Biogas - grøn energi - Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende ...

Peter Jacob Jørgensen, PlanEnergiBiogas– grøn energiProcesAnlæg.EnergiforsyningMiljø

Biogas – grøn energiProces • Anlæg • Energiforsyning • Miljø© Peter Jacob Jørgensen, PlanEnergi og Forsker for en dag– Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Aarhus Universitet 20092. udgave 1. oplagRedaktion: Anna Busch NielsenTegninger og Grafisk Tilrettelægning: Erik HjørneFotos:Flemming Nielsen, Agromedia, side 15, 16, 17 og bagsideTorben Skøtt, BioPress, side 18 og forsideEmiliano Bruni, side 20Sven Halling/Scanpix, side 6Lehrstuhl für Thermodynamik, TU München, side 4Lars Ellegaard, Lemvig Biogas, side 26Tryk: Digisource Danmark A/SMaterialet må kopieres ubegrænset i sin helhed. Anvendelse af dele af materialet i andre sammenhængemå kun ske efter aftale med indehaverne af ©.ISBN 978-87-992243-1-3Forsker for en dagDet Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Aarhus UniversitetNiels Pedersens Allé 2, · Foulum Postboks 10 · Dk-8830 TjeleT: +45 8999 2511 · F: +45 8999 2599 · E: info@forskerforendag.dk · I: www.forskerforendag.dk

IndholdHvad er biogas? 4Hvor dannes biogas? 5Biogasproduktion historisk 6Biogas i Ulande 7Biogasprocessen 8Hydrolyse 9Fermentation – syredannelse 10Metanogenese – metandannelse 10Procesparametre for et biogasanlæg 11Hæmning af biogasprocessen 12Biogasanlæggets opbygning 15Biomassesystem 16Gassystemet 17Gasanvendelse 18Gasudbyttet af forskellige slags biomasse 19Måling af gasudbytte 20Udrådning i praksis 20Biogaspotentialer 23Nuværende forbrug og det fremtidige potentiale 25Biogas og miljø 26Klimaforandringer 26Samlet CO 2 -reduktionspotentiale ved biogasproduktion 28Næringsstofudnyttelse og -tab 29Lugt 30Nedbrydning af miljøfremmede stoffer 31Separation af afgasset biomasse 32Stikordsregister 34

I slutningen af 1950’erne gik udviklingenimidlertid næsten i stå pga. lave priser på fossilebrændsler som kul og olie, og først i midtenaf 1970’erne blev interessen for biogas igenvakt pga. oliekrisen i 1973. Fra den danske statsside blev der investeret i et forsknings- og udviklingsprogram– det såkaldte STUB-program(Samarbejdsgruppen for Teknologisk Udviklingaf Biogasanlæg) – der havde til formål at testeog opføre forskellige anlægstyper med husdyrgødningsom væsentligste biomasse.I dag (2009) er der i Danmark i alt omkring60 biogasanlæg i drift på rensningsanlæg. Desudener der fra midten af 1980’erne etableretca. 20 større eller mindre biogasfællesanlæg,som behandler gødning, især gylle, fra en kredsaf husdyrbrug. Desuden omsætter biogasfællesanlæggenestore mængder organisk industriaffaldfra forskellige levnedsmiddelindustrier ogslagterier, hvorved energiindholdet i affaldetnyttiggøres og næringsstofferne recirkuleres tillandbruget. Dertil kommer ca. 60 gårdanlægsamt en række lossepladsanlæg og biogasanlægpå forskellige industrier med organisk spildevand(se figur 5).Udbygningen af biogassektoren i Danmarker igen gået i stå siden midten af 90’erne pga.for dårlige økonomiske vilkår. Med energiforligeti Folketinget i 2008 og en bedre afregningfor biogasstrøm er der dog p.t. så småt ved atkomme gang i sektoren igen.Antal Biogasproduktionanlæg i Danmark 20061.000 m 3Kommunale renseanlæg 61 ~ 40.000Biogasfællesanlæg 19 ~ 73.000Gårdbiogasanlæg 57 ~ 33.000Lossepladsgasanlæg 25 ~ 18.000Industrianlæg 5 ~ 7.000I alt 167 ~ 171.000Den samlede bruttoproduktion svarer til ca. 4 PJeller ca. 5 ‰ af Danmarks samlede energiforbrugFigur 5. Biogasproduktionen i Danmark i 2006.Biogasi UlandeOgså i en række udviklingslandeanvendesbiogasproduktioni stor stil. Alenei Indien og Kinafindes over 1 mio.små simple anlæg,som behandler affald(toiletaffald, husdyrgødning,planteresteretc.) fra en enkelthusstand. Anlæggeneer nedgravet i jordenog opvarmes ikke, ogbiogassen anvendesi husholdningen tilmadlavning og denudrådnede biomasseanvendes som gødning(se figur 6).ToiletaffaldHusdyrgødningPlanteresterBiogasanlægFødeBiogas tilmadlavningGødningFigur 6. Et interessant økologisk kredsløb med biogas som central enhedpraktiseres flere steder I Kina.Morbærtræ medsilkesommerfuglelarverSlam (gødning)Fiskedam

BiogasprocessenDen fuldstændige biologiske nedbrydningaf organiske stoffer til metan(CH 4) og kuldioxid (CO 2) under iltfrieforhold – dvs. anaerobt – er kompliceret ogsker i et samspil mellem en række bakterier, derhver forestår deres del af opgaven. Det der eret affaldsstof for én bakterie, er substrat (føde)for den næste, og bakterierne er på den mådeafhængige af hinanden.I forhold til den aerobe (iltrige) nedbrydningaf organisk stof, er energiudbyttet langt mindrei den anaerobe proces. Nedbrydning af f.eks.glukose giver under aerobe forhold et nettoudbyttepå 38 ATP-molekyler, mens den anaerobenedbrydning kun giver et udbytte på 2 ATPmolekyler.Det betyder, at vækstraten for anaerobe bakterierer betydeligt mindre end for aerobe, ogat produktionen af biomasse (i form af levendebakterier) er mindre pr. gram organisk stof dernedbrydes. Hvor aerob nedbrydning af 1 g stofresulterer i produktion af 0,5 g biomasse, erudbyttet kun 0,1 g biomasse ved anaerob nedbrydning.Man inddeler ofte biogasprocessen i tre trin:Hydrolyse, syredannelse og metandannelse,hvor forskellige bakteriegrupper står for hverderes trin (se figur 7).25Proteiner Kulhydrater Fedtstoffer1aAminosyrerSukkerm.m.EddikesyreCH 2 COOH1bMellemprodukter41cLangkædedefedtsyrer3Brint (H 2 )Kuldioxid(CO 2 )6MetanCH 4Hydrolyse Syredannelse MetandannelseFigur 7. Den anaerobe nedbrydning af organisk stofbestår af tre hovedprocesser. A. Hydrolyse (1a, 1b, 1c).B. Syredannelse, også kaldet ’gæring’ eller ’fermentation’(2, 3, 4). C. Metandannelse (5, 6).

