Biogaspotentiale som vedvarende energikilde

Transkript

1 2013 potentiale som vedvarende energikilde Århus Maskinmesterskole

2 1. Titelblad Titel: Emme: Opgavetype: Uddannelse: Udannelse sted: Fagområde: potentiale som vedvarende energikilde Vedvarende energi Bachelorprojekt Maskinmester Aarhus Maskinmesterskolen, energioptimering Afleveringsfrist: 16/12/2013 Forfatter: Studie nr: Vejleder: A10575 Jesper Nielsen Sideantal: 47 Normalsider á 2400 tegn 25,8 Bilagsantal: 2 Signatur Side 2 af 53

3 2. Abstract The study addresses the overall efficiency of an biogas plant and the possible energy level in Denmark. The plant that is being used in this study is Foulum biogas plant which is part of AU Foulum research facilities. Their main area of research is focused on agriculture. The reason of this study is that the Danish Parliament concluded on 22 of March in 2012 an energy policy agreement for the period The agreement will ensure the energy policy direction towards 2050, where the government aims to be 100% supplied from renewable energy and still have high security of energy supply. Denmark has committed itself to shift their production of energy, for a more renewable energy source. In 2020 the final energy production has to be 30 percent renewable energy. This is done partly to counteract the concerning greenhouse effect caused of carbon monoxide release. Problem formulation. Which energy potential has the biogas as a renewable energy source in Denmark? Experience has been formed on basis of measurements on site, available documentation and information through talks with the site manager on Foulum biogas plant. I have reached the conclusion based on my analysis that the energy potential for biogas as an energy supply is around 1/10 of the total energy needed in Denmark, but the efficiency of the process is relative high. This means that biogas can t stand alone as energy supply but as stabiliser for renewable energy supply, it has great potential. can store energy over long period of time and use it when needed, because of low energy production from other renewable energy sources as wind, sun or waves. Side 3 af 53

4 3. Indhold 1. Titelblad Abstract Indledning Valg af emme Problembeskrivelse Problemstilling Problemformulering Afgrænsning Metode Empiri Vedvarende energi AU - Foulum Anlægsbeskrivelse AU - Foulum Gerelleralle krav til biogasanlæg i Danmark sens biologiske proces Procesparametre for et biogasanlæg som vedvarende energikilde Teoretiske maksimal gasproduktion Analyse af Energibalance Summering af energibalanceanalyse Resultat af energianalyse Analyse af biomasse i Danmark Energiforbrug i Danmark Livscyklus af biomasse Side 4 af 53

5 8.3 Hvilke potentiale er der oplyst for biomassen Konklusion Perspektivering Efterskrift Ordliste Bibliografi Bilag Bilag Side 5 af 53

6 4. Indledning 4.1 Valg af emme Jeg er igennem uddannelsen til maskinmester blevet interesseret i teknologier, der er med til at forbedre miljøet. Vi har arbejdet med behandling af spildevand, varmepumper og vedvarende energikilder. Jeg synes især at sammenspillet med biologiske processer og teknologi var spændende, som spildevandsrensning og biogas. Da jeg bor i Viborg undersøgte jeg mulighederne for at komme i praktik indenfor dette område på et af de omkringliggende steder. Her fandt jeg AU - Foulums biogasanlæg, og efter en hurtig snak med driftslederen fik jeg en praktikplads. Jeg havde et vellykket og spændende praktikforløb, hvor jeg både indgik i den daglig drift af anlægget, samt blev involveret i et spændende projekt. Projektet omhandlede forskning i opgradering af biogassen, hvor det amerikansk firma, Electrochaea, stod bag. Efter praktikforløbet ville jeg gerne undersøge, hvilken betydning biogas har, og hvad det kan bidrage med til det danske samfund, og derfor faldt emnet på biogas. 4.2 Problembeskrivelse Folketinget indgik den 22. marts 2012 i en energipolitisk aftale for perioden Aftalen skal sikre den energipolitiske retning frem mod 2050, hvor det er regeringens mål at være 100 % forsynet fra vedvarende energi og stadig have en høj forsyningssikkerhed. Danmark har forpligtet sig på at omlægge deres produktion af energi til en mere grøn linje. 30 % af den endelig energi skal være grøn inden Dette gøres blandt andet for at modvirke drivhuseffekten, som varsles til at blive den kommende globale krise. Der er også et ønske om en stabil energiforsyning, når de fossiler brændstoffer slipper op. For at fremme denne proces, har den danske stat givet tilskud til forskellige grønne teknologier som vindmøller, solceller, biogasanlæg osv. Dette gøres så private virksomheder har mulighed for at drive rentable anlæg, da der kræves forskning i udbedring af teknologier til optimering af driften, så de kan være bærende energikilder i fremtiden. På et tidspunkt i forløbet skal det vurderes, hvilke grønne energiløsninger der er holdbare for Danmark, hvorefter der skal lægges fokus på dem. I vurderingen af biogas er der både et energiog miljøpotentiale der kan udnyttes. Miljøpotentialet omhandler bl.a. bearbejdelse af gylle, som giver mindre kvælstofudvaskning, mindre lugtgener og nedsænkning af drivhusgasser. Yderligere kan restproduktet bruges til erstatning for handelsgødning og bedre udnyttelse af vores affald, hvil- Side 6 af 53

7 ket er et stort politisk emme her i Derfor har de politiske beslutninger om miljøet og håndteringen af organiskaffald en stor betydning i forhold til, om biogas bliver en succes. 4.3 Problemstilling For at bestemme omfanget af energipotentialet i biogas, skal man finde det samlede energiudbyttet for biogas. Det kræver en sammenholdning mellem, hvor meget energi der kan udnyttes med den nuværende teknologi, samt mængden af biomasse der er til rådighed. Derudover skal det også undersøges, om fremtidige teknologier muligvis kan øge energiudbyttet. Dette medfører beregninger, der kan afgrænse de forskellige omkostninger ved produktion af biogas, så der kan gives en vurdering af mulig nedsættelse af et energiforbrugende område. Alt dette skulle gerne medføre en mulighed for at sammenligne nøgletal med andre energikilder. Herved kan man sammenligne driftsomkostningerne, størrelsen af anlægget, anlægsprisen, samt hvor man får mest energi af en investering. 4.4 Problemformulering Hvilket energipotentiale har biogas, som en vedvarende energikilde i Danmark? 4.5 Afgrænsning Denne opgave sigter mod at skabe et grundlag for en vurdering af, hvor stort et energipotentiale der er i udnyttelsen af bioenergi i biogasprocessen, samt hvordan den kan være med til at skabe en stabil vedvarende energiforsyning i fremtiden. Til energiberegningerne tages der udgangspunkt i biogasanlægget i Foulum, der hører under Aarhus Universitet. I vurderingen af den samlede energimængde i form af biomassen, ses der kun på den samlede biomasse, der er til rådighed i Danmark. Der er en lang rækker parametre, som har indflydelse på, hvordan biogassen udnyttes optimalt. De aspekter som der ikke tages hensyn til i vurderingen er f.eks. Miljømæssige fordele (fx med at sænke CO2 samt metan og lattergas udledning) Økonomiske fordele eller ulemper Der vil dog blive inddraget miljøaspekter i den overordnede gennemgang af biogasanlægget og processen, da det er nødvendigt for forståelsen af interessen i biogasanlæg. Der vil ikke blive fortaget dybdegående beskrivelse af de biologiske processer, da dette er et nyt fagområde og den begrænsende tid i praktikken gør, at en tilfredsstillende forståelse af emmet ikke er muligt. Side 7 af 53

8 Der er flere forskellige typer af biogasanlæg, men i denne opgave, vil der kun være fokus på CSTR (Continously Stirred Tank Reaktors), da det er den mest almindelige type i Danmark. Energibalancen medregner ikke energiforbruget til vedligehold, da dette er meget vekslende fra anlæg til anlæg. Denne opgave omhandler energiforbruget til selve processen. Foulums biogasanlæg er bygget op som et kommercielanlæg og er et af de anlæg, der har størst erfaring med at tilføre energiafgrøder og andre typer af biomasse i reaktoren for at øge biogasproduktionen. Derfor medtages der kun beregninger fra dette anlæg. 4.6 Metode I dette afsnit beskrives der, hvilke fremgangsmetoder der vil blive brugt for at få besvaret problemformuleringen. Først redegøres der for Foulum biogasanlægs opbygning. Dette gøres så læseren har en fornemmelse af de processer og data, der er til rådighed og som skal bruges i energiberegningerne. Derefter fortælles der grundlæggende om den biologiske proces samt kvælstof- og kulstofcyklus, som skal give en generel forståelse af kompleksiteten af biogasproduktionen. Efterfølgende laves der energiberegninger på biogasanlægget, som skal udmunde i nøgletal der skal kunne beskrive netto- og bruttoenergiproduktionen samt inddele anlægget i afgrænsninger med generelle processer. Alle data og viden der er nødvendig for beregningerne kan tilegnes igennem det tilhørende SCADA system, da det er meget omfattende på grund af, at anlægget bruges til forskning. Der selv blevet vurderet en fasevinkel forskydelse til beregningerne. Alle målinger vedrørende tiden som er brugt i beregningerne for hver proces er fortaget manuelt, enten ude på anlægget eller på SCADA systemet. Til vurderingen af den samlede biomasse der er til rådighed til energiproduktion, vil der tages udgangspunkt i en undersøgelse fortaget af Foulum forskningscenter og Aarhus Universitet. Seniorforsker Henrik Møller har udarbejdet en undersøgelse af implementeringen af energiafgrøder, hvor formålet med rapporten var at klargøre, hvordan tilføjelsen af energiafgrøder til biogasreaktoren vil påvirke energibalance, samt hvilken type afgrøder der vil give mest biomasse i Norden. Der vil også blive brugt andre artikler udgivet på internettet for at verificere mængden af biomasse til rådighed i Danmark. Der hentes data fra Danmarks statistik for at få indblik i Danmarks energiproduktion og energiforbrug, samt andelen af vedvarende energiproduktion. Side 8 af 53

