Intern rapport. Anvendelse af halm i biogasanlæg og muligheder for at øge energiudnyttelsen A A R H U S U N I V E R S I T E T

Transkript

1 Intern rapport Anvendelse af halm i biogasanlæg og muligheder for at øge energiudnyttelsen Henrik Bjarne Møller A A R H U S U N I V E R S I T E T Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet DJF M ARKbrug nr. 8 M ARTS 2 7

2 DJ F I NTERN R A PPORT M A R K b r u g n r. 8 M A R T S 2 7 Anvendelse af halm i biogasanlæg og muligheder for at øge energiudnyttelsen Henrik Bjarne Møller AARHUS UNIVERSITET Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet Institut for Jordbrugsteknik Schüttesvej Horsens Interne rapporter indeholder hovedsagelig forskningsresultater og forsøgsopgørelser som primært henvender sig til DJF medarbejdere og samarbejdspartnere. Rapporterne kan ligeledes fungere som bilag til temamøder. Rapporterne kan også beskrive interne forhold og retningslinier for DJF. Rapporterne koster i løssalg: Op til 5 sider: pr. stk. DKK 55,- Over 5 sider: pr. stk. DKK 85,- Over 75 sider: pr. stk. DKK 11,- Henvendelse til: Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Postboks 5, 883 Tjele Tlf.: Tryk:

3

4 Indholdsfortegnelse 1. Indledning Projektets formål og gennemførelse 3 2. Gasudbytte fra afgrøderester og effekt af forbehandling Batch forsøg med afgrøderester og afgrøder Batch forsøg med rå og afgassede fibre Batch forsøg med enzymer 9 3. Forsøg i pilotreaktor 1 4. Hovedkonklusioner og perspektivering Samlet resultat af projektet 12 Rapporten er udarbejdet som et projekt med støtte under Energiforskningsprogrammet 24, jnr. 1373/4-17: Anvendelse af halm i biogasanlæg og muligheder for at øge energiudnyttelsen.

5 Indledning 1.1. Projektets formål og gennemførelse Anvendelse af halm i biogasanlæg kan være med til at reducere eller i bedste tilfælde helt fjerne den økonomiske afhængighed af affaldstilsætning til biogasanlæg. Der er imidlertid er række uafklarede forhold i forbindelse med udnyttelse af halm i biogasanlæg, herunder tilstrækkelig sikkerhed og forudsigelighed mht. udbyttet, således at resultaterne vil kunne bruges som grundlag for investeringer på biogasanlæg i fremtiden. Følgende områder er blevet belyst i projektet: 1. Gasudbyttet fra vinterhvede- og vårbyghalm, herunder den normale variation ved batch og kontinuert udrådning, samt betydning af opholdstid og temperatur i primære og sekundære procestrin. 2. Metoder til at øge gasudbyttet, herunder: a) Findeling og formaling b) Trykkogning (>1 C) og termisk hydrolyse (<1 C) c) Ludning/ammoniakbehandling d) Tilbageholdelse af fiberen i reaktoren e) Tilsætning af enzymer 2. Gasudbytte fra afgrøderester og effekt af forbehandling 2.1. Batch forsøg med afgrøderester og afgrøder Ved Danmarks JordbrugsForskning (1. januar 27: Det Jordbrugstekniske Fakultet, Århus Universitet) er der udført udrådningsforsøg af en række halmtyper og potentielle energiafgrøder, og effekten af forbehandling er belyst på halm, tørstof fra gyllesepartion og separeret afgasset tørstof (tabel 1 og 2).

