Biogas baseret på halm og husdyrgødning - En teknisk-økonomisk analyse!

Biogas baseret på halm og husdyrgødning - En teknisk-økonomisk analyse! Specialeafhandling Aske Palsberg Roskilde Universitet Tek-Sam Vejleder Tyge Kjær Dato 01-12-14

Forord Jeg vil starte med at rette en STOR tak til alle, der har hjulpet til specialerapportens tilblivelse. Dette speciale har kun været muligt, takket været hjælp og vejledning fra følgende personer. Min vejleder, Tyge Kjær, vil jeg gerne takke for tålmodighed og vejledning og fordi døren til hans kontor hele tiden har stået åben. Min forsøgsmakker Nils Lass Rasmussen, for et særdeles godt samarbejde og sparing mht. den naturvidenskabelige vidensopbyggelse i specialets tekniske analyse. Katrine Bøgh og Lone Christensen for at stille kompetencer, erfaring og faciliteter til rådighed. Regin Gaarsmand, Esben Mortensen og Henrik Haugaard Nielsen for at afsætte tid og interesse til mit speciale samt hjælp til særlige udfordringer. Sigrid Mourits-Andersen for hjælp i den afsluttende fase. Xenia Andersen for hjælp, støtte, forståelse, overbærenhed og flere lange nætter med komma retning. Med venlig hilsen, Aske Palsberg 2

Resumé En central udfordring for den fremtidige biogasudbygning i Danmark er en øget anvendelse af landbrugets bi- og restprodukter. Specialet Biogas baseret på halm og husdyrgødning en teknisk- økonomisk analyse tager udgangspunkt i denne udfordring og analyserer en mulig anvendelse af halm til biogasformål. I specialet anlægges et mark-til-mark perspektiv og muligheden undersøges derved for værdiskabelse både i landbruget og for husdyrgødningsbaserede biogasanlæg. Specialets analyser er interessante for planlæggere, investorer og iværksættere m.fl., som arbejder med udvikling og omstilling af energisystemer samt optimering af processer i landbruget. Formålet er at skabe viden til basis for dialog og business udvikling i samspillet mellem biogassektoren og landbruget. Anvendelse af halm til biogasproduktion undersøges med afsæt i en biogascase. Klimagevinster, gødningsværdi samt anlægs- og driftsøkonomi vurderes ud fra 2 afsætningskoncepter for biogas: kraftvarmekoncept og et opgraderingskoncept. Konklusionen på analyserne er, at halm forarbejdet på hammermølle er et godt produkt til biogasproduktion og at ressourcegrundlaget for halm kan understøtte de politiske målsætninger for den danske biogasudbygning frem mod 2020 og samtidigt bidrage til de danske klimamålsætninger. Det er derfor fundet muligt både at skabe værdi for landbruget, i rollen som biomasseleverandør og biomasseaftager, og for danske biogasanlæg. 3

Abstract A pivotal challenge for the future expansion of biogas in Denmark is the rise in use of agricultural by-products. This challenge is the baseline of the thesis Biogas from straw and animal manure a feasibility study in which the possibility of using straw in the biogas process is analyzed. In the thesis a field-to-field perspective in the value chain is applied and the possibility of adding value for the agricultural industry and for manure based biogas plants. The analyses conducted in this thesis are of interest to planners, investors and entrepreneurs, etc., who work with the development and transition of energy systems and the optimization of agricultural processes. The objective is the creation of a basis knowledge for dialogue and business development in the interaction between the biogas and the agricultural sector. Use of straw in the production of biogas is examined on the basis of a biogas case in which climate benefits, value of fertilization and construction and running cost from two concepts; the Combined Heat and Power concept (CHP) and an upgrade concept, has been assessed. In conclusion, the analyses in the thesis show that straw processed through a hammer mill is a sustainable product for biogas production and its resource base can support the political objectives of Danish biogas expansion towards 2020 and simultaneously contribute to the Danish climate targets. And so, it has been proven possible to add value for the agricultural sector in the roles of biomass suppliers and consumer and for Danish biogas plants. 4

