1. No category

Mekanisk forbehandlingsmetoder og rentabilitet af halm
Mekanisk forbehandling af halm til biogasproduktion i biogasanlæg
Halmproduktion i Danmark
Geografisk fordeling af overskudshalm
Forbehandling af halm
Anlægstyper
Økonomisk vurdering
Halmproduktion i Danmark
Den samlede halmproduktion skønnes at være omkring 6,244 mio. ton pr. år ekskl. frøgræshalm.
Forbruget af halmen fordeler sig på følgende områder:
Tabel 1: Halmproduktion Danmark i 2013-2014
Mio kg
Halm i alt inkl. raps og bælgsæd
Anvendt til energi(afbrænding)
Anvendt til foder
Anvendt til strøelse
Ikke udnyttet
Kilde: Danmarks Statistik, HALM1
2013
5.805
1.416
1.022
725
2.640
2014
6.244
1.432
958
619
3.233
Geografisk fordeling af overskudshalm
Det interessante spørgsmål er, hvor der på nuværende tidspunkt er et halmoverskud?
Ifølge Danmarks Statistik er det største overskud på Sjælland med en overskudsmængde på omkring
770 mio. kg, efterfuldt at Nordjylland og Østjylland med en overskudsproduktion på omkring 550 mio. kg
for hvert område, jf. figur 1 og 2 samt bilag 1.
Mio. kg
Figur 1: Halmproduktion og overskudsandel, 2014
1600
80,00%
1400
70,00%
1200
60,00%
1000
50,00%
800
40,00%
600
30,00%
400
20,00%
200
10,00%
0
0,00%
Produktion
Kilde: Danmarks Statistik, HALM1
Overskud
Pct. overskud
Figur 2: Anvendelse af halmproduktionen, 2014
900
800
700
Mio. kg
600
500
400
300
Energi
Foder
200
Strøelse
100
Overskud
0
Kilde: Danmarks Statistik, HALM1
Sammenlignes overskudsproduktion af halm med placeringen af biogasanlæggene, viser det sig at Sjælland godt kunne bruge nogle flere biogasanlæg, der kan udnytte halmen. På Fyn bygges der i skrivende
stund to ny store anlæg, der kan anvende halmen i biogasproduktionen, hvilket vil reducer overskuds
produktionen. For Sønder- og Østjylland er der flere nye anlæg på vej bl.a. i Vojens og Kliplev, der kan
aftale halmen. Der er forholdsvis mange biogasanlæg i det vest- og midtjyske hvor der i forvejen ikke er
det store overskud af halm, hvilket kan medfører at området hurtig kan stå i den situation, at der ikke er
noget overskudshalm. Placering af fællesanlægget er vist på figur 5 under bilag.
Mekanisk forbehandling af halm
Forbehandling betragtes som en nødvendighed, hvis man vil bruge halm til biogas. Overordnet er der
fire typer forbehandling: mekanisk, termisk, kemisk og enzymatisk/biologisk. Alt efter den anvendte teknologi giver forbehandling af halm til biogas en eller flere af følgende fordele:


Lettere opblanding af halmen i reaktortanken - det undgås, at den flyder oven på.
Øget adgang for de gasproducerende bakterier til halmens kulstof, dermed reduceres den optimale opholdstid i reaktoren. Der kan årligt ”udrådnes” større mængder, og resultatet er en øget
produktionseffektivitet for biogasanlægget. Det er endnu uklart, om de forskellige metoder forkorter udrådningstiden lige meget.
Nogle forbehandlingstyper reducerer halmvolumen (brikettering, pelletering og formaling). Hvis forbehandlingen sker hos halmleverandøren, kan transportomkostningerne evt. reduceres. Evt. kan der sideløbende produceres briketter eller piller til salg.
2
Forbehandlingstyper
På nuværende tidspunkt er de mest kendte mekaniske forbehandlingstyper på markedet følgende:





Kædeknuser
Hammermølle
Extruder
Briketter
Halmsnitter
Kædeknuser
Kædeknuseren er en relativt simpel konstruktion, hvor metalkæde roterer rundt og findeler det materiale,
der i kammeret.
