Mekanisk forbehandlingsmetoder og rentabilitet af halm Mekanisk forbehandling af halm til biogasproduktion i biogasanlæg

Transkript

1 Mio. kg Mekanisk forbehandlingsmetoder og rentabilitet af halm Mekanisk forbehandling af halm til biogasproduktion i biogasanlæg Halmproduktion i Danmark Geografisk fordeling af overskudshalm Forbehandling af halm Anlægstyper Økonomisk vurdering Halmproduktion i Danmark Den samlede halmproduktion skønnes at være omkring 6,244 mio. ton pr. år ekskl. frøgræshalm. Forbruget af halmen fordeler sig på følgende områder: Tabel 1: Halmproduktion Danmark i Mio kg Halm i alt inkl. raps og bælgsæd Anvendt til energi(afbrænding) Anvendt til foder Anvendt til strøelse Ikke udnyttet Kilde: Danmarks Statistik, HALM1 Geografisk fordeling af overskudshalm Det interessante spørgsmål er, hvor der på nuværende tidspunkt er et halmoverskud? Ifølge Danmarks Statistik er det største overskud på Sjælland med en overskudsmængde på omkring 770 mio. kg, efterfuldt at Nordjylland og Østjylland med en overskudsproduktion på omkring 550 mio. kg for hvert område, jf. figur 1 og 2 samt bilag 1. Figur 1: Halmproduktion og overskudsandel, ,00% 70,00% 60,00% 50,00% ,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Kilde: Danmarks Statistik, HALM1 Produktion Overskud Pct. overskud

2 Mio. kg Figur 2: Anvendelse af halmproduktionen, Energi Foder Strøelse Overskud Kilde: Danmarks Statistik, HALM1 Sammenlignes overskudsproduktion af halm med placeringen af biogasanlæggene, viser det sig at Sjælland godt kunne bruge nogle flere biogasanlæg, der kan udnytte halmen. På Fyn bygges der i skrivende stund to ny store anlæg, der kan anvende halmen i biogasproduktionen, hvilket vil reducer overskuds produktionen. For Sønder- og Østjylland er der flere nye anlæg på vej bl.a. i Vojens og Kliplev, der kan aftale halmen. Der er forholdsvis mange biogasanlæg i det vest- og midtjyske hvor der i forvejen ikke er det store overskud af halm, hvilket kan medfører at området hurtig kan stå i den situation, at der ikke er noget overskudshalm. Placering af fællesanlægget er vist på figur 5 under bilag. Mekanisk forbehandling af halm Forbehandling betragtes som en nødvendighed, hvis man vil bruge halm til biogas. Overordnet er der fire typer forbehandling: mekanisk, termisk, kemisk og enzymatisk/biologisk. Alt efter den anvendte teknologi giver forbehandling af halm til biogas en eller flere af følgende fordele: Lettere opblanding af halmen i reaktortanken - det undgås, at den flyder oven på. Øget adgang for de gasproducerende bakterier til halmens kulstof, dermed reduceres den optimale opholdstid i reaktoren. Der kan årligt udrådnes større mængder, og resultatet er en øget produktionseffektivitet for biogasanlægget. Det er endnu uklart, om de forskellige metoder forkorter udrådningstiden lige meget. Nogle forbehandlingstyper reducerer halmvolumen (brikettering, pelletering og formaling). Hvis forbehandlingen sker hos halmleverandøren, kan transportomkostningerne evt. reduceres. Evt. kan der sideløbende produceres briketter eller piller til salg. 2