HydrolyseI hydrolysen nedbrydes højmolekylære stoffer,dvs. polymerer af proteiner, kulhydrater ogfedtstoffer til lavmolekylære stoffer (monomerer).Forskellige specialiserede bakterier udskilleren række specifikke enzymer, der katalyserernedbrydningen, der foregår ekstracellulært,dvs. uden for bakteriecellen i den omgivendevæske.Proteiner, simple sukkerstoffer og stivelsehydrolyseres let under anaerobe forhold. Lidtlangsommere går det med andre polymerekulstofforbindelser, mens lignin, der udgør enstor bestanddel af planter, ikke kan nedbrydesanaerobt overhovedet.Cellulose, der er en polymer sammensataf en række glucosemolekyler (se figur 8), oghemicellulose, der er sammensat af en rækkeCelluloseCH 2OHOOCellulaseCH 2 OHO OOHCH 2 OHO OOHCH 2 OHOOHHemicelluloseHemicellulase (Xylanase)OHO OOHO OOHOHOOHOOHOOHOHOHH 2 COHLigninH 2 COHCHCOH 3COOH 3COH 2 COHHCCHH 3 COOHH 2 COH OHCCHOHCCH CO2CHHCCHH 2 COHCHHCHCOCH 3H 2 COHHC OH 2COH H 3 CO OCH 3HCOCH 3H 2COH OCH 3HCOH 3 CO OCH 3HC OCH 2 OHHCO CHOHH 3COH 2 COH OCH 3 H 2COHCH OCH 3O CHHCO CHOCH 3 OCHH 2 COH OCH 3HCOH OCH 3HC O H 3 CO OCH 3OCHHC O3OCHOOCHO3H 2 COH H 2 COH H 3CO OCHOCH 3 H 2 C CHOHCH HCOOHC CHO CHHOCH 2CH COHC CH 2OOCH 3 H 2 COH OCH 3OCH 2H 3 COCH 2 OH CO CHH 3 CO OCH 3O O CHCHHCOHOCH 2 CH CHO COH 2 COHH 3 COH 3COHC OOO CHHOCH 2CH CHOH 3 COOHOCH 3OCH 3OCH 3Figur 8. Cellulose og hemicellulose er langkædede kulhydrater, der kan nedbrydes af specifikke enzymer som findes ivisse bakterier, men ikke hos dyr. Lignin har en kompakt struktur og kan (praktisk taget) ikke nedbrydes biologisk.

andre sukkerstoffer, er komplicerede kulhydrater,der dog i princippet er forholdsvis lette athydrolysere for specialiserede bakterier. Meni plantevævet er både cellulosen og hemicellulosenpakket godt ind i lignin og derfor sværat komme til for bakterierne. Derfor omsætteskun ca. 40 % af cellulosen og hemicellulosen isvinegylle i biogasprocessen. Normalt er nedbrydningenaf organisk stof til metan og kuldioxidderfor ikke fuldstændig, og ofte kan kunregnes med en nedbrydning på 30 - 60 % forhusdyrgødning og andre substrater med højtindhold af komplekse molekyler.MonocarboxylsyrerVFAMyresyreEddikesyrePropionsyreSmørsyreLCFALaurinsyrePalmitinsyreStearinsyreOliesyreLinolsyreLinolensyreHCOOHCH 3 COOHC 2 H 5 COOHC 3 H 7 COOHC 11 H 23 COOHC 15 H 31 COOHC 17 H 35 COOHC 17 H 33 COOH (1 dobbeltbinding)C 17 H 31 COOH (2 dobbeltbindinger)C 17 H 29 COOH (3 dobbeltbindinger)Figur 9. Eksempler på fedtsyrer. Kortkædede fedtsyrer (VFA)har mindre end seks kulstofatomer i molekylkæden. Langkædede(LCFA) har flere end seks, ofte mange flere.Fermentation – syredannelseI en afbalanceret bakteriel proces nedbrydesca. 50 % af monomererne (glukose, xylose,aminosyrer) og af de langkædede fedtsyrer(LCFA, Long Chain Fatty Acids) til eddikesyre(CH 3COOH). 20 % bliver til kuldioxid (CO 2)og brint (H 2), mens de sidste 30 % nedbrydestil andre kortkædede fedtsyrer end eddikesyre(VFA’er, Volatile Fatty Acids).Fedtsyrer er monocarboxylsyrer, som findesi fedtstoffer. De fleste naturligt forekommendefedtsyrer indeholder et lige antal C-atomer.VFA’ere har mindre end 6 C-atomer. LCFA’erehar flere end 6 C-atomer (se figur 9).Under ubalance bliver andelen af VFA’erestørre med risiko for ophobning, og at processen’løber sur’, fordi de VFA-nedbrydende bakterier,der har en lav væksthastighed, ikke kanfølge med. Kontinuert nedbrydning af volatilefedtsyrer er således kritisk og samtidig ofte enbegrænsende faktor for biogasprocessen.Hydrolyse af simple fedtstoffer resulterer iet mol glycerol og tre mol fedtsyrer (LCFA’ere).Store mængder fedtstoffer i substratet vil såledesresultere i store mængder langkædede fedtsyrer,mens store mængder proteiner, som joindeholder kvælstof i aminogrupper (-NH 2), vilresultere i store mængder ammonium/ammoniak(NH 4+/NH 3). I begge tilfælde kan dette føretil hæmning af de efterfølgende nedbrydningstrin,især hvis sammensætningen af biomassetilførslenvarierer (se side 12).Metanogenese– metandannelseDet sidste trin i metandannelsen foretages afsåkaldte metanogene bakterier eller metanogener.Metanogenerne er en speciel og megetgammel gruppe bakterier, der systematiskhører til i et helt specielt rige: Archaebacteria.Et rige er den højeste systematiske enhed, ogArchaebacteria er derfor på niveau med de øvrigeriger: planteriget, dyreriget, egentlige bakterier(Eubacteria), protozoer og svamperiget.Det menes, at metanbakterier har været blandtde første levende organismer på Jorden.To forskellige grupper bakterier forestårmetandannelsen. Den ene nedbryder eddikesyre(CH 3COOH) til metan (CH 4) og den andendanner metan ud fra kuldioxid (CO 2) og brint(H 2). Under stabile forhold kommer ca. 70 %af metanproduktionen fra eddikesyrenedbrydning,mens de sidste 30 % stammer fra kuldioxidog brint.De to processer er i fin balance, og en hæmningaf den ene vil også føre til en hæmningaf den anden, og da metanbakterierne harden laveste væksthastighed af de involveredebakterier i hele processen, bliver de også denbegrænsende faktor for, hvor hurtigt processenkan forløbe, og hvor meget materiale der kanomsættes. Metanbakteriernes væksthastighed erkun ca. 1/5-del af de syredannende bakteriers.Som nævnt tidligere får metanbakterierneikke meget energi ud af at nedbryde organiskstof (se figur 10). Men pga. de iltfrie betingelser,er konkurrencen fra andre bakterier ikke stor, ogdet er grunden til at de alligevel kan klare sig.10

