Intern rapport - inbiom.dk

DJ F I NTERN R A PPORT M A R K b r u g n r . 8 • M A R T S 20 07Anvendelse af halm i biogasanlægog muligheder for at øge energiudnyttelsenHenrik Bjarne MøllerAARHUS UNIVERSITETDet Jordbrugsvidenskabelige FakultetInstitut for JordbrugsteknikSchüttesvej 178700 HorsensInterne rapporter indeholderhovedsagelig forskningsresultaterog forsøgsopgørelser som primærthenvender sig til DJF medarbejdereog samarbejdspartnere. Rapporternekan ligeledes fungere sombilag til temamøder. Rapporternekan også beskrive interne forholdog retningslinier for DJF.Rapporterne koster i løssalg:Op til 50 sider: pr. stk. DKK 55,-Over 50 sider: pr. stk. DKK 85,-Over 75 sider: pr. stk. DKK 110,-Henvendelse til:Det JordbrugsvidenskabeligeFakultet, Postboks 50, 8830 TjeleTlf.: 8999 1028www.agrsci.dkTryk: www.digisource.dk

Indholdsfortegnelse1. Indledning 31.2 Projektets formål og gennemførelse 32. Gasudbytte fra afgrøderester og effekt af forbehandling 32.1 Batch forsøg med afgrøderester og afgrøder 32.2 Batch forsøg med rå og afgassede fibre 52.3 Batch forsøg med enzymer 93. Forsøg i pilotreaktor 104. Hovedkonklusioner og perspektivering 124.1. Samlet resultat af projektet 12Rapporten er udarbejdet som et projekt med støtte under Energiforskningsprogrammet 2004, jnr.1373/04-0017: Anvendelse af halm i biogasanlæg og muligheder for at øge energiudnyttelsen.

- 2 -1. Indledning1.1. Projektets formål og gennemførelseAnvendelse af halm i biogasanlæg kan være med til at reducere eller i bedste tilfælde helt fjerne denøkonomiske afhængighed af affaldstilsætning til biogasanlæg. Der er imidlertid er række uafklaredeforhold i forbindelse med udnyttelse af halm i biogasanlæg, herunder tilstrækkelig sikkerhed ogforudsigelighed mht. udbyttet, således at resultaterne vil kunne bruges som grundlag for investeringerpå biogasanlæg i fremtiden.Følgende områder er blevet belyst i projektet:1. Gasudbyttet fra vinterhvede- og vårbyghalm, herunder den normale variation ved batch og kontinuertudrådning, samt betydning af opholdstid og temperatur i primære og sekundære procestrin.2. Metoder til at øge gasudbyttet, herunder:a) Findeling og formalingb) Trykkogning (>100 0 C) og termisk hydrolyse (