3 Forbehandlingstyper På nuværende tidspunkt er de mest kendte mekaniske forbehandlingstyper på markedet følgende: Kædeknuser Hammermølle Extruder Briketter Halmsnitter Kædeknuser Kædeknuseren er en relativt simpel konstruktion, hvor metalkæde roterer rundt og findeler det materiale, der i kammeret. Billede 1 Eksempel på kædeknuser Kædeknuserprincippet er ikke af ny dato. Teknologien er udviklet af affaldsindustrien, der anvender kædeknusere til bl.a. at knuse metalaffald og f.eks. hårde hvidevarer. De biogasanlæg, der har opstillet en kædeknuser, beretter, at den er fortræffelig til at findele bl.a. dybstrøelse, da den ikke er følsom over for større urenheder som f.eks. murbrokker, sten, metalrør etc. MeWe Gmbh har oplyst, at det kniber med at findele tørt halm. Hvis halmen skal findeles, skal det være fugtigt/vådt og gerne gammelt halm. Fordelen ved kædeknuseren er, at den er konstrueret på en sådan måde, at det er let og hurtigt at udskifte kæden, når den slidt. Hvor ofte kæden skal udskiftes, afhænger af, hvilke materialer der tilføres knuseren. Dybstrøelse med meget sand medfører, at kæden skal udskiftes ca. en gang om ugen. Vedligeholdelsen er billig i forhold til nogle af de øvrige halmfindelere, der er på markedet, se bilag 2. Billede 2: Kædeknuser - X-chopper Billede 3: Kædeknuser - Bio-QZ, skematisk visning 3

4 Hammermølle Hammermøllen anvendes til formaling af produkter til mindre partikler. I processen bliver produktet ført til møllen via transportbånd, snegl eller lignende udstyr med automatisk kapacitetsindstilling ved hjælp af en frekvensomformer. Efter oprivning indføres halmen i en hammermølle. Når produktet falder ned i malekammeret, bliver det delt op i mindre partikler ved rotationen af hamren. Formalingsfinheden og partikelstørrelsesfordelingen for produktet bestemmes af soldet. Afhængig af hvilke produkter der skal males, kan der være et eller to sold. Billede 4: Hammermølle type EUB 8000 UNIT Billede 5: Hammermølle type EUB 4000 Bioenergi Sjælland foretog i 2014 en del laboratorieforsøg, der viser, at der formodentlig ikke dannes flydelag, når halmen neddeles til 2 mm og derunder da den formalede halm opslemmes let. EUROmilling er for øjeblikket i gang med at teste en ny type hammermølle, der specifikt er udviklet til at findele halm til biogasproduktion. Forsøgsresultaterne forventes at være klar i slutningen af Tyske afprøvninger fra 1956 har vist reduceret udrådningstid (10-30 dages udrådning) og højere metanproduktion ved formalet halm (0,1-2 mm) sammenlignet med snittet halm (3 cm). Hvor fint skal der formales? Flere undersøgelser viser, at partikelstørrelsen har betydning for, hvor stort en del af metanpotentialet der kan udnyttes. For byghalm er der eksempelvis fundet forøgelser i metanpotentialet på 19, 41 og 54 % i forhold til ubehandlet halm ved reduktion af snit-/partikelstørrelserne til henholdsvis 50, 20 og 5mm. For hvedehalm var forøgelsen på 57 og 84 % ved reduktion af partikelstørrelsen på den ubehandlede halm til henholdsvis 50 og 2mm. Tabel 2: Øget metanproduktion ved findeling af halm i forhold til ubehandlet halm. Byghalm Hvedehalm 50 mm +19 % +57 % 20 mm +41 % 5 mm +54 % 2 mm +84 % Kilde: Menardo, S., Airoldi, G. & Balsari, P., The effect of particle size and thermal pre-treatment on the methane yield of four agricultural by-products. Bioresource technology, 104, pp