Stof Proces EnergiudbyttekJ/mol metanBrint 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O 131Myresyre 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O 145Metanol 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + H 2 O 105Eddikesyre CH 3 COOH CH 4 + CO 2 36Figur 10. Metanbakteriernes energiudbytte ved nedbrydning af forskellige stoffer.Procesparametrefor et biogasanlægFor at biogasprocessen kan forløbe effektivt ogmed et stort gasudbytte er der en række parametre,der skal være optimerede.Anaerobt miljøSom nævnt tidligere tåler metanbakterierneikke ilt – de er obligat anaerobe. Et biogasanlægskal derfor være tæt, så ilt ikke kan komme indi anlægget. Den smule ilt som er opløst i væsken/biomassen,der tilføres anlægget, opbrugeshurtigt af andre, som f.eks. aerobe bakterier,der skal have ilt, eller fakultativt anaerobe bakterier,der kan bruge ilt til deres respiration.TemperaturGenerelt forløber biokemiske processer hurtigere,jo højere temperaturen er. Som tommelfingerregelfordobles hastigheden for hver 10graders stigning inden for visse grænser(Q 10= 2). Sådan er det også med biogasprocessen.I dette tilfælde er der dog tale om flerebakterietyper eller stammer, der er tilpassetforskellige temperaturniveauer:det psykrofile niveau 0 – 20 °Cdet mesofile niveau 15 – 45 °Cdet termofile niveau 40 – 65 °CFælles for bakterierne er, at de kun i ringe gradtåler svingende temperaturer. Denne følsomhedstiger med temperaturen. I praksis drives biogasanlægenten ved ca. 37 °C (mesofilt), og hertåles udsving på ± ca. 2 °C, eller ved ca. 52 °C(termofilt), hvor man skal forsøge at holde siginden for en variation på ca. ± ½ °C.Surhedsgrad (pH)På trods af at metanbakterierne bl.a. lever aforganiske syrer, tåler de ikke et surt miljø. Detoptimale er pH mellem 6,5 og 8, med optimumved 7,2. Ved balance i processen vil surhedsgradeni reaktoren ligge her omkring, og da bufferkapaciteteni reaktoren er meget stor, skal dermeget til for at rykke på den. Systemet er medandre ord temmelig robust og stabilt. Gyllebaseredeanlæg ligger ofte lidt højere (pH 8 - 8,3)pga. et højt ammoniumindhold.Substrat (udgangsmateriale)Næsten alle organiske stoffer kan nedbrydesanaerobt, men nedbrydeligheden kan øges påforskellig måde. Lignin er dog unedbrydeligt.FindelingJo finere et materiale er, jo større er den relativeoverflade, og jo lettere kan bakterierne kommetil at angribe materialet.TørstofindholdTørstofindholdet må ikke være højere end ca.50 % for at bakterierne kan arbejde. I forholdtil et biogasanlæg skal tørstofindholdet dogned på 8 - 10 %, hvis man skal kunne pumpemed materialet. Et lidt højere indhold kan tolereresi specielle reaktortyper, hvor biomassentilføres direkte.11

