kjeller før den separeres i to fraksjoner; a) en væske uten større partikler og b) en tørrere fraksjon med stor partikkeltetthet. Væske a brukes som føde for en biogassreaktor basert på slamteppeprisippet, som har langt høyere effektivitet for produksjon av biogass enn tradisjonelle biogassreaktorer. Metoden er testet både på gris- og kumøkk. Grunnlaget for prinsippet er bekreftet både gjennom forsøkene og teoretiske vurderinger. De viktigste observasjonene er at: 1) Biogasspotensialet i føden (væske a) er avhengig av lagringstid og temperatur. 2) Separasjon i to fraksjoner krever ulike metoder for grisemøkk og kumøkk, og effektive metoder er etablert for begge. 3) Intensive biogassprosesser basert på granul kulturer i slamteppe fungerer godt på møkk hvor større partikler er fraskilt (væske a). 4) Den granulbaserte kulturen, hentet fra avløpsrensing i treforedlingsindustrien (eneste anlegg av denne type i Norge), trives godt på separert møkk som føde, med stabil gassproduksjon, vekst og utvikling av økt produksjonskapasitet over tid. 5) Prosessen tåler store endringer i fødemengde slik at biogassproduksjonen kan justeres opp og ned etter gårdens energibehov. 6) Prosessovervåkning basert på kontinuerlige målinger av biogassproduksjon og sammensetning gir et godt grunnlag for automatisering og internettbasert fjernovervåkning. 7) En 10 m3 bioreaktor kan dekke kapasitetsbehovet på en typisk norsk gård. 8) Små og effektive prosesser kan derfor bli løsningen på utfordringen med å få investeringskostnadene redusert kraftig nok til å gjøre biogassproduksjon lønnsomt i landbruket. Utviklingsarbeid for å optimalisere helheten fra lagring til produkt videreføres, for å forbedre kvaliteten på produktene (for eksempel mindre sulfid i biogassen og aerob stabilisering av gjødsel). En rekke organisasjoner og personer er engasjert i planleggingen av rask implementering av slike løsninger og det første fullskala anlegget er i bestilling. Innledning: Mineralisering av husdyrgjødsel og annet vått organisk materiale i anaerobe prosesser for produksjon biogass er eneste tilgjengelige bærekraftige løsningen for å redusere en av de største kildenene til utslipp av klimagasser i landbruket. Dette er forklart i mer detalj i Vedlegg 1. Implementering av biogass løsninger i landbruket begrenses nå hovedsakelig av de høye investeringskostnader for konvensjonelle biogassanlegg. Kapitalkostnadene er som regel større enn inntektene fra produsert biogass. En mer effektiv biogassprosess er utviklet i Telemark etter mer enn ti år med intensivt FoU-arbeid ved HiT og partnere. Prinsippet er testet i laboratorie- og pilot skala. Utviklingen av dette konseptet 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 forsker Jon Hovland, Dr.grad stipendiater, Prof. R. Bakke og mastergradstudenter som tar hovedoppgaven innen HiTs Energy and Enviromental Technology program. Agronom Knut Vasdal med pilotanlegg på egen gård har 1
også bidratt mye i utviklingsarbeidet. 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 var å evaluere det nye prinsippets potensial ved grundige studier av pilotanlegg, 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 i publikasjoner under bearbeiding. Det meste av de analytiske metodene brukt er beskrevet i Dinamarca og Bakke (2009) og Chang et al. (2009). Prosesstekniske metoder og automatiseringsprinsipper er publisert i en rekke artikler (Jinandasa et al., 2009; Bergland et al., 2010; Bergland et al., 2011; Chang et al., 2009; Haugen et al., 2010; Haugen et al., 2011; Bakke et al., 2011). Konstruksjons- og driftskostnader for fullskala anlegget, både et første anlegg og produksjonskostnader ved serieproduksjon er estimert av studenter (Aspheim et al., 2009) først og deretter kalkulert mer nøyaktig, basert på innhenting av tilbud fra leverandører, av BioTek og Waterment AS, med støtte fra Innovasjon Norge. 