9 4.7 Empiri Dette afsnit beskriver, hvordan viden og erfaringer er blevet tilegnet. anlæggets opbygning og funktion er erhvervet gennem tilhørende SRO-programmering, samt samtaler med driftsleder Mogens Møller Hansen. Han anses for at være en pålidelige kilde, da han har mange års erfaring med drift af biogasanlæg. SRO-programmet giver mulighed for at få alle logget data, på alle målepunkter, igennem hele anlæggets levetid. 4.8 Vedvarende energi Rapporten skal omhandle potentialet af en vedvarende energikilde. Definitionen på en vedvarende energikilde her i rapporten er fundet ved hjælp af to definitioner. Der fundet en definition på, hvad en vedvarende energikilde er og en definition på, hvad en bæredygtig udvikling er, da ideen bag vedvarende energi er, at den skal være bæredygtig i al evighed. Definition af vedvarende energi: naturlige energiformer, som kan udnyttes, samtidig med at de vedligeholder sig selv (Den store danske) Definition af bæredygtig udvikling: Ifølge den mest anvendte definition på bæredygtig udvikling er der hermed tale om "en udvikling, som opfylder de nuværende generationers behov uden at bringe fremtidige generationers muligheder for at opfylde deres behov i fare", dvs. at vi skal sørge for, at den vækst, vi har i dag, ikke er til fare for de kommende generationers vækstmuligheder (Definition fra EU-lovgivning) Side 9 af 53

10 4.10 AU - Foulum Billede 1, Luftbillede af Foulum Forskningscenter (Aarhus Universitet) AU Foulum er en del af Aarhus Universitet med beliggenhed Øst for Viborg. De huser store dele af universitetets forskning i fødevarer og jordbrug. Forskningsemnerne omfatter husdyr, planter, fødevarer, økologi, bioenergi, miljø, klima, jord, genetik og teknologi. Centret er hjemsted for Institut for Husdyrvidenskab, Institut for Agro økologi, samt forskergrupper fra Institut for Fødevarer, Institut for Molekylærbiologi og Genetik, samt Institut for Ingeniørvidenskab. Mange aktiviteter ved AU Foulum er rettet mod problemstillinger i samfundet og udføres i samarbejde med Fødevareministeriet eller andre offentlige myndigheder. Andre aktiviteter retter sig mod problemstillinger i jordbrugs- og fødevareerhvervet og udføres i samarbejde med virksomheder eller brancheorganisationer. En betydende del af forskningen er grundforskning, som udføres i internationalt samarbejde. Der er ca. 700 ansatte på AU Foulum, hvoraf de 400 er forskere og ph.d. studerende. Herudover er der ansat laboranter, landbrugsmedarbejdere, forsøgsteknikere og administrativt personale. (Aarhus Universitet) Side 10 af 53

11 5. Anlægsbeskrivelse AU - Foulum Billede 2 Teknisk tegning af biogasanlægget AU Foulum er verdens største biogasanlæg til forskningsformål. Det blev grundlagt i Det benyttes af forskere og virksomheder fra ind- og udland og til projekter inden for biogasproduktion. Anlægsprisen var på 25 millioner, hvorefter der er bygget en åbne hal til et faststofdoseringsanlæg. Materialerne der bruges til biogasproduktionen kommer fra Foulums egne marker og gårde. Det består hovedsagligt af gylle og dybstrøelse samt majsensilage, halm og enggræs. Gyllen pumpes hovedsagligt fra de nærliggende gårde, men en del transporteres med gyllevogne. Energiafgrøderne og dybstrøelse transporteres med lastbil eller traktor og lagers på en plads lige ved siden af anlægget, hvorefter anlæggets egne læsser kan hente det. Gyllen lagers i en Fortank. Ved siden af fortanken er der to mindre fortanke som bruges til fedt, som har været biprodukt fra diverse processer. På grund af fedts gode egenskaber er prisen steget, og det bruges derfor ikke mere på anlægget. Gyllen pumpes nu ind i et Doseringsmodul, hvor det varmes op til et fyldende setpunkt alt efter temperaturen i reaktoren, det bliver ca. opvarmet til 52 grader, som er den eneste varmekilde til reaktoren. Det gøres for at kompensere for den relativ kolde biomasse fra fastdoseringen. Det er muligt at tilføre faststof til doseringsmodulet ved hjælp af en Faststofindføder, men den bruges kun som ekstra kapacitet til weekenden. Grunden til det er, at der er blevet bygget en ny hal, hvor der er opført to faststofanlæg. Den ene er en fast del af biogasanlægget, mens den anden er et forsøgsanlæg. Det faste system består af en Biomikser og Ekstruder. Det andet system består af en Briketpresse, Hammermølle og Opriver. Det faste system fungerer på den måde, at Side 11 af 53

12 bio-mikseren, som er et stort kar med tre vertikale knive, opriver diverse halmbalder og ensilage, hvorefter det ved hjælp af transportbånd ledes til ekstruderen. Efter det er blevet ekstruderet transporters det til toppen af reaktoren, hvor en snegl presser det ned under væskeoverfladen. Det andet system starter med at halm- eller græsballer placeres på et transportbånd. Herefter ledes det ind i en opriver, og ved hjælp af en kompresser suges det igennem en hammermølle, hvor det slås i små stykke. Luften adskilles fra halm og græs i en cyklon, hvor luft kommer ud i toppen igennem posefiltre. Halmen og græsset falder ned i bunden af cyklonen, hvor et transportbånd leder det hen til briketpressen. Briketpressen bruger to snegle til at presse halmen og græsset sammen, hvorefter et stempel skubber det ud igennem en cylinder, så briketten formes som et langt rør. Det ledes nu via en kølebane hen til transportsystemet fra ekstruderen og kommer på den måde ind i reaktoren. Briketpresseanlægget kan klare et tørstofindhold ned til omkring 70 % og har en kapacitet på ca. et tons i timen. Ekstruderen kan håndtere, at tørstofindholdet kommer ned omkring 55 % og har en kapacitet på ca. 1,3 tons i timen. Reaktoren er en tank der er total isoleret med en volumen på 1200 m 3 og som er konstant omrørt af en stang placeret i midten med to monteret propeller. Biomassen har ca. 16 dages opholdstid i reaktoren. Den daglige produktion svarer til ca m 3. Den producerede gas ledes sammen med slammet ind i en Efterlagringstank og herefter ind i en anden tank. Her kan slammet afgasse ved delvis omrøring, inden det pumpes ned i en lagune, hvorfra landmændene kan hente deres andel til udspredning på markerne. Et af formålene med efterlagringstankene er, at teoretisk opholder noget af biomassen sig 16 dage i reaktoren, men da reaktoren omrører konstant bliver noget af det nye biomasse taget ud, før det har været i reaktoren i 16 dage. Derfor ønskes det, at man opfanger noget af gassen i efterlagringstankene. Gassen fra efterlagringstankene ledes til en Gasmotor som producerer el og varme, men her forinden skal det først igennem en Gasrenser, som fjerner svovl fra gassen, da det er meget skadeligt for motoren. Efter gasrenseren føres gassen ind i en Gaskøler for at fjerne vandindholdet, da det ellers vil samle sig som kondens i røret op til gasmoteren. Gassen førers op til gasmoteren ved hjælp af en Gasblæser igennem et rørsystem til et nærliggende varmekraftværk, hvor motoren er placeret. Decantercentrifuge bliver kun brugt til forsøgsprojekter. Side 12 af 53