Kulstof/kvælstof-forhold (C/N-forhold)Som andre organismer skal metanbakterierbruge en række makro- og mikronæringsstofferfor at vokse (se figur 11). De vigtigste makronæringsstofferer kvælstof (N), fosfor (P) og kalium(K). Kvælstof anvendes af bakterien til atdanne proteiner. Indholdet af kvælstof angivesofte i forhold til kulstof, da dette siger nogetom, hvorvidt der er tilstrækkelig kvælstof tilstede for bakterien. Normalt skal C/N-forholdetvære mindre end 30/1, da kvælstof ellers bliverden begrænsende faktor for bakteriernes vækst.På den anden side må kvælstofindholdet hellerikke blive for højt, da det så kan hæmme processen(se senere).Organisk belastningTempoet hvormed man tilfører biomasse tilreaktoren, skal afpasses efter metanbakteriernesvæksthastighed. Organiske syrer skal fjernes idet tempo de bliver dannet. Normalt kan enCSTR-reaktor belastes med 1 - 6 kg COD pr. m 3reaktorvolumen pr. dag.Tilføres mere end metanbakterierne kan nåat omdanne, løber processen sur. Desuden skalbiomasse tilføres så jævnt som muligt, gernefuldstændig kontinuert og med samme mængdehele tiden. Endelig er det vigtigt, at biomassesammensætningener så ensartet som muligt.Skal man skifte substrat, skal dette ske gradvistfor at nye bakterier kan nå at tilpasse sig de nyeforhold.EssentielleOptimal koncentrationmikronæringsstoffer g/m 3Barium (Ba) 0,05Jern (Fe) 0,2Kalcium (Ca) 0,03Kobolt (Co) 0,005Magnesium (Mg) 0,02Molybdæn (Mo) 0,005Nikkel (Ni) 0,01Figur 11. Nødvendige mikronæringsstoffer i biogasprocessenog ca. optimal koncentration. Som med vitaminer formennesker, er både for lidt og for meget, skidt.OmrøringDer findes en række forskellige anlægstyper,men for den almindeligste type – CSTR (ContinouslyStirred Tank Reaktors) – skal biomassenomrøres temmelig kraftigt for at undgå dannelseaf et uigennemtrængeligt svømmelag.COD = Chemical Oxygen Demand = Kemisk Iltforbrugved nedbrydning af organisk stof i vand.COD er et udtryk for hvor meget O 2der skal tilfor at nedbryde organisk stof til CO 2og H 2O. Detbruges oftest til at måle belastningen af vandmiljøermed organisk stof. Måles normalt i mg O 2pr.liter vand. I biogasanlæg angives COD i kg/m 3 =1000 mg/L.Hæmning af biogasprocessenVed hæmning af processen forstås, at et ellerandet stof påvirker bakterierne negativt udendirekte at slå dem ihjel. Hæmning kan ske påmange måder, og man opdeler hæmningerneefter endogene og eksogene årsager. Endogenhæmning skyldes forhold eller stoffer derdannes i processen, og som under specielleomstændigheder kan virke hæmmende, ogeksogen hæmning skyldes udefrakommendeforhold.KvælstofhæmningBlandt endogene årsager er ammoniak (NH 3)en af de vigtigste. Ammoniak dannes underbakteriernes nedbrydning af kvælstofholdigestoffer, som f.eks. proteiner. Kvælstof er nødvendigtfor bakteriernes vækst, og ammoniaker en vigtig kvælstofkilde. Men samtidig er ammoniaki høje koncentrationer stærkt giftig forbakterierne.I en vandig opløsning findes ammoniakaltid i en ligevægt med ammonium (NH 4+),og ligevægten er bestemt af surhedsgraden,pH-værdien, og temperaturen i miljøet, og daammonium ikke på samme måde er giftigt, erdenne ligevægt vigtig:NH 4+NH 3+ H +12

% fri ammoniak (NH 3 )706050403060 °C55 °C50 °C45 °C37 °C201006,5 7 7,5 8 8,5 pHFigur 12. Effekt af pH og temperatur på balancen mellem ammonium og giftigt ammoniak (NH 4+/NH 3).Ved høj pH forskydes ligevægten mod højre,og miljøet bliver dermed mere giftigt for bakterierne.Også højere temperaturer forskyderligevægten mod højre. Derfor er en termofilbiogasproces alt andet lige mere følsom overforammoniakhæmning end en mesofil (se figur12).Allerede ved forholdsvis lave ammoniakkoncentrationerindtræder der en hæmningpå bakterierne. Men bakterierne kan dog vedlangsom tilvænning tilpasse sig et langt højereniveau, hvilket er heldigt, fordi de biomasserder typisk anvendes til biogasproduktion, f.eks.gylle, i de fleste tilfælde indeholder langt mereend den lave koncentration. Hvad bakteriernederimod dårligt tåler, er en pludselig stigning ikoncentrationen, og det er derfor at ensartet ogjævn biomassetilførsel er så vigtig for processen,og vigtigere jo højere temperaturen er.Antibiotika o.l.Blandt eksogene (ydre) årsager siger det sig selv,at f.eks. antibiotika og desinfektionsmidler kanhæmme processen, fordi begge stofgrupperpr. definition er giftige overfor og anvendes tilat dræbe mikroorganismer. Begge stofgrupperanvendes i husdyrproduktionen til helbredelseaf syge dyr og rengøring af staldanlæg, og kommerderfor også i gyllen; tilsyneladende dogkun i så små mængder, at det ikke påvirker biogasanlæggenenegativt. Også over for sådannestoffer kan der ske en langsom tilvænning, hvistilførslen er konstant.Andre stoffer som tungmetaller, salte og mikronæringsstofferkan i høje koncentrationerogså virke hæmmende på processen (se figur13 på næste side). Men som nævnt tidligere ernogle af disse i lave koncentrationer samtidignødvendige for processen, som vitaminer erdet for mennesker (se figur 14 på næste side).Forsuring – organiske fedtsyrerEn anden vigtig endogen årsag til hæmning afprocessen er de organiske fedtsyrer, der dannesi processen. Fjernes disse ikke i den takt dedannes, og det kan ske ved overbelastning, kandet føre til forsuring af processen.13

Stof/formel Hæmmende GiftigAmmoniak, fri, NH 3 50-100 mg N/l 100-200 mg N/lAmmoniak, total, NH + 4 +NH 3 1.000-6.000 mg N/l 10.000 mg N/l (pH1 mg/l (enkeltdosis) >50 mg/l (kontinuert tilførsel)Hydrogen, H 2p(H 2 ) ca. 10 -4 atm.Kobber, Cu +++10-250 mg/lKrom, Cr +++ 50-100 mg/l 200-400 mg/lNikkel, Ni ++ 100-200 mg/l 300-1.000 mg/lNatrium, Na +3.000-10.000 mg/lCalcium, Ca ++8.000 mg/lMagnesium, Mg ++3.000 mg/lZink, Zn +350-1.000 mg/l--Sulfat, SO 4 500-4.000 mg/lSulfid, (som svovl)200 mg/lSvovlbrinte, H 2 S250-1.000 mg/lFigur 13. Udvalgte hæmmende stoffer, inhibitorer, med størrelsesorden af koncentration for hæmning og giftvirkning.Stigende Faldende Hæmning/ForgiftningStimuleringBiologisk aktivitetMetandannelseshastighedForgiftningHæmningSaltkoncentrationFigur 14. Salte kan både stimulere og hæmme biogasprocessen. Det afhænger af saltkoncentrationen,hvornår hæmningen sætter ind. Nogle salte har ved høje koncentrationer en direkte giftvirkning.14