Indhold 1! PROBLEMFELT+ 12! 1.1! PROBLEMFORMULERING+ 16! 1.2! SPECIALETS+AFGRÆNSNINGER+ 19! 1.3! PROJEKTDESIGN+ 20! 2! METODE+ 22! 2.1! EMPIRIENS+ROLLE+FOR+ANALYSEN+ 22! 2.1.1! LITTERATUR! 23! 2.1.2! STATISTIK! 23! 2.1.3! FORSØG! 23! 2.1.4! ØKONOMISKE!BEREGNINGER! 25! 2.1.5! INTERVIEW! 25! 3! ANALYSE+METODER:+FEASIBILITY+ANALYSE+ 27! 3.1! ANALYSE+METODER:+TEKNISK+ANALYSE+ 27! 3.1.1! ANALYSE!METODER:!KAPITEL!5.1! 27! 3.1.2! ANALYSE!METODER:!KAPITEL!5.2! 28! 3.1.3! ANALYSE!METODER:!KAPITEL!5.3! 28! 3.2! ANALYSEMETODER:+ØKONOMISK+ANALYSE+ 28! 3.2.1! ANALYSEMETODE:!BUDGETTERING! 29! 3.2.2! ANALYSE!METODE:!FØLSOMHEDSANALYSE! 31! 3.2.3! ANALYSE!METODE:!BREAKBEVEN!ANALYSE! 31! 4! CASE+ 33! 4.1.1! FORBEHANDLINGSSYSTEM! 33! 4.1.2! ANLÆGSSYSTEMET! 34! 4.1.3! AFSÆTNINGSKONCEPTER! 36! 5! TEKNISK+ANALYSE+ 37! 5.1! BIOGAS+I+DAG+OG+I+FREMTIDEN+ 37! 5.1.1! ETABLEREDE!BIOGASANLÆG!I!DANMARK! 38! 5.1.2! ETABLERING!AF!NYE!BIOGASANLÆG! 40! 5.1.3! TILSKUDSORDNINGER!TIL!AFSÆTTELSE!AF!BIOGAS! 41! 5.1.4! ANLÆGSSTØTTE!TIL!ETABLERING!AF!BIOGASANLÆG! 44! 5.1.5! DELKONKLUSION! 45! 5.2! BIOGAS+FRA+HALM+ 46! 5.2.1! BIOGASANLÆGGET! 46! 5

5.2.2! BIOMASSESAMMENSÆTNING! 47! 5.2.3! REAKTORTANKEN! 47! 5.2.4! BEHOV!FOR!FORBEHANDLING!AF!HALM! 50! 5.2.5! MEKANISK!FORBEHANDLING!AF!HALM! 51! 5.2.6! TEST!AF!KAPACITETSB!OG!ENERGIFORBRUG! 56! 5.2.7! METANPOTENTIALER!VED!MEKANISK!FORBEHANDLING! 57! 5.2.8! BESTEMMELSE!AF!METANPOTENTIALER!VED!FORSKELLIGE!HALMTYPER! 57! 5.2.9! SAMUDRÅDNING!AF!VÅRBYGHALM!OG!SVINEGYLLE! 60! 5.2.10! BETYDNINGEN!AF!FORMALINGSGRAD!FOR!METANPOTENTIALET! 62! 5.2.11! CTSR!METANUDBYTTE! 64! 5.2.12! BIOGAS!AFSÆTNINGSKONCEPTER! 66! 5.2.13! KLIMAGEVINSTER! 69! 5.2.14! DELKONKLUSION! 72! 5.3! LANDBRUG+SOM+LEVERANDØR+OG+AFTAGER+AF+BIOMASSE+ 74! 5.3.1! BÆREDYGTIGHED!OG!REGULERING!AF!BIOMASSE! 74! 5.3.2! BIOMASSEGRUNDLAG!FOR!HALM!TIL!BIOGASFORMÅL!I!DANMARK! 78! 5.3.3! LANDBRUGETS!INTERESSE!I!AFSÆTNING!AF!HALM!OG!AFREGNINGSPRIS! 81! 5.3.4! BIOMASSEGRUNDLAG!FOR!HUSDYRGØDNING!TIL!BIOGASFORMÅL!I!DANMARK! 85! 5.3.5! ANVENDELSE!OG!REGULERING!AF!GØDNINGSPRODUKTET!AFGASSET!BIOMASSE! 87! 5.3.6! KULSTOF!TILBAGEFØRSEL!FRA!AFGASSET!HALM!TIL!LANDBRUGET! 95! 5.3.7! DELKONKLUSION! 97! 6! ØKONOMISK+ANALYSE+ 100! 6.1! ØKONOMISKE+VURDERINGER+AF+HALM+TIL+BIOGASFORMÅL+ 100! 6.1.1! BUDGETTERING! 100! 6.1.2! DB1!!ANALYSE!AF!DE!SPECIFIKKE!BIOMASSER! 102! 6.1.3! DB2!!ANALYSE!AF!ANLÆGSB!OG!DRIFTSØKONOMIEN! 104! 6.1.4! DELKONKLUSION! 106! 6.1.5! FØLSOMHEDSANALYSE! 107! 6.1.6! FØLSOMHEDSANALYSE!!ENKELT!FORUDSÆTNINGER! 108! 6.1.7! FØLSOMHEDSANALYSE!!KOMBINEREDE!FORUDSÆTNINGER! 112! 6.1.8! DELKONKLUSION! 114! 6.1.9! BREAKBEVNE!ANALYSE! 116! 6.1.10! DELKONKLUSION! 121! 7! KONKLUSION+ 122! 7.1! KONKLUSIONER+FRA+DEN+TEKNISK+ANALYSE.+ 123! 7.1.1! KAPITEL!5.1:! 123! 7.1.2! KAPITEL!5.2,! 123! 6

