[Dobbeltklik for at indsætte et billede] Manure to Energy Resultater fra et Inno-MT bobleprojekt

Transkript

1 [Dobbeltklik for at indsætte et billede] Manure to Energy Resultater fra et Inno-MT bobleprojekt Udarbejdet af: Thorkild Qvist Frandsen, AgroTech 14. januar 2014

2 Indholdsfortegnelse 1 SAMMENDRAG DELTAGENDE VIRKSOMHEDER OG VIDENSINSTITUTIONER BESKRIVELSE AF PURSUC-ANLÆGGET PROJEKTAKTIVITETER OG RESULTATER Energibalancer Emissioner fra PURSUC-anlægget Tørstof- og næringsstofbalancer Karakterisering af biochar PERSPEKTIVERING OG DE NÆSTE TRIN REFERENCER...9 Forsidefoto: PURSUC-anlæggets forgasningsenhed installeret i fuldskala på en svineproduktion ved Randers. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 2/9

3 1 SAMMENDRAG I Danmark produceres årligt omkring 35 millioner tons husdyrgødning. Håndtering af husdyrgødningen giver normalt anledning til en række negative påvirkninger af miljøet, herunder bl.a. emissioner af lugt, ammoniak og drivhusgasser samt udvaskning af kvælstof og fosfor til vandmiljøet. På den anden side udgør husdyrgødningen en omfangsrig ressource, som med de rette teknologier kan nyttiggøres til produktion af vedvarende energi samtidig med at restproduktet biochar kan bidrage til opretholdelse af jordens langsigtede frugtbarhed. Manure to Energy-bobleprojektet har fokuseret på optimering og markedsmodning af PURSUC-anlægget, som er et nyudviklet anlægskoncept til produktion af energi baseret på husdyrgødning. Behandlingen af husdyrgødningen med PURSUC-anlægget forbedrer udnyttelsen af næringsstofferne i husdyrgødningen, samtidig med at ammoniak-, lugt- og drivhusgasudledningen reduceres. I de fleste tilfælde vil PURSUCanlægget ikke være baseret på husdyrgødning som eneste råvare, men på en blanding af tilgængelige råvarer, som f.eks. halm og husdyrgødning. I bobleprojektet er dog fokuseret på husdyrgødning, idet anvendelse af denne råvare rummer det største potentiale for miljømæssige gevinster. I løbet af projektperioden (1. januar september 2013) er der sket en markant udvikling af PURSUCanlægget, så flere af komponenterne nu er bygget og afprøvet i fuldskala. Således er det første PURSUC forgasningsmodul blevet etableret på en slagtesvinebedrift ved Randers. Gasrensning, gaskøling, gaslager og gasmotor er ligeledes blevet etableret og tilkobling til el-nettet er foretaget. Der kan således produceres el og varme af biomasser, der er tørre nok til at blive brugt direkte i forgasseren. Første version af PURROTgyllesepareringsmodulet er desuden færdigdesignet og bygget i fuldskala og har kørt i test på en svinebedrift på Fyn. I starten af 2014 flyttes PURROT-modulet til svinebedriften ved Randers. For at kunne etablere og prøvekøre det komplette PURSUC-anlæg i fuld skala mangler nu kun gyllefibertørringsmodulet, der er det nødvendige bindeled mellem gyllesepareringsenheden og forgasseren. Blandt andet på baggrund af resultaterne fra dette bobleprojekt er der søgt og opnået støtte fra Energiteknologisk Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP) til færdigudvikling, etablering og demonstration af tørringsmodulet. EUDP-projektet starter fra begyndelsen af Som led i bobleprojektet er lavet en gennemgang og verifikation af energibalancen for det samlede PURSUCanlæg. Resultaterne viser, at der kan opnås et relativt højt energiudbytte i form af elektricitet og varme samtidig med, at der produceres en betydelig mængde biochar. De teoretiske beregninger viser, at nettoenergiudbyttet fra gyllen er højere med brug af PURSUC-anlægget, end hvis gyllen var blevet anvendt som råvare i et standard biogasanlæg. Det skal understreges, at disse