5 Bioenergi Sjælland foretog i 2014 laboratorietest vedr. metanpotentialet af 3 prøver af hvedehalm med forskellige partikelstørrelser; 2mm(sold), 1mm(sold) og 0.5mm(sold), hvor der ikke blev fundet nogen betydelig forskel i metanudbyttet i batchforsøg 1. Bemærk, at der skal skelnes mellem sold- og partikelstørrelse. F.eks. skønner hammermølleproducenten Euromilling, at partiklerne fra et 0,5 mm sold ligger i en normalfordeling omkring 0,3 mm partikler, og hvis soldet er 2,5 mm, vil 98 % af partiklerne være mindre end 2 mm. 2 Tal fra Bioenergi Sjælland og Euromilling A/S viser, at energiforbruget ved formaling af hvedehalm på en hammermølle (Euro 2000) stiger kraftigt, når partikelstørrelsen reduceres. Der er således set en forøgelse af energiforbruget på 68 % ved at skifte fra et 2mm sold til et 1mm sold og hele 264 % ved at skifte til 0.5mm sold. 3 Extruder Ved ekstrudering gennemgår halmen en mekanisk behandling i en kontinuerlig proces. Halmen fodres ind i ekstruderen og transporteres igennem systemet af to snekkeskruer. I løbet af processen bliver materialet blandet, neddelt og opvarmet. Processen bevirker, at halmens fibre og cellevægge bliver revet op, således at sukkerstoffer m.m. bliver mere tilgængelige for de bakterier, der nedbryder sukkeret i biogasprocessen. Teknikken er multifunktionel, idet den kan anvendes til flere forskellige biomasser, da ekstruderen kan forbehandle biomasser med meget forskelligt tørstofindhold, blot tørstofprocenten er mellem 20 og 85. Billede 6: Extruder Foulum Afprøvning Foulum Udfordringen med at behandle halmen i Extruder og de andre behandlingsmuligheder er, at et stigende tørstofindhold kræver øget energimængde samtidig med at behandlingshastigheden falder. Forsøgene, der er udført på Forskningscenter Foulum, viser, at en stigning i tørstoffet fra 40 til 80 % øger energiforbruget fra 20 til 80 kwh pr. ton friskvægt. Tilsvarende forsøg foretaget på Forskningscenter Foulum viser, at gaspotentialet for halm ligger omkring 150 m 3 metan pr. ton halm ved 30 dages opholdstid og omkring 200 m 3 metan ved 60 dages opholdstid. 1 Udrådningsforsøg med formalet halm i forskellige partikelstørrelser - Batchforsøg , 2 Pers. komm. Rasmus Jørgensen, EuroMilling A/S 3 Formalingstest udført hos EUROmilling - 5

6 Ved extrudering er der målt metanudbytter på over 220 m 3 pr. ton halm ved 30 dages opholdstid stigende til 270 m 3 metan ved 90 dages opholdstid. Udfordringen med halm er, at det er for tørt til Extruderen, hvorimod dybstrøelse er mere velegnet. 4 Briketter Træindustrien har i mange år produceret briketter af træspåner og træsmuld. I forbindelse med at biogasproduktion udvikler sig, er der kommet fokus på at anvende halm i biogasproduktionen. For at reducere transportomkostningerne har flere virksomheder og biogasanlæg undersøgt, om det er muligt at lave træbriketter, der så efterfølgende kan blandes op med den øvrige biomasse, f.eks. gylle. Produktionen af halmbriketter foregår i 4 trin: Trin 1: Halmballerne bliver placeret på et transportbånd, der fører ballerne til en opriver. Trin 2: Den oprevne halm føres ind i en hammermølle, der neddeler den yderligere i 1-2 cm stykker. Trin 3: Den findelte halm bliver efterfølgende blæst ind i selve briketteringsmaskinen. Fremstilling af briketter sker ved, at halmstråene komprimeres ved et tryk op til bar. Det får temperaturen i stråene til at stige til omkring 170 grader C. Når stemplet går tilbage, sker der en dampeksplosion, som medfører, at cellerne i strået bliver ødelagt. Teknikken kan kun anvendes til biomasse med højt tørstofindhold, dvs. et tørstofindhold på over 80 %. Trin 4: Briketterne skubbes over på et transportbånd der føre dem til silo eller container. Billede 7: Briketteringsanlæg- Demoanlæg Havndal.Kilde: Inbiom Dobbelt udbytte i biogasanlæg ved anvendelse af halmbriketter Kilde: Inbiom Dobbelt udbytte i biogasanlæg ved anvendelse af halmbriketter Halmsnitter De danske landmænd har i flere år brugt snittet halm til at danne flydelag i gyllebeholderne. Opgaven er ofte udliciteret til maskinstation, der har en mobil halmsnitter. Den mest brugte halmsnitter er af mærket HayBuster, der er produceret i flere kapacitetsstørrelser. Den mest brugte er en Haybuster H-1130, der bl.a. kan tage de store bigballer. 4 Kilde; H.B. Møller, Plantekongres januar