13 5.1 Gerelleralle krav til biogasanlæg i Danmark. I Danmark har man vedtaget bekendgørelsen: Projektering og drift af biogasanlæg. Her stilles der krav til drift og etablering af et biogasanlæg. Dette er gjort for at sikre sig en ordenligt kvalitet på biogasanlæggene i Danmark. Formålet med vejledningen er: at oplyse om krav til nye anlæg at foreslå forbedringer til eksisterende anlæg. (retsinformation, VEJ nr 9922 af 01/02/2002 ) Kravene kommer af, at der på biogasanlæg er risikofyldte aktiviteter som der stilles krav til fra brandmyndighederne og fra Elektricitetsrådet. Nogle biogasanlæg hører også ind under bekendgørelsen om Kontrol med arbejdesmiljøet ved risiko for større uheld med farlige stoffer. Energistyrelsen har sammensat en taskforce på baggrund af energiaftalen den 22. marts 2012, som skal undersøge og understøtte de konkrete projekter for at sikre biogasudbygningen frem mod Formålet med Taskforce er at undersøge: 1. Om biogasudbygningen foregår, og fremover kan forventes at foregå, i et tempo og på en måde, der lever op til de politiske forventninger og mål. 2. Hvilke barrierer, herunder finansielle, der evt. fortsat findes for udbygningen af biogas, og hvordan de kan overvindes. 3. Hvordan den konkrete indpasning af biogas i energisystemet kan foregå - teknisk, organisatorisk mv. 4. Hvilke mulige roller biogas kan spille i energisystemet på længere sigt. 5. Hvilke nye politiske initiativer, der kan være behov for, for at indfri politiske mål på området på kort og lang sigt. (Energistyrelsen) Side 13 af 53

14 6. sens biologiske proces Produktionen af biogas er en biologisk proces bestående af forskellige bakterier der nedbryder det organiske materialer i reaktoren. Nedbrydningen sker under anaerobe forhold i fire hovedtrin, hvilket er vist i Figur 1. De fire trin er Hydrolyse, Fermentation, Acetatdannelse og Metanogense. Den følgende gennemgang af processerne er en overordnet gennemgang. I Hydrolysen nedbrydes stoffer som proteiner, kulhydrater og fedtstoffer til aminosyrer, sukker og langkædede fedtsyrer. Dette gøres af specialiserede bakterier som udskiller en række specifikke enzymer, der katalyserer nedbrydningen, der foregår ekstracellulært, dvs. uden for bakteriecellen i den omgivende væske. Cellulose og hemicellulose er langkædede kulhydrater som findes i planter. Planter danner lignin til beskyttelse af disse langkædede kulhydrater og er praktisktaget ikke mulig at nedbryde biologisk. Derfor omsættes kun ca. 40 % af cellulosen og hemicellulosen i svinegylle. På grund af lignin og andre lignende komplekse molekyler nedbrydes organiske stoffer i husdyrgødning og andre substrater derfor kun til omkring %. Fermentation, også kaldet syredannelsen, udnytter produkterne fra hydrolysen og danner eddikesyre ca. 50 %. 20 % bliver til kuldioxid og brint, mens de sidste 30 % bliver til VFA er (Volatile Fatty Acids), hvilket er forskellige fedtsyrer som er til stede i fedtstoffer. Nedbrydningen af VFA er er ofte en begrænsende faktor for biogasprocessen, da bakterierne der nedbryder VFA er har en lav væksthastighed så en større mængde fedt giver en øget risiko for en forsuring af processen, som har en hæmning 1 af bakterierne i processen. Acetatdannelse (Acetogenesis) fasen laver substrater 2 til metanogense, da der er nogle stoffer fra fermentationsfasen som metanogense bakterierne ikke selv kan omdanne til metan. Hoveddelen af det der bliver dannet er eddikesyre(acetat). Metanogense fasen er det sidste led, hvor to typer bakterierne danner hoveddelen af Metan. Den ene fra eddikesyre, og den anden bakteriekultur laver metan fra brint og kuldioxid, som henholdsvis står for ca. 70 og 30 % af metanproduktionen. Bakterierne i denne fase har den laveste vækst- 1 Hæmning betyder at processen på virkes negativt endte, (endogene) stoffer dannet i processen, eller (eksogene) udefrakommende forhold. 2 Substrat er affaldsstof fra bakterierne i en fase, men føde til den næste fases bakterier Side 14 af 53

15 hastighed. Kun en 1/5 væksthastighed af de syredannede bakterier, og derfor bliver de den begrænsende faktor for, hvor hurtigt processen kan forløbe. Figur 1, Skematisk fremstilling af den anaerobe udrådningsproces. (Ellegaard/BWSC & Rena Angelidaki/DTU, 2009) 6.1 Procesparametre for et biogasanlæg De parametre der er vigtige i en biogasproduktion er: Anaerobt miljø Temperatur Surhedsgrad(pH) Substrat Findeling Tørstofindhold C/N forhold Omrøring Næringsstoffer Organisk belastning Temperaturen har en vigtig rolle i biogasproduktionen. Generelt forløber biokemiske processer hurtigere jo højere temperaturer. De biogasbakterierne der bliver brugt i processen afhænger af, hvilket temperaturniveau man bruge i reaktoren. Bakterietyper eller stammer bestemmes af, om man kører processen i det psykrofile (0 20 ), mesofile (15 45 ) eller termofile (40 65 ) niveau. Fælles for bakterierne er, at de bliver hæmmet ved svingende temperaturer. De metafile bakterier tåler to graders udsving, hvor de termofile bakterier kun tåler ½ grads udsving. Side 15 af 53

16 Styringen af Surhedsgraden er vigtig, for selvom metanbakterierne lever af organiske syrer kan de ikke overleve i et surt miljø. Processen forløber bedst ved en ph-værdi mellem 6,5-8. Gyllebaserede anlæg ligger omkring 8-8,3, da mediet har et højt indhold af ammonium. Substrat, Findeling og Tørstofindhold har stor indflydelse på hinanden. Substrat er føden til bakterierne og alt efter hvilket forarbejde det har været udsat for, kan nedbrydeligheden øges. Dette har især betydningen, når cellulose og hemicellulose i planter skal frigives fra lignin som praktisktaget ikke nedbrydes biologisk. Bedre findeling af substratet betyder en relativ større overflade, hvorved bakterierne har lettere ved at nedbryde substratet. Hvilket substrat man bruger, og hvor godt det er findelt har betydning for, hvor højt et tørstof man kommer op i reaktoren. Bakterierne kan klare et tørstofindhold på 50 %, men almindelige pumpesystemer har problemer ved tørstofindhold fra omkring 8-10 %. Da biomassen bliver ekstruderet på Foulum, har de kunnet hæve tørstofindholdet til omkring 12 % i reaktoren. Dette skyldes, at efter forbehandling er mediet mere flyende ved de højere tørstofindhold. C/N (kulstof/kvælstof)-forholdet fortæller om næringsstoffer i processen og skal helst være under 30/1. Metanbakterierne har som alle andre organismer brug for makro- og mikronæringsstoffer. De vigtigste makronæringsstoffer består af kvælstof, fosfor og kalium. Der er mange mikronæringsstoffer, men de mest essentielle og deres koncentration er opgivet i Figur 2. Figur 2 Nødvendige mikronæringsstoffer, hvor både for lidt og for meget er skadelig for processen (Peter Jacob Jørgensen, 2009) Organisk belastning fortæller hvor meget organisk materiale en reaktoren kan klare ad gangen. I hydrolysen omdannes simple fedtstoffer til tre mol fedtsyrer og en mol glycerol. Hvis metanbakterierne, som har den laveste væksthastighed ikke kan følge med, bliver hele processen sur. Det samme sker ved tilsætning af store mængder proteiner, hvorved der i hydrolysen dannes store mængder ammonium/ammoniak, hvilket også bevirker en hæmning af bakteriekulturen. Det er derfor vigtigt, at den organiske belastning kommer så jævn som muligt, samt at hvis der skiftes substrat, gøres dette gradvist, så bakterierne kan tilpasse sig de nye forhold. Side 16 af 53

17 6.2 som vedvarende energikilde vurderes til at være en vedvarende energikilde, da den anses for er være kuldioxid-neutral. Den mængde kuldioxid der bliver dannet under forbrændingen er den samme mængde, som bliver optaget under dannelse af biomassen. Princippet for cyklussen kan ses herunder i ligningen, som er regnet med standard entalpi ved 298 kelvin og 1 atm. Organiske materiale opbygget ved hjælp af fotosyntese: (CH 2O = C 6H 12O 6 / 6 = Glukose) I nedbrydning af det organiske matetriale sker følgende: Ved forbrænding af metan udnyttes energien. (Prof. Dr.-Ing. Dieter Deublein, 2008) Det kan ses af ligning, at startproduktet er kuldioxid samt vand, og at slutproduktet er kuldioxid samt vand. Cyklussens tidslængde afhænger af den givne biomasses levetid. Det vil sige, at cyklussens tid for halm er omkring et halv til et helt år. For træ kan det være flere år. Denne cyklus er også gældende for olie i undergrunden, men da tidshorisonten for denne cyklus er millioner af år anses olie ikke for at være en vedvarende energikilde. Side 17 af 53