BiogasanlæggetsopbygningDer findes en række forskellige typerbiogasanlæg, som kan anvendes tilbehandling af forskellige biomassetyper,og hver har sine fordele og ulemper. Meni praksis anvendes på danske gårdbiogasanlægog biogasfællesanlæg kun det fuldt omrørteanlæg (CSTR – Continuously Stirred TankReaktor).CSTR-anlægget har den fordel, at det kan behandlebiomasser med et forholdsvist højt tørstofindhold.Biomasse indpumpes kontinuert,eller semikontinuert et antal gange om dagen.For at få plads til den nye biomasse, skal førstudpumpes noget materiale, og pga. den kontinuerteomrøring betyder det, at en mindredel af den nyligt indpumpede, friske biomassebliver pumpet ud igen for hurtigt, og inden deter fuldt udrådnet, hvilket er den største ulempeved denne anlægstype.I industrien anvendes i få tilfælde såkaldteanaerobe filteranlæg, f.eks. slamtæppeanlæg,UASB-anlæg (Upflow Anaerobic Sludge Blanket),som er en anlægstype, der kan behandlebiomasser med et lavt tørstofindhold. Fordelenved denne type er, at opholdstiden (den tid engiven biomasse er i reaktoren før udpumpning)er meget kort, ofte kun få timer eller et pardage, og at reaktortanken derfor ikke skal væreså stor. Desuden kan denne anlægstype belastesforholdsvis hårdt med 5 - 30 kg COD pr. m 3 prdag.I det følgende skal kun det fuldt omrørte anlægbehandles nærmere, da denne anlægstypeer mest anvendt i Danmark både til udrådningaf landbrugsbiomasser og spildevandsslam.I princippet er gårdbiogasanlæg og biogasfællesanlægopbygget på samme måde. Men deforskellige dele vil naturligvis have forskelligstørrelse afhængig af biomassemængden og forholdene.Her beskrives et typisk fællesanlæg (sefigur 15). Det kan opdeles i et biomassesystemog et gassystem.GasrensningGaslagerBiogas tilanvendelseBiomasse tilgødskningFortanke Reaktortank EfterlagertankFigur 15. Oversigtstegning af biogasfællesanlæg. Husdyrgødningen modtages i anlæggets fortanke, hvorfra det pumpesvidere ind i reaktoren. Her finder udrådningen og biogasproduktionen sted. Fra efterlagertanken opsamles der også biogas.15

BiomassesystemIndpumpnings-pumpeEfter fortanken flytter en pumpe biomassen tilreaktortanken. Pumpen kan være neddykket ifortanken, eller sidde i sin egen pumpebrønd.I tilknytning til pumpen findes ofte en såkaldtmacerator, der findeler biomassen.FortankTypisk findes flere fortanke. En til gylle og gødningog en til andre typer biomasse, f.eks. organiskindustriaffald. Fortankenes formål er atvirke som buffertanke, så der også er biomassetil brug i weekenden og på helligdage. Desudenblandes forskellige biomasser i fortankene, såden biomasse der tilføres reaktortanken bliverså ensartet som muligt. Fortanke til gylle hartypisk en størrelse på op til ca. 7 døgns forbrug,og er oftest overdækkede betontanke. Fortanketil industriaffald har ofte en større kapacitet.Tankene er fuldt omrørte, så biomassenhele tiden er homogen, og i visse tilfælde kanindustrifortanken være opvarmet, for f.eks. atholde fedt flydende. Specielt i gyllefortankenbundfældes store mængder sand, som fra tid tilanden må graves op.Nogle anlæg opererer desuden med enblandetank mellem fortankene og reaktortanken.Fra fortankene udskilles betydelige mængderlugtstoffer, der kan bortventileres og nedbrydesi forskellige lugtrensningsanlæg.ReaktortankReaktortanken er en helt lukket og isoleretståltank eller en betontank overdækket meden gastæt plasticmembran. Tanken kan væreforsynet med varmespiraler, hvorigennemvarme tilføres den udrådnende biomasse, ellervarmetilførslen kan ske uden for tanken i envarmeveksler. Tanken er forsynet med omrører,der kan holde hele volumenet fuldt omrørt ogsåledes hindre svømmelagsdannelse. Desudener den forsynet med overløbsrør, temperaturogtrykmålere etc. Endelig findes en overtryksventil,der skal sikre, at trykket ikke stiger uacceptabelthøjt, hvis gasaftaget svigter. I toppenaf tanken tages den producerede biogas ud.Reaktortanken har typisk en størrelse på10 - 20 gange den dagligt tilførte biomassemængdeved den termofile proces, og 15 - 25gange tilførslen ved den mesofile.16

GassystemetGaskondenseringFra reaktortanken og evt. efterlagertanken opsamlesden producerede biogas. Gassen er varmog indeholder derfor store mængder vanddamp.Ved afkøling kan størsteparten af vandetudkondenseres og pumpes til efterlagertanken.Udpumpnings-pumpeEfter reaktortanken har en pumpe til opgaveat flytte udrådnet biomasse til en lagertank. Isimple anlæg kan ind- og udpumpningspumpen,med det rette arrangement af rør og ventiler,være den samme.GasrensningGassen indeholder ud over metan og kuldioxidogså en mindre mængde svovlbrinte (H 2S).Mængden er proportional med biomassensindhold af protein. Jo mere protein, jo meresvovlbrinte. Skal biogassen anvendes til motordrift,skal svovlbrinten renses ud af gassen. Detkan ske i en biologisk proces, hvor man udnytter,at svovlbakterier kan nedbryde svovlbrintetil rent svovl eller svovlsyre. Dette svovl, ivandig opløsning, pumpes også ofte til efterlagertanken,og tilbageføres derfor til markenog planterne.EfterlagertankEfterlagertanken har til formål at fungere sombuffer inden den udrådnede biomasse kan køresvæk og endeligt lagres i landmandens egenlagertank eller anvendes som gødning direktepå landbrugsjord.Oftest er lagertanken overdækket, dels for athindre regnvandstilførsel og dels for at hindreammoniakfordampning. Er opholdstidenlang vil der desuden ske en vis gasproduktioni lagertanken, da biomassen i en fuldt omrørtreaktor aldrig vil være fuldt udrådnet. Ogsådenne gasmængde kan opsamles og anvendes.GaslagerFor at udjævne gasproduktionen har de flesteanlæg desuden et gaslager, der kan have enstørrelse på fra få timers produktion til op modet døgn. Biogas fylder meget, og det kan derforsjældent betale sig at lave et alt for stort lager.GastransmissionPå flere anlæg pumpes den rensede biogasherefter 5 - 10 km i en transmissionsledning tilet kraftvarmeværk i nærheden, hvor biogassenevt. kan erstatte naturgas.17