- 3 -Tabel 1. Oversigt over afgrøder og afgrøderester samt udbytte der er analyseret ved batch test.1 Antal dage i batch i parentes. 2 Stor spredning på resultatet.Biomasse Oprindelse Forbehandling CH 4 udbytte Antal dage(L CH 4 VS -1 )Byghalm Bygholm Ingen 271 110Byghalm Foulum Ingen 263 110Ærtehalm Bjerringbro Ingen 284 110Rapshalm Skanderborg Ingen 301 110Rajgræshalm Kjellerup Ingen 352 110Vinterbyghalm Skanderborg Ingen 356 110Hvedehalm Bygholm Ingen 242 104Hvedehalm Foulum Ingen 251 104Hvedehalm Foulum Termisk 147 C 308 105Hvedehalm Foulum Termisk 147 C, 7% 249 105kalkHvedehalm Foulum Termisk 120 C, ingen 251 105kalkHvedehalm Foulum NH3 ludet 1,75- 304 1052,0%Elefant græs halmHorsens (stængler høstet i Ingen 97 150april)Majs (04) Nordjylland Ingen 368 105Majs (04) Horsens Ingen 390 105Majs (05) Nordjylland Ingen 360 105Græsensilage (04) Nordjylland Ingen 314 105Græsensilage (04) Horsens Ingen 429 105Rajgræsensilage (05) Nordjylland Ingen 422 150Nøgen havre (05) Nordjylland (høstet grøn) Ingen 367 150Valset hvede Horsens Ingen 435 150Det fremgår at gasudbyttet som forventet generelt er højere i korn og grovfoder sammenlignet medhalm. Der er imidlertid store individuelle forskelle mellem forskellige halmarter når halmen anvendestil biogas. Hvede- og vårbyghalm har således det dårligste udbytte til biogasfremstilling, medensfrøgræshalm og vinterbyghalm har et væsentligt højere udbytte. Hvorvidt resultatet for vinterbyger generelt for alle typer vinterbyg er det pt. ikke muligt at konkludere, da resultatet kun byggerpå en enkelt undersøgelse.Generelt er udbyttet i halm noget lavere end i grovfoderafgrøder. Udbyttet fra frøgræshalm og vinterbyghalmnærmer sig dog udbyttet for grovfoder, hvis bidraget fra efter afgasning indregnes, dvs.hvis anlægget, der behandler biomassen, råder over en lang opholdstid og/eller efterafgasning (figur1).

- 4 -Liter metan/kg VS (primær)6004002000Halm Korn Grovf oder100806040200Liter metan/kg VS(efterafgasning)mesofil udrådning (primær) primær + efterafgasning efterafgasningFigur 1: Metanudbytte ved afgasning af forskellig biomasse. Mesofil udrådning er angivet som gasudbyttetved 35 o C i 48 dages batchudrådning, og efterafgasning er angivet som udbyttet fra 48-105dages batch udrådning ved 35 o C.Det kan således konkluderes, at det er af afgørende betydning, hvilke halmtyper der anvendes.Frøgræshalm og vinterbyg er særligt velegnede til gasproduktion i biogasanlæg, og også raps- ogærtehalm er at foretrække frem for hvede og vårbyg. En lang efterudrådningskapacitet på anlæggeter særlig vigtig, når der behandles halm; især for de mest tungtomsættelige halmtyper er efterafgasningenvigtig for at opnå et acceptabelt udbytte.Ved den lange opholdstid i batch forsøgene har effekten af termisk kemisk behandling af hvedehalmgivet merudbyttet på op til 25%. Ludning af halm med ammoniak og termisk behandling ved147 o C har givet bedst effekt, medens tilsætning af kalk og 120 o C ikke har haft effekt ved lang omsætningstid.2.2. Batch forsøg med rå og afgassede fibreDer er udført en række forsøg med separation af fibre før og efter udrådning, og termisk-kemiskbehandling af fibrene med efterfølgende batch udrådning (tabel 2). Forsøgene er udført med gyllefibre,da ingen anlæg ud over pilotanlægget på Bygholm kører med en stor andel halm, men detvurderes, at effekten med kemisk termisk behandling er den samme i hhv. afgassede gyllefibre oghalmfibre.