resultater delvist bygger på teoretiske vurderinger, idet der som nævnt ikke er etableret en fuldskala-udgave af det komplette anlæg. Således har det ikke været muligt at validere forudsætningerne ud fra konkrete målinger på de enkelte moduler. Der har igennem projektperioden været dialog med Miljøstyrelsen, og der ses nu mulighed for at forgasning af husdyrgødning kan blive undtaget reglerne fra affaldsforbrændingsbekendtgørelsen. Som restprodukt af PURSUC-anlægget dannes biochar, også kaldet biokul. Umiddelbart er det mest oplagt at anvende biochar til jordbrugsformål. I litteraturen er beskrevet en lang række positive miljømæssige og dyrkningsmæssige effekter af at tilføre biochar til landbrugsjord. Men der mangler fortsat sikker viden om disse positive effekter for danske landbrug, og det begrænser indtil videre betalingsviljen for dette produkt. I bobleprojektet er undersøgt alternative anvendelsesmuligheder for biochar. Et indledende forsøg har vist, at biochar har potentiale som middel til adsorption af lugt fra svinestalde. Dette kan øge værdien af biochar, men flere undersøgelser er nødvendige for at lave en reel vurdering af biochars egnethed til denne anvendelse. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 3/9

4 2 DELTAGENDE VIRKSOMHEDER OG VIDENSINSTITUTIONER Projektet er gennemført i et samarbejde mellem tre teknologileverandørvirksomheder og to vidensinstitutioner. De tre teknologileverandører er: PurFil Aps repræsenteret ved direktør Anders Tange. Ecomill Technologies Aps repræsenteret ved direktør Jørgen Krabbe Frichs A/S repræsenteret ved direktør Ove Munch De to vidensinstitutioner er: AgroTech A/S repræsenteret ved konsulent Thorkild Q Frandsen FORCE Technology repræsenteret ved Arne Oxbøl og Anders Evald 3 BESKRIVELSE AF PURSUC-ANLÆGGET I PURSUC-systemet frasepareres først hovedparten af gyllens tørstof i et mekanisk separeringsanlæg. Efter tørring føres gylletørstoffet til forgasningsenheden, hvor det opvarmes til ca. 750 grader C under iltfattige forhold. I forgasningsenheden omsættes størstedelen af gylletørstoffet til en brændbar gas, som efter rensning og køling udnyttes til produktion af elektricitet og varme i en gasmotor. Under forgasningen dannes også biochar, der er et svært nedbrydeligt produkt, hvori hovedparten af gyllens fosfor findes. PURSUC er modulopbygget, hvilket gør det muligt at tilpasse anlægget til forskellige landbrugsbedrifter. Således kan systemet i en forenklet udgave anvendes til forgasning af fjerkræmøg, dybstrøelse og halm samt kombinationer af disse råvarer. Figur 1 viser en forsimplet oversigt over modulerne i PURSUC-anlægget. FIGUR 1. OVERSIGT OVER KOMPONENTERNE I PURSUC-ANLÆGGET OG UDVALGTE MASSESTRØMME. 4 PROJEKTAKTIVITETER OG RESULTATER Som led i projektet er gennemført en række undersøgelser og vurderinger af PURSUC-anlægget og af produkterne fra anlægget. Herunder gives et overblik over de gennemførte aktiviteter og resultaterne herfra. 4.1 ENERGIBALANCER Der er foretaget en gennemgang af energibalancen for det samlede PURSUC-anlæg. Gennemgangen tager udgangspunkt i en model for energi- og massebalance, som er udviklet af Anders Tange, PurFil. Som led i projektet er denne model og forudsætningerne for modellen undersøgt og verificeret i forhold til det realistisk MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 4/9