GasanvendelseGårdanlæg på Orø producerer el og varme til både ejendom og nærliggende institution. Den blanke cylinderi forgrunden er en lyddæmper.Biogas er som nævnt brændbar og kanderfor anvendes til energiproduktion ellertransport. Afgiftsmæssige forhold fordet brændsel der fortrænges, er afgørende forhvilken slutanvendelse der er mest hensigtsmæssig.Simplest sker anvendelsen i en gaskedel,hvor den producerede energi er varme, der kananvendes til opvarmningsformål. Effektiviteten(årsvirkningsgraden) er ca. 85 %. Ved dennetype anvendelse er det typisk fyringsolie, derfortrænges. Metoden anvendes i dag kun påmindre anlæg.Bedre økonomi er der under danske forholdved at anvende gassen til motorgeneratordrift.Motoren kan være en almindelig forbrændingsmotor.Motoren driver en generator, derproducerer strøm. Kølevarme fra motoren ogrøggassystemet kan opsamles og anvendes tilopvarmningsformål. Typisk fås 30 - 40 % af biogassensenergiindhold ud som elektricitet, derkan sælges til elnettet, og 45 - 55 % som varme(minus procesvarmeforbruget), som kan sælgestil en varmeforbruger, almindeligvis et mindrefjernvarmeværk. Forholdet mellem el og varmeproduktioner afhængig af motorstørrelsen. Densamlede effektivitet er typisk omkring 85 %. Veddenne anvendelse fortrænges dels kul fra kraftværkerneog det brændsel, som varmeværketanvender (olie, naturgas eller biomasse).Endelig kan biogassen anvendes til transportformål,og i den sammenhæng renser manofte gassen for kuldioxid, så den ikke fylderså meget. Denne anvendelse benyttes ikke iDanmark, men er vidt udbredt i Sverige, hvorafgiftsforholdene er nogle andre. Med denneanvendelse fortrænges flydende brændstoffersom benzin eller diesel.18

Gasudbyttet afforskellige slags biomasseSom tidligere nævnt kan alle organiske stoffer,på nær lignin, nedbrydes anaerobt til biogas.Derimod er der stor forskel på hvor lang tid dettager. Det hænger sammen med hvad biomassenbestår af: jo mere komplicerede molekyler,jo længere tid er mikroorganismerne om atnedbryde dem.Sædvanligvis er en biomasse desuden sammensataf en række forskellige stoffer, hvilketnaturligvis også er væsentligt for gasudbyttet.Figur 16 viser biogas- og metanudbyttet vedfuldstændig nedbrydning af kulhydrat (cellulose),protein og fedt. Det ses at gasudbytteter mere end dobbelt så højt fra fedt som fraprotein og kulhydrat.Af tabellen fremgår desuden, at sammensætningenaf en biomasse – forholdet mellemkulhydrat, protein og fedt – er af betydning forhvor meget metan der er i biogassen, og dermedfor dens brændværdi. Typisk ligger metanindholdetfra biogasanlæg baseret hovedsageligtpå husdyrgødning på ca. 65 %, hvilketskyldes, at en del CO 2er opløst i den basiskevæske. Indholdet i lossepladsgas kan være heltnede på 50 %.Faktisk er biogasudbyttet af en biomassetemmelig præcist defineret: 1 kg COD (altsåden mængde organisk stof der forbruger 1 kgO 2ved total nedbrydning) omsat giver nemligpræcist 0,35 m 3 metan ved normalt trykog temperatur. Men desværre nedbrydes enbiomasse sjældent fuldstændigt, eller i hvertfald tager det meget lang tid og er altså ikkenoget man kan regne med i praktisk brug, hvorman jo er begrænset af reaktorens størrelseog dermed af den gennemsnitlige opholdstid(HRT – Hydraulic Retention Time). I figur 17 ersom eksempel angivet nedbrydningsgraden afforskellige stoffer i svinegylle under normaleprocesforhold.En forlængelse af opholdstiden vil naturligvisøge nedbrydningsgraden, mens en forkortelsevil mindske den. De tre nederste stofferi figuren – polysakkariderne – spiller ofte denstørste rolle for gasproduktionen, fordi de flestebiomasser i hovedsagen er sammensat af dissetre stofgrupper.Organisk Gasudbytte, STP 1) CH 4stof Proces ml biogas/g ml CH 4 /g %Cellulose (C 6 H 10 O 5 )n + nH 2 O 3nCH 4 + 3nCO 2 830 415 50,0Protein 2C 5 H 7 NO 2 + 8H 2 O 5CH 4 + 3CO 2 + 2(NH 4 )(HCO 3 ) 793 504 63,6Fedt 2) C 57 H 104 O 6 + 28H 2 O 40CH 4 + 17CO 2 1444 1014 70,2Figur 16. Biogas- og metanudbyttet ved fuldstændig nedbrydning af kulhydrat (cellulose), protein og fedt.1)STP = Standard Temperature and Pressure (0 o C og 1 atm.). 2) Trioleinsyreglycerol.Figur 17. Nedbrydningsgraden af forskellige stoffer i svinegylle.Organisk stof angives som askefrit tørstof, VS (VolatileSolids, den organiske, nedbrydelige del af tørstoffet).19