- 5 -Tabel 2. Oversigt over tørstofprodukter og effekt af forbehandling, der er analyseret ved batch test.1 Antal dage i batch i parentes.Biomasse Oprindelse ForbehandlingUdrådnede centrifugeredeFangel biogasfibreFangel biogasUdrådnede centrifugeredefibreUdrådnede filtrerede(1 mm) fibreRå centrifugerede fibreCH 4 udbytteL CH 4 VS -1AntaldageIngen2081074% CaO, 23 days,10722 C291Præstø biogasIngen95107Præstø biogas1 g CaO/kg108107Præstø biogas2 g CaO/kg110107Præstø biogas4 g CaO/kg107107Præstø biogas7 g CaO/kg118107Præstø biogas15 g CaO/kg126107Præstø biogas70 g CaO/kg179107Præstø biogas1 g NaOH/kg99107Præstø biogas2 g NaOH/kg115107Præstø biogas4 g NaOH/kg103107Præstø biogas7 g NaOH/kg106107Præstø biogas15 g NaOH/kg131107Præstø biogas70 g NaOH/kg135107Pilot reaktor Bygholm Untreated147107Pilot digester1 g CaO/kg136107Pilot digester7 g CaO/kg139107Pilot digester15 g CaO/kg182107Slagtesvin Ingen 162 (+/-3.4) 66Slagtesvin 22 C, 4% CaO, 23 219 (+/-17) 66days,Slagtesvin 127 C, ½h, 4% 217 (+/-14) 66CaoSlagtesvin 127 C, 1h 234 (+/-21) 66Slagtesvin 127 C, 1h, 1% 234 (+/-22) 66CaOSlagtesvin 127 C, 1h, 4% 194 (+/-69) 66CaOSlagtesvin 127 C, 2h, 4% Cao 198 (+/-43) 66Slagtesvin 147 C, ½h, 4% 229 (+/-12) 66CaoSlagtesvin 147 C, 1h 230 (+/-6) 66Slagtesvin 147 C, 1h, 1% Cao 222 (+/-8) 66Slagtesvin 147 C, 1h, 4%224 (+/-7) 66CaOSlagtesvin 147 C, 1h, 7% 265 (+/-17) 66CaOSlagtesvin 147 C, 2h, 4% Cao 226 (+/-43) 66Slagtesvin 167 C, ½h, 4% 221 (+/-38) 66CaoSlagtesvin 167 C, 1h 239 (+/-9) 66Slagtesvin 167 C, 1h, 1%CaOSlagtesvin 167 C, 1h, 4%CaOSlagtesvin 167 C, 2h, 4%CaO204 (+/-29) 66259 (+/-22) 66225 (+/-15) 66

- 6 -Metanudbyttet ved batch udrådning (66 dage) af fibre fra centrifugeret slagtesvine gylle er vist itabel 2. Det fremgår at udbyttet af den ubehandlede fiber er 162 l CH 4 /kg VS. Udbyttet øges med20-64% ved termisk kemisk behandling ved 127-167 o C i ½-2h med kalktilsætning på 0-7%.Effekten af alle behandlinger er statistisk signifikant (P

- 7 -Merubytte ved kemiskbehandling (%)10080604020040 1 2 4 7 15 70 1 2 4 7 15 70F0CaOF1 CaOF1 NaOHFigur 3: Merudbytte ved varierende mængder brændt kalk (CaO) og NaOH i kg/ton.ØkonomiForsøgene med gen-udrådning af afgassede fibre har vist, at der kan opnås en ekstra gasproduktionog at tilsætning af stigende mængder brændt kalk øger merudbyttet. Anvendelsen af kalk giverimidlertid en ikke ubetydelig omkostning. Det er forudsat at prisen for kalk er 1,20 kr/kg og denneforudsætning giver udgifter pr m 3 produceret metan som angivet i figur 3. I de fleste tilfælde vil enpris på 2 kr/m 3 være acceptabelt. Dette betyder, at det kan være økonomisk fordelagtigt at tilsætte40 g CaO pr kg separeret fiber i Fangel biogasanlæg (F0), medens det for gårdanlægget (F1) næppevil være økonomisk fordelagtig at gå over 7 g pr kg separeret fiber. Forsøg med mindre kalkmængdertil biogasanlæg F0 har desværre ikke været foretaget, men det er muligt at doseringer af mindremængder vil være mere omkostningseffektivt.