7.1.3! KAPITEL!5.3:! 124! 7.2! ØKONOMISK+ANALYSE.+ 126! 7.2.1! KAPITEL!6:! 126! 8! PERSPEKTIVERING+ 128! 9! KILDER+ 129! 10! INTERVIEWS+ 135! 11! BILAG+ 135! 7

Tabel indeks Tabel 1: Forbehandlingsmetoder... 51! Tabel 2: Kapacitets- og energiforbrugstest på hammermølle... 56! Tabel 3: Metanpotentialer for substrater... 58! Tabel 4: Metanpotentialer for substrater... 62! Tabel 5: Resultater fra CSTR forsøg Foulum... 65! Tabel 6: Resultater fra CSTR forsøg - Foulum. Fordelt på substrat... 65! Tabel 7: Teknologi data - Gasmotor... 66! Tabel 8: Teknologi data - Opgraderingsanlæg... 67! Tabel 9: Biomasse input ved produktion af 10 mio. Nm3... 71! Tabel 10: Drivhusgasreduktion pr. ton input (Fødevareministeriet 2008)... 71! Tabel 11: Regulering af energiafgrøder til biogasproduktion... 77! Tabel 12: Halm i ton for helle landet fordelt på anvendelse... 78! Tabel 13: Halmpotentialet fordelt på halmtype... 80! Tabel 14: Vinterhvedehalm efter område... 80! Tabel 15: Vårbyghalm efter område... 81! Tabel 16: Ressourcegrundlag husdyrgødning fordelt efter type... 85! Tabel 17: Tørstofindhold i husdyrgødning fordelt på type... 86! Tabel 18: Udnyttelseskrav husdyrgødning... 89! Tabel 19:Udnyttelseskrav biomasse... 89! Tabel 20 C/N- forhold i gødnings- og restprodukter i landbruget... 93! Tabel 21: JB-nr forklaring... 94! Tabel 22: Kulstof tilbageført ved CSTR forsøg - Foulum... 97! Tabel 23: Beregnings forudsætninger biogascase... 101! Tabel 24: Egetforbrug af proces energi... 102! Tabel 25: Forudsætninger for anlægsinvesteringer... 102! Tabel 26 samlede omkostninger og indtægter fra DB1 analysen af de specifikke biomasser... 103! Tabel 27: DB1 for de specifikke biomasser... 103! Tabel 28 DB1 resultater... 103! Tabel 29 DB2 resultater for kraftvarmekonceptet uden anlægsstøtte... 105! Tabel 30 DB2 resultater kraftvarmekonceptet med anlægsstøtte... 105! Tabel 31 DB2 resultater for opgraderingskonceptet uden anlægsstøtte... 106! Tabel 32 DB2 resultater for opgraderingskonceptet med anlægsstøtte... 106! Tabel 33 Følsomhed - halminput... 108! Tabel 34 Følsomhed - Halmpris... 109! Tabel 35 Følsomhed - Varmetab... 109! Tabel 36 Følsomhed - omkostninger til opgradering... 110! 8

Tabel 37 Følsomhed - anlægsinvesteringer... 111! Tabel 38 Følsomhed - Metanudbytte... 111! Tabel 39 Følsomhed - Forbehandlingsomkostninger... 112! Tabel 40 Følsomhed - Anlægsinvesteringer & Opgraderingsomkostninger... 112! Tabel 41 Følsomhed - Halm input & Varmetab... 113! Tabel 42 Følsomhed - Halmpris & Forbehandlingsomkostninger... 113! Tabel 43 Følsomhed - Halmpris & Metanudbytte... 114! Figur indeks Figur 1: Systemafgrænsning... 19! Figur 2: Projektdesign... 21! Figur 3: Dækningsbidragsdiagram... 30! Figur 4: Break-even metode... 32! Figur 5: Case forbehandlingssystem... 34! Figur 6: Case anlægssystem... 35! Figur 7: Case afsætningsmuligheder... 36! Figur 8: Biogasanlæg i Danmark... 38! Figur 9: Udviklingen i biogasproduktion i Danmark... 39! Figur 10: Udbygningen af biogas i Danmark opdelt i kategorierne meget sandsynlige, sandsynlige og usikre projekter.... 40! Figur 11: Planlagte og etablerede anlæg i Danmark... 41! Figur 12: Sammensætningen af støtte til biogas efter anvendelse... 43! Figur 13: Aftrapning af de midlertidige tilskud... 43! Figur 14: Flowdiagram biogasanlæg!"!grafisk!oversigt.!(illustration!af!forfatter)... 46! Figur 15: Termofil- og mesofiltemperatur... 48! Figur 16: Nedbrydning af biomasse og dannelsen af metan vist i 3 faser... 49! Figur 17: Forbehandling af lignocellulosisk biomasse... 50! Figur 18: Flowdiagram for forbehandlingssystemet... 52! Figur 19: Metanpotentialer for de undersøgte halmtyper... 58! Figur 20: Udrådningskurve vinterhvede... 59! Figur 21: Udrådningskurve vårbyghalm... 59! Figur 22: Udrådningskurve engrapgræshalm... 59! Figur 23: Udrådningskurve Rajgræshalm... 59! Figur 24: Udrådningskurve Bakkesvingelhalm... 59! Figur 25: Metanpotentialer fra Institut for vand og miljøteknologi DTU... 60! Figur 26: Udrådningskurve svinegylle... 61! Figur 27: Udrådningskurve vårbyghalm og svinegylle 1,7 %... 61! Figur 28: Udrådningskurve vårbyghalm og svine gylle 6,1 %... 61! Figur 29: Metanpotentiale for input biomasse... 62! 9

