Gyllebaserede anlæg nu og i fremtiden: Overblik over biomasse, forbehandling, typer, driftsforhold og gasudbytte Henrik B. Møller, Inst. For Ingeniør videnskab, Aarhus Universitet
Nomigas projektet AP3: Optimering af biogas udbyttet fra husdyrgødning og biprodukter fra landbruget Bioaugmente ring Forbehandling Proces monitorering Process optimering Process forståelse Formål: At optimere biogas produktionen fra rensningsanlæg ved optimerede forbehandlings metoder og tilsætning af anden biomasse som husholdningsaffald Mekanisk Mekaniskkemisk NIR Flertrins processer Anaerob filter reaktor Kinetik inhibering Temperatur AP4: Optimering af biogas produktion fra slam og rensningsanlæg Termisk - kemisk Forbedret hydrolyse Miljøfremme de stoffer Forbehandling Proces monitorering Process optimering Procesdesign Enzymer, svampe AU, AAU, DTI, Maabjerg, AWMC Formål: At udvikle de mest lovende forbehandlingsmetoder som kan øge gasudbyttet med fokus på fiber rige faste fraktioner, manipulere det mikrobielle consortium og tilpasse forbehandling til maksimal synergi med det mikrobielle konsortium Termisk, Exelys Ozon NIR STAR modul Temperatur Enzymatisk aktivitet Anaerob filter reaktor AU, AAU, LU, DTI, Kruger, Billund vand, Primozone, AWMC
Millioner tons tørstof Biomasse Tørstof i biomasse 12 1 Spildevandsslam Andet husholdningsaffald 8 6 4 Teknisk tilgængelig husdyrgødning Grøn biomasse og halm Affald fra industri og husholdninger Lavt scenarie Højt scenarie 5% 1% 2% 6% 5% 5% Blandet husholdningsaffald Organisk affald olie og fedt Organisk husholdningsaffald Affaldsfedt Vejafklip Grøde Permanent græs 2 Efterafgrøder Energiafgrøder Teknisk potentiale (eksklusiv ved biomasse) Anvendt til biogas i dag Lavt scenarie Højt scenarie Husdyrgødning Halm
Biomasse Tons biomasse/år Million 5 45 4 35 3 25 2 Halm Andet Fiberfraktion Flydende Ajle Fast Dybstrøelse,andre Dybstrøelse, fjerkræ 18,1 UDVIKLING I TØRSTOFPROCENT (LANDBRUGSBIOMASSE) Skift fra pumpbar biomasse til fast biomasse 15 1 Dybstrøelse, kvæg Blandet gylle Fjerkrægylle 8,1 14,4 14,3 5 Total I dag (215) Lavt scenarie (235) Højt scenarie (235) Minkgylle Svinegylle Kvæggylle Total I dag (215) Lavt scenarie (235) Højt scenarie (235)
Methane (PJ/year) Biogas scenarier 12 1 8 6 Husdyrgødning Græs på korn arealer Halm fra raps Grøde Efterafgrøder Organisk husholdningsaffald Organisk affald Andet husholdningsaffald Halm fra korn Græs på raps arealer Permanent græs Vejafklip Affaldsfedt olie og fedt Blandet husholdningsaffald Spildevandsslam 4 2 State of the art Miljø scenarie Miljø scenarie + metanisering Methan potential (lavt scenarie) State of the art Miljø scenarie Miljø scenarie + metanisering Methan potentiale (højt scenarie) Idag