6 - 3 - Tabel 1. Oversigt over afgrøder og afgrøderester samt udbytte der er analyseret ved batch test. 1 Antal dage i batch i parentes. 2 Stor spredning på resultatet. Biomasse Oprindelse Forbehandling CH 4 udbytte Antal dage (L CH 4 VS -1 ) Byghalm Bygholm Ingen Byghalm Foulum Ingen Ærtehalm Bjerringbro Ingen Rapshalm Skanderborg Ingen Rajgræshalm Kjellerup Ingen Vinterbyghalm Skanderborg Ingen Hvedehalm Bygholm Ingen Hvedehalm Foulum Ingen Hvedehalm Foulum Termisk 147 C Hvedehalm Foulum Termisk 147 C, 7% kalk Hvedehalm Foulum Termisk 12 C, ingen kalk Hvedehalm Foulum NH3 ludet 1, ,% Elefant græs halm Horsens (stængler høstet i Ingen april) Majs (4) Nordjylland Ingen Majs (4) Horsens Ingen Majs (5) Nordjylland Ingen Græsensilage (4) Nordjylland Ingen Græsensilage (4) Horsens Ingen Rajgræsensilage (5) Nordjylland Ingen Nøgen havre (5) Nordjylland (høstet grøn) Ingen Valset hvede Horsens Ingen Det fremgår at gasudbyttet som forventet generelt er højere i korn og grovfoder sammenlignet med halm. Der er imidlertid store individuelle forskelle mellem forskellige halmarter når halmen anvendes til biogas. Hvede- og vårbyghalm har således det dårligste udbytte til biogasfremstilling, medens frøgræshalm og vinterbyghalm har et væsentligt højere udbytte. Hvorvidt resultatet for vinterbyg er generelt for alle typer vinterbyg er det pt. ikke muligt at konkludere, da resultatet kun bygger på en enkelt undersøgelse. Generelt er udbyttet i halm noget lavere end i grovfoderafgrøder. Udbyttet fra frøgræshalm og vinterbyghalm nærmer sig dog udbyttet for grovfoder, hvis bidraget fra efter afgasning indregnes, dvs. hvis anlægget, der behandler biomassen, råder over en lang opholdstid og/eller efterafgasning (figur 1).

7 - 4 - Liter metan/kg VS (primær) Halm Korn Grovf oder Liter metan/kg VS (efterafgasning) mesofil udrådning (primær) primær + efterafgasning efterafgasning Figur 1: Metanudbytte ved afgasning af forskellig biomasse. Mesofil udrådning er angivet som gasudbyttet ved 35 o C i 48 dages batchudrådning, og efterafgasning er angivet som udbyttet fra dages batch udrådning ved 35 o C. Det kan således konkluderes, at det er af afgørende betydning, hvilke halmtyper der anvendes. Frøgræshalm og vinterbyg er særligt velegnede til gasproduktion i biogasanlæg, og også raps- og ærtehalm er at foretrække frem for hvede og vårbyg. En lang efterudrådningskapacitet på anlægget er særlig vigtig, når der behandles halm; især for de mest tungtomsættelige halmtyper er efterafgasningen vigtig for at opnå et acceptabelt udbytte. Ved den lange opholdstid i batch forsøgene har effekten af termisk kemisk behandling af hvedehalm givet merudbyttet på op til 25%. Ludning af halm med ammoniak og termisk behandling ved 147 o C har givet bedst effekt, medens tilsætning af kalk og 12 o C ikke har haft effekt ved lang omsætningstid Batch forsøg med rå og afgassede fibre Der er udført en række forsøg med separation af fibre før og efter udrådning, og termisk-kemisk behandling af fibrene med efterfølgende batch udrådning (tabel 2). Forsøgene er udført med gyllefibre, da ingen anlæg ud over pilotanlægget på Bygholm kører med en stor andel halm, men det vurderes, at effekten med kemisk termisk behandling er den samme i hhv. afgassede gyllefibre og halmfibre.