Figur 30: Udrådningskurve forbehandlet vinterhvede 2 mm... 63! Figur 31: Udrådningskurve forbehandlet vinterhvedehalm 1 mm... 63! Figur 32: Udrådningskurve forbehandlet vinterhvedehalm 0,5 mm... 63! Figur 33: Afsætningskoncepter... 68! Figur 34: Reduktion af CO2 ækv. / år fordelt på substitutionsbrændsel... 72! Figur 35: Halmpotentialet for anvendelse til biogasformål... 79! Figur 36: Halmprisen i 2013 og den attraktive halmpris for delt på bedrifter... 82! Figur 37: Halmlogistik fra mark til anlæg... 83! Figur 38: Dækningsbidrag halm ab anlæg... 84! Figur 39: En attraktiv halmpris sammenholdt med dækningsbidrag halm ab. anlæg... 84! Figur 40: Værdien af afgasset biomasse efter den vægtede udnyttelsesprocent... 90! Figur 41: Ændringer i kulstofindholdet i den danske landbrugsjord efter JB jordtype... 94! Figur 42: Dexterindex... 95! Figur 43: Resultater kulstof tilbageført... 96! Figur 45 Break-even kraftvarmekonceptet med anlægsstøtte... 118! Figur 47 Break-even opgraderingskonceptet med anlægsstøtte... 120! 10

Problemfelt

Indledning 1 Problemfelt Problemfeltet udstikker de overordnede rammer og tanker, som ligger til grund for specialet og skal læses som argumentation for problemformuleringens relevans i forhold til den givne problemstilling. Klima&& De observerede klimaændringer og den globale opvarmning er utvetydig og uden fortilfælde. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) vurderer, at disse ændringer i klimaet og den globale opvarmning med 95 % sikkerhed skyldes menneskelig aktivitet og særligt de stigende koncentrationer af drivhusgasserne CO 2, CH 4, og N 2 O i atmosfæren. Den atmosfæriske CO 2 -koncentration er steget med over 40 % siden industrialiseringen i det 1800-århundrede og har ikke været højere i de sidste 800.000 år (IPCC 2013). Klimaændringerne er en langsigtet udfordring, som kræver øjeblikkelig handling, ikke mindst på grund af tempoet for den globale opvarmning samt konsekvenserne heraf (IPCC: 2013). Warming of the climate system is unequivocal, and since the 1950s, many of the observed changes are unprecedented over decades to millennia. The atmosphere and ocean have warmed, the amounts of snow and ice have diminished, sea level has risen, and the concentrations of greenhouse gases have increased (IPCC 2013) Fossile&ressourcer& Menneskets forbrug af fossile ressourcer har siden industrialiseringen i det 18. århundrede, været stærkt stigende og er den primære årsag til den øgede koncentration af drivhusgasser i atmosfæren. Samtidig har udnyttelsen af de fossile ressourcer drevet det teknologiske fremskridt. Ved en omstilling fra anvendelsen af fossile ressourcer er udnyttelsen af alternativerne vedvarende energi (VE) kilder, såsom sol, vind, vand, biomasse m.m. af afgørende betydning. Dette har medført en række politiske initiativer og målsætninger for anvendelsen af VE til energiproduktion både på internationalt og nationalt plan. Politisk&energiaftaler&&& En omstilling fra den fossile økonomi mod en bæredygtig grøn økonomi drevet af VE er nødvendig, hvis udfordringerne og konsekvenserne for klimaændringer og stigende globalopvarmning skal begrænses. Skiftende regeringer har derfor gennem tiden tilsluttet sig internationale målsætninger og udarbejdet visioner for en omstilling af den danske energiproduktionen. I 2020 skal Danmark derfor opnå en CO 2 -reduktion på 40 % i ift. 1990 (Vores energi 2011) Tidligere energiaftaler og visioner viser også en prioritering af den danske omstilling til VE. 12