- 8 -2.3. Batch forsøg med enzymerEn række enzymer fra Novozymes er afprøvet på forskellig biomasse. Forsøgskørslerne er vist inedenstående tabel.Forsøg 2(batch)Forsøg 3(batch)Forsøg 4(batch)Forsøg 5(CSTR)Biomasse Tilsætning Enzymer Dosering Effekt1) Faststof fra Ugentligt N1881 g enzym/kgkemisk fældningAMGVSAlcalase 2.5 L /uge2) HvedehalmCellusoftsignAfgassetkvæggylleAfgassetkvæggylleDagligtDagligtN188AMGAlcalase 2.5 LCellusoftAlcalase 2.5 LNovozyme 342Celluclast 1,5 LFGPulpzyme HCKvæggylle Dagligt Enzym blanding:Alcalase,celluclast, novozyme342 ogpulpzyme2 g ensym/kgVS2 g ensym/kgVS0,5 g enzym/kgVSIngen påviseligeffekt. Problemmed forsøgsde-Effekt af alcalasei første 3 uger.Positiv effekt afalle.Signifikant Effektaf Celluclast ogalcalase7,4-34,1%Forsøg 6(CSTR)1) Kemiskfældet fast2) KvæggylleDagligt Alcalase 0,5 g enzym/kgVSNegativ effektResultaterne er opgjort i to specialeafhandlinger (Verner Hansen, Jesper Dahl, 2005). Der kan dragesen række konklusioner af forsøgene:Test af enzymerDet er vanskeligt at teste enzymer i batch, medmindre det gøres på allerede afgassede produkteruden substratinhibering. Indledende forsøg med halm og fast gødning fra svin gav ikke brugbareresultater. Afgasset kvæggylle viste sig at være et godt substrat for test af enzymer.Effekter i batchAlcalase 2.5 L, Novozyme 342, Celluclast 1,5 L FG, Pulpzyme HC har alle haft positiv effekt påbiogasudbyttet. Alcalase og Cellucalst har givet hhv. 4 og 2,4% ekstra gasudbytte på afgassetkvæggylle.Effekter i kontinuerte forsøgI kontinuerte forsøg har en enzymblanding givet betydeligt merudbytte i kvæggylle, medens alcalasehar givet negativt merudbytte i fast svinegylle.

- 9 -Perspektiver og økonomiResultaterne har været varierende, og det er ikke muligt på grundlag af de gennemførte forsøg atfastsætte effekt af enzymer. Det tyder dog på, at der kan opnås en vis effekt i kvæggylle. Hvis deropnås eksempelvis 5% mere gas ved tilsætning af 0,5 g enzym blanding/kg VS, betyder det at derkan produceres 10 liter mere gas i 1 kg VS i kvæggylle. Dette vil have en værdi på 0,03 kr/kg VS(ved 3 kr/m 3 CH 4 ), svarende til, at prisen, der kan betales for enzymer, maksimalt må være 6 kr/kgenzymblanding, hvilket næppe er realistisk.Der er imidlertid ikke udført forsøg med, hvor lav enzymdosering der vil være effektiv. Der er såledesbehov for yderligere forsøg med kvæggylle for at dokumentere effekterne i relation til enzymtyperog dosis.3. Forsøg i pilotreaktorI pilotreaktorerne på Forskningscenter Bygholm blev udført et forsøg med tilsætning af hvedehalmtil1) en reaktor tilført grundlast med svinegylle, og2) en referencereaktor udelukkende tilført svinegylle.Af figur 4 fremgår, hvor stor en andel af tørstofindholdet halmen udgør af den samlede mængdetilført tørstof, og i figur 5 er den organiske belastning i halmreaktor og referencereaktor vist.10090Andel af VS i form af halm (%)807060504030201000 50 100 150 200 250 300 350 400Dage fra startFigur 4: Andelen af tilført organisk stof, der blev udgjort af halm under forsøget5Organisk belastning (kg VS/m 3 /dag)432100 100 200 300 400Dage fra startreference reaktor halm reaktorFigur 5: Organisk belastning under forsøget