8 - 5 - Tabel 2. Oversigt over tørstofprodukter og effekt af forbehandling, der er analyseret ved batch test. 1 Antal dage i batch i parentes. Biomasse Oprindelse Forbehandling Udrådnede centrifugerede Fangel biogas fibre Fangel biogas Udrådnede centrifugerede fibre Udrådnede filtrerede (1 mm) fibre Rå centrifugerede fibre CH 4 udbytte L CH 4 VS -1 Antal dage Ingen 28 4% CaO, 23 days, 22 C 291 Ingen 95 1 g CaO/kg 18 2 g CaO/kg 11 4 g CaO/kg 7 g CaO/kg g CaO/kg g CaO/kg g NaOH/kg 99 2 g NaOH/kg g NaOH/kg 13 7 g NaOH/kg g NaOH/kg g NaOH/kg 135 Pilot reaktor Bygholm Untreated 147 Pilot digester 1 g CaO/kg 136 Pilot digester 7 g CaO/kg 139 Pilot digester 15 g CaO/kg 182 Slagtesvin Ingen 162 (+/-3.4) 66 Slagtesvin 22 C, 4% CaO, (+/-17) 66 days, Slagtesvin 127 C, ½h, 4% 217 (+/-14) 66 Cao Slagtesvin 127 C, 1h 234 (+/-21) 66 Slagtesvin 127 C, 1h, 1% 234 (+/-22) 66 CaO Slagtesvin 127 C, 1h, 4% 194 (+/-69) 66 CaO Slagtesvin 127 C, 2h, 4% Cao 198 (+/-43) 66 Slagtesvin 147 C, ½h, 4% 229 (+/-12) 66 Cao Slagtesvin 147 C, 1h 23 (+/-6) 66 Slagtesvin 147 C, 1h, 1% Cao 222 (+/-8) 66 Slagtesvin 147 C, 1h, 4% 224 (+/-7) 66 CaO Slagtesvin 147 C, 1h, 7% 265 (+/-17) 66 CaO Slagtesvin 147 C, 2h, 4% Cao 226 (+/-43) 66 Slagtesvin 167 C, ½h, 4% 221 (+/-38) 66 Cao Slagtesvin 167 C, 1h 239 (+/-9) 66 Slagtesvin 167 C, 1h, 1% CaO Slagtesvin 167 C, 1h, 4% CaO Slagtesvin 167 C, 2h, 4% CaO 24 (+/-29) (+/-22) (+/-15) 66

9 - 6 - Metanudbyttet ved batch udrådning (66 dage) af fibre fra centrifugeret slagtesvine gylle er vist i tabel 2. Det fremgår at udbyttet af den ubehandlede fiber er 162 l CH 4 /kg VS. Udbyttet øges med 2-64% ved termisk kemisk behandling ved o C i ½-2h med kalktilsætning på -7%. Effekten af alle behandlinger er statistisk signifikant (P<,5) men der er ingen statistisk signifikant forskel mellem behandlingerne pga. høj standardvariation. Effekten af kalk ved stuetemperatur i 2 dage er på samme niveau som termisk behandling. Gen-udrådning af fibre uden kemisk behandling giver et varierende udbytte afhængigt af biogasanlægget og den anvendte biomasse, varierende fra 94 l CH 4 /kg VS til over 2 l CH 4 /kg VS (fig. 2). 4 Liter metan/kg VS F (CaO) F1 (CaO) F1 (NaOH) F2 (CaO) mesofil udrådning (primær) primær + efterafgasning Figur 2: Metanudbytte ved genudrådning af afgassede dekanterede fibre udsat for forskellig kemisk behandling i 14 dage. Mesofil udrådning er angivet som gasudbyttet ved 35 o C i 48 dages batchudrådning, og efterafgasning er angivet som udbyttet fra dages batch udrådning ved 35 o C. De angivne mængder af CaO og NaOH er angivet i kg pr tons fibre. F, F1, F2 henviser til fibre fra 3 forskellige biogasanlæg, F=biogasfællesanlæg (Fangel), F1=gårdanlæg (Præstø), F2=pilotanlæg (Bygholm) Det fremgår af figur 3, at merudbyttet afhænger af mængderne af brændt kalk (CaO) og NaOH. Tilsyneladende er effekten af brændt kalk bedre end NaOH, og da brændt kalk er billigst bør dette produkt vælges. Merudbyttet svinger fra 5-9% og er højest ved de højeste doseringer. Ved de højeste doseringer er der dog set hæmning i starten af forsøgene, specielt ved anvendelse af NaOH.