Indledning Grøn Vækst 2009 er en vision fra den daværende VK-regering med det mål at skabe en vækstplan, hvor miljø-, klima-, og naturbeskyttelse gik hånd i hånd med moderne og konkurrencedygtig landbrugs- og fødevareproduktion, som bl.a. indeholdt et mål om at styrke landbrugets rolle som leverandør af biomasse til energiproduktion ved at udnytte op imod 50 % af den samlede danske husdyrgødningsproduktion til biogasproduktion (Grøn Vækst 2009). I SSR-regeringens energiudspil Vores Energi til forhandlingerne om energiaftalen for 2012-2020, blev visionerne om et fossilfrit energisystem i 2035 og et fossilfrit Danmark i 2050 introduceret (Vores energi 2011). I energiaftalen 2012, indgået med alle folketingets partier med undtageles af Liberal Alliance, spiller biogas en vigtig rolle for at nå de nationale målsætninger, dette udmøntede sig bl.a. i at forbedre rammebetingelserne for biogas, for på den måde at skabe incitament for en biogasudbygning i Danmark (energiaftalen 2012). De konkrete tiltag i energiaftalen fra 2012 omfatter bl.a. følgende punkter: - At den eksisterende støtte til biogaskraftvarme øges - At andre muligheder for anvendelser af biogas i naturgasnettet, i virksomheders proces eller i transportsektoren gøres økonomisk attraktive med en række tilskud - At anlægsstøtten øges fra 20 til 30 % af anlægsinvesteringen. (energiaftalen 2012) Der har altså været en utvetydig vision fra skiftende regeringer for, at biogas skal spille en rolle i vores fremtidige energisystem og bidrage til Danmarks ambitiøse klimamål på 40 % CO 2 reduktion i 2020 og et fossilfri energisystem i 2035. Udbygningen af biogasproduktionen har dog ikke haft en kontinuerlig fremgang og udviklingen har haft varierende succes gennem tiderne, på trods af de politiske visioner for øget biogasproduktion og forskellige tilskudsordninger til etablering og drift af biogasanlæg. Biogas&i&Danmark&& Som de fleste andre VE teknologier er biogasteknologien vokset op nedefra. Altså en bottom-up-teknologiudvikling, som er blevet drevet af energiske og dristige pionere på området (Boldt. J. 2000). Trods mange fiaskoer fra starten i 1970 erne, hvor de første anlæg, der hovedsageligt var tænkt som gyllebehandlings anlæg, blev opført i Danmark, var der i slutningen af 1990 erne etableret 20 biogasfællesanlæg (Kjær 2013),(Jacobsen. B. H. et al 2013). Flere af disse anlæg har været igennem konkurser og derfor mødes nye biogasprojekter i Danmark ofte med en vis mistillid. Siden de store fællesanlæg blev bygget i 1990 erne har udbygningen af mindre biogasanlæg, de såkaldte gårdanlæg, haft en betydelig fremgang og der blev i perioden 1999 til 2003 opført ca. 30 gårdanlæg, men mange led samme skæbne, som de første biogasfællesanlæg og flere af 13

Indledning biogasgårdanlæggene har mødt væsentlige økonomiske udfordringer og er ramt af konkurs. Der er 34 biogasfællesanlæg i drift primo 2012, medens der er 40 gårdanlæg i drift, se bilag 17,( Brancheforeningen for Biogas 2014a), (Brancheforeningen for Biogas 2014b). Disse anlæg behandler ca. 5-7 % af de 35 mio. ton husdyrgødning, der opsamles hvert år på de danske husdyrbedrifter (Birkemose. T. et al. 2013). Husdyrgødning udgør størstedelen af det samlede biomasse input i de danske biogasanlæg, hvis årlige biogasproduktion svarer til ca. 4,3 PJ eller ca. 0,7 % af det danske energiforbrug (Energistyrelsen 2014a). Frem mod 2020 skal op imod 50 % af den opsamlede husdyrgødning anvendes til energiproduktion, jf. Grøn vækst fra 2009, hvilket kræver handling nu, hvis denne målsætning skal indfries (Birkemose T. et al. 2013),(Grøn Vækst 2009). Erfaringer har imidlertid vist, at økonomien i biogasanlæg, hvor biomassen består af 100 % husdyrgødning ikke er tilfredsstillende. Metanudbyttet kan dog øges, hvis andet organisk materiale med højt tørstofindhold tilsættes udrådningsprocessen. Med de nationale målsætninger vil den forventede forøgede udnyttelse af husdyrgødning til biogas derfor, alt andet lige, medføre en øget efterspørgsel på biomasse med et højt tørstofindhold, for at sikre et stabilt og tilstrækkeligt metanudbytte og økonomien i biogasanlægget. Det organiske industriaffald er imidlertid en mangelvare og organisk husholdningsaffald er begrænset af landbrugets egen regulering af udbringning af afgasset biomasse (slam) (Møller 2013), (Birkemose 2013). Derfor skal den øgede efterspørgsel på biomasser med højt tørstofindhold i høj grad findes i organiske restprodukter- eller energiafgrøder fra landbruget. Dette lægges der også op til i regeringens energiudspil Vores Energi (2011). Energiafgrøderne anses dog for at være mindre bæredygtige end organiske restprodukter, da disse konkurrerer med anvendelse af landbrugsarealer til fødevareproduktionen (Fødevareministeriet 2008). Restprodukter anses derimod ikke for at konkurrere med fødevareproduktionen og tilskrives ikke at være en belastning af miljø og klima. Dette gør at restprodukter fra landbrugsproduktion kan blive en oplagt mulighed for øget udnyttelse til biogasproduktion og dermed bidrage til den danske biogasudbygning (Fødevareministeriet 2008). Udnyttelse&af&halm&som&biomasseressource&til&biogas&i&Danmark&& En af de største uudnyttede biomasseressourcer i det danske landbrug er halm. Der blev i gennemsnit produceret ca. 5,6 mio. tons korn- og rapshalm i årerne 2007 2011 i Danmark. Heraf blev ca. 3,5 mio tons anvendt til henholdsvis fyring, foder og dybstrøelse, hvilket efterlader 2,1 mio. tons korn- og rapshalm, der aldrig bjerges fra marken og som ville kunne 14