5 opnåelige. Nogle af forudsætningerne bygger på teoretiske vurderinger og estimater, idet der endnu ikke er etableret en fuldskala-udgave af det komplette anlæg, der kunne gøre det muligt at validere forudsætningerne ud fra konkrete målinger på de enkelte moduler. I gennemgangen af energibalancen er taget udgangspunkt i et PURSUC-anlæg dimensioneret til 1000 dyreenheder i slagtesvin. Det giver et råvaregrundlag på ca tons gylle om året svarende til ca. 2,78 tons gylle pr. time, hvis anlægget er i drift ca. 80 % af tiden på et år. Det forudsættes, at gyllen har et tørstofindhold på 5,8 % og at ca. 80 % heraf er organisk tørstof. Det giver et grundlag for energiproduktionen på 1160 tons totaltørstof (TS) om året svarende til ca. 930 tons organisk gylletørstof (VS) om året. Energibalancen viser, at 2,78 tons svinegylle efter separation, tørring og forgasning giver anledning til følgende energipotentiale i de to produkter fra forgasningsenheden: Forgasningsgas: 460 kw Biochar: 264 kw Hvis 2,78 ton svinegylle bruges i et biogasanlæg estimeres energipotentialet i den producerede biogas til 332 kw. Det vil sige, at PURSUC-anlægget, under de anvendte forudsætninger, giver anledning til et energiudbytte i form af produceret gas som er ca. 1/3 højere, end hvis gyllen var blevet anvendt til produktion af biogas. Det skyldes, at PURSUC-anlægget muliggør en højere udnyttelse af gylletørstoffet. Efter rensning og køling af forgasningsgassen føres den til en gasmotor, hvor der produceres elektricitet og varme. Med udgangspunkt i 2,78 tons gylle/time er beregnet følgende el- og varmeproduktion: El-produktion brutto 179 kw minus egetforbrug 48 kw = nettoproduktion 131 kw Varmeproduktion motorkøling 115 kw plus condensor 312 kw = 425 kw Denne energibalance forudsætter naturligvis, at anlægskomponenterne virker som forudsat, herunder at forgasseren har den forudsatte koldgaseffektivitet og at afvandings- og tørringsmodulet afvander gylletørstoffet ned til den forudsatte tørstofprocent før forgasseren (73 % TS). 4.2 EMISSIONER FRA PURSUC-ANLÆGGET Der er foretaget en gennemgang af de lovkrav, der gælder for røggasemissionerne fra PURSUC-anlægget. Det drejer sig dels om emissionerne fra de gasbrændere, som leverer varme til forgasningsenheden og dels om emissionerne fra udstødningen på gasmotoren. I gennemgangen er beskrevet hvilke grænseværdier, som skal være overholdt ifølge gældende lovgivning. Det er her en barriere for afsætningen af PURSUC-anlægget, at husdyrgødning lovgivningsmæssigt betragtes som affald. Det betyder, at PURSUC-anlægget skal leve op til kravene i affaldsforbrændingsbekendtgørelsen, hvilket indebærer mange og omkostningstunge målinger af røggasemissionerne. Desuden udløser affaldsforbrænding en afgift, som altså også skal betales, når det er husdyrgødning, som bruges til energiproduktion ved termisk omsætning. Disse to forhold gør såvel anlægsinvesteringen som driftsomkostningerne for PURSUC-anlægget væsentligt højere, end hvis husdyrgødning f.eks. blev betragtet som biomasse. Dette er med til at indskrænke afsætningsmulighederne for PURSUC-anlægget, da indtjeningen ved investering i anlægget bliver lavere, alt andet lige. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 5/9

6 I sommeren 2012 blev der afholdt møde med relevante personer fra Miljøstyrelsen for at afklare mulighederne for at få dispensation fra affaldsforbrændingsbekendtgørelsen, når husdyrgødning udnyttes til energi gennem termisk forgasning. Som led i dialogen med Miljøstyrelsen er formuleret et brev til Europa Kommissionen med spørgsmål vedrørende fortolkningen af visse bestemmelser i det nye EU-direktiv for industrielle emissioner. Svaret fra EU-Kommissionen bekræfter, at det er muligt, at forgasning af husdyrgødning kan blive undtaget reglerne fra affaldsforbrændingsforbrændingsbekendtgørelsen. Det forudsætter dog, at der gennemføres målinger på det konkrete PURSUC-anlæg som dokumentation