10 - 7 - Merubytte ved kemisk behandling (%) F CaO F1 CaO F1 NaOH Figur 3: Merudbytte ved varierende mængder brændt kalk (CaO) og NaOH i kg/ton. Økonomi Forsøgene med gen-udrådning af afgassede fibre har vist, at der kan opnås en ekstra gasproduktion og at tilsætning af stigende mængder brændt kalk øger merudbyttet. Anvendelsen af kalk giver imidlertid en ikke ubetydelig omkostning. Det er forudsat at prisen for kalk er 1,2 kr/kg og denne forudsætning giver udgifter pr m 3 produceret metan som angivet i figur 3. I de fleste tilfælde vil en pris på 2 kr/m 3 være acceptabelt. Dette betyder, at det kan være økonomisk fordelagtigt at tilsætte 4 g CaO pr kg separeret fiber i Fangel biogasanlæg (F), medens det for gårdanlægget (F1) næppe vil være økonomisk fordelagtig at gå over 7 g pr kg separeret fiber. Forsøg med mindre kalkmængder til biogasanlæg F har desværre ikke været foretaget, men det er muligt at doseringer af mindre mængder vil være mere omkostningseffektivt.

11 Batch forsøg med enzymer En række enzymer fra Novozymes er afprøvet på forskellig biomasse. Forsøgskørslerne er vist i nedenstående tabel. Forsøg 2 (batch) Forsøg 3 (batch) Forsøg 4 (batch) Forsøg 5 (CSTR) Biomasse Tilsætning Enzymer Dosering Effekt 1) Faststof fra Ugentligt N188 1 g enzym/kg kemisk fældning AMG VS Alcalase 2.5 L /uge 2) Hvedehalm Cellusoft sign Afgasset kvæggylle Afgasset kvæggylle Dagligt Dagligt N188 AMG Alcalase 2.5 L Cellusoft Alcalase 2.5 L Novozyme 342 Celluclast 1,5 L FG Pulpzyme HC Kvæggylle Dagligt Enzym blanding:alcalase, celluclast, novozyme 342 og pulpzyme 2 g ensym/kg VS 2 g ensym/kg VS,5 g enzym/kg VS Ingen påviselig effekt. Problem med forsøgsde- Effekt af alcalase i første 3 uger. Positiv effekt af alle. Signifikant Effekt af Celluclast og alcalase 7,4-34,1% Forsøg 6 (CSTR) 1) Kemisk fældet fast 2) Kvæggylle Dagligt Alcalase,5 g enzym/kg VS Negativ effekt Resultaterne er opgjort i to specialeafhandlinger (Verner Hansen, Jesper Dahl, 25). Der kan drages en række konklusioner af forsøgene: Test af enzymer Det er vanskeligt at teste enzymer i batch, medmindre det gøres på allerede afgassede produkter uden substratinhibering. Indledende forsøg med halm og fast gødning fra svin gav ikke brugbare resultater. Afgasset kvæggylle viste sig at være et godt substrat for test af enzymer. Effekter i batch Alcalase 2.5 L, Novozyme 342, Celluclast 1,5 L FG, Pulpzyme HC har alle haft positiv effekt på biogasudbyttet. Alcalase og Cellucalst har givet hhv. 4 og 2,4% ekstra gasudbytte på afgasset kvæggylle. Effekter i kontinuerte forsøg I kontinuerte forsøg har en enzymblanding givet betydeligt merudbytte i kvæggylle, medens alcalase har givet negativt merudbytte i fast svinegylle.

12 - 9 - Perspektiver og økonomi Resultaterne har været varierende, og det er ikke muligt på grundlag af de gennemførte forsøg at fastsætte effekt af enzymer. Det tyder dog på, at der kan opnås en vis effekt i kvæggylle. Hvis der opnås eksempelvis 5% mere gas ved tilsætning af,5 g enzym blanding/kg VS, betyder det at der kan produceres 1 liter mere gas i 1 kg VS i kvæggylle. Dette vil have en værdi på,3 kr/kg VS (ved 3 kr/m 3 CH 4 ), svarende til, at prisen, der kan betales for enzymer, maksimalt må være 6 kr/kg enzymblanding, hvilket næppe er realistisk. Der er imidlertid ikke udført forsøg med, hvor lav enzymdosering der vil være effektiv. Der er således behov for yderligere forsøg med kvæggylle for at dokumentere effekterne i relation til enzymtyper og dosis. 3. Forsøg i pilotreaktor I pilotreaktorerne på Forskningscenter Bygholm blev udført et forsøg med tilsætning af hvedehalm til 1) en reaktor tilført grundlast med svinegylle, og 2) en referencereaktor udelukkende tilført svinegylle. Af figur 4 fremgår, hvor stor en andel af tørstofindholdet halmen udgør af den samlede mængde tilført tørstof, og i figur 5 er den organiske belastning i halmreaktor og referencereaktor vist. 1 9 Andel af VS i form af halm (%) Dage fra start Figur 4: Andelen af tilført organisk stof, der blev udgjort af halm under forsøget 5 Organisk belastning (kg VS/m 3 /dag) Dage fra start reference reaktor halm reaktor Figur 5: Organisk belastning under forsøget