- 10 -Halmen blev tilsat separat ved tør indfødning under væskeniveau 3 gange ugentligt. Det var forventet,at der ville opstå håndteringsmæssige problemer ved anvendelse af halm. Halmen medførte enkraftig lagdeling i reaktoren, og den oprindelige propelomrøring blev på et tidligt tidspunkt erstattetaf gasomrøring. Gasomrøringen var imidlertid også utilstrækkelig til at sikre en fuldt omrørt reaktor.Lagdelingen betød, at meget uomsat materiale blev ophobet i toppen af reaktoren med en langopholdstid til følge, hvilket kan have bidraget til en forbedret omsætning.ProcesbalanceI løbet af forsøget blev mængden og sammensætning af flygtige fede syrer (VFA’ere) målt. I figur 6er indholdet af VFA illustreret. Niveauet er forholdsvist lavt og stabilt indtil 230 dage efter opstart,hvor en ny procedure med fjernelse af flydelaget, neddeling og genudrådning af dette med 14 dagesintervaller blev indført i halmreaktoren. Ved indførelse af denne procedure ses det, at VFA indholdetstiger i halmreaktoren, hvilket kan forklares med en langvarig ophobning af uomsat organiskmateriale i toppen, der efterfølgende aktiveres ved neddelingen. 3½ måned efter indførelsen af dennye procedure sker der et mindre fald i VFA niveauet, men niveauet forbliver dog væsentligt højereend i referencereaktoren.VFA indhold og temperatur i reaktorVFA (g/liter)1412108642neddeling +genudrådning605040302010Temperatur (grader C)00 50 100 150 200 250 300 350 400dage efter start0VFA i halm reaktorTemperatur i halmreaktorVFA i gyllereaktorTemperatur i gyllereaktorFigur 6. Total fedtsyreindhold (VFA) og temperatur i halm- og referencereaktorenGasproduktionGasproduktionen pr. kg VS i de 2 reaktorer fremgår af figur 7. Der opnås generelt et lidt bedre udbyttepr. kg. VS i reaktoren med tilførsel af halm i forhold til reaktoren på ren gylle. Dette er overraskende,da halm generelt har et lavere udbytte pr. kg VS end gylle. Svinegylle har i de fleste undersøgelsergivet et udbytte på 300 liter CH 4 /kg VS, mens hvedehalm maximalt giver 220 literCH 4 /kg VS. I reaktorerne var der imidlertid et signifikant højere udbytte pr. kg VS i halmreaktorensammenlignet med reaktoren med gylle alene. Halmreaktoren gav et gennemsnitligt udbytte på 377liter CH 4 /kg VS, mod et udbytte på 278 liter CH 4 /kg VS i reaktoren med kun gylle.Det tyder således på, at der har været en synergieffekt ved anvendelse af halm, hvilket måske kanskyldes en betydelig lagdeling i halmreaktoren, der har sikret en meget lang opholdstid af tungtom-