Indledning udnyttes til energiproduktion via biogasproduktion (Birkemose T. et al:2013). Udover kornog rapshalm dyrkes der også anseelige mængder frøgræs i Danmark ca. 473.000 tons, heraf udnyttes ca. 160.000 tons til fyring og foder, hvilket betyder at op imod 60 %, ca. 300.000 tons ikke udnyttes, men snittes og efterlades på marken som en uudnyttet ressource (Birkemose T. et al: 2013). Halm er et produkt, der med betydelige uudnyttede ressourcer kan have betydning for biogasproduktion i Danmark (int. Møller 2014 34.20). Betydelige problemstillinger for anvendelsen af halm til biogasformål er usikkerheden i forhold til anlægs- og driftsøkonomien, da omkostningerne til håndtering, forbehandling og optimering af metanudbyttet ikke er fuldt belyst (int. Møller 2014 31.30),( int. Møller 2014 33.50). I specialet analyseres disse omkostninger ved forbehandling med hammermølle. Halmprisen er også en betydelig faktor, da halmen udelukkende bjerges fra marken, hvis landbruget opnår en acceptabel forretning ved halmsalg (Jørgensen 2014). Derudover kan anvendelse af halm til at restituere landbrugsjorden, ved jordforarbejdning, også have betydning for landbrugets villighed til at levere halm til biogasformål (Jørgensen 2014),(Hansen 2012). Andre forhold som f.eks. gødningsværdien af den afgassede biomasse gør sig her gældende, såsom gødningsproduktets indhold af N total og mineralsk N (NH + 4 ) Disse værdier kan være en afgørende faktor for landbrugets villighed til at levere husdyrgødning til biogasformål og aftage den afgassede biomasse. Specialet vil derfor undersøge feasibiliteten for udnyttelse af halm til biogasproduktion med fokus på anlægs- og driftsøkonomi, samt undersøge værdien af den afgassede biomasse som gødningsprodukt nærmere. Med udgangspunkt i ovenstående er det derfor vigtigt at undersøge dels: - Anlægs- og driftsøkonomien. - Kortlægge ressourcegrundlaget. - Bestemme og optimere metanudbyttet for halm, forbehandlet på hammermølle. - Undersøge C/N-forhold i input og output biomasse. - Bestemme de tekniske barrierer for anvendelse af halm til biogasformål. De i specialet overordnede tanker for opbygning af problemfelt og specialets behov for vidensindsamling i analysen er der anvendt metoden Mindmap, som præsenteres visuelt i bilag 1. 15