18 er en vedvarende energikilde, da resursen/grundlaget for grøn energi er biomasse der er fornyelig. For at den kan være fornyelig er der visse ting, der skal være tilstede. Dette er næringsstoffer, som tidligere nævnt makro og mikro. Der er i billede 2 vist tre cyklusser for makronæringsstoffer; kvælstof, kulstof og fosfor. Fælles for de tre cyklus er, at de kan ende i havet eller vandområder. Det er i disse områder, hvor beplantningen kan være med til at opsamle næringsstoffer, som kommer fra udvaskning fra marker. Disse planter vil oftest indeholde relativt store mængder vand, hvilket biogasprocessen er god til at håndtere. Når restproduktet fra biogasanlægget spredes, tilføres markerne ekstra kvælstof og fosfor, og dette gør, at det er muligt at erstatte handelsgødning. Andre fordele er, at der vil blive mangel på fosfor i fremtiden, så genvinding af fosfor vil blive aktuelt i fremtiden. En begrænsning af næringsstoffer tilstede i vandløb vil også forbedre miljøet, da det kan være med til at begrænse opblomstring af alger om sommeren som skaber iltsvind i floder og søer, der dræbe livet i vandmiljøet. Billede 3, Cyklus for kvælstof, kulstof og Fosfor. (Nutrient Cycles For Educational & School Use) Side 18 af 53

19 6.3 Teoretiske maksimal gasproduktion I 1930 blev Buswell ligningen opfundet af Buswell og Boyle. Den giver et teoretisk maksimal gasudbytte baseret på kemisk sammensætningen af substratet. Der udregnes mulig metan udbytte baseret på mol/glukose og mol/palmitinsyre(fedt). Figur 3 Buswell ligningen Udregningerne kan findes i Bilag 2. I Figur 4 er der vist et eksempel på et typisk metan udbytte, der vil forekomme ved en biogasproces. Figur 4, Typisk metan udbytte, ved forskellige organisk stoffer. STP (standard værdi ved 0 C og 1 atm.) (Peter Jacob Jørgensen, 2009) Når der kigges på virkningsgrader for gas udbyttet af biomasse, måles den producerede gasmængde og sammenholdes med massen, hvorefter tallene sammenlignes med det fundne resultat fra Buswell ligningen. Side 19 af 53

20 7. Analyse af Energibalance Dette afsnit skal redegøre for energibalancen på AU Foulums biogasanlæg. Ud fra energibalancen skal det være muligt at vurdere sandsynlige nøgletal for både bruttoenergiproduktion og nettoenergiproduktion. Det giver også mulighed for at få et overblik over energiforbruget på anlægget, og dermed en indsigt i muligheder for besparelse, samt evt. ændring der kan øge energiproduktionen. processen på anlægget er blevet delt op i trin, som kan ses i oversigtstegningen i bilag 1. Der vil her efterfølende være en gennemgang af de enkelte trins energiforbrug og en gennemgang af, hvilken betydning energiforbruget har for processen, og hvordan man muligvis kunne sænke energiforbruget. Energiforbruget bliver regnet over en periode på 16 dage, da det er den teoretiske hydrauliskes tid der er i reaktoren, hvilket svar til en cyklus for biomassen. Den samlede masse der bliver tilført reaktoren er 80 tons, 63 tons gylle og 17 tons biomasse. Der vil til sidst i afsnittet være en opsummering af alle energiforbrugene. Biomassen 3 består af gylle, samt mange forskellige typer af organiske materialer. Energiforbruget for de organiske materialer i dette trin er meget komplicerede, da indholdet af energi varierer fra høst til høst, da der er så mange processer der kræver energi undervejs. En mere dybdegående gennemgang af biomassen kommer under afsnittet: Samlet biomasse i Danmark. I dette afsnit er der hovedsageligt fokus på energiforbruget: Energiforbrug Biomasse: Pløjning Harvning Såning af korn Udkørsel af husdyrgødning skårlægning Mejetærskning (snitning af halm og presning af halm) hjemkørsel af biomasse Energiforbruget for en hektar er udregnet i projektet Økologisk energi (MERKUR) og er vurderet til at være 89 L diesel. Diesel har et energiindhold på 35,9 MJ/L hvilket giver et samlet energiforbrug på 35,9 MJ/L 89 = 3,2 GJ. Dette energiforbrug gør sig gældende for energiafgrøderne, da de dyrkes udelukkende på at lave energi i f.eks. en biogasproces. Det bliver meget sværere at kortlægge 3 Ord markeret med sort er et afgrænset energitrin, som kan findes i oversigtstegningen. Side 20 af 53

21 energiforbruget, når man kigger på halm og gylle, fordi arbejdet med at fjerne gyllen fra stalden og høsten af halmen er processer, der skal gøres alligevel, selvom de ikke bruges i biogasprocessen. Det antages derfor i rapporten, at energiforbruget for gylle først starter i trinnet transport, det betyder ved afhentning af gyllen fra gårdens gylletank. For halm og græs antages det, at energiforbruget starter ved transporten fra marken til laden, hvilket Økologisk Energi projektet har sat til 9 liter diesel. Det svarer til et energiforbrug på 9 L 35,9 MJ/L = 323 MJ. Et punkt som ikke er medregnet endnu er energiforbruget på fremstilling af kunstgødning, men da biomassen kommer fra restprodukter fra andre processer, medtages det ikke i det samlede energiforbrug som resten af energiforbruget fra markarbejdet. AU Foulum biogasanlæg bruger ca. 17 tons biomasse i døgnet fordelt gennemsnitlige således; 11-8 tons græs, 6-3 tons halm og 8-4 tons majs. På 16 dage bliver det. Det betyder, at der skal bruges 78 hektar mark, for at dække biomassen der er nødvendig (1), da en mark med enten halm eller enggræs gennemsnitlig leverer 3,5 tons pr, hektar. (Uffe Jørgensen, 2008). Det samlede energiforbrug for marken bliver da 25 GJ (2). 1) 2) Energiforbruget til Transport består af fragten mellem gyllens og biomassens oprindelsessted til det aktuelle biogasanlæg. Der antages, at længden mellem biogasanlægget og biomassen er 15 km, da der tages udgangspunkt i en rapport fra IFRO (Brian H. Jacobsen, 2013). Det kan ses i Figur 5, at for hver km man fragter et ton, bliver der brugt 0,013 liter diesel. Dette gør sig gældende for gylle, men da halm og græs presses i baller, er det kun muligt at pakke lastbiler med 12 tons pr. læs (Skøtt, 2011). Det kræver derfor 23 læs(3) at fragte de 272 tons biomasse. Figur 5, Brændstofforbrug ved gylletransport (MERKUR) Side 21 af 53

22 De 2,55 km/l omregnes til L/km. Det giver 0,34 L/km(4). Der ganges med to for at medregne vejen tilbage. Det giver et samlet energiforbrug der, for 272 tons biomasse på 340 liter diesel, svarer til 12 GJ (5). Til intern transport på anlægget bruges en truck, som har en et ugentligt forbrug på 60 L diesel, hvilket svarer til et forbrug på 648 kwh. 3) 4) 5 For gylle kan der regnes med de 0,013 liter diesel for hvert km ton der fragtes. Det giver et samlet energiforbrug på: 6) 7) De forløbene beregninger har været på energiforbruget før anlægget. Grunden til at der regnes på energistrømninger uden for anlægget skyldes, at hvis biogas skal anses som en vedvarende energikilde er det nødvendigt, at kulstofkredsen og næringsstofferne bliver en komplet cyklus, så antagelsen om vedvarende energi stemmer overens med det forklarede i indledningen af rapporten. Det vil sige, at som en energikilde, skal den kunne udnyttes samtidig med, at den er fornyelig ved hele tiden at leverer det brugte, kulstof og næringsstoffer, tilbage til naturen. Dette bidrager restproduktet fra biogasreaktoren og planternes fotosyntese til. Derved bliver der dannet ny biomasse. En anden løsning for transport af gyllen er pumpning af gyllen i rør fra landmanden til biogasanlægget. Nogle biogasanlæg har allerede forbindelser af rør til de nærmeste landmænd, og andre biogasanlæg er ved at undersøge mulighederne ved rørforbindelser. Der er ikke kigget på denne løsning på grund af mangel på veldokumenteret data. De efterfølgende beregninger forgår nu på anlægget i Foulum. Side 22 af 53