for, at anlægget kan leve op til nogle nærmere definerede grænseværdier. Som led i projektet er der i samarbejde med Miljøstyrelsen udarbejdet et måleprogram, som skal kunne levere den nødvendige dokumentation til at kunne afgøre, om PURSUC-anlægget kan blive undtaget reglerne i bekendtgørelsen om affaldsforbrænding. Miljøstyrelsen har på grund af det principielle spørgsmål givet tilsagn om, at ville støtte gennemførsel af dette måleprogram. Efter at have haft opgaven i udbud har Miljøstyrelsen i december 2013 udvalgt den virksomhed, som skal gennemføre måleprogrammet. Måleprogrammet forventes gennemført i løbet af TØRSTOF- OG NÆRINGSSTOFBALANCER Der er opstillet teoretiske tørstof- og næringsstofbalancer for PURSUC-anlægget. Balancerne viser blandt andet, hvordan tørstoffet i rågyllen fordeler sig på slutprodukterne efter behandling i PURSUC-anlægget. Ligesom ved energibalanceberegningerne tager massebalanceberegningerne udgangspunkt i et PURSUC-anlæg dimensioneret til 1000 dyreenheder i slagtesvin. Det giver et råvaregrundlag på ca tons gylle om året, hvoraf tørstoffet (TS) udgør 1160 tons. Med en gennemsnitlig kapacitet under normal drift på 2,78 tons gylle tilføres således ca. 161 kg tørstof (TS) per driftstime. En forsimplet oversigt over massebalancen er vist i figur 2 herunder. FIGUR 2. FORVENTET TØRSTOFBALANCE FOR ET PURSUC-ANLÆG BASERET PÅ TONS GYLLE OM ÅRET. Efter behandling af gyllen i PURROT, PURPHO, PURUF og PURDRY separeres 951 tons (ca. 82 %) af tørstoffet fra væsken og gøres tilgængelig som råvare til forgasningsenheden. Forgasningen af tørstoffet giver en forventet årlig produktion af biochar på 295 tons. Den resterende del af råvareinputtet til forgasseren omdannes til gas. Når der regnes med et gennemsnitligt indhold af fosfor i gyllen på 1,36 kg/ton indeholder den årlige gylleproduktion ca. 27 tons fosfor. Af næringsstofbalanceberegningerne fremgår, at hovedparten af gyllens fosfor (ca. 25 tons) vil være i biochar-fraktionen efter behandling af gyllen i PURSUC-anlægget. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 6/9

7 4.4 KARAKTERISERING AF BIOCHAR Der er udtaget prøver af biochar fra forgasning af tørret gylletørstof fra to forskellige slagtesvineejendomme. På ejendom 1 var der tale om lagret (gammel) gylle, mens der på ejendom 2 var tale om frisk gylle. Prøverne er sendt til analyse på et analyselaboratorium. Resultaterne fra analyse af biochar-prøverne er vist i Tabel 1 herunder. TABEL 1. RESULTATER FRA ANALYSE AF BIOCHAR FRA FORGASNING AF GYLLETØRSTOF FRA TO EJENDOMME. Parameter Enhed Ejendom 1 Lagret gylle Ejendom 2 Frisk gylle Total tørstof, TS % af prøvematerialet 99,7 97,6 Askeindhold % af prøvematerialet 57,3 49,7 Densitet Gram prøvemateriale / ml 0,07 0,12 Total fosfor, total-p Kg / ton tørstof 42,3 48,4 Citratopløseligt fosfor Kg / ton tørstof 23,1 57,8 1 Citratopløseligt fosfor % af total-p 54,6 119,3 1 Vandopløseligt fosfor Kg / ton tørstof 1,5 0,1 Kalium, K Kg / ton tørstof 60,0 51,4 Natrium, Na Kg / ton tørstof 15,4 24,9 Magnesium, Mg Kg / ton tørstof 26,6 26,0 Aluminium, Al Kg / ton tørstof 8,1 1,5 Jern, Fe Kg / ton tørstof 66,3 9,5 1 Indholdet af citrat-opløseligt fosfor kan naturligvis ikke være højere end det totale fosfor-indhold. At der ses så højt indhold af citratopløseligt fosfor kan forklares med måleusikkerheder, men resultaterne indikerer dog at en meget høj andel af fosfor er citratopløselig. Der vil være betydelige forskelle på koncentrationerne af indholdsstoffer i biochar baseret på gylle fra forskellige ejendomme. Generelt vil der være et relativt højt indhold af fosfor i biochar fra svinegylle, men en betydelig del af