Indledning 1.1 Problemformulering Projektet er bygget op om en problemformulering samt 11 arbejdsspørgsmål fordelt på to undersøgelsesområder. Hvordan kan anvendelsen af halm til biogasformål bidrage til den danske husdyrgødningsbaserede biogasudbygning? Uddybelse&af&problemformuleringen&& Omdrejningspunktet for specialet er først og fremmest den første del af problemformuleringen anvendelsen af halm til biogasformål. Med anvendelse menes følgende processer; - at halmen bjerges fra marken Hvilket kan ske, når landbruget opnår en tilfredsstillende forretning ved salg af halm, trods eventuelle negative effekter på jordkvaliteten ved at bjerge halmen fra marken, medtages. - at halmen udnyttes til biogasgasproduktion Hvilket kræver, at metanudbyttet optimeres ved forarbejdning af halmen på en måde, der gør halmens organiske materiale tilgængeligt for de biologiske processer i biogasanlæggets reaktor. - at halm udbringes i den afgassede biomasse som gødningsprodukt Hvilket afhænger af den afgassede biomasses værdi i landbruget. De ovenstående punkter betyder, at anvendelsen af halm til biogasformål forstås i et marktil-mark perspektiv, jf. ordforklaring, hvor anvendelsen vurderes med hensyn til værdiskabelse i hele proceskæden. Der søges også, ved den givne problemformulering, undersøgt hvordan denne anvendelse kan bidrage til den danske husdyrgødningsbaserede biogasudbygning. Med bidrage menes halmens værdi sat i forhold til anvendelsen i mark-til-mark perspektivet og skal forstås som; værdi for biomasseleverandører og gødningsaftagere i landbruget, værdien for bidraget til de danske klimamålsætninger, samt det økonomiske bidrag til anlægs- og driftsøkonomi i de danske biogasanlæg. 16

Indledning Arbejdsspørgsmål& For at besvare problemformuleringen er der blevet udarbejdet 11 arbejdsspørgsmål. Arbejdsspørgsmålene er struktureret efter hovedkomponenterne i en feasibility analyse, jf. kapitel 3. Arbejdsspørgsmålene er derfor opdelt i 2 undersøgelsesområder; en teknisk analyse og en økonomisk analyse, der tilsammen udgør en feasibility analyse. 1. Teknisk analyse - Kortlægning af og redegørelse for potentialet ved anvendelse af halm til biogasformål a. Hvilke rammevilkår og politiske målsætninger er opstillet for biogasproduktion i Danmark og hvilken betydning har disse for anvendelsen af halm til biogasproduktion? b. Hvilken biogasanlægsteknologi er den mest anvendte i Danmark? c. Hvilken betydning har anvendelsen af halm til biogasproduktion for biogasproduktionen i danske husdyrgødningsbaserede biogasanlæg? d. Hvilke halmtyper og hvilken forbehandlingsgrad har størst potentiale for anvendelse til biogasproduktion i Danmark? e. Hvordan kan biogasproduktion baseret på halm og husdyrgødning bidrage mest muligt til de danske klimamålsætninger? f. Hvordan kan ressourcegrundlaget for halm og husdyrgødning i det danske landbrug, understøtte den danske biogasudbygning? g. Hvilken betydning har anvendelse af halm til biogasproduktion i husdyrgødningsbaserede biogasanlæg for udbringningen af gødningsproduktet afgasset biomasse? 1. Økonomisk analyse - Analyse af anlægs- og driftsøkonomien ved anvendelse af halm til biogasformål. h. Hvordan kan anvendelsen af halm bidrage til anlægs- og driftsøkonomien i danske husdyrgødningsbaserede biogasanlæg? 17

Indledning i. Hvilken faktorer har betydning for anlægs- og driftsøkonomien ved anvendelse af halm til biogasformål i husdyrgødningsbaserede biogasanlæg? j. Hvilken driftsrisiko kan der forventes ved biogasproduktion baseret på halm og husdyrgødning? 18

Indledning 1.2 Specialets afgrænsninger Specialet omhandler feasibiliteten ved at fremme anvendelse af halm i eksisterende og nye biogasanlæg med fokus på forbehandling og håndtering af halm. Derudover er de økonomiske betingelser for biogasproduktion, med anvendelse af halm som biomasse, studeret. Specialet afgrænser sig fra at undersøge, hvilken effekt anvendelsen af energiafgrøder vil have for landbruget, biogassektoren samt klimaet. Fokus i specialet er muligheden for at anvende halm til biogasformål, da regeringen jf. tillægsbetænkningen ønsker at reducere anvendelsen af energiafgrøder til biogasformål i fremtiden (Energistyrelsen 2012a). Jf. kapitel 5.3.1 Specialet afgrænser sig også fra at undersøge anvendelse af andet organisk affald f.eks. fra fiskeri og industri. Dette skyldes, at de eksisterende gyllebaserede biogasanlæg i dag anvender betydelige mængder industriaffald og der derfor er stor konkurrence på organisk affald til danske biogasanlæg (energistyrelsen 2012a). Ved en udbygning af biogas forventes denne konkurrence at stige og da industriaffaldsressourcerne er stort set fuldt udnyttet, stiller denne øgede udbygning af biogas krav til, at der skabes økonomi i alternative biomasseressourcer, såsom halm (Energistyrelsen 2012a). I specialets Case kapitel 4 angives det, at analysen, for udnyttelsen af halm til biogasformål, fokuserer på én forbehandlingsteknologi. Forbehandlingsteknologien anvendt i dette speciales analyser er pulverisering af halm med hammermølle. Dette medfører, at andre forarbejdningsteknologier ikke analyseres. Specialet systemafgrænsning er visuelt præsenteret i Figur 1. Figur 1: Systemafgrænsning & 19