23 Fortanken består af beton samt et låg af beton. Der er installeret en omrører til at gøre gyllen mere håndterbar, til når den skal pumpes ind i doseringsmodulet. Omrøreren kører 15 min. efter hvert 60 min., hvilket medfører 19,2 starter pr. døgn. Det samlede energiforbrug bliver 1053 kwh. Tilhørende fortanken er der to pumper koblet i redundans for at sikre driften af anlægget. Pumpernes opgave er at pumpe gyllen ind doseringsmodulet. Energiforbruget til pumperne er 172 kwh. Figur 6 Cormall er en faststofindføder der kun bruges i weekenden for større kapacitet. Den består hovedsagligt af to store snegle i bunden af en aflang beholder, som fører biomassen hen til en lidt Figur 7 Side 23 af 53

24 mindre snegl, der presser biomassen ind i doseringsmodulet. Den kører 9 gange fredag, lørdag og søndag á 10 min. Det samlede energiforbrug bliver 202 kwh. Doseringsmodulet består af en behold med en omrører, en snitter og et varmelegeme koblet til biogasanlæggets varmesystem. Energiforbruget til varmelegemet er aflæst på måler tilhørende doseringsmodulet, og er aflæst til 340 kwh for en batch. Der er 9 batch om dagen. Snitteren er en pumpe med indbygget knive til findeling. Omrøreren er den samme type som i reaktoren med en stang i midten med to propeller monteret i forskellige højder. Det samlede energiforbrug for Doseringsmodulet er beregnet til 50,5 MWh. Energiforbruget er beregnet ud fra en udetemperatur på 8 grader. Ved lavere temperaturer, vil der sker en større afkøling af gyllen og vil derfor kræve et større varmebehov i doseringsmodulet. Der regnes ikke nærmere på dette, da 8 grader anses som en rimelige middel temperatur mellem sommer og vinter. Figur 8 Side 24 af 53

25 Reaktoren er i princippet en stor rådnetank, hvor der kun er brug for bevægelse i mediet, så bakterierne kan finde frem til det organiske materiale. Det eneste energiforbrugende apparat i reaktoren er derfor kun en stor omrører. Da processen frigiver lidt varme, som fortalt tidlige i afsnittet biologiske processer, samt at reaktoren er isoleret med 200 mm Isover glasuld, og en minimum tankfundament på 90 cm, bestående af beton, grusfyld og sandfyld, er den eneste varmekilde der er nødvendig, varmen fra doseringsmodulet. Udtømningen af reaktoren forgår via to pumper der kobles således, at der er redundans, hvis den ene skulle gå i stykke. Intervallet mellem udpumpningerne er 90 min, hvorefter den sænker væskeniveauet til 12 m inde i reaktoren. Dette tager gennemsnitlige 16 min. Energiforbruget for reaktoren er 3,3 MWh. Figur 9 Efterlager er to tanke af beton med to omrører placeret i hver. Omrørerne er monteret dels for at gøre slammet mere håndterbart, når det skal pumpes ned til afhentning og dels for at undgå, at der kommer flydelag på overfladen af slammet fra reaktoren, så den sidste producerede mængde gas ikke blive frigivet i efterlaget og opfanget. Energiforbruget er 14 MWh. En løs beregning med data fra SCADA systemet viste d. 27. december, at biogasproduktionen fra reaktoren var 4977 m 3, og forbruget for gasmoteren og gaskedleren var 5603 m 3. Det betyder, at produktionen fra efterlaget er 626 m 3. Med en nedre brændværdi på 5,18 kwh/m 3 på biogassen og et scenario, hvor den samme gasproduktion fra efterlaget sker i 16 dage, giver det et energiniveau på m 3 5,18 kwh/m 3 52 MWh. Det betyder, at det godt kan betale sig at bruge det store energiforbrug i efter- Side 25 af 53

26 laget, men hvis man havde en større opholdstid i reaktoren, ville dette udbytte falde alt efter længden. Figur 10 Gasrenseren indeholder et system der sprøjter væske ud over gassen, indeholdende kemikalier der opfanger svovlen i røgen og binder den i væsken. Væsken kan nu renses yderligere eller i visse tilfælde ledes tilbage til efterlageret. Herved returneres svovlen til marken og planter. Energiforbruget er 958 kwh. Figur 11 Gaskøleren er nødvendig, da gassen er varm og derved indeholder en del vand, som skal fjernes inden det sendes ud i rørsystemet. Gassen køles ned til 4 grader. Energiforbruget er 1903 kwh. Figur 12 Gasblæseren forøger trykket, så det kan sendes op til gasmotoren på det lokale kraftværk. Energiforbruget er 2318 kwh. Side 26 af 53

27 Figur 13 Gasmotoren er den typiske forbruger af gas produceret af biogasanlæg, hvor der igennem elproduktion og udnyttelse af varmeenergi i røggassen kan opnås virkningsgrader på omkring 85 %. I Foulum er der installeret både en gasmotor og en kedel til at lave el og varme til Foulum forskningscenter. Der vil ikke blive lavet yderligere beregninger af gasmotoren, da det er selve energiproduktion der er i fokus. Figur 14, Oversigt over faststofanlægget Faststofanlægget består af tre komponenter, som skal sørge for at halm- og græsbalder, dybstrøelse og majsensilage bliver forbehandlet, inden det indføres i reaktoren. I Danmark kører man termofileproces, hvilket oftest betyder korte opholdstid i reaktoren, for Foulum 16 dage. Figur 16, Forskel i metan udbytte af ekstruderet biomasse og ikke ekstruderet biomasse, over en periode på 28 dage. Figur 15, Forskel i metan udbytte af ekstruderet biomasse og ikke ekstruderet biomasse, over en periode på 90 dage Side 27 af 53

28 Det kan i Figur 15 og Figur 16 ses, at det ekstra energiudbytte, der kan opnås ved ekstrudering af biomassen er ved henholdsvis en batchtid på 28 og 90 dage. Forsøget er udført på små batch, så de kan ikke direkte overføres til stor skala, men det er rimeligt at konkludere, at der et potentiale ved relative kort opholdstid i reaktoren, hvilket også er skyld i, at anlægget er blevet implementeret på Foulum. Biomikseren er den første station for biomassen, der skal ind i reaktoren. Den består af et stort kar med tre opriver i bunden. Dens opgave er findele de forskellige faststoffer, så ekstruderen kan håndtere dem. Energiforbruget er 6,2 MWh. Figur 18 Figur 17 Ekstruderen har til opgave at knuse ligninbindingerne i biomassen, så det er lettere nedbrydelig for bakterierne i reaktoren. Energiforbruget er 6,4 MWh. Transportsystemet består af 3 transportbånd og en snegl, hvorefter det til sidst presses ned under væskeoverfladen ved hjælpe af en ny snegl. Energiforbruget er 3 MWh. Figur 19 Side 28 af 53

29 Energiproduktion måles af to føler placeret på røret til motoren og røret til intern biogaskedler, derved fås den producerede mængde fra efterlageret også. I SRO programmet er det muligt at finde energiproduktionen fra forskellige perioder på 16 dage og produktionen over et år, for at se variationen af produceret energi. Energiproduktionen er beregnet til 395 MWh eller 1,3 TJ, hvis det ganges op, så det passer med produktionen for et år, får man 29 TJ. Det betyder, at det kræver næsten 1800 af Foulum biogasanlæg for dække 50 PJ som mangel, før Danmark dækker 30 % af det endelig energiforbrug med vedvarende energiproduktion. Niveauet er fundet igennem SCADA systemet, hvor det er muligt at få måling for hvert 5 sekundet af flowet. Dette har givet målinger, hvorefter der blevet beregnet en middelværdi i Excel. Den fundne middelværdi er 182,3 m 3 /t. Der er herefter multipliceret med antallet af timer på 16 døgn, = 384. Dette giver en produceret mængde på m 3. Da inputtet i reaktoren mest består af kulhydrat kan det ses i Figur 4, at indholdet af metan er 50 % af den producerede gas, hvilket også svarer til det, der er blevet målt på måleudstyret i laboratoriet tilhørende biogasanlægget. Nettoenergiproduktionen er beregnet til 308 MWh, hvilket giver en virkningsgrad på omkring 78 %. 7.2 Summering af energibalanceanalyse Denne analyse havde til formål at belyse, hvilket forventet udbytte man vil opnå af biomassen tilført Foulum biogasanlæg. Strømværdierne brugt i beregningerne er øjebliksværdier, hvilket giver unøjagtigheder i forhold til beregningerne, som har en tidsperiode på 16 dage. Målingerne er målt med en almindelig tangamperemeter som også medfører unøjagtigheder, men det tages ikke med i beregningerne, da størrelsen vurderes til at være ubetydelig i forhold til unøjagtighederne fra strømmålingerne. Energiforbrugene til biomassen og transport er vurderet ud fra fundne rapporter. processen fungerer bedst ved en kontinuerlig og stabil proces, derfor kører driften næsten altid ens. Det er derfor begrænset, hvor meget strømværdierne vil ændre sig fra måling til måling. Derfor vurderes det, at de samlede unøjagtigheder ligger inden for 10 %. Målingen af produceret gasmængde er målt af måleudstyr, der kompenserer for temperatur og tryk. Derfor antages visningen af normalkubikmeter for at være troværdig. Energiforbrugene inddeles i forbehandling, produktion, efterbehandling, faststofdosering og transport. Forbehandling dækker over energiforbruget til gylle før det kommer ind i reaktoren. Produktion indeholder energiforbruget i reaktoren, samt energiforbruget i efterlaget. Efterbehandling indeholder energiforbruget fra efterlaget til gasmotoren. Side 29 af 53