13 - 1 - Halmen blev tilsat separat ved tør indfødning under væskeniveau 3 gange ugentligt. Det var forventet, at der ville opstå håndteringsmæssige problemer ved anvendelse af halm. Halmen medførte en kraftig lagdeling i reaktoren, og den oprindelige propelomrøring blev på et tidligt tidspunkt erstattet af gasomrøring. Gasomrøringen var imidlertid også utilstrækkelig til at sikre en fuldt omrørt reaktor. Lagdelingen betød, at meget uomsat materiale blev ophobet i toppen af reaktoren med en lang opholdstid til følge, hvilket kan have bidraget til en forbedret omsætning. Procesbalance I løbet af forsøget blev mængden og sammensætning af flygtige fede syrer (VFA ere) målt. I figur 6 er indholdet af VFA illustreret. Niveauet er forholdsvist lavt og stabilt indtil 23 dage efter opstart, hvor en ny procedure med fjernelse af flydelaget, neddeling og genudrådning af dette med 14 dages intervaller blev indført i halmreaktoren. Ved indførelse af denne procedure ses det, at VFA indholdet stiger i halmreaktoren, hvilket kan forklares med en langvarig ophobning af uomsat organisk materiale i toppen, der efterfølgende aktiveres ved neddelingen. 3½ måned efter indførelsen af den nye procedure sker der et mindre fald i VFA niveauet, men niveauet forbliver dog væsentligt højere end i referencereaktoren. VFA indhold og temperatur i reaktor VFA (g/liter) neddeling + genudrådning Temperatur (grader C) dage efter start VFA i halm reaktor Temperatur i halmreaktor VFA i gyllereaktor Temperatur i gyllereaktor Figur 6. Total fedtsyreindhold (VFA) og temperatur i halm- og referencereaktoren Gasproduktion Gasproduktionen pr. kg VS i de 2 reaktorer fremgår af figur 7. Der opnås generelt et lidt bedre udbytte pr. kg. VS i reaktoren med tilførsel af halm i forhold til reaktoren på ren gylle. Dette er overraskende, da halm generelt har et lavere udbytte pr. kg VS end gylle. Svinegylle har i de fleste undersøgelser givet et udbytte på 3 liter CH 4 /kg VS, mens hvedehalm maximalt giver 22 liter CH 4 /kg VS. I reaktorerne var der imidlertid et signifikant højere udbytte pr. kg VS i halmreaktoren sammenlignet med reaktoren med gylle alene. Halmreaktoren gav et gennemsnitligt udbytte på 377 liter CH 4 /kg VS, mod et udbytte på 278 liter CH 4 /kg VS i reaktoren med kun gylle. Det tyder således på, at der har været en synergieffekt ved anvendelse af halm, hvilket måske kan skyldes en betydelig lagdeling i halmreaktoren, der har sikret en meget lang opholdstid af tungtom-