- 11 -sætteligt materiale. I halmreaktoren har produktionen endvidere været meget varierende, med nogleperioder med meget høj gasproduktion. Perioderne med meget høj gasproduktion har været sammenfaldendemed, at flydelaget er blevet ”aktiveret” ved manuel omrøring. Endvidere har der væretet signifikant højere gasudbytte i perioden efter opstart med regelmæssige udtag af flydelaget, neddelingog genudrådning. Der blev således målt 333 liter CH 4 /kg VS i perioden uden neddeling, medensder blev målt 451 liter CH 4 /kg VS i perioden efter opstart med denne procedure. Det høje udbyttei sidste periode skyldes sikkert, at det er lykkedes at omsætte en del ophobet materiale fra førsteperiode i den sidste periode, og udbyttet kan altså ikke alene tilskrives effekten af neddeling.Liter methan/kg VS120010008006004002000neddeling +genudrådning0316294125167199231262294330361Dagehalm reaktorreference reaktorFigur 7. Gasproduktionen i liter metan pr. kg. VS, beregnet som den gennemsnitlige metanproduktionover 2 dage i forhold til den gennemsnitlige VS tildeling over de seneste 10 dageI længerevarende reaktorforsøg har hvedehalm sammen med gylle givet et højere udbytte pr. kg. VSend gylle alene, hvilket tyder på, at der kan være en synergieffekt ved tilsætning af halm. Det er dogikke muligt at sige, om denne synergieffekt skyldes lagdelingsmæssige forhold eller andre forhold.Anvendelse af halm i mængder, hvor halmen øger gyllens tørstofindhold med mere end 30% har ilaboratoriet vist sig at stille betydelige krav til omrøringskapacitet, da der ellers vil ske en kraftigdannelse af flydelag.4. Hovedkonklusioner og perspektivering4.1. Samlet resultat af projektetI projektet er der indhøstet viden om biogaspotentialerne i en række afgrøderester og energiafgrødersamt effekten af en række forbehandlinger, herunder termo-kemisk, kemisk og enzymatisk. Resultaterneviser, at anvendelse af afgrøderester kan give en betydelig energiproduktion, og at forskelligeforbehandlinger kan øge omsætningen i varierende grad. I den endelige beslutningsproces skal omkostningerneved de forskellige tiltag nøje vurderes, da det forøgede energiudbytte ved forbehandlingofte ikke står mål med energigevinsten. Det er også væsentlig at overveje, om forbehandlingskal ske af råmateriale eller ved behandling af separerede afgassede fibre, hvor den sidste løsningvil reducere udgiften til forbehandling.Endvidere tyder det på, at der kan være en synergieffekt ved tilsætning af halm til biogasprocessen.Det er dog ikke muligt at sige, om denne synergieffekt skyldes lagdelingsmæssige forhold eller an-

- 12 -dre forhold såsom opkoncentrering af biomassen. Dette område bør belyses yderligere, da en synergieffektved tilsætning af halm på en enkel måde vil kunne øge indtægten på gyllebaserede biogasanlæg.Endeligt er det vist, at udtagning af de uomsatte dele fra flydelaget samt neddeling og genudrådningaf de uomsatte fibre kan øge gasudbyttet. Dette område kunne med fordel undersøges yderligere.PUBLIKATIONERProjektets delresultater er publiceret ved internationale konferencer, workshops, specialerapporterog i tidsskriftet Forskning i Bioenergi.Møller, H.B., 2005. Forbehandling af gylle fibre kan give op til 60% mere gas. Forskning i Bio-Energi 9, 5-7Møller, H.B. & Nielsen, A.M., 2006. Halm og energiafgrøder i biogasanlæg. Forskning i Bioenergi14, 4-5.Møller, H.B., 2006. Højere gasudbytte fra husdyrgødning. Forskning i Bioenergi 12, 6-7.Møller, H.B., 2006. Energi, miljø og økonomi ved anvendelse af en række energiafgrøder og afgrøderestertil biogas. Seminar: Bioenergi og fremtidens jordbrug – hvad er mulighederne. DanskLandbrugsrådgivning, Landscentret, 23.8.06.Dahl, Jesper 2005 Anvendelse af faste produkter fra gylleseparation og enzymer til optimeret biogasproduktion.Master speciale SDUHansen, Verner. 2005. Anvendelse af energiafgrøder og enzymer i biogasanlæg. Master specialeSDU.Raju Chitra. 2005. Thermo-chemical pre-treatment of dewatered pig manure and its effect on biogasproductionand potential. Master speciale AUCHenrik.B. Møller, Chitra Raju, Hinrich Hartmann , Tjalfe Poulsen & Birgitte K. Ahring 2005. Effectson anaerobic biodegradability from thermo-chemical pre-treatment of solid manure fractions.4 th international symposium. Anaerobic digestion of solid waste, Copenhagen.Endelig vil resultaterne blive samlet og publiceret i et internationalt tidsskrift.