30 Faststofdosering rummer alt energiforbruget til håndtering af fast biomasse til indførelsen i reaktoren. Transport trinnet omhandler både energiforbruget internt som eksternt. 7.3 Resultat af energianalyse De vigtigste uddrag fra beregningerne vil nu blive gennemgået. Det kan ses ud fra Figur 22, at den største forbruger er forbehandling, og især varmeforbruget som står for 49 MWh ud af de 52 MWh. Når man ser på det samlede energiforbrug på 96 MWh betyder det, at varmebehovet står for ca. 50 % af forbruget. Det må derfor antages, at Foulum biogasanlæg vil have meget at spare ved at udnytte restvarmen i slammet der pumpes væk fra efterlageret. Det kan ses, at det kræver en stor indsats for at når en optimal udnyttelse af biogas i Danmark. Der skal etableres omkring 1800 anlæg af størrelsen som Foulum for at nå 50 PJ. Dette er ikke et niveau som Danmark er i nærhed af. Den nuværende produktion ligger på 4-5 PJ, det kræver omkring dobling af anlæggene i Danmark, om dette er muligt inden 2020 er nok ikke realistisk, men nok nærmere i Figur 20, Oversigt over størrelserne af energiforbrugene på anlægget. (Forfatters eget arkiv) Side 30 af 53

31 Figur 21, Procentandele af forskellige forbrug. Transportandelen udgør næsten 10 % af de samlede omkostninger og er forudsat ved optimale forhold. I praksis vil den post sandsynligvis blive højere medmindre der implementeres nyere lastbiler i fremtiden, som har en bedre driftsøkonomi. Den samlede virkningsgrad for anlægget bliver 76 %. Dette er et udmærket udgangspunkt for en energiforsyning, men de mangle ting som der ikke er taget højde for i denne rapport er energiforbrug til: vedligehold, lys, varme til personale, styringen(scada system). Til sammenligning er virkningsgraden for udvinding af olie ca. 82 % (IPIECA). Figur 22, Oversigt over størrelserne af energiforbrugene på anlægget. (Forfatters eget arkiv) Side 31 af 53

32 8. Analyse af biomasse i Danmark Dette afsnits formål er at belyse den energimængde der er til rådighed i biomasse produceret i Danmark. Yderligere vil det af analysen fremgå, hvilke typer af biomasse der produceres i Danmark og hvilke alternative muligheder der er. Dette gøres for at kunne vurdere energimængden, samt energiforsyningssikkerheden fra biomasse i fremtiden. Figur 23, Det korrigeret bruttoenergiforbrug har taget højde for brændsel til udenrigshandel og vejrmæssigt udsving i forhold til et normal år Der blev angivet en ugyldig kilde. 8.1 Energiforbrug i Danmark Regeringens mål er, at i 2020 skal 30 % af energiforbruget være dækket af vedvarende energi. Det kan ses på Figur 23, at energiforbruget har ligget omkring 800 PJ, hvilket vil sige at andelen der skal dækkes af vedvarende energi er. I Tabel 1 kan det ses, at i 2012 var 23 % af energiforbruget dækket af vedvarende energi. Den øgede energiproduktion Tabel 1, Vedvarende energi andel af samlet forbrug Der blev angivet en ugyldig kilde. fra vedvarende energi der er nødvendig for at dække 30 % er: medfører., hvilket Side 32 af 53

33 Det kan ses ud af Figur 24, at biogas udgør en meget lille del af den samlede mængde produceret vedvarende energi. Dette kan skyldes, at biogas før i tiden mest er blevet brugt på gårdanlæg, fordi landmændene havde nogle miljø og økonomiske fordele ved at behandle gyllen. De fleste af disse anlæg blev oprettet i 80 erne og 90 erne, hvor der var meget fremgang i biogas. Der blev også oprettet kommercielle anlæg, men på grund af dårlig økonomi blev det ikke en succes. I det senere år er det på grund af tilskud fra politisk side igen blevet interessant at drive biogasanlæg, og der opleves en stor fremgang på området. På nuværende tidspunkt dækker biogas ca. 0,5 % af energiforbruget, hvilket ca. svarer til 4 PJ. Det vil betyde, at den nuværende energiproduktion fra biogas skal forøges over 12 gange dens nuværende produktion, for at dække de 50 PJ. Figur 24, Produktion af vedvarende energi fordelt på energivarer Der blev angivet en ugyldig kilde. Figur 25, Forbrug af vedvarende energi Der blev angivet en ugyldig kilde. Da afbrænding af træ anses som en vedvarende energikilde er nettoenergiudbyttet af importeret træflis, træpiller, osv. medregnet. Det betyder, at hvis Danmark skal være selvforsynende, skal der findes næsten 50 PJ ekstra. Derfor er det vigtigt, at der sker en udvikling i grønne energikilder som f.eks. biogas. Materialet til biogas er organisk materiale, derfor har det stor betydning for energiudbyttet, hvor meget areal der er til rådighed i Danmark. Fordelingen af arealet i Danmark kan ses i Tabel 2. Tabel 2, Fordeling af areal i Danmark Der blev angivet en ugyldig kilde. Side 33 af 53

34 Da tallene er fra 2008 kan en realistisk antagelse være, at det bebyggede areal er vokset siden, og at der derfor er ca. 80 % til rådighed af arealet. Der er i Tyskland lavet en vurdering af, hvor meget af biomassen det er muligt at udnytte. Det kan ses i Figur 26 Figur 26, Inddeling af forskellige udnyttelsesgrader af biomassen i Tyskland, teoretiske, tekniske, økonomiske og den generelt accepteret udnyttet mængde biomasse. (Prof. Dr.-Ing. Dieter Deublein, 2008) En af grundene til forskellen mellem det tekniske potentiale og økonomiske potentiale er at noget af energipotentialet er bundet i lavbundsarealer. Dette skyldes det bløde underlag, der gør det umuligt eller besværligt at bruge de normale høstmetoder. Det vil betyde, at der skal opfindes nye maskiner til disse områder, som har denne samme effektivitet som nuværende høstmetoder med store mejetærsker og traktorer. I disse områder er det organiske materiale bundet i planter som enggræs og kløver, hvilket er materialer med et højt vandindhold. Den bedste og næsten eneste måde at udnytte energipotentialet på, er ved en biogasproces som nemt kan håndtere materialer med højt vandindhold. Lignende vurdering af det danske areal er også nødt, før der satses 100 % på biogasproduktion. Der er udarbejdet en rapport fra Aarhus Universitet om energipotential fra biomasse, hvor de har udledt energipotentialer ved forskellige scenarioer, som kan ses i Tabel 4. De har vurderet, at det er muligt at gå fra et nuværende niveau på 49,6 PJ til et niveau på 146,8 PJ. De scenarier der er interessante for biogas er energiafgrøder som, halm, græs og husdyrgødning. Det giver et samlet energipotentiale på 9, ,8 + 3,9 + 5,1 + 20,2 +2,5 = 110,6 PJ. Det uafhængige rådgivende firma Planenergi har udarbejdet en lignede rapport om potentiale i danske kommuner (Olesen, 2011) Tabel 3, hvor de er kommet frem til forholdsvis ens tal. De har vurderet energipotentialet til 81 PJ uden energipotentialet fra halm. Side 34 af 53

35 Der vil nu blive kigget på en overordnet Livscyklus af de overstående biomasser for til sidst i afsnittet, at kunne vurdere sandsynligheden for de opgivet potentialer. Tabel 3, Energipotentiale i PJ fra Planenergi (Olesen, 2011) Tabel 4, Nuværende udnyttelse af biomasse til energi i Danmark samt et scenario for øget udnyttelse (Uffe Jørgensen, 2008) Side 35 af 53

36 8.2 Livscyklus af biomasse Det er forholdsvis nemt, at beregne det samlede energipotentiale af biomassen på en hektar mark efter høst. Det kræver en vejning af biomassen, samt en analyse af brændværdien i forhold til vandindholdet. Livscyklus er en analyse der følger energiforbruget fra vugge til grav, hvilket betyder energiforbruget på alle tænkelige ting der indgår i processen lige fra såningen til høsten. Der er udarbejdet en rapport med fokus på analysen af livscyklusenergiforbruget for energiafgrøder. Dette er gjort for at kunne se udbyttet af at tilføre energiafgrøder til biogasprocessen. (Henrik B. Møller, 2008). Derefter vil der blive kigget på husdyrgødning, enggræs og halm. Tabel 5,Det samlet energiforbrug fra såning af frøerne til energien er udnyttet på kraftværket (Henrik B. Møller, 2008) Side 36 af 53