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 sammen med inntekter. Alle beregninger så langt bekrefter at konseptet kan bli mye mer kostnadseffektivt enn konvensjonelle løsninger. Mulighetene det nye prinsippet representerer for landbruket er formidlet på nasjonale og internasjonale konferanser (se bl.a. referanselisten), samt 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 %; typisk ca 70 %). Produksjonen varierer i takt med innmatingen av løste organiske forbindelser. Granuler fra renseanlegg i treforedlingsindustrien fungerer bra som inoculum, og øker i effektivitet med tiden. ph er stabil og nær nøytral uten å måtte tilsette buffer eller andre tiltak. Relativt lite flyktige fettsyrer (VFA) er funnet i reaktoren, noe som indikerer effektiv nedbrytning av føden og stabil drift. 2
Kumøkk er mer krevende å forbehandle (krever siling) enn grisemøkk, som separer av seg selv ved sedimentasjon; ved gravitasjon ( septiktank prinsippet ). Noe overraskende oppnår vi like høy produksjonskapasitet med grisemøkk som med kumøkk, selv om ammonium innholdet i grisemøkk er mye høyere, på et nivå som i teorien burde medfør noe inhibering. Granuler fra avløpsrenseanlegg fungerer altså bra for begge typer møkk og viser stor toleranse for ammonium. Observasjoner av mye ukontrollert biogassproduksjon i eksisterende gjødselkummer indikerer et generelt behov for å ha gassoppsamling i gjødsellagre. 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 (Haugen et al., 2010). 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. Siste året har vi fokusert på bruk av andre gassmålinger (mengde produksjon og gassens CH4 og CO2 innhold) og funnet dette mer pålitelig enn H2 målingene. De nye målingene gir minst like gode reguleringsteknisk informasjon (Haugen et al., 2011). Kostnader Kostnadene for anlegg til behandling av møkk fra tilsvarende 70 kyr er stipulert til rundt en million. Produksjonskostnadene for serieproduksjon av biogassreaktor vil bli vesentlig lavere. Det er konkludert at en ABR reaktor type ( anaerobic baffel reactor ; ABR), er best egnet for gårdsanlegg. 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 10 m3 ABR er ca 150 knok, så produksjonskostnader ned mot 200 knok bør være mulig ved produksjon av større serier. Inkluderes pumper, ventiler, instrumenter, kabling, bygg og investeringer for gassutnyttelse kreves en investering på ca en million NOK for det første anlegget som er i bestilling. Totalkostnaden på det enkelte bruk vil variere mye avhengig av hvordan energien skal utnyttes på bruket og i hvilken grad det er tilrettelagt for dette. Drift Den viktigste driftsfordelen med prinsippet, sammenlignet med konvensjonelle løsninger, er at produksjonen av biogass kan styres etter behovet for gass. 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 er ikke særlig kostnadsdrivende. Prosessregulering v.h.a. PC og programvaren LabView fungerer godt og gir god oversikt over prosessen tilstand (Haugen et al., 2011). 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. 3
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, med oppvarmingsbehov, vil generelt ha større fordeler av biogassproduksjon enn de som driver med kyr. 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. Salg av biogass til kraftselskap, for videresalg til drivstoff for kjøretøy vurderes også. Dette vil normalt kreve fjerning av H2S fra biogassen. Studier for å etablere kostnadseffektive metoder for dette er initiert. 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. Ytterligere stabilisering ved aerobe prosesser for å øke gjødselverdien og redusere lystgass tap studeres også (Botheju et al., 2010; 2011). 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 over 1 million NOK ikke er bedriftsøkonomisk forsvarlig. 2. Kapitalkostnaden for et enkelt bruks biogassanlegg bør under 500 knok for å gjøre det 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 på konferanser (se referanselisten) og til flere gårdsbruk, landbruksorganisasjonene, leverandører av relevant teknologi, Innovasjon Norge (IN) 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 parallelt med industriell produksjon av biogassanlegg etter det studerte prinsippet (av typen ABR) med støtte fra IN. Det første fullskala anlegget er satt i bestilling. Dette utviklingsarbeidet er også integrert i større FoU programmer. Partnere i dette arbeidet inkluderer UMB, NTNU, UiS, Tel-Tek, Østfoldforskning, Ålborg U., Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) og flere kinesiske universiteter. 4
