Förbehandling en möjlighet till ökad
biogasproduktion
Ilona Sárvári Horváth, Högskolan i Borås
My Carlsson, AnoxKaldnes/LTU
Centrum för optimal resurshantering av avfall
www.wasterefinery.se
Regionala mål i Västra Götaland
2,4 TWh producerad och
använd biogas år 2020
BEMAB vill öka sin produktion av fordonsgas från
2 miljoner Nm3 till 4,7 miljoner Nm3 till år 2016.
Hur?
Teknikutveckling
Energieffektivisering
Analys och utvärdering
Förbehandling
Förbehandling
Mekanisk bearbetning
Förberedning till rötning
Behandling av befintliga substrat
Mer gas
Förbehandling av nya substrat
Flexibilitet och mer gas
Jag mår
bra 
Vad är syftet med en biogasprocess?
•Stabilisera och reducera massan
av organiska restprodukter
•Och omvandla dem till förnybar
energigas: Biogas
•Gärna väldigt MYCKET biogas
Hur kan vi maximera biogasproduktionen?
•Se till att så mycket material som
möjligt kommer in i anläggningen
•Se till att få ut så mycket gas som
möjligt från det material som
kommer in
Hur får vi in så mycket substrat som möjligt?
•Optimera förbehandlingen av
matavfall – minimera förlusterna
Förbehandling av matavfall
Matavfall
Förbehandling
Accept till
biogasanläggning
Rejekt till
annan behandling
Varför förbehandla matavfall?
•
Avlägsna oönskat material
• Göra substratet mekaniskt hanterbart (pumpning, omblandling)
• Nödvändigt för certifiering av biogödsel (föroreningar, partikelstorlek)
Hur får vi ut så mycket biogas som möjligt ur
substratet?
Nötgödsel
Bageriavfall
Matavfall
Sockerbetor
Kaffesump
Hästgödsel
Halm
Fettavskiljarslam
Odlingsrester
Läderindustriavfall
Drank
Glycerol från biodieseltillverkning
Avloppsslam
Vallensilage
Fiskrens
Fjädrar
Mejeriavfall
Majsensilage
Indunstningskondensat
Minkgödsel
Bioslam pappersbruk
Fjäderfägödsel
Biogasutbytet beror dels på substratets
sammansättning
Beräknad metanpotential baserat på sammansättning
COD
0,35 Nm3/kg
Dels på den biologiska nedbrytbarheten och
tillgängligheten
Experimentellt uppmätt metanpotential:
BMP
Metanutbyte
(Nm3 CH4/ton VS)
Tid
Slutligen på den kontinuerliga processens
begränsningar
• Begränsad uppehållstid ~20-30 dagar
• Omblandning
• Miljöfaktorer
Metan per VS el. COD
Potential och utbyte från biogassubstrat
Hur minskas klyftan mellan potential och
verklighet?
• Genom att angripa det organiska materialets begränsningar
• Till exempel genom förbehandling
Minska partikelstorlek
Frigöra ej tillgängligt material
Omvandla till löst form
• På så vis påskyndas och ökas nedbrytningen
Det finns olika metoder för detta…
Mekanisk
Ultraljud
Termisk
Kemisk
Ozon
Syra/bas
Annat…
Termokemisk
Mikrovågor
Frysning
Elektroporation
Biogas from lignocellulosic biomass
SGC 147 rapport
Varför lignocellulosa?
Tillgången på ytterligare rötbart substrat är begränsad då
det mesta redan rötas idag
Restprodukter bestående av hög andel lignocellulosa, som
t ex skogsavfall (GROT) och halm, har en stor potential
för biogas produktion
Den totala biogas- och energipotentialen i Sverige uppgår
till 74 TWh/år varav lignocellulosa baserade
restprodukter från skogen utgör merparten, nästan 60
TWh/år (80%).
Ref: biogasportalen.se
Varför förbehandling?
Svårnedbrytbar struktur:
lignin
cellulosa
hemicellulosa
Ref: USDA Agricultural Research Service
Olika förbehandlingstekniker/ olika effektivitet
Physical methods
Chemical & Physicochemical
Biological methods
Milling:
- Ball milling
- Two-roll milling
- Hammer milling
- Colloid milling
- Vibro energy milling
Irradiation:
- Gamma-ray irradiation
- Electron-beam irradiation
- Microwave irradiation
Others:
- Hydrothermal
- High pressure steaming
- Expansion
- Extrusion
- Pyrolysis
Explosion:
- Steam, Ammonia, CO2, SO2 , Acids
Alkali:
- NaOH, NH3, (NH4)2SO3
Acid:
- Sulfuric, Hydrochloric & Phosphoric
acids
Gas:
- ClO2, NO2, SO2
Oxidizing agents:
- Hydrogen peroxide
- Wet oxidation
- Ozone
Solvent extraction of lignin:
- Ethanol-water extraction
- Benzene-water extraction
- Ethylene glycol extraction
- Butanol-water extraction
- Swelling agents
Organosolves/ Ionic liquids
Fungi and Actinomycetes
Ref: SGC 147 rapport
Ångexplosion
/Behandling av trä, halm och papper
0,6
Paper tube
residuals
0,5
m3 CH4/kgVS
0,4
0,3
Wheat straw
Japanees
cedar chips
Wood chips
Corn straw
0,2
0,1
0
Ref: SGC 147 rapport
Pappersavfall
Pappersavfall ger
0,23 Nm3 CH4 /kg VS
(ca 200 Nm3 CH4 /ton torr papper)
Den teoretiskt möjliga
metanproduktion är:
≈
0,5 Nm3/kg VS
Metanutbyten
600
(a)
ångexpl.+kem.
