2008 Evaluering af Biogas som Bæredygtig Energikilde til Masanga hospitalet Lars Rønn Olsen DTU biosys Ingeniører Uden Grænser Udarbejdet for Masangas Venner
Introduktion Som behovet for bæredygtig energi i ulande vokser, er bioteknologi i stigende grad blevet en væsentlig ressource i udviklingen af den tredje verden. Traditionelt set har udviklingslande ikke været anset som et sted, der kunne drage nytte af fagområdet, men som fossile brændstoffer bliver færre og dyere, er interessen for anden generations biobrændsel og derved bioteknologien vokset støt. Denne rapport indeholder en kort introduktion til feltet, samt essensen af de seks måneders research og laboratoriearbejde, der ligger til grund for rapporten Evaluation of biogas as a sustainable energi source for the Massanga hospital in Sierra Leone. Kernen i projektet var en gennemgående analyse af det tilgængelige plantemateriale, samt en kvantitativ vurdering af det potentielle udbytte af teknologien i Massanga. Biogas kort Biogas er betegnelsen for gas produceret fra organisk materiale af forskellig karakter af mikroorganismer. Traditionelt set bliver energiafgrøder såsom majsplanter benyttet, men denne produktionstype, kendt som første generations biobrændsel, har adskillige ulemper. Viderudvikling af teknologien har banet vejen for anden generations biobrændsel, som er produceret udelukkende fra affaldsprodukter. Biogas har tre hovedbestanddele. Metangas (CH 4 ), som er den energiholdige og brændbare del af gassen, kvælstof og kuldioxid. Gassen bliver produceret af tre hovedgrupper af mikroorganismer. Hydrolyserende organismer som nedbryder det organiske materiale til dets mindre bestanddele, syreproducerende organismer som primært omdanner disse bestanddele til acetat, og til sidst metanproducerende organismer der omdanner acetaten til metangas. Hver hovedgruppe indeholder utallige forskellige organismer, og i alt ca. 6000 forskellige indgår i processen. Alle organismerne i processen er anaerobe, hvilket betyder at de kun kan leve i iltfrie omgivelser. Projektet Metanudbyttet af en given type organisk materiale er afgjort af dets komposition. Udbyttet af det organiske material er i første instans begrænset af hvor stor en fraktion af materialet der er henholdsvis vand, uorganiske forbindelser og organisk forbindelser. Dette gøres ved en såkaldt TS/VS analyse. Total solids (TS) er bestanddelen af prøven som ikke er væske, altså tørstof, volatile solids (VS) er den bestanddel af prøven som er af organisk oprindelse. Kun de organiske forbindelser kan potentielt omdannes til biogas, så analysen er vigtig for at kunne udregne et potentiale. Samtidig er fraktionen af VS en meget vigtig faktor for at optimere den organiske ladningsrate (OLR), altså hvor hvor stor en mængde organisk materiale der kan tilføjes til reaktoren pr tidsenhed, og derved hvor stor en mængde biogas der kan produceres. Resultaterne af TS/VS analysen kan ses i tabel 1.
Prøve % TS af prøve % VS af TS % VS af prøve 1. Affald fra palmeolieproduktion 86.5 98.3 85.0 2. Nedfaldne umodne mangoer 48.0 98.0 47.0 3. Lokale buske 65.3 92.8 60.6 4. Mangotrægrene og blade 49.8 93.2 46.4 5. Palmeblade 51.3 94.1 48.3 6. Tørt træ 87.1 89.9 78.3 Tabel 1: Resultater af TS/VS analyse af prøver fra Masanga Prøverne fra Masaga havde været undervejs i næsten to uger inden de nåede i laboratoriet på DTU biosys. Der var derfor tydelige tegn på dekomponering af prøverne. Almindelig råd af plantemateriale nedbryder den organiske fraktion af materiale netop den fraktion som er væsentlig for biogasproduktion. Derfor blev friske prøver indhentet fra botanisk have i København. Kun to af prøverne kunne med sikkerhed identificeres af botanikeren i haven. Disse var palmeblade og mangotrægrene og blade. Udover disse to ekstra prøver, blev der også udført TS/VS analyse på majsplanter, da reaktordesignet blev kalibreret med brug af dette. Se tabel 2 for resultater. Prøve % TS af prøve % VS af TS % VS af prøve 7. Friske palmeblade 45.0 95.2 42.8 8. Friske mangotrægrene og blade 48.9 95.0 46.5 9. Majsplanter 93.1 90.6 84.5 Tabel 2: Resultater af TS/VS analyse af prøver fra botanisk have Som det ses af tabel 1 og 2, er der forskel på bestanddelen af % VS af TS i prøve 4 og 8, og prøve 5 og 7. Det lader umiddelbart ikke til at være en omfattende forskel, men blot 60-70% af VS er tilgængeligt for mikroorganismerne i processen, og kun yderligere 50% kan effektivt udnyttes inden for en favorabel tidsramme. Det er derfor en ret væsentlig dekomponering der er forekommet selv om det ikke ser ud af meget, og det er derfor vigtigt at plantematerialet der skal bruges i reaktoren er så friskt som overhovedet muligt. Næste trin i analysen er at finde det reelle biogaspotentiale af prøverne. Dette blev gjort ved at inkubere små 25 ml flasker med 0,5 g VS af de respektive prøver, innokuleret med kogylle. Hver anden dag blev 0,2 ml gas fra flaskerne trukket ud og analyseret ved gas kromatografi (GC). Ud fra GC resultaterne kunne der udregnes hvor stor en mængde metangas der var blevet produceret fra de 0,5 g VS, og et potentielt udbytte med enheden ml CH 4 /g VS. Resultatet af biogaspotentialeanalysen kan ses i tabel 3.