Referanser 1. Aspheim, D.H. Holte O.I, Myrvang L., Presthaug E. 2009. Design av biogassreaktor. Rapport fra emnet Maskindelers konstruksjon med videregående DAK, MA4506 våren 2009. 42 s. 2. Bakke R., Bo X., and Xi-quan H. 2009. Sustainable Urban Wastewater Treatment in China. Proceedings (Invited Oral Pres.) The International Workshop on Strategy for Anaerobic Biotechnology, Xi an, China: 239-243 3. Bakke R. Bergland W. and Hovland J. 2011. New Technology for Anaerobic Digestion, Using Granules. In proceedings of the Nordic Bioenergy Conference, Jyväskylä, Finland. 4. Bergland W., Haugen F. and Bakke R. 2010. A cost effective two stage biogas process for organic waste treatment. Oral Pres. Proceedings. Linnæus Eco-Tech 2010 conf., Kalmar, Sweden. 5. Bergland W., Botheju D., Dinamarca C. and Bakke R. 2011. Considering culture adaptations to high ammonia concentration in ADM1. In proceedings of the 52. SIMS Conference on Simulation and Modeling, SIMS 2011, Mälardalen U. Sweden. 6. Botheju D., Svalheim, Ø. and Bakke R. 2010. Digestate nitrification for nutrient recovery. The Open Waste Management Journal, Vol. 3, pp. 1-12. 7. Botheju D., Qin Y., Vasdal K. and Bakke R. 2011. Simulation of digestate nitrification based on cow manure. In proceedings of the 52. SIMS Conference on Simulation and Modeling, SIMS 2011, Mälardalen U. Sweden. 8. Chang L., Bo X., and Bakke R. 2009. Biogas from pig manure leachate. Proceedings (Oral Pres.) The International Workshop on Strategy for Anaerobic Biotechnology, Xi an, China: 122-128.. 9. Dinamarca C. and Bakke R. 2009. Apparent hydrogen consumption in acid reactors: Observations and implications. Wat. Sci. Tech. 59, No. 7: 1441-1447. 10. Haugen F., Bergland W., Bakke R. and Lie B. 2010. H2 concentration control of an experimental anaerob biogas reactor. Oral Pres. Venice 2010 Third international symposium on energy from biomass and waste. Venice, Italy. 11. Haugen F., Bakke R. and Lie B. 2011. Mathematical modelling for planning optimal operation of a biogas reactor for dairy manure. Accepted for publication at IWA World Congress on Water, Climate and Energy (IWA-WCE), Dublin, 14 18. May 2012. 12. Jinandasa W., Wakjera E.J. and Bakke R. 2010. Full scale process design for energy recovery from swine manure. Oral Pres. Proceedings. Linnæus Eco-Tech 2010 conf., Kalmar, Sweden. 5
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 6
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) 7
Vedlegg 2 Participants: 1. Høgskolen i Telemark / Telemark University College; http://www.hit.no/ 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. - Sivilagronom Knut Vasdal, a diary farmer for 20 years and a pioneer in develop ecological farming systems, is hosting a project AD pilot at his farm, Foss gard. He has worked on pilot reactor operation and improvements with special focus on cow manure pre-treatment and integration with farm operations. This experience will be applied in the practical implementation of all tasks. - Agronom Sondre Skoglund, hosting a pilot at his farm, has worked on energy efficient pig production for years. He has contributed to pilot reactor design, process integration with farm operations and pig manure pre-treatment. This experience will be applied in the practical implementation of all tasks. - 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. - Post Doc. Deshai Botheju at Telemark University College (Høgskolen i Telemark, Institutt for Prosess-, Energi- og Miljøteknologi) has studied biogas processes for his PhD, master thesis and as research scientist. His on-going Post Doc 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. 8