Biogass
kva kompetanse finns og kva skjer på området
Tormod Briseid, NIBIO
Hordaland 14. februar 2017
Hva kjennetegner biogassprosessen?
Biogassprosessen er en biologisk lukket prosess
hvor organisk materiale omdannes til biogass ved
hjelp av mikroorganismer.
Biogassprosessen er bakterienes ”siste valg”.
(Etter oksidasjon med oksygen, nitrat eller sulfat,
og etter syre og etanolgjæring). Frigjør lite
varme.
Dannelse av biogass er en gjæring som spalter
organisk materiale til en oksidert form
(karbondioksid) og en redusert form (metan) som
er lavest på energistigen.
Nitrogen og fosfor frigjøres i varierende grad som
ammonium og fosfat i stedet for å bli bundet opp
som mikrobiell biomasse.
Hvor kommer disse
bakteriene fra?
Biogassprosessen er en
naturlig biologisk prosess,
med mikroorganismer fra
naturlige miljøer
Mikrobiologi
•
•
Mikrobiologisk avansert
samarbeid i
biogassprosesser
Mikroorganismer på det ene
trinnet er avhengig av
substrat fra foregående trinn
og at neste trinn «spiser»
restproduktene.
Metan potensialstudier
Potesialstudiene sier noe om
hvor mye biogass som
produseres i fortynnede
løsninger under optimale
betingelser. Finner verdier i
tabeller.
Gassproduksjonen måles med hensyn
på mengde og sammensetning over tid
Råstoff/Substrat
Storfegjødsel[1] .....................
Svinegjødsel1.......................
Hønsegjødsel .....................
Gras1 ..................................
Frukt- og grønnsakavfall 1...
Matavfall fra husholdninger
Matavfall fra næring ...........
Slakteriavfall .......................
Rent karbohydrat/sukker[2] ..
Proteiner2 ............................
Fett2 ....................................
kWh/tonn
140
180
450
810
950
1.700
2.500
4.800
3.900
4.900
8.500
Potesialstudiene sier ikke noe om effekter av
blandinger, inhiberende stoffer, effekt av eller
mangel på næringssalter etc.
Den svenske
substrathåndboken er ett
eksempel på en oversikt
over biogasspotensialer i
forskjellige substrater
I Danmark er halm et vanlig biogass-substrat
6
Metan potensialstudier (eks. fiskeslam)
Metanutbytte, ml CH4 akkumulert. Gassproduksjon
i begge paralleller er vist.
Slam fra fiskeoppdrett har et høyt
biogasspotensiale – store
muligheter.
Metanpotensialet er avhengig av
forholdet mellom ekskrementer og
fôrrester, samt bruk av riktig
inokulum I testforsøkene.
Metanutbytte med sjøvann, 50/50 sjøvann/ferskvann
og rent ferskvann
Importert mat
Importert
husdyrfôr
Importert
fiskefôr
Fanget fisk
Importert mineralgjødsel
Eksportert fiskefôr
Fiskemel
Fiskeoppdrett
og fiskeri
Hamilton H, Brod E, Hanserud O, Gracey E, Vestrum M, Steinhoff F, Müller D,
Brattebø H (2015). Investigating cross-sectoral synergies through integrated
aquaculture, fisheries and agricultural phosphorus assessments: Norway as a
case. Journal of Industrial Ecology. Doi:10.1111/jiec.12324.
Organisk avfall
Avløpsvann
Matprosessering
og konsum
Fiskeprodukter
Planteprodukter
Avfallsbehandling
Jordlager
Husdyrhold
Husdyrgjødsel
Tilbakeførte sekundære P ressurser
Norsk P balanse
Eksportert og
deponert avfall
Plantebasert fôr
Eksportert mat
Planteproduksjon
Tapt fiskeslam og -avfall
Animalske produkter
Mineralgjødsel: 8400 t P/år
Gjennomsnitt 2009-2011
Noen utfordringer:
Oppsamling av slammet
Sjøvann inneholder mye sulfat
som blir til sulfid i en
biogassprosess, kan hemme
prosessen, reduserer utbytte og
må renses fra biogassen.
Salt i råstoffet
Høyt innhold av protein gir et
høyt innhold av ammonium
under nedbrytningen, noe som
kan hemme prosessen
«Få ut» fosfor (og eventuelt
ammonium og kalium) i en ren
form
9
Forbehandling av råstoff
Mekanisk forbehandling: Oppmaling, kutting, økt
overflate, lettere å håndtere
Luting (av halm, f.eks.)
Syre/hydrolyse (ensilering) Benyttet organisk syre
vil omsettes til biogass i prosessen
Halm kan med fordel males opp
Temperaturbehandling, sammenfaller med
hygienisering
Dampeksplosjon, (f.eks Cambi-prosessen)
Enzymatisk forbehandling, (f.eks. av matavfall –
Danmark, eller trevirke)
Mikrobiologisk delvis nedbrytning (f.eks. hydrolyse,
Hyperthermics-prosessen, sopp-behandling etc)
Annet:
Blandinger av substrater
Dampeksplosjonsanlegget på Campus Ås
Tilsetning av næringssalter og mikroelementer
(f.eks. jern, selen, mangan, nikkel, sink eller annet –
obs Gjødselvareforskriften)
10
Biogassproduksjon i reaktorforsøk (CSTR)
I helomblandede reaktorer
tilsettes substrat daglig, og
overskudd fjernes daglig
(semikontinuerlig).