dette er ikke umiddelbart tilgængelig for planterne. Udbringning af biochar på markerne vil dog bidrage til at opretholde jordens samlede fosforpulje, som over tid kan mobiliseres. I litteraturen er beskrevet en lang række potentielle anvendelsesmuligheder for biochar, men generelt mangler der stadigvæk viden og erfaringer for entydigt at kunne fastlægge, hvor nytteværdien er størst. I tabellen herunder gives et overblik over potentielle anvendelser for biochar, som er nævnt i litteraturen. TABEL 2. POTENTIELLE ANVENDELSESMULIGHEDER FOR BIOCHAR. Jordbrugsformål Øvrige potentielle anvendelsesmuligheder Jordforbedringsmiddel 1 Gødning uden yderligere bearbejdning 2 Som alternativ til aktivt kul, f.eks. i luftfiltre Råvare til energifremstilling ved forbrænding Råvare til produktion af handelsgødningsprodukt 1 Et jordforbedringsmiddel skal forstås som et middel til ændring af jords eller voksemediers fysiske, kemiske eller biologiske tilstand, og hvis virkning ikke eller kun i ringe grad beror på et indhold af plantenæringsstoffer. Et eksempel er kalk. 2 Ved en gødning forstås et middel til fremme af planters vækst, og hvis virkning helt eller overvejende beror på dets indhold af plantenæringsstoffer. Umiddelbart er det mest oplagt at anvende biochar til jordbrugsformål. I litteraturen er beskrevet en lang række positive effekter af at tilføre biochar til landbrugsjord, herunder f.eks.: MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 7/9

8 En kulstofkilde til opretholdelse af humusindholdet og den langsigtede frugtbarhed af jorden Forøgelse af jordens tilbageholdelse af næringsstoffer og vand til gavn for plantevæksten og miljøet Fosforkilde til vedligeholdelse af jordens fosfor-pulje og den langsigtede frugtbarhed af jorden Bidrage til at hæve jordens ph Det er imidlertid vanskeligt at finde videnskabelige resultater, som dokumenterer en tydelig sammenhæng mellem tilførsel af biochar og øgede udbytter. Der er tale om komplekse kemiske og biologiske sammenhænge som varierer mellem de forskellige jordtyper. Ofte vil eventuelt øgede afgrødeudbytter først vise sig en årrække efter at man er begyndt på at tilføre biochar. Disse forhold begrænser planteavlerens betalingsvilje for at købe og anvende biochar til jordbrugsformål. Biochar fra PURSUC-anlægget har visuelt stor lighed med aktivt kul, som bruges til adsorption af forureningsstoffer i luft og vand. Hvis biochar kan anvendes som et alternativt adsorptionsmiddel til aktivt kul opnås potentielt en øget værdi af biochar fra PURSUC-anlægget. Som led i bobleprojektet er gennemført en indledende undersøgelse af, om biochar fra PURSUC-anlægget kan have potentiale som middel til adsorption af lugt fra slagtesvinestalde. Med biochar fra PURSUC-anlægget er lavet et forsøgsfilter, som blev installeret på en svinebedrift på Sjælland. Der er udtaget prøver af ventilationsluften før og efter forsøgsfiltret og lugtkoncentrationen er bestemt ved olfaktometri. Der er i forsøgsfiltret anvendt biochar fra forgasning af halm, da der ikke var biochar fra gylletørstof til rådighed på forsøgstidspunktet. Resultaterne fra denne indledende undersøgelse viser, at biochar fra halm kan adsorbere stort set alle lugtstoffer, når det er helt frisk. I forsøget blev opnået en rensningsgrad på hele 98 %. Der er dog behov for en række yderligere undersøgelser for at kunne foretage en egentlig vurdering af biochars egnethed som filtermateriale i luftrensningsanlæg. Blandt andet skal undersøges, hvor stor kapacitet biochar har, altså hvor meget luft der kan renses per kilo biochar. Dette er helt afgørende for om biochar er relevant i luftfiltre. 