Indledning 1.3 Projektdesign Det følgende er en introduktion til specialets opbygning og hvordan feasibility analysen er med til at strukturere analysen i de to overordnede analyse områder, som er styrende for henholdsvis den tekniske analyse og den økonomiske analyse., jf. kapitel 1.1. Derudover præsenteres specialets projektdesign som en visualisering af specialets opbygning fra A-Z, hvilket skal give læseren et overblik over de i specialet behandlede emner, se Figur 2. De første kapitler. Kapitel 1 og 2 indledning og metode er koncentreret omkring problematikken samt opbygningen af dennes besvarelse og leder videre til de konkrete analyse metoder, som er anvendt i feasibility analysen, kapitel 3. I analyserne i specialet er der således fokus på de tekniske, såvel som de økonomiske aspekter ved anvendelse af halm til biogasproduktion. De tekniske analyser kortlægger potentialet for biogasproduktion baseret på halm. De centrale emner er; Dansk biogasproduktion og teknologien bag biogasproduktion baseret på halm. Med hensyn til biogasproduktion baseret på halm er der fokus på forbehandling af halm og der forligger en beskrivelse af den valgte forbehandlingsmetode, se også kapitel 1. Ydermere undersøges de tilhørende metanpotentialer ved denne forbehandlingsmetode gennem udrådningsforsøg udført i forbindelse med specialet, se kapitel 2.1.3. Derudover undersøger specialet i den tekniske analyse de mulige effekter, som en ændring i den afgassede biomasse vil have for udbringning af den afgassede biomasse som gødningsprodukt. De samlede tekniske analyser danner derved grundlag for at kunne identificere potentialet for udnyttelse af halm til biogasproduktion. I de økonomiske analyser er der fokus på anlægs- og driftsøkonomien, som analyseres med analysemetoderne dækningsbidrags-, følsomheds- og break-even analyser, se kapitel 3.2. Dette skal bidrage til at identificere de generelle forudsætninger for afgasning af halm i biogasanlæg, hvordan anvendelsen af halm som biomasse input påvirker anlægs- og driftsøkonomien, følsomhedsgraden overfor ændringer i de økonomiske forudsætninger, samt en vurdering af driftsrisikoen. De samlede analysers delkonklusioner samles i konklusionen til besvarelse af problemformuleringen i kapitel 7 20

Indledning Figur 2: Projektdesign 21

Metode 2 Metode Specialet omhandler feasibiliteten for at indfri et nyt potentiale for dansk landbrug og biogas, i form af udnyttelse af halm til biogasproduktion. Feasibility analysen af dette nye koncept bygger på tekniske og økonomiske aspekter. I det følgende kapitel gøres der rede for den metodiske proces ved besvarelse af problemformuleringen. Der redegøres for den metodiske analyse af problemfeltet og for indsamlingen af egen empiri og litteratur til specialet. 2.1 Empiriens rolle for analysen For en fyldestgørende besvarelse af problemformuleringen har det været nødvendig med to metodiske tilgange til vidensindsamling; 1) litteratur og statistik samt 2) forsøg, interviews og økonomiske beregninger. I det følgende vises metodevalget for vidensindsamlingen i forhold til problemformuleringens arbejdsspørgsmål, nogle af arbejdsspørgsmålene vil kunne findes i begge metodiske tilgange. 1) Vidensindsamling via litteratur og statistik anvendes til beskrivelse og bestemmelse af: - a) Hvilke rammevilkår og politiske målsætninger er opstillet for biogasproduktion i Danmark og hvilken betydning har disse for anvendelsen af halm til biogasproduktion? - b) Hvilken biogasanlægsteknologi er den mest anvendte i Danmark? - c) Hvilken betydning har anvendelsen af halm til biogasproduktion for biogasproduktionen i danske husdyrgødningsbaserede biogasanlæg? - e) Hvordan kan biogasproduktion baseret på halm og husdyrgødning bidrage mest muligt til de danske klimamålsætninger? - f) Hvordan kan ressourcegrundlaget for halm og husdyrgødning i det danske landbrug, understøtte den danske biogasudbygning? - g) Hvilken betydning har anvendelse af halm til biogasproduktion i husdyrgødningsbaserede biogasanlæg for udbringningen af gødningsproduktet afgasset biomasse? 2) Vidensindsamling via udrådningsforsøg til vurdering af metanpotentialer og den afgassede biomasses sammensætning, interview med eksperter og praktikere i biogasbranchen samt økonomiske beregninger for anlægs- og driftsøkonomi, anvendes til oparbejdelse af direkte viden om udnyttelse af halm som biomasseressource til biogasformål i følgende underspørgsmål: 22