L CH4*kgVS-1 NL CH4/kg VS Biogas af halm 45 Metan i hvede halm 45 Metan i halm - Inoculum 4 4 Maksimalt gasudbytte 35 35 3 3 25 25 2 15 2 15 Tilvænning/ Synergi? 1 1 Lemvig Lynggård Thorsø 5 min max GS 5 Måbjerg Linkogas Ribe Grøngas Hashøj Bornholm BRM Foulum GS 2 4 6 8 1 Dage 2 4 6 8 1 12 Dage
Methan udbytte (L kgvs-1) Biogas af halm Tilvænning 4 35 Foulum Thorsø Bånlev Måbjerg 3 25 2 15 1 5 2 4 6 8 1 12 Dage
VFA (mg/l) ph L CH4/kg VS Udbytte (% af Foulum)) Biogas af halm Tilvænning 5 45 4 35 3 25 8,5 8 7,5 Metan udbytte ( efter hhv. 3 og 4 HRT) 4 1 1 98 1 94 35 9 88 8 3 77 7 25 59 61 6 2 7 2 5 15 1 5 6,5 15 1 33 281 284 276 178 216 185 248 4 3 2 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 5 1 Foulum Thorsø Bånlev Måbjerg Foulum Thorsø Bånlev Måbjerg 3 4 3 4 3 4 3 4 Foulum Thorsø Bånlev Måbjerg
Biogas af halm og dybstrøelse Problem Nedbrydning af cellulose/hemicelluslose vanskelig pga. beskyttlese med lignin Oprøring i væske vanskelig pga af hydrofobe egenskaber Høj viskositet Forbehandling Mål Øget overfladeareal Højere gasudbytte Sænknig af viskositet Vandsugende egenskaber Lignin Hemicellulose cellulose
Forbehandling af halm og dybstrøelse Mekaniske metoder Kemiske/biologiske metoder Termiske metoder
Effekt af forbehandling
Samlet metanudbytte (L CH4/kg VS) Effekt Gasudbytter af forbehandling Gas use Eksempel Brikettering+lud 4 35 3 Opblanding 25 2 15 1 5 Ubehandlet Briketteret Briketteret + lud t1 t2 t3 t4 2 4 6 8 1 Dage Direkte injektion
Ekstra metan udbytte (%) Effekt Gasudbytter af forbehandling Gas use Eksempel Lud mængder Brikettering - effekt af alkali 25 2 y = -,4984x 2 + 4,966x + 9,959 R² =,8452 15 y = -,4883x 2 + 4,4458x + 8,3823 R² =,7125 1 y = -,4998x 2 + 4,394x + 6,3921 R² =,5282 5 y = -,4958x 2 + 3,7916x + 4,1461 R² =,4561 2 4 6 8 Alkali (%)
L CH4/kg VS L CH4/kg VS Husdyrgødning Gasudbytter og halm Eksempel Gas use Synergi -1% -1% 1 + 1 > 2 35 35 33 31 y =,4x 3 -,821x 2 + 4,4893x + 256,77 R² =,9778 33 31 y =,2x 3 -,451x 2 + 3,498x + 256,81 R² =,9591 29 27 25 y =,4x 3 -,882x 2 + 4,5714x + 243,64 R² =,9724 29 27 25 y = 9E-5x 3 -,346x 2 + 2,7758x + 252,86 R² =,9584 23 21 19 y =,4x 3 -,754x 2 + 3,4857x + 215,82 R² =,9581 23 21 19 y =,1x 3 -,332x 2 + 2,1417x + 228,97 R² =,9384 17 15 2 4 6 8 1 Andel Hvedehalm (%) 17 15 2 4 6 8 1 Andel græs (Hø) 3 dage 6 dage 9 dage 3 dage 6 dage 9 dage 3% hvedehalm er optimalt 5% Græs/hø er optimalt