NmL CH4/g VS
500
400
obehandlad
300
Behandlade prover ger:
 Mer metan och
 Snabbare nedbrytning!
200
190°C, 2%NaOH, 10min
190°C, 2% NaOH, 30min
220°C, 2%NaOH+2%H2O2, 10min
Untreated
100
0
0
10
20
30
Time (days)
40
50
60
Ref: A.Teghammar et al. Bioresource Technology 2010
Förbehandling
Ekonomiskt mer slagkraftiga
biogasanläggningar
Bättre gasutbyte
Snabbare nedbrytning
Avfall
Förbehand
ling
Mer biogas
Rötkammaren
Mindre
rötrest
Energibalans
Gasutbytet : +7,5 %
Värmebehovet: -21 %
Mer biogas
Avfallsfraktion 1
90 %
Rötkammaren
Avfallsfrakt. 2
10%
Ref: WR12 rapport
Ångexplosion
Mindre
rötrest
Vad kostar det?
Förbehandlingskostnaderna jämförs med värdet av den producerade gasen
SEK/ton VS
Production cost & gas yield
2500
2000
1500
1000
500
0
Production costs
Gas yield * 0.50 SEK/kWh
Forest residues
(SE)
Straw (SE)
Feedstock
Paper (SE +
NaOH)
Ref: SGC 147 rapport
Breakdown of production costs
Priset för feedstock
Raw material
Administration
Labor eguipment
Supervision
Manpower
Plant Management
Insurance
Maintenance
Devaluation
0
200
400
SEK/ton* yr
600
Ref: SGC 147 rapport
Höga kostnader för råmaterialet gör att det är svårt att få positiv nettoresultat
Priset för gasen
SEK/ton VS
Pretreatment production cost versus gas price
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Production costs
Gas yield * 0.50 SEK/kWh
Gas yield * 0.75 SEK/kWh
Gas yield * 1.00 SEK/kWh
Forest residues
(SE)
Straw (SE)
Feedstock
Paper (SE +
NaOH)
Ref: SGC 147 rapport
NMMO- behandling
Metanproduktion uttryckta som procenthalter
av den teoretisk möjliga metanutbyten
120
100
95
87
80
69
60
54
55
49
40
26
20
13
4
3
4
7
Milda förhållanden
NMMO
(N-methylmorpholineN-oxide)
Miljövänligt organisk
lösningsmedel
Kan återvinnas efter
behandling
0
WR45
HB
Ref: A.Teghammar et al. Biomass & Bioenergy 2012
SP
JTI
Grontmij
Processdesign
/teknisk ekonomisk utvärdering
Inputs
Primary
Sludge
Waste
Activated
Sludge
Substrates
OFMSW
Industrial
wastes
Manure
Upstream
processing
AD
process
Downstream
processing
Biogas
Separation
Dilution
Gas cleaning
Size reduction
Gas upgrading
Pasteurisation
Other
Pre-treatments
Anaerobic
digestion
Dewatering
Dewatered
digestate
Reject water
treatment
Nutrient
recovery from
reject water
Crops
Conservation
Storage
Other inputs
Chemicals
Cleaned
biogas
Upgraded
biogas
Mixing
Additives
Energy
Outputs
Reject
water
Nutrients
Digestate
Digestate
Som sagt…
Optimerad förbehandling av matavfall kan göra att mer
material går in i anläggningen
Matavfall
Förbehandling
Accept till
biogasanläggning
Rejekt till
annan behandling
Som sagt…
Metan per VS el. COD
Förbehandlingsmetoder kan också minska klyftan mellan
potential och faktiskt utbyte för substrat som bryts ned
långsamt och/eller ofullständigt
MEN..
Förändringen av substratet kan också få andra effekter på
systemet
Det gäller att sätta den totala effekten i relation till den totala
insatsen för det aktuella systemet
WR 49: Förbehandling av biogassubstrat i systemanalys
Avfall
Produkter
Material
Energi
Delmodell för
avfallsbehandling
Emissioner
Energi
Kostnader
Intäkter
Sekundärt avfall
WR 49: Medverkande
Luleå tekniska universitet
AnoxKaldnes
Profu
Svensk växtkraft, NSR, Renova, SYSAV & Kristianstad Biogas AB
medverkar i arbetsgruppen.
JTI och Biofuel Region ingår i en referensgrupp för projektet.
Förväntade resultat
Ett underlag för att
• Utvärdera befintliga biogassystem med förbehandling
• Underlätta förbättrad processutformning
• Identifiera framtida forskningsbehov
Framtidsvision
Flexibilitet
Mer biogas
Vad tycker ni?
Avfallsfrakt. 2
y%
Förbehand
ling 1
Rötkammaren
Avfallsfrakt. 3
z%
Förbehand
ling 2
Rötrest med
bättre kvalité