ser, der udrådnes hurtigt spiller det en mindrerolle end for de biomasser, der kræver længereopholdstid.Der findes flere metoder til at mindske detteproblem og derved opnå en lidt bedre udrådningseffektivitet.I praksis pumpes biomassenfra reaktortanken til en lagertank, der på mangebiogasanlæg er overdækket og fungerer somen sekundær reaktor, hvor biomassen holdesi endnu et stykke tid. Afhængigt af biomasse,temperatur og opholdstid, kan man fra dennesekundære reaktor få en ekstra gasproduktionpå 5 – 15 % af primærreaktorens produktion.Nogle fabrikanter indarbejder konsekvent enmindre sekundær reaktor, som drives i seriemed den primære.SvømmelagSupernatantlagUdpumpningf.eks. 90 %AktivtbakterielagSlamlagFigur 21. Lagdeling i reaktor under omrørerstop.Udpumpningf.eks. 10 %Ved at separere den afgassede biomasse,f.eks. med en dekantercentrifuge (se side 32),og recirkulere fiberfraktionen til reaktoren vilman også kunne forlænge nedbrydningstidenfor nogle af de langsomt nedbrydelige materialer,f.eks. halm. Om det er en god idé afhængeraf forholdet mellem ekstraomkostningen ogdet ekstra gasudbytte der opnås, samt af ommaterialet tager plads op for anden biomassemed et endnu større gaspotentiale.Endelig findes en tredje metode, som byggerpå en speciel ind- og udpumpningsstrategiog som udnytter specielle hydrauliske forholdi reaktoren. Standses omrøringen i reaktoren,lagdeler biomassen forholdsvis hurtigt i 4 faser(se figur 21): Øverst et svømmelag af lette stoffer.Dernæst et såkaldt supernatantlag, somfortrinsvis er væske (vand) uden ret megetsuspenderet stof. Så et lag af aktive bakterier,og endelig nederst et slamlag af tunge partikler(sand, mineraler etc.). Udpumpes fortrinsvisfra supernatantlaget opnås, at de partikler ogstoffer som danner svømmelaget kan holdes ilængere tid i reaktoren. Desuden undgår manat pumpe aktive bakterier ud fra bakterielagetog dermed mindske bakterietætheden i reaktoren.På den måde vil en del af det organiske materialefå en gennemsnitlig længere opholdstidend den gennemsnitlige hydrauliske opholdstid,og man vil derfor kunne opnå et størregasudbytte pr. kg organisk biomasse (VS).I praksis er det dog ikke helt lige til at styre.For det første skal en del af slammet med mellemrumtages ud for bl.a. at undgå sandophobning.Det kan praktiseres ved at pumpe f.eks.10 % ud fra bunden og resten fra supernatantlaget.Et større problem er det, at svømmelagetgradvist vil blive tykkere og tykkere og på ettidspunkt blive så kraftigt, at omrørerne ikkelængere kan holde biomassen opblandet. Fårdet lov at udvikle sig, vil processen til sidst gåi stå. Udpumpes med mellemrum fra en fuldtomrørt reaktor, vil det dog være muligt atundgå. Men da man ikke udefra kan se, hvortykt svømmelaget er blevet og det ligeledes ervanskeligt at måle, er man indtil videre henvisttil at prøve sig frem med den givne sammensætningaf biomasser. Kun få anlæg er derforhidtil blevet konstrueret til at benytte princippet.22

Biomasse Typiske gasudbytter Metan VS im 3 biogas m 3 metan % procentpr. kg TS pr. kg VS af TSSvinegylle 0,37 0,32 65 75Kvæggylle 0,24 0,21 65 75Minkgylle 0,40 0,35 65 75Dybstrøelse 0,24 – 0,37 0,21 – 0,32 65 75Hønsemøg 0,40 0,35 65 75Flotationsslam fra rensningsanlæg 0,41 – 0,86 0,36 – 0,75 70 80Mave-tarm-affald 0,49 – 0,57 0,40 – 0,46 65 80Primærslam 0,38 0,33 65 75Biologisk slam 0,11 – 0,23 0,10 – 0,20 65 75Kildesorteret husholdningsaffald 0,43 0,35 65 80Majs 0,61 0,37 55 90Græs 0,57 0,35 55 90Figur 22. Gasproduktion af forskellige biomasser. TS er tørvægt af biomassen, VS er den organiske biomasse.BiogaspotentialerSom det vil være fremgået af ovenstående, erbiogasudbyttet af en given biomasse ikke heltentydigt, men afhænger af bl.a. temperatur ogopholdstid i reaktoren. Desuden er det tidligerenævnt at en række mikro- og makronæringsstofferskal være til stede i den rette mængde.Man kan således ikke udrådne f.eks. rent fedteller sukker alene.Det er heller ikke utænkeligt, at der i vissetilfælde kan være tale om synergetiske effekter,når forskellige biomasser blandes.Dvs. at produktionen er større end summenaf enkeltpotentialer. Det modsatte kan ogsåvære tilfældet.Nedenfor er omtalt en række biomasser,som i dag udnyttes i større eller mindre grad.Listen er dog ikke fuldstændig og også andre vilkunne tænkes. Figur 22 viser gasproduktionenaf forskellige biomasser.HusdyrgødningDet er i landbruget, man finder de størsteuudnyttede ressourcer til biogasproduktion. Idag anvendes 4 - 5 % af husdyrgødningen tilbiogasproduktion, svarende til godt 1,2 mio.m 3 pr. år. Det er naturligvis ikke realistisk meden 100 % udnyttelse, men en meget stor del vilmed store miljømæssige fordele kunne anvendestil biogasproduktion.IndustriaffaldNuværende biogasanlæg udrådner forudenhusdyrgødning også anselige mængder organiskindustriaffald fra fødevareindustrier ogslagterier o.l. Mængden udgør skønsmæssigtomkring 350.000 tons pr. år, og ordningen eret eksempel på effektiv og bæredygtig genanvendelseaf ressourcerne. I dette tilfælde udnyttesorganisk stof til energiproduktion, ognæringsstofferne bliver samtidig recirkuleret tillandbrugsjorden og erstatter handelsgødning.Samtidig er det i høj grad affaldet der giveranlæggene en fornuftig økonomi, dels fordi detofte har et højt gaspotentiale (højt tørstof- ogfedtindhold), og dels fordi anlæggene ofte fårbetaling for at behandle det.Den mængde industriaffald der er til rådig-23