5 PERSPEKTIVERING OG DE NÆSTE TRIN I løbet af bobleprojektperioden er der sket en markant udvikling af PURSUC-anlægget, så flere af komponenterne nu er bygget og afprøvet i fuldskala. For at gøre PURSUC-anlægget komplet mangler dog fortsat, at færdigdesigne og bygge tørreenheden, der er bindeled mellem gyllesepareringsmodulerne og forgasseren. Resultaterne fra bobleprojektet er anvendt i en ansøgning til EUDP, som netop fokuserer på færdigudvikling af tørreenheden. I december 2013 fik virksomhederne bag PURSUC-anlægget besked om at EUDP har givet tilsagn om støtte til projektet, som sættes i gang i starten af Som nævnt, har dialogen med Miljøstyrelsen resulteret i en aftale om gennemførelse af en række emissionsmålinger fra udstødningen på PURSUC-anlægget med støtte fra Miljøstyrelsen. Måleprogrammet forventes gennemført i løbet af første halvår 2014 og resultaterne herfra er vigtige for at komme over de nuværende lovgivningsmæssige barrierer for brug af husdyrgødning som råvare i PURSUC-anlægget. I november 2013 slår Energistyrelsen fast efter konsultation med EU, at el-produktion baseret på forgasningsgas er berettiget til samme tilskud som biogas. Det vil i 2013 sige omkring 115 øre per kwh leveret på el-nettet. Denne udmelding fra Energistyrelsen har stor positiv betydning for afsætningsmulighederne for PURSUC-anlægget i Danmark. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 8/9

9 I oktober 2013 er startet en proces med at få PURROT-modulet verificeret under EU's nye program, Environmental Technology Verification (EU ETV). PurFil har i december 2013 sikret sig støtte til at gennemføre verifikationen, som forventes gennemført i løbet af Et sammendrag af resultaterne fra verifikationen bliver præsenteret i det såkaldte Statement of Verification, som efterfølgende kan anvendes i Danmark og i udlandet til at fremme kendskabet til både PURROT-modulet isoleret set men også som en del af det samlede PURSUC-anlægskoncept. Virksomhederne bag PURSUC-anlægget har i løbet af 2013 været indbudt til teknisk dialog med NaturErhverv omkring det såkaldte månegris-projekt, hvor målet er at udvikle fremtidens rationelle, dyrevelfærds- og miljøvenlige svinestald. Målet med dialogen er at integrere PURSUC-anlægget eller udvalgte komponenter herfra i den konkrete svinestald, som skal designes og etableres i fuld skala, som led i Månegrisprojektet. Om dette lykkes vil vise sig i løbet af REFERENCER Evald, A. 2013: Energi- og massebalancer for PURSUC manure to energy concept. Notat udarbejdet som del af projektet Manure to Energy. FORCE Technology. Ikke publiceret. Jensen, L.S., Christel, W., Zhu, K., Wnetrzak, R., Kwapinski, W. & Ottosen, A. R., 2012: Optimering af energiudbytte og næringsstoffer fra gylle. Forskning i Bioenergi, september Tilgængelig på Kloss, S., F. Zehetner, A. Dellantonio, R. Hamid, F. Ottner, V. Liedtke, M. Schwanninger, M.H. Gerzabek, and G. Soja, 2012: Characterization of slow pyrolysis biochars: Effects of feedstocks and pyrolysis temperature on biochar properties. Journal of Environmental Quality. 41: Miljøstyrelsen, 2008: Bekendtgørelse om anvendelse af bioaske til jordbrugsformål (Bioaskebekendtgørelsen). Bekendtgørelse nr. 818 af 21/07/2008. Oxbøl, A., 2013: Reduktion af lugt fra svinestald ved adsorption på biochar. Notat udarbejdet som del af projektet Manure to Energy. FORCE Technology. Ikke publiceret. Rosa M., 2012: Biochar from swine manure solids: Influence on carbon sequestration and Olsen phosphorus and mineral nitrogen dynamics in soil with and without digestate incorporation. Tilgængelig på internettet. MANURE TO ENERGY INNOVATIONSNETVÆRK FOR MILJØTEKNOLOGI 9/9