Billede 1 Eksempel på kædeknuser
Kædeknuserprincippet er ikke af ny dato. Teknologien er udviklet af affaldsindustrien, der anvender kædeknusere til bl.a. at knuse metalaffald og f.eks. hårde hvidevarer.
De biogasanlæg, der har opstillet en kædeknuser, beretter, at den er fortræffelig til at findele bl.a.
dybstrøelse, da den ikke er følsom over for større urenheder som f.eks. murbrokker, sten, metalrør etc.
MeWe Gmbh har oplyst, at det kniber med at findele tørt halm. Hvis halmen skal findeles, skal det være
fugtigt/vådt og gerne ”gammelt” halm.
Fordelen ved kædeknuseren er, at den er konstrueret på en sådan måde, at det er let og hurtigt at udskifte kæden, når den slidt. Hvor ofte kæden skal udskiftes, afhænger af, hvilke materialer der tilføres
knuseren. Dybstrøelse med meget sand medfører, at kæden skal udskiftes ca. en gang om ugen. Vedligeholdelsen er billig i forhold til nogle af de øvrige halmfindelere, der er på markedet, se bilag 2.
Billede 2: Kædeknuser - X-chopper
Billede 3: Kædeknuser - Bio-QZ, skematisk visning
3
Hammermølle
Hammermøllen anvendes til formaling af produkter til mindre partikler. I processen bliver produktet ført til
møllen via transportbånd, snegl eller lignende udstyr med automatisk kapacitetsindstilling ved hjælp af
en frekvensomformer. Efter oprivning indføres halmen i en hammermølle. Når produktet falder ned i malekammeret, bliver det delt op i mindre partikler ved rotationen af hamren. Formalingsfinheden og partikelstørrelsesfordelingen for produktet bestemmes af soldet. Afhængig af hvilke produkter der skal males,
kan der være et eller to sold.
Billede 4: Hammermølle type EUB 8000 UNIT
Billede 5: Hammermølle type EUB 4000
Bioenergi Sjælland foretog i 2014 en del laboratorieforsøg, der viser, at der formodentlig ikke dannes
flydelag, når halmen neddeles til 2 mm og derunder da den formalede halm opslemmes let. EUROmilling er for øjeblikket i gang med at teste en ny type hammermølle, der specifikt er udviklet til at findele
halm til biogasproduktion. Forsøgsresultaterne forventes at være klar i slutningen af 2015.
Tyske afprøvninger fra 1956 har vist reduceret udrådningstid (10-30 dages udrådning) og højere metanproduktion ved formalet halm (0,1-2 mm) sammenlignet med snittet halm (3 cm).
Hvor fint skal der formales?
Flere undersøgelser viser, at partikelstørrelsen har betydning for, hvor stort en del af metanpotentialet
der kan udnyttes.
For byghalm er der eksempelvis fundet forøgelser i metanpotentialet på 19, 41 og 54 % i forhold til ubehandlet halm ved reduktion af snit-/partikelstørrelserne til henholdsvis 50, 20 og 5mm. For hvedehalm
var forøgelsen på 57 og 84 % ved reduktion af partikelstørrelsen på den ubehandlede halm til henholdsvis 50 og 2mm.
Tabel 2: Øget metanproduktion ved findeling af halm i forhold til ubehandlet halm.
Byghalm
Hvedehalm
50 mm
+19 %
+57 %
20 mm
+41 %
5 mm
+54 %
2 mm
+84 %
Kilde: Menardo, S., Airoldi, G. & Balsari, P., 2012. The effect of particle size and thermal pre-treatment
on the methane yield of four agricultural by-products. Bioresource technology, 104, pp.708–14.
4
Bioenergi Sjælland foretog i 2014 laboratorietest vedr. metanpotentialet af 3 prøver af hvedehalm med
forskellige partikelstørrelser; 2mm(sold), 1mm(sold) og 0.5mm(sold), hvor der ikke blev fundet nogen be1
tydelig forskel i metanudbyttet i batchforsøg .
Bemærk, at der skal skelnes mellem sold- og partikelstørrelse. F.eks. skønner hammermølleproducenten Euromilling, at partiklerne fra et 0,5 mm sold ligger i en normalfordeling omkring 0,3 mm partikler, og
2
hvis soldet er 2,5 mm, vil 98 % af partiklerne være mindre end 2 mm.