Gassproduksjonen måles med hensyn
på mengde og sammensetning over tid
Forsøkene går over flere måneder og
betingelsene endres etter et oppsatt
forsøksmønster. Kan studere blandinger,
organiske belastninger, effekt av ammonium,
etc.
Mikrobiologi
•
Noen organismer trives
eksempelvis i surere miljø
•
Andre organismer trives
kanskje best i nøytralt miljø
Den mikrobiologiske sammensetningen i forskjellige anlegg
(Genetisk sammensetning, hvilke enzymer som kan produseres og hvilke enzymer
som reelt produseres)
Noen teknologier som møter disse utfordringene
•
•
•
•
Helomblandete reaktorer (CSTR – Complete Stirred Tank
Reactor). Dette er den vanligste reaktoren. Forskjellige
betingelser i mikromiljøet.
Prosesser sammensatt med et forutgående
hydrolysetrinn – to reaktorer i serie med forskjellig pH.
Plugflow-prosesser. Her foregår de forskjellige
mikrobiologiske trinnene etter tur.
Mange plugflow-reaktorer behandler fast fase substrat
Plugflow reaktor, Labskala, Ås
Fra innsiden av fastfase biogassreaktor, fullskala, Sverige
Fastfase biogassreaktor på laboratoriet på Ås
Enkel helomblandet reaktortank
Biogassanlegg ved Høgebro gård (Sverige)
27. feb 2017
15
UASB reaktorer
(Upstream Anaerobic Sludge Blanket reaktor)
•
•
•
Kan tåle store belastninger
Produserer lite slam
Godt egnet for mange industriavløp, f.eks. i
treforedlingsindustrien
•
Kan være lite stabile ved varierende
belastning/substratsammensetning
Krever trenet personale
Behandler «rene væskestrømmer» med lite
partikler
•
•
•
•
Mange forskjellige tekniske utforminger
En norsk modell for landbruket
27. feb 2017
16
Dannelse av biogjødsel/biorest
En biogassprosess produserer en våt biorest
/ råtnerest / fiberrest
Bioresten inneholder næringssalter (NKP),
tungt nedbrytbart organisk stoff og
biomasse
Optimal utnyttelse av bioresten innebærer
flere utfordringer:
• Kvalitetskrav med hensyn til
gjødseleffekt, og mattrygghet
• Uavvannet biorest bevarer
næringsstoffene, men har stort
volum og stiller krav til transport og
lagring.
• Avvannet biorest krever
videreforedling før omsetning. Hva
gjøres med gjødselvannet (rikt på
N, og K)
Utfordringer i norsk landbruk
Norsk landbruk er spredt – med mange små gardsbruk
• Dette krever enten små anlegg
• Transport av gjødsel over store avstander (veitransport eller i rør)
• Små anlegg med transport av biogass i rør til sentrale oppgraderingsanlegg
• Vi har et kaldt klima
som krever mye energi
til oppvarming
vinterstid
• Vi har mye tilgang på
billig energi i Norge,
noe som svekker
økonomien i anleggene
•
Men utfordringer gjør
oss kreative!
Kart som viser rørledning for transport av gjødsel mellom
gårderne Berg, BergUngen och Säby.
Hva må man spørre seg om ved planleggingen:
Hvilke råstoff har vi?
Har vi sikker tilgang på dette i lang tid?
Passer de i blanding?
Robust og god biogassprosess – «et hav å velge i»
Må tilpasses substratene og ønsket sluttprodukt, samt kostnader
Sikker og god avsetning på biogassen
Oppgradering eller ikke – mange vurderinger
Bioresten – sikker avsetning
Biorestens kvalitet (næringssalter og innhold av miljøgifter etc.)
Overordnede økonomi- og miljøvurderinger
Hva skjer:
Det bygges/etableres:
•
•
•
•
•
Det er bygget ut mange biogassanlegg basert avløpsslam
Det bygges store anlegg basert på matavfall (Eks. Oslo EGE)
Det bygges store industrianlegg, f.eks. i treforedlingsindustrien (Eks.
Borregaard, Saugbruks, Biokraft på Skogn)
Vi er i startfasen på biogass fra husdyrgjødsel (Noen mindre anlegg, stort
anlegg: Greve Biogass – «Den magiske fabrikken»)
Vi vil snart begynne med biogass fra fiskeslam!
FoU:
•
•
•
•
Forbehandling av nye råstoff – bedre utnyttelse, flere typer råstoff
Mikrobiologi og prosess-studier – robuste prosesser
Bruk av hydrogen for å øke metanutbytte - kjøretøykvalitet
Redusere volumet av produsert biorest – lagring og transport
Biogass inngår som en del av den nye bioøkonomien og
biogassanlegg er en del av et hvert nytt bioraffineri!