14 sætteligt materiale. I halmreaktoren har produktionen endvidere været meget varierende, med nogle perioder med meget høj gasproduktion. Perioderne med meget høj gasproduktion har været sammenfaldende med, at flydelaget er blevet aktiveret ved manuel omrøring. Endvidere har der været et signifikant højere gasudbytte i perioden efter opstart med regelmæssige udtag af flydelaget, neddeling og genudrådning. Der blev således målt 333 liter CH 4 /kg VS i perioden uden neddeling, medens der blev målt 451 liter CH 4 /kg VS i perioden efter opstart med denne procedure. Det høje udbytte i sidste periode skyldes sikkert, at det er lykkedes at omsætte en del ophobet materiale fra første periode i den sidste periode, og udbyttet kan altså ikke alene tilskrives effekten af neddeling. Liter methan/kg VS neddeling + genudrådning Dage halm reaktor reference reaktor Figur 7. Gasproduktionen i liter metan pr. kg. VS, beregnet som den gennemsnitlige metanproduktion over 2 dage i forhold til den gennemsnitlige VS tildeling over de seneste 1 dage I længerevarende reaktorforsøg har hvedehalm sammen med gylle givet et højere udbytte pr. kg. VS end gylle alene, hvilket tyder på, at der kan være en synergieffekt ved tilsætning af halm. Det er dog ikke muligt at sige, om denne synergieffekt skyldes lagdelingsmæssige forhold eller andre forhold. Anvendelse af halm i mængder, hvor halmen øger gyllens tørstofindhold med mere end 3% har i laboratoriet vist sig at stille betydelige krav til omrøringskapacitet, da der ellers vil ske en kraftig dannelse af flydelag. 4. Hovedkonklusioner og perspektivering 4.1. Samlet resultat af projektet I projektet er der indhøstet viden om biogaspotentialerne i en række afgrøderester og energiafgrøder samt effekten af en række forbehandlinger, herunder termo-kemisk, kemisk og enzymatisk. Resultaterne viser, at anvendelse af afgrøderester kan give en betydelig energiproduktion, og at forskellige forbehandlinger kan øge omsætningen i varierende grad. I den endelige beslutningsproces skal omkostningerne ved de forskellige tiltag nøje vurderes, da det forøgede energiudbytte ved forbehandling ofte ikke står mål med energigevinsten. Det er også væsentlig at overveje, om forbehandling skal ske af råmateriale eller ved behandling af separerede afgassede fibre, hvor den sidste løsning vil reducere udgiften til forbehandling. Endvidere tyder det på, at der kan være en synergieffekt ved tilsætning af halm til biogasprocessen. Det er dog ikke muligt at sige, om denne synergieffekt skyldes lagdelingsmæssige forhold eller an-

15 dre forhold såsom opkoncentrering af biomassen. Dette område bør belyses yderligere, da en synergieffekt ved tilsætning af halm på en enkel måde vil kunne øge indtægten på gyllebaserede biogasanlæg. Endeligt er det vist, at udtagning af de uomsatte dele fra flydelaget samt neddeling og genudrådning af de uomsatte fibre kan øge gasudbyttet. Dette område kunne med fordel undersøges yderligere. PUBLIKATIONER Projektets delresultater er publiceret ved internationale konferencer, workshops, specialerapporter og i tidsskriftet Forskning i Bioenergi. Møller, H.B., 25. Forbehandling af gylle fibre kan give op til 6% mere gas. Forskning i Bio- Energi 9, 5-7 Møller, H.B. & Nielsen, A.M., 26. Halm og energiafgrøder i biogasanlæg. Forskning i Bioenergi 14, 4-5. Møller, H.B., 26. Højere gasudbytte fra husdyrgødning. Forskning i Bioenergi 12, 6-7. Møller, H.B., 26. Energi, miljø og økonomi ved anvendelse af en række energiafgrøder og afgrøderester til biogas. Seminar: Bioenergi og fremtidens jordbrug hvad er mulighederne. Dansk Landbrugsrådgivning, Landscentret, Dahl, Jesper 25 Anvendelse af faste produkter fra gylleseparation og enzymer til optimeret biogasproduktion. Master speciale SDU Hansen, Verner. 25. Anvendelse af energiafgrøder og enzymer i biogasanlæg. Master speciale SDU. Raju Chitra. 25. Thermo-chemical pre-treatment of dewatered pig manure and its effect on biogasproduction and potential. Master speciale AUC Henrik.B. Møller, Chitra Raju, Hinrich Hartmann, Tjalfe Poulsen & Birgitte K. Ahring 25. Effects on anaerobic biodegradability from thermo-chemical pre-treatment of solid manure fractions. 4 th international symposium. Anaerobic digestion of solid waste, Copenhagen. Endelig vil resultaterne blive samlet og publiceret i et internationalt tidsskrift.

16

17

18