CH4 udbytte, NL kg(substrate)-1 Specifict methan udbytte, NL Specifict methan udbytte, NL Husdyrgødning og halm Gasudbytter Gas use Eksempel +/-alkalisynergi 95% 5% +/- 2% KOH CN forhold Hønsemøg: 6 Halm: 92- Mix: 21-25 3 3 25 25 2 2 kgvs -1 15 1 5 Høns_Møg Meso Høns_Møg + Brik_ meso Høns_Møg + Brik+add_meso kgvs -1 15 1 5 Høns_Møg thermo Høns_Møg + Brik_ thermo Høns_Møg + Brik+add_ thermo 2 4 6 Dage 2 4 6 Dage 1 69 75 79 88 49 47 Hønsemøg Brik(-add) Brik(+add) 17% effekt af lud 15% effekt af termofil Mesophil Thermophil
Effekt Gasudbytter af forbehandling/halm Eksempel Gas use synergi 95% 3% 5% +/- 2% KOH Briketteret Briketteret + lud dage
L CH 4 /kg VS L CH 4 /kg VS Gasudbytter Effekt Gas af useforbehandling Eksempel Ensilering 35 35 3 3 25 25 2 Strandsvingel 2 Ensileret halm 15 Neddelt strandsvingel Strandsvingel ensilage 15 Hvede halm 1 1 5 5 2 4 6 8 dage 5 1 Dage
Temperatur Biogas (m 3 /m 3 /dag) Total VFA (mg/liter) Termofil udrådning af kvæggylle: 3 Termofil (52 C)/hypertermofil (55 C) 15 2,5 1 reaktor ændres fra 52-55 C 1 5 52 C 55 C 5 1 15 2 25 Dage 2 Opholdstid fra 25 til 2 dage 1,5 1,5 8-8-16 17-9-16 27-1-16 6-12-16 15-1-17 24-2-17 5-4-17 15-5-17 52 C 52 C til 55 C 1 per. Mov. Avg. (52 C til 55 C) 1 per. Mov. Avg. (52 C til 55 C)
Temperatur Biogas (m 3 /m 3 /dag) Total VFA (mg/liter) Mesofil Udrådning af kvæggylle: Mesofil/høj mesofil 2,5 1 reaktor ændres fra 35-42 C 15 1 5 42 C 35 C 2 1 2 Dage 1,5 1,5 Opholdstid fra 25 til 2 dage 8-8-16 17-9-16 27-1-16 6-12-16 15-1-17 24-2-17 5-4-17 15-5-17 35 C til 42 C 35 C 1 per. Mov. Avg. (35 C) 1 per. Mov. Avg. (35 C)
Temperatur Biogas (m3/m3/dag) Metan koncentration i biogas (%) 1,6 1,4 64 1,2 62 1,8 6 58 y = -,2497x + 71,291 R² =,936,6 56,4,2 54 2L Reactors 35 42 52 55 Sidste 4 HRT (25 d) Sidste HRT (25 d) 52 Pilot reactors 5 3 4 5 6 Temperatur
Anlægs data - tidserier 18 anlæg Anlæg med tidsserier: Foulum, Måbjerg, Linkogas, Thorsø, Vegger, Nordfyn VFA, driftsdata, NH4 mm.
Konklusion Fremtidens biomasse: Der vil ske et skift fra letomsætteligt affald til faste landbrugsbaserede biomasser (TS fra 8,1-14,4% TS) med potentiale på >1 PJ. Halm: 1. Stor variation i metan udbytte med tilpasset inokulum. Med ikke tilpasset inokulum kan udbytte variere mere end 1%. (Synergi?) 2. Termofil temperatur meget positiv, tilvænning af inokulum på ca. 4 HRT 3. Halm og gylle positiv synergi (C/N), halm gør at vi får mere ud gødningen. Forbehandling: Mekaniske metoder giver hurtigere gasproduktion (HRT<3 dage) og forbedret opblandingsevne. Kombination af mekaniske og kemiske metoder giver mere gas (HRT>3 dage) Temperatur Termofil drift har meget positiv indvirkning på lignocellulose-holdige susbstrater. Hyper termofil kan øge gasudbytte men der er lang tilpasningsperiode og ved skift i belastning mm. kommer proces nemmere i ubalance. Høj mesofil temperatur kan være fordelagtig især ved høj belastning
Tak for opmærksomheden 23