7 Billede 9: Haybuster H-1130, P.S. Machinery I modsætning til de øvrige halmbehandlingsmetoder der anvender elektricitet som energikilde er Haybusteren koblet til en traktor. Enkelte entreprenørvirksomheder har sat snitteren på en blokvogn, hvilket gør anlægget særdeles mobilt og uafhængigt af, om der en ledig traktor på produktionsstedet. Halmsnitteren fungerer ved, at halmen tilføres tromlen enten via direkte læsning eller via fødebord, hvor der kan være flere baller ad gangen. Tromlen doserer til opriverknivene, der kaster halmen ind i snitterhjulet. Bundkæden er hydraulisk drevet og er standardmængdereguleret, således at halmen kommer ind i snitteren med konstant hastighed. Snitterhjulet er forsynet med et eller to sold, der er placeret parallelt. Soldene kan leveres i forskellige størrelser mellem millimeter. Den snittede halm føres enten til en vogn, container eller direkte i blandetanken på et biogasanlæg. Økonomisk vurdering Hvordan er rentabiliteten i de seks viste anlæg? De oplyste indkøbspriser er listepriser, og dertil vil der alt andet lige komme omkostninger til opsætning og evt. til halmbaner, transportbånd etc. De forventede gaspotentialer er de oplysninger, vi har på nuværende tidspunkt, og ikke alle gaspotentialer er lige godt testede i storskalaanlæg. Derfor har vi valgt at lave flere beregninger med varierende gasudbytter. Forrentning, levetid og afskrivninger er holdt konstante i beregningerne. Der er indlagt en prisstigning på 2 % af vedligeholdsomkostningerne, og tilsvarende 2 % stigning pr. år i el- og olieprisen, jf. bilag 2,3 og 4. Til at beregne rentabiliteten er anvendt investeringsprogrammet INVE. Programmet kan hentes på Rentabilitet Rentabilitet er en beregning, der viser, om de samlede indbetalinger er større end udbetalingerne målt over hele investeringsperioden, samtidig med at der tages hensyn til den kapital, der er investeret og tidspunktet for de enkelte betalinger. Figur 3 viser indtjening pr. ton halm for hver af de seks forbehandlingsmetoder. I basisberegningen forudsættes, at de to kædeknusere (X-chopper og Bio-QZ) samt Hay-buster har et gaspotentiale på 200 Nm 3 pr. ton halm, hvorimod de øvrige forudsættes at have et gaspotentiale på 250 Nm 3 pr. ton halm. Ud fra disse forudsætninger viser det sig, at det er briketter, der umiddelbart giver den bedste forrentning. Efterfuldt af hammermøller og extruders. 7