Tal fra Bioenergi Sjælland og Euromilling A/S viser, at energiforbruget ved formaling af hvedehalm på en
hammermølle (Euro 2000) stiger kraftigt, når partikelstørrelsen reduceres. Der er således set en forøgelse af energiforbruget på 68 % ved at skifte fra et 2mm sold til et 1mm sold og hele 264 % ved at skifte til
3
0.5mm sold.
Extruder
Ved ekstrudering gennemgår halmen en mekanisk behandling i en kontinuerlig proces. Halmen fodres
ind i ekstruderen og transporteres igennem systemet af to snekkeskruer. I løbet af processen bliver materialet blandet, neddelt og opvarmet. Processen bevirker, at halmens fibre og cellevægge bliver revet
op, således at sukkerstoffer m.m. bliver mere tilgængelige for de bakterier, der nedbryder sukkeret i biogasprocessen.
Teknikken er multifunktionel, idet den kan anvendes til flere forskellige biomasser, da ekstruderen kan
forbehandle biomasser med meget forskelligt tørstofindhold, blot tørstofprocenten er mellem 20 og 85.
Billede 6: Extruder Foulum
Afprøvning Foulum
Udfordringen med at behandle halmen i Extruder og de andre behandlingsmuligheder er, at et stigende
tørstofindhold kræver øget energimængde samtidig med at behandlingshastigheden falder. Forsøgene,
der er udført på Forskningscenter Foulum, viser, at en stigning i tørstoffet fra 40 til 80 % øger energiforbruget fra 20 til 80 kWh pr. ton friskvægt.
Tilsvarende forsøg foretaget på Forskningscenter Foulum viser, at gaspotentialet for halm ligger omkring
3
3
150 m metan pr. ton halm ved 30 dages opholdstid og omkring 200 m metan ved 60 dages opholdstid.
1
Udrådningsforsøg med formalet halm i forskellige partikelstørrelser - Batchforsøg 18.08.14,
www.bioenergisjælland.dk
2
Pers. komm. Rasmus Jørgensen, EuroMilling A/S
3
Formalingstest udført hos EUROmilling - www.bioenergisjælland.dk
5
3
Ved extrudering er der målt metanudbytter på over 220 m pr. ton halm ved 30 dages opholdstid stigen3
de til 270 m metan ved 90 dages opholdstid. Udfordringen med halm er, at det er for tørt til Extruderen,
4
hvorimod dybstrøelse er mere velegnet.
Briketter
Træindustrien har i mange år produceret briketter af træspåner og træsmuld. I forbindelse med at biogasproduktion udvikler sig, er der kommet fokus på at anvende halm i biogasproduktionen. For at reducere transportomkostningerne har flere virksomheder og biogasanlæg undersøgt, om det er muligt at lave træbriketter, der så efterfølgende kan blandes op med den øvrige biomasse, f.eks. gylle.
Produktionen af halmbriketter foregår i 4 trin:
Trin 1: Halmballerne bliver placeret på et transportbånd, der fører ballerne til en opriver.
Trin 2: Den oprevne halm føres ind i en hammermølle, der neddeler den yderligere i 1-2 cm stykker.
Trin 3: Den findelte halm bliver efterfølgende blæst ind i selve briketteringsmaskinen.
Fremstilling af briketter sker ved, at halmstråene komprimeres ved et tryk op til 2.000 bar. Det får temperaturen i stråene til at stige til omkring 170 grader C. Når stemplet går tilbage, sker der en dampeksplosion, som medfører, at cellerne i strået bliver ødelagt. Teknikken kan kun anvendes til biomasse med
højt tørstofindhold, dvs. et tørstofindhold på over 80 %.
Trin 4: Briketterne skubbes over på et transportbånd der føre dem til silo eller container.
Billede 7: Briketteringsanlæg- Demoanlæg Havndal.Kilde: Inbiom ”Dobbelt udbytte i biogasanlæg ved anvendelse af halmbriketter”
Kilde: Inbiom ”Dobbelt udbytte i biogasanlæg ved anvendelse af
halmbriketter”
Halmsnitter
De danske landmænd har i flere år brugt snittet halm til at danne flydelag i gyllebeholderne. Opgaven er
ofte udliciteret til maskinstation, der har en mobil halmsnitter.