Prøve Potentiel CH 4 produktion [ml CH 4 /g VS] Affald fra palmeolieproduktion 72.9 Nedfaldne umodne mangoer 111.5 Lokale buske 143.1 Mangotrægrene og blade 140.8 Palmeblade 143.9 Tørt træ 21.1 Tabel 3: Resultat af biogaspotentialeanalyse af prøverne fra Masanga Også disse resultater viser tegn på den førnævnte dekomponering, og understøtter hypotesen. Til sammenligning er biogaspotentialet af friske majsplanter 204 ml CH 4 /g VS. Ud over det tilgængelige materiale i Masanga, er reaktordesignet en meget væsentlig faktor. Den mikrobiologiske proces der ligger til grund for biogasproduktion er meget følsom overfor visse faktorer. En reaktor blev derfor designet med henblik på at minimere de mest forventede fejl. Reaktordesignet blev testet over en periode på 77 dage, og var konstant nøje kontrolleret mht temperatur, ph, gasproduktion, obhobning af ustabile fedtsyrer (VFA), samt GC for bestemmelse af CH 4 produktion. Det endelige design der er optimeret til brug i Masanga, kan ses på figur 1. Figur 1: Reaktordesign optimeret til brug i Masanga
Designet består af tre tanke hvis størrelser er relative, alt efter hvor stor en produktion der ønskes (teoretisk skalering findes i næste afsnit). Plantemateriale tilføjes til den første tank der er dedikeret til hydrolyse. Væske indeholdende fedtsyrer overføres passivt til den anden tank der er dedikeret til syredannelse og metanproduktion. Den tredje tank fungerer primært som buffer, samt til opbevaring af effluent som siden recirkuleres aktivt tilbage til den første tank. Fordelene ved et sådan design er mange. For det første er lademekanismen simpel. Dvs. at der næsten ikke er nogen fysiske grænser for hvor store mængder TS der kan tilføres. Normalt ligger lades ca. 10%, men med dette design kan der lades op til 80% hvilket er optimalt til Masanga, da ladning kan foregår hver tredje uge i stedet for hver dag. For det andet er den første tank meget lidt følsom over for obhobning af VFA i forhold til almindelige biogasreaktorer (se den egentlige rapport for tekniske detaljer). Effektiviteten af designet (mængde CH 4 produceret i forhold til den potentielle produktion) blev udregnet til ca. 46%, hvilket er rimeligt taget i betragtning af at ingen forbehandling af plantematerialet fandt sted. Dog kan dette sagtens forbedres, hvis materialet deles så fint som overhovedet muligt inden det tilføres. Reaktoren blev testet med en samlet volumen på 6800 ml. En teoretisk opskalering af designet til 6800 l gav resultatet vist i tabel 4. Emne Reaktor 1 Reaktor 2 Reaktor 3 Mængde materiale Organisk ladning Volume/kvantitet 2664 l 3000 l 800 l 336 kg 170 kg Produktion of biogas 31250 l = 31.25 m 3 Produktion af metan 16250 l = 16.25 m 3 Reaktoren lades Hver 21 dage Tabel 4: Teoretisk opskalering af reaktordesign Opskaleringen er baseret på en række antagelser og tilnærmelser, men er naturligvis tilnærmet så realistisk som muligt. Givet at metan har en brændværdi på 9.7 kwh/m 3 (37MJ/m 3 ), kan der dagligt produceres 6,4 kwh i en dedikeret metangenerator med 15% varmetab. Konklusionen er at biogas kan være en fornuftig løsning på energiproblemet i Masanga. Det ovenstående resultat kan opskaleres til at opnå næsten så meget energi som muligt, inden for en realistisk fysisk grænse. Inden et absolut energiudbytte kan forudsiges, bør der laves en fysisk opskalering af reaktoren, samt gentagelse af visse forsøg med plantemateriale i præcis den tilstand det kan benyttes i Masanga.
For tekniske detaljer, se venligst den egentlige rapport Evaluation of Biogas as a Sustainable Energy Source for the Masanga Hospital in Sierra Leone.