8 kr./ton halm Kr./ton halm Figur 3: Rentabilitet kr. pr. ton halm ved variation i halmpris, metanudbytte og driftstid X-chopper Bio-QZ Hammermølle Extruder Briketter Hay-buster Beregning basis Minus 10 pct. i halmpris 10 pct mindre i metan udbytte Halvering af driftstid Figur 4 viser, hvordan forrentningen bliver, hvis vi gør den antagelse, at gaspotentialet er ens for alle seks behandlingsmetoder. Så bliver det de to kædeknusere, der har den bedste rentabilitet, jf. bilag 4. Som tidligere nævnt, har vi ikke på nuværende tidspunkt tilstrækkeligt med observationer fra biogasanlæggene til at kunne sige, hvor meget gas der produceres pr. ton halm. Det anbefales derfor, at man ved konkrete investeringer foretager beregninger med forskellige gasudbytter for at se, hvor følsom investeringen er. Figur 4: Rentabilitet kr. pr. ton halm pr. år ved ens metan produktion X-chopper Bio-QZ Hammermølle Extruder Briketter Hay-buster Beregning basis Ens metan udbytte 250 m3/ton halm Opsummering Udnyttelsen af halmen til energifremstilling eller biogas er inde i en ny fase, hvor behovet for grøn energi vil stige de kommende år. Derfor er det vigtigt at nye behandlingsformer af halmen bliver udviklet og afprøvet for at finde de mest praktiske og økonomisk rentable anlæg. De ovenfor præsenterede anlæg er alle inde i en fase, hvor der fortsat forskes og udvikles i anlæggene. De investeringstunge anlæg som Extruder, hammermøllerne og brikettering vil givetvis blive anvendt i de meget store biogasanlæg, hvorimod anlæg som X-chopper, Bio-QZ og Hay-buster vil kunne tilpasses 8

9 mindre og mellemstore anlæg. Det betyder, at gårdanlæggene vil kunne øge deres biogasproduktion uden de store anlægsinvesteringer - hvilket alt andet lige vil øge incitamentet til at bruge halm i biogasproduktionen. Bilag 1: Halmproduktion og forbruget af halm inkl. halm fra raps og bælgplanter. Opgørelse for 2014 Landsdel Produktion Energi Foder Strøelse Overskud Nordsjælland 147,8 14,3 17,2 16,4 99,9 Bornholm 98,9 34,1 5,6 1,1 58,0 Sjælland 1.425,6 503,4 86,7 63,2 772,3 Fyn 663,0 227,4 89,8 53,2 292,6 Sønderjylland 1.054,3 135,2 239,9 148,2 531,0 Østjylland 1.019,8 261,7 127,9 77,1 553,0 Vestjylland 801,1 102, ,8 Nordjylland 1.033,3 153,7 204, ,9 I alt 6.243, ,2 958,8 619, ,5 Kilde: Danmarks Statistik, HALM1 Bilag 2: Oversigt for basisoplysninger til vurdering af rentabilitet Type X-chopper Bio-QZ Hammermølle Extruder Briketter Hay-buster Kapacitet, ton pr. time ,5 1,6 5 Kapacitet, ton pr. år Elforbrug min. kwh/ton * Elforbrug max. kwh/ton * El-omk. pr. ton 8,5 29,75 110,5 93,5 63,75 66* Anlægspris Scrapværdi (10 %) Vedligehold kr. pr. ton 5,00 5,00 15, ,00 Metanproduktion pr. ton halm Nm Bemærk, at der er tale om dieselforbrug og priser på dieselolie eksklusiv afgifter. Kilde: X-ergi, MeWe, EUROmilling, H.B. Møller, Aarhus Universitet, Inbiom, P.S.Machinery Bilag 3: Økonomisk forudsætning for beregninger Metanpris, kr. pr. Nm3 5 Halmpris, kr. pr. ton 500 Rente, % 5 Driftstimer pr. dag 10 Levetid, år 10 Afskrivninger pr. år, % 10 Elpris pr. kwh, kr. 0,85 Dieselpris pr. liter, kr. 6 9

10 Bilag 4: Indtjening pr. ton halm, kr., beregnet ud fra oplysninger i bilag 2 og 3. Type X-chopper Bio-QZ Hammermølle Extruder Briketter Haybuster Basisberegning % mindre i metanudbytte Plus 5 % i anlægsomkostninger Minus 10 % i halmpris Plus 10 % i halmpris Halvering af driftstid Ens metan udbytte 250 m3/ton halm Tallene er afrundet til hele 10 kr. 10

11 Figur 5: Oversigt over biogasproducerende anlæg 11