Den mest brugte halmsnitter er af mærket HayBuster, der er produceret i flere kapacitetsstørrelser.
Den mest brugte er en Haybuster H-1130, der bl.a. kan tage de store bigballer.
4
Kilde; H.B. Møller, Plantekongres januar 2012
6
Billede 9: Haybuster H-1130, P.S. Machinery
I modsætning til de øvrige halmbehandlingsmetoder der anvender elektricitet som energikilde er Haybusteren koblet til en traktor.
Enkelte entreprenørvirksomheder har sat snitteren på en blokvogn, hvilket gør anlægget særdeles mobilt
og uafhængigt af, om der en ledig traktor på produktionsstedet.
Halmsnitteren fungerer ved, at halmen tilføres tromlen enten via direkte læsning eller via fødebord, hvor
der kan være flere baller ad gangen. Tromlen doserer til opriverknivene, der kaster halmen ind i snitterhjulet. Bundkæden er hydraulisk drevet og er ”standardmængdereguleret”, således at halmen kommer
ind i snitteren med konstant hastighed. Snitterhjulet er forsynet med et eller to sold, der er placeret parallelt. Soldene kan leveres i forskellige størrelser mellem 13-72 millimeter. Den snittede halm føres enten
til en vogn, container eller direkte i blandetanken på et biogasanlæg.
Økonomisk vurdering
Hvordan er rentabiliteten i de seks viste anlæg?
De oplyste indkøbspriser er listepriser, og dertil vil der alt andet lige komme omkostninger til opsætning
og evt. til halmbaner, transportbånd etc.
De forventede gaspotentialer er de oplysninger, vi har på nuværende tidspunkt, og ikke alle gaspotentialer er lige godt testede i storskalaanlæg. Derfor har vi valgt at lave flere beregninger med varierende
gasudbytter.
Forrentning, levetid og afskrivninger er holdt konstante i beregningerne. Der er indlagt en prisstigning på
2 % af vedligeholdsomkostningerne, og tilsvarende 2 % stigning pr. år i el- og olieprisen, jf. bilag 2,3 og
4.
Til at beregne rentabiliteten er anvendt investeringsprogrammet INVE. Programmet kan hentes på
www.inve.dk
Rentabilitet
Rentabilitet er en beregning, der viser, om de samlede indbetalinger er større end udbetalingerne målt
over hele investeringsperioden, samtidig med at der tages hensyn til den kapital, der er investeret og
tidspunktet for de enkelte betalinger.
Figur 3 viser indtjening pr. ton halm for hver af de seks forbehandlingsmetoder. I basisberegningen forudsættes, at de to kædeknusere (X-chopper og Bio-QZ) samt Hay-buster har et gaspotentiale på 200
3
3
Nm pr. ton halm, hvorimod de øvrige forudsættes at have et gaspotentiale på 250 Nm pr. ton halm.
Ud fra disse forudsætninger viser det sig, at det er briketter, der umiddelbart giver den bedste forrentning. Efterfuldt af hammermøller og extruders.
7
Figur 3: Rentabilitet kr. pr. ton halm ved variation i halmpris, metanudbytte og driftstid
700
Kr./ton halm
600
500
400
300
200
100
0
X-chopper
Bio-QZ
Hammermølle
Extruder
Briketter
Hay-buster
Beregning basis
10 pct mindre i metan udbytte
Minus 10 pct. i halmpris
Halvering af driftstid
Figur 4 viser, hvordan forrentningen bliver, hvis vi gør den antagelse, at gaspotentialet er ens for alle
seks behandlingsmetoder. Så bliver det de to kædeknusere, der har den bedste rentabilitet, jf. bilag 4.
Som tidligere nævnt, har vi ikke på nuværende tidspunkt tilstrækkeligt med observationer fra biogasanlæggene til at kunne sige, hvor meget gas der produceres pr. ton halm. Det anbefales derfor, at man ved
konkrete investeringer foretager beregninger med forskellige gasudbytter for at se, hvor følsom investeringen er.