37 Figur 28, Energiudbytte for de forskellige energiafgrøder (Henrik B. Møller, 2008) Figur 27, energiforbrug for de forskellige energiafgrøder (Henrik B. Møller, 2008) Det kan ses i Figur 27, at markarbejdet og gødning har en lige så stor andel af energiforbruget som energiforbruget på biogasanlægget. En af grunderne til det meget svingene energiforbrug til gødning, for de forskellige energiafgrøder afhænger af plantetypen, og hvor godt planten udnytter fotosyntesen. Den normale metode hedder i kolde lande C3, men i de varme lande findes der en C4 fotosyntese. En af de C4 planter, som kan gro i Danmark er elefantgræs (Mischantus, latinsk navn), hvoraf man også kan se, at den bruger mindre gødning end de fleste andre. En af fordelene ved biogas er, at næringsstofferne i processen bevares og har stor værdi som gødning. Der er i rapporten ikke regnet på energiforbruget for transport, lagring og udspredning af restproduktet fra biogasprocessen. Dette er ikke gjort, da det antages i rapporten, at energiforbrug er det samme, uanset om man vælger at genbruge biomassen eller handelsgødning. Energiforbruget til handelsgødning er vist i bunden af Tabel 5. Det kan ses, at det er kvælstof, der er den mest energikrævende, men der er mulighed for et betydeligt større energiforbrug ved udvindingen af fosfor, da det anses, at verdens forsyning af fosfor vil blive udtømt om år (HedeDanmark). Energiforbruget til udvinding af fosfor vil forøges, da de mest tilgængelige steder efterhånden vil blive udtømt. I fremtiden kan en rigtig håndtering af næringsstofferne derfor have en stor betydning for stabiliteten af biogas som en vedvarende energikilde. I det tilfælde at Danmark vælger at satse på energiafgrøder som en del af energiforsyningen i fremtiden, kan det derfor være vigtigt, at man vælger den Side 37 af 53

38 rigtig type af energiafgrøder. Der er i rapporten Manure and energy crops for biogas production undersøgt forbruget af næringsstofferne, som ligger til grund for nedenstående tabeller. Tabel 6, Elefantgræs.. 1 og 2 er forskellen på dårlig og god jord. DM står for dry matter, tørstof. VS står for organisk Tabel 7, Majs. 1 og 2 er forskellen på dårlig og god jord. DM står for dry matter, tørstof. VS står for organisk Tabel 8, hvede. 1 og 2 er forskellen på dårlig og god jord. DM står for dry matter, tørstof. VS står for organisk I tabellerne 6-8 ses forskellen på de forskellige planter og deres forbrug af næringsstoffer, kvælstof, fosfor og kalium. Det kan her ses, at Elefantgræs som bruger fotosyntesen C4 bruger færre næringsstoffer end de to andre. Elefantgræs kan derfor komme til at spille en væsentlig rolle i fremtiden. Der er fra politisk side vedtaget en Grøn-vækst plan der fastslår, at 50 %t af husdyrgødning skal udnyttes inden Husdyrgødning er et restprodukter, som skal håndteres selvom det ikke udnyttes til biogasproduktion. Det kan derfor argumenteres for, at energiforbruget først starter, når husdyrgødningen skal transporteres væk fra gylletankene hos landmændene. I det tilfælde hvor returslammet fra biogasanlægget bruges som erstatning for handelsgødning bidrager det til en positiv virkning på energibalancen. Dette kan ses på Figur 29, som er konklusionen i rapporten Konsekvensanalyse af forbrænding af husdyrgødning (Petersen, 2011). Figur 29, Samlet årlig realiserbart energipotentiale ved forbrænding hhv. biogasanvendelse af fiberfraktion Side 38 af 53

39 Tallene er baseret på energien i fiberfraktionen fra separationen af 25 % af gyllen i Danmark. Der er i søjlen med biogasproduktion også medregnet de 75 % ubehandlet gylle. I rapporten er der en kommentar til beregning af potentialet, hvor det fremgår, at der også er andre ting, der bør medregnes, hvilket er: Energibetragtninger for såvel biogas som forbrænding bør/skal ses i en bredere sammenhæng end blot nettofrigivelsen af energi. Energiforbrug til f.eks. processerne og transport bør indregnes, ligesom energiforbruget til ændret/øget handelsgødningsforbrug i princippet bør indregnes. Der nævnes et eksempel med kvælstof. Tabet af kvælstof er ca. 10 kg total-n pr. ton. Af den indvundne energi kan der således produceres ca. 5 gange så meget kvælstof i handelsgødning, som der tabes ved forbrændingen. Ud fra det kan det konkluderes, at der er 20 % tab af energi ved forbrænding af fiberfraktionen, da denne mængde energi skal bruges til at lave nyt handelsgødning. Der også et tab i form af tabt fosfor, da det er bundet i aksen fra forbrænding, men det kan stadig udnyttes, hvis aksen løber igennem en regenereringsproces. Dette er imidlertid energikrævende. Dette taler for at udnytte husdyrgødningen i biogasanlæg, hvor både kvælstof og fosfor går uskadet igennem processen og kan erstatte handelsgødning på den anden side af processen. Enggræs indeholder en del potentiale både direkte og indirekte, da det hovedsaglige findes i lavbundsarealer, hvor der på grund af udvaskningen findes relativt store mængder kvælstof og fosfor, som kan føres tilbage til markene ved høstning af arealerne. Det er tidligere nævnt, at disse energisparende foranstaltninger kan gå lige uden med transporten af biomassen. Dette var antaget på baggrund af arealer på højsbundarealer. Problemet med lavbundsarealer er, at de normale maskiner for det meste er for tunge til disse områder. Dette vil kræve et forhøjet energiforbrug til høstning af arealerne. Halmen er et restprodukt, som skal håndteres, selvom det ikke udnyttes til biogasproduktionen. Der kan derfor argumenteres for, at energiforbruget først starter, når halmen skal transporteres væk fra marken. Næringsstoffer bevares i halmen, selvom halm udnyttes i biogasprocessen, der er derfor de samme fordele som fortalt tidligere. Høstmetoderne til halm er blevet optimeret og gennemprøvet op gennem årene og er forholdsvis energieffektive. Side 39 af 53

40 8.3 Hvilke potentiale er der oplyst for biomassen For hvert scenarie er der tiltag og antagelser, der nødvendige for, at det kan blive en realitet. En af de største tiltag er at omlægge 15 % af kornmarkerne til energiafgrøder, hvorved der findes et energiudbytte på PJ. Deres antagelse for energiudbyttet er baseret på en nedre brændværdi på 16 GJ/Ton, da de regner med et vandindhold på 50 %. De har herefter beregnet sig frem til en samlet biomasse og multipliceret de to tal, hvorefter de er kommet frem til PJ. Det potentiale jeg vurderer der er tale om kan sammenlignes med potentialet for olien i undergrunden, før man har lavet boringen, bearbejdelsen og transporten af olien til tankstationen. Det endelig energiudbytte fra biomassen vil derfor svinge betydeligt efter, hvilke teknologier man bruger til at udvinde energien med. Yderligere er der energiforbruget til markarbejdet og kunstgødningen. Derfor må det antages at det oplyste energipotentiale i energiafgrøder på PJ ligger et betydeligt niveau under det oplyste potential. Det vides ikke, hvor meget energi der kan hentes ved at erstatte handelsgødningen med returslammet fra biogasanlægget, men som tidlig nævnt anslås det til at kunne dække energiforbruget til transporten af biomassen. Halmpotentialet er oplyst til 26,8 PJ. Ved forbrænding vil man på kort sigt kunne udnytte næsten hele potentialet minus energiforbruget til transport og på forbrændingsanlæg. På længere sigt kan det blive svært at argumentere for, at det er en vedvarende energikilde, da den ikke vil være en fornyelige proces, da der i længden vil blive mangel på næringsstoffer og kulstof i jorden. Dette er ikke denne samme situationen for biogas, da biogasprocessen netop er med til at skabe grundlag for, at biomassen er fornyelig. Energipotentialet for græs kan blive svært at realisere, da det nogle steder kan være svært at høste græsset med et acceptabelt energiforbrug. På den anden side er der meget at hente i at genvinde nogle af de næringsstoffer, som er gået tabt på grund af udvaskning fra markerne. Der er et stort potentiale i husdyrgødning, og det er fra politisk side i grønvækstpakken også bestemt, at udnyttelsesgraden af husdyrgødningen skal være 50 % inden Dette giver mening, da det er et restprodukt, som under alle omstændigheder skal håndteres. Derfor vurderes nettoenergiproduktionen for biomasse at ligge i størrelsen 80 PJ i stedet for 110 PJ. Det betyder i procent at ændring er 110/ = 14 % 80/ = 10 % ændring på 4 %. En 1/10 af energiforbruget er ikke en relativ stor andel, men biogasproduktionen har den fordel, at den kan lages og gemmes over en lang periode. Det vil sige, at de perioder hvor der er overskud af energi fra vind-, sol- og bølgeenergi kan gassen gemmes. Når der så er energimangel fra de Side 40 af 53

41 andre energikilder kan gassen brændes af. Dette vil give en bedre mulighed for en stabil grøn energiforsyning for Danmark. Side 41 af 53

42 9. Konklusion Hvilket energipotentiale har biogas, som en vedvarende energikilde i Danmark. I henhold til problemformuleringen er energibalancen for et biogasanlæg blevet undersøgt i forhold til råvaregrundlaget for biogasproduktion. Der er lagt vægt på, at som energikilde skal den være baseret på bæredygtig udvikling, plus være en stabil fremtidig vedvarende energikilde. Dette er sket på baggrund af regeringens energipolitiske beslutning d. 22. marts 2012, hvor der er et ønske om at skabe grobund for en udvikling af grønne teknologier til at sikre en bæredygtig energiforsyning, som samtidig er stabil i fremtiden. Det fremgår af analysen, at virkningsgraden for et biogasanlæg er relativ høj, men en betydelige faktor er, om der er varmegenvinding på anlægget. Varmen stod for 50 % af energiforbruget. Der er ikke blevet fokuseret på vedligeholdelse i rapporten, så selvom at energiforbruget til diverse pumper og maskine ikke har haft så stort en andel af energiforbruget kan stabiliteten af anlægget afhænge meget af, hvordan slitagen påvirker anlægget i form af driftsstop, samt energi- og økonomiskeomkostninger forbundet med vedligeholdelse. Transporten af biomasse kan have stor betydning for energiforbruget, samt om der bruges effektive transportmidler. Der er i analysen regnet med en kørsel på 15 km, hvilket vil kræve en del anlæg, hvis hele Danmark skal dækkes af biogasanlæg, hvor biomassen ikke transporteres mere end 15 km. Transportenergiforbruget i analysen er beregnet til ca. 10 %, hvilket er beregnet på en kørsel af biomassen på 15 km og med effektive køremidler i form af lastbiler i stedet for traktorer. Da det er urealistisk, at disse betingelser kan opfyldes i hele landet vil energiforbruget til transport sandsynligvis stige set på landsplan. På den anden side kan der argumenteres for, at udviklingen af bedre køremidler vil mindske energiforbruget af transport af biomassen. Analysen af biomassen i Danmark viser, at energiforbruget ligger omkring 800 PJ, hvilket ikke er et urealistisk niveau i fremtiden. Analysen har vist, at biomassen måske kan komme til at dække 10 % af det samlede energiforbrug, og derfor kan biogassen langt fra stå alene. En vigtig faktor er også vurdering af, hvilke typer biomasse der skal dyrkes i Danmark, da det vil kræver en betydeli- Side 42 af 53

43 gere større belastning af jorden på de danske dyrkningsarealer. Derfor kan det blive vigtigt, at der findes en type afgrøder der bruge minimalt af næringsstofferne. Fordelen ved biogas er, at den kan gemmes uden betydelige tab og bruges senere. Dette er ikke muligt for de andre grønne energikilder, og derfor kan biogas blive en vigtig faktor i fremtiden, hvis der skal opnås en 100 % grøn energiforsyning, som stadig er stabil. På nuværende tidspunkt er Danmark i en udviklingsfase og er i gang med at optimere energiforsyning, og der kan biogas være med til at skabe en bæredygtig udvikling, da den er med til at forbedre miljøet i form af mindre lugtgener, nedsættelse af sygdomsfarlig bakterier, mindske udvaskning fra marker, og nedsættelse af drivhuseffekten. Der blive også opnået bedre udnyttelse af biomassen samt bibeholdt vigtige næringsstoffer i miljøet. Side 43 af 53

44 10. Perspektivering Forløbet hos Foulum Forskningscenter har givet indblik i, hvad der i fremtiden kan forventes af biogas teknologier. Der er 4 emmer, som jeg har synes der her været rigtig spændende. Det er: - Electrochaea - REnescience - Blå biomasse - Struvit udnyttelse Electrochaea er et datterfirma fra en amerikansk forskningstænketank. De har fundet en gren af archaea bakterier som ved 60 grader og anaerobe forhold kan spalte kuldioxid og hydrogen til metan. Deres idé bygger på, at overskudsenergi fra processer skal bruges til hydrogen og oxygen i en brændselscelle, hvorved at varmen fra brændselscellerne udnyttes til procesvarme eller fjernevarme. Oxygen bruges til rensningsanlæg eller gemmes på flaske til andet formål. Hydrogenet tilføres bakterierne sammen med biogassen, hvorefter de kan hæve metan indholdet til 100 %, hvorefter det kan sendes på naturgasnettet som SNG ( Synthetic natural gas ). Når der står Bio foran, er det fordi, det er fremstillet fra vedvarende energikilde som fx vindmøller. Ud over at der fremstilles metan dannes der også vand fra processen, dette har gjort at teknologien også har fået opmærksomhed fra tørkesteder på kloden. Fordelen med bakterierne er, at de producere varme under processen, så hvis de er godt isoleret kan de holde deres temperatur på 60 grader. Der dannes heller ikke biofilm i rørene, og da de kan holde til at komme igennem en centrifugalpumpe gør det processen meget vedligeholdelsesfri. Hvis der ses bort fra energiforbruget til brændselscellerne kan energiforbruget til at hæve metan indholdet fra 50 % til 100 % gøres for under en 1/10 af, hvad det koster at lave de første 50 % i en kubikmeter biogas. REnescience er et projekt fra Dong, hvor der i sammenarbejde med Novo Nordisk er udviklet enzymer til at udtrække organiske materialer fra affaldsprodukter fra husstande og lignende affaldsprodukter. Det organiske materiale skal så sendes til afgasning i biogasreaktorer. Dette vil øge energipotentialet for biogas, men det vil også bevirke en meget bedre håndtering af affald i Danmark. Under mit forløb hos Foulum forskningscenter havde de kørt forsøgene med afgasning af væsken med de organiske materialer. De var nu i gang med at køre forskellige forsøg med separation af væsken for at se, hvilken type centrifugalmaskine der kunne give den største andel tørstoffraktion. De ville undersøge muligheden for at udnyttet det i et forbrændingsanlæg eller sprede det ud på markerne efter en behandling. Side 44 af 53

45 Blå biomasse indebærer dyrkelse af alger, som derefter kan bruges som biomasse i de samme processer som energiafgrøder. Alger er vandlevende organismer, der ligesom planter lever af fotosyntese. Ved fotosyntesen omdannes CO2og vand til sukkerstoffer og ilt ved hjælp af solens energi. Ligesom planter har alger udover CO2, vand og lys brug for næringsstoffer (især kvælstof og fosfor) og vitaminer. Alger inddeles på baggrund af deres størrelse og kompleksitet i makroalgerog mikroalger. Markroalger blive også kaldet tang og er en flercellet organisme. Mikroalger også kaldet planteplankton er encellede organismer. Der er udarbejdet en rapport fra Aarhus Universitet, hvor de har baseret et scenario på 0,1 % udnyttelse af EEZ af Danmark til dyrkelse af en sommer- og vintertype makroalger som giver et udbytte på 1,3 PJ Tabel 9, Potentielle miljøgevinster ved dyrkning af tons makroalger (tørvægt). (Rasmussen, 2010) En fordel ved blå biomasse er, at en stor procentdel af udledning af kvælstoffer og fosfor kan føres tilbage til markene. Der mangles dokumentation på, hvad overdyrkning af alger vil have af betydning for havmiljøet omkring Danmark. Struvit skaber problemer, når der laves varmegenvinding på biogasanlæg. Problemet opstår når der sker en nedkøling af gyllen, hvorefter der sker dannelse af en belægning i rørene, som er struvit. Belægningen blokerer rørene, som fører til omfattende rensning af varmevekslerne. Der er meget forskning i udfældning af struvit, da potentialet for struvit som gødning er stort, da det indeholder store mængder fosfor. Derfor anses det, at struvitproblemerne i fremtiden kan omsættes til noget positivt, hvilket vil have en stor betydning for energibalancen ved biogasprocessen. Disse tiltag vil øge biogassens evner til at virke som en stabilisator for andre vedvarende energikilder. Det skaber også yderligere en mulighed for, at producere overskudsenergi fra andre vedvarende energikilder som derefter kan lages i biogassen og gemmes til senere brug. Dette kan måske blive en af de vigtigste grunder til at udvide produktion af biogas i Danmark. Side 45 af 53