Figur 4: Rentabilitet kr. pr. ton halm pr. år ved ens metan produktion
800
700
kr./ton halm
600
500
400
300
200
100
0
X-chopper
Bio-QZ
Beregning basis
Hammermølle
Extruder
Briketter
Hay-buster
Ens metan udbytte 250 m3/ton halm
Opsummering
Udnyttelsen af halmen til energifremstilling eller biogas er inde i en ny fase, hvor behovet for grøn energi
vil stige de kommende år. Derfor er det vigtigt at nye behandlingsformer af halmen bliver udviklet og afprøvet for at finde de mest praktiske og økonomisk rentable anlæg. De ovenfor præsenterede anlæg er
alle inde i en fase, hvor der fortsat forskes og udvikles i anlæggene.
De investeringstunge anlæg som Extruder, hammermøllerne og brikettering vil givetvis blive anvendt i de
meget store biogasanlæg, hvorimod anlæg som X-chopper, Bio-QZ og Hay-buster vil kunne tilpasses
8
mindre og mellemstore anlæg. Det betyder, at gårdanlæggene vil kunne øge deres biogasproduktion
uden de store anlægsinvesteringer - hvilket alt andet lige vil øge incitamentet til at bruge halm i biogasproduktionen.
Bilag 1: Halmproduktion og forbruget af halm inkl. halm fra raps og bælgplanter. Opgørelse for 2014
Landsdel
Produktion Energi
147,8
14,3
Nordsjælland
98,9
34,1
Bornholm
1.425,6
503,4
Sjælland
663,0
227,4
Fyn
1.054,3
135,2
Sønderjylland
1.019,8
261,7
Østjylland
801,1
102,4
Vestjylland
1.033,3
153,7
Nordjylland
6.243,8 1.432,2
I alt
Kilde: Danmarks Statistik, HALM1
Foder
17,2
5,6
86,7
89,8
239,9
127,9
187
204,7
958,8
Strøelse
Overskud
16,4
1,1
63,2
53,2
148,2
77,1
144
116
619,2
99,9
58,0
772,3
292,6
531,0
553,0
367,8
558,9
3.233,5
Bilag 2: Oversigt for basisoplysninger til vurdering af rentabilitet
Type
Kapacitet, ton
pr. time
Kapacitet, ton
pr. år
Elforbrug min.
kWh/ton
Elforbrug max.
kWh/ton
El-omk. pr. ton
Anlægspris
Scrapværdi (10
%)
X-chopper
Bio-QZ
Hammermølle Extruder
Briketter
Hay-buster
5
5
1
2,5
1,6
5
18.000
18.000
3.600
9.000
5.760
18.000
8
30
120
100
70
40*
12
8,5
40
29,75
140
110,5
120
93,5
80
63,75
70*
66*
2.000.000
1.700.000
1.900.000
5.000.000
3.500.000
800.000
200.000
170.000
190.000
500.000
350.000
80.000
Vedligehold kr.
5,00
5,00
15,00
30
30
pr. ton
Metanproduktion
pr. ton halm
200
200
250
250
250
Nm3
Bemærk, at der er tale om dieselforbrug og priser på dieselolie eksklusiv afgifter.
Kilde: X-ergi, MeWe, EUROmilling, H.B. Møller, Aarhus Universitet, Inbiom, P.S.Machinery
3,00
200
Bilag 3: Økonomisk forudsætning for beregninger
Metanpris, kr. pr. Nm3
Halmpris, kr. pr. ton
Rente, %
Driftstimer pr. dag
Levetid, år
Afskrivninger pr. år, %
Elpris pr. kWh, kr.
Dieselpris pr. liter, kr.
5
500
5
10
10
10
0,85
6
9
Bilag 4: Indtjening pr. ton halm, kr., beregnet ud fra oplysninger i bilag 2 og 3.
Type
Basisberegning
10 % mindre i
metanudbytte
Plus 5 % i anlægsomkostninger
Minus 10 % i halmpris
Plus 10 % i halmpris
Halvering af driftstid
Ens metan udbytte
250 m3/ton halm
X-chopper Bio-QZ
Hammermølle Extruder
Briketter
470
450
550
550
570
Haybuster
420
370
350
420
420
450
320
470
450
550
540
570
420
520
420
500
400
600
500
600
500
620
520
470
370
460
440
480
480
500
410
720
700
550
550
570
670
Tallene er afrundet til hele 10 kr.
10
Figur 5: Oversigt over biogasproducerende anlæg
11