toffeltoppe er anvendelige. Kravet er blot, atafgrøden skal være forholdsvis letomsættelig.Dvs. materialet må ikke indeholde for storemængder lignin. Potentialet er næsten så stort,som man ønsker. Det er blot et spørgsmål om,hvor store arealer man vil afsætte til formålet.Et spændende aspekt ved energiafgrøder erat de ofte kan dyrkes på en mere miljøvenligmåde end traditionelle afgrøder. Det gælderspecielt flerårige, som f.eks. vedvarende græs,og de vil dermed samtidig kunne anvendes tilat mindske problemer med f.eks. udvaskningaf kvælstof på miljøfølsomme arealer. Afgrøderkan anvendes i frisk tilstand eller i form afensilage. Herved kan de eventuelt gemmes tilvinterbrug (se figur 23).Anvendes bælgplanter, f.eks. kløvergræs,lucerne, hestebønne o.l., kan afgrøden desudenanvendes til at skaffe kvælstof til sædskiftet viaplanternes evne til kvælstoffiksering. Hervedkan handelsgødning igen fortrænges, hvilketkan medvirke til yderligere at forbedre energibalancenved dyrkningen, fordi handelsgødnings-Ner stærkt energikrævende at producere.Energiafgrøder tilbyder dermed, med detrette afgrødevalg, tilrettelæggelse og styring, enmulighed for at få en stor bioenergiproduktionsamtidig med en effektiv beskyttelse af miljøetmod udvaskning af kvælstof.Nogen ser dog et etisk dilemma i, i en sultendeVerden, at anvende landbrugsarealer tilproduktion af afgrøder til energiformål. Medsådanne tanker bør man dog måske samtidigoverveje, hvorvidt det er ’etisk forsvarligt’ atproducere og spise så store mængder animalskeprodukter, som vi faktisk gør. Også dette læggerbeslag på meget store landbrugsarealer, der alternativtkunne have været anvendt til produktionaf menneskeføde. Endelig vil det i givetfald ikke være første gang i historien, at en stordel af landbrugsarealet anvendes til produktionaf andet end menneskeføde. For blot 60-70 årsiden blev op mod 20 % af arealet anvendt tilproduktion af foder til landets veludbyggedetransportsystem: heste.Nuværende produktionog det fremtidige potentialeI figur 24 er den nuværende produktion samtdet skønnede potentiale af biogas af en rækkebiomasser opstillet.Den nuværende produktion dækker ca. 5 ‰af det danske energiforbrug. Ved fuld udnyttelseaf ressourcerne kan dækningen komme op på6 - 7 %. Det fremgår at husdyrgødning udgørden største ressource. Men af økonomiske ogmiljømæssige grunde kan det måske forventes,at husdyrproduktionen i stigende grad bliverflyttet til udlandet, og at ressourcen dermed ifremtiden bliver mindre. Til gengæld er energiafgrøderen fleksibel ressource, hvis udnyttelsei høj grad vil blive bestemt af miljømæssige ogøkonomiske forhold i fremtiden.Enhed, PJ Nuværende PotentialeproduktionÅr 2004Husdyrgødning 0,91 26,0Spildevandsslam 0,91 4,0Industriaffald, dansk 0,86 2,5Industriaffald, importeret 0,65 ?Kød- og benmel 0,0 2,0Husholdningsaffald 0,03 2,5Lossepladsgas 0,46 1,0Energiafgrøder 1) – 15,9I alt 3,82 53,0Figur 24. Biogasproduktion (2004) og det skønnede potentialefor en række biomasser.1)Forudsætninger: 5 % af landbrugsarealet, 10 tons tørstof/ha,90 % VS, 0,35 m 3 CH 4pr. kg VS.25

Næringsstofudnyttelseog -tabI biogasprocessen forsvinder ingen næringsstoffer,da gasproduktionen hovedsageligt består afCO 2og CH 4. De samme mængder næringsstoffer,som kommer ind med biomasserne findesefterfølgende i den afgassede gylle. Alligevelkan behandlingen og processen have en rækkepositive effekter på næringsstofbalancerne påde tilsluttede husdyrbrug. I figur 28 er angiveteksempler på sammensætningen af forskelligegylletyper.FosforTypisk har svinebrug mere fosfor i gyllen, endder er behov for til optimal gødskning af afgrødernei sædskiftet. Det betyder, at svinebrugofte overgødsker væsentligt med fosfor. Detomvendte er tilfældet for kvægbrug, der derforofte må tilføre ekstra fosfor i form af handelsgødning.I et biogasanlæg blandes en række gødningerog andre biomasser, og landmanden fårderfor ikke nødvendigvis de samme mængdernæringsstoffer tilbage, som han har leveret.Kvæggylle og organisk affald indeholder oftemindre fosfor end svinegylle, og svineproducentenvil derfor almindeligvis få mindre fosfortilbage end han har leveret, mens kvægbrugetfår mere, hvis gyllemængden er den samme (sefigur 29).På den måde omfordeles næringsstoffer tilen vis grad mellem leverandørerne, hvilketbevirker at svinebrugene overgødsker mindremed fosfor og kan spare lidt kalium. Til gengældkan kvægbrugene spare lidt fosforgødning,men må indkøbe lidt mere kalium.Desværre er husdyrene i Danmark ikkejævnt fordelt over landet. Kvægbrugene findestypisk i Vestjylland og svinebrugene i Østjyllandog på øerne. Derfor er omfordelingeni praksis ikke altid helt så optimal, som denkunne være.Tørstof % Total kvælstof, N NH 4 -N Fosfor (P) Kalium (K) pHkg/t kg/t kg/t kg/tKvæggylle 6,0 5,0 2,8 0,8 3,5 6,5Svinegylle 4,0 5,0 3,8 1,0 2,0 7,0Afgasset gylle 2,8 5,0 4,0 0,9 2,75 7,5(blandet)Figur 28. Sammensætningen af forskellige gylletyper. Typisk næringsstofindhold i ubehandlet gylle og i afgasset gylleved ligelig fordeling af kvæg- og svinegylle.Returneret næringsstofmængde i afgasset gyllei % af leveret mængde (lige dele kvæg- og svinegylle)Kvælstof (N) Fosfor (P) Kalium (K)Total-N NH 4 -NKvægbrug 100 143 113 79Svinebrug 100 105 90 138Figur 29. Procentvis mængde næringsstof i returneret, afgasset gylle i forhold til leveret rå gylle.29

KvælstofSom det fremgår af figur 28 og 29, sker dernoget med kvælstoffet i processen. Mens dettotale indhold af kvælstof er uændret, ændresforholdet mellem organisk bundet kvælstof ogkvælstof på ammonium-form, således at derbliver mere af det plantetilgængelige ammonium.Denne ændring er størst for kvæggylleog endnu større for faste gødninger.Ændringen er af stor betydning for hvorgodt kvælstoffet udnyttes, fordi ammonium-Nkan optages direkte af planterne, mens organiskbundet kvælstof først skal frigøres vednedbrydning af de organiske stoffer, hvilket tagertid. Gødningsvirkningen er derfor højere afafgasset gylle end af rå gylle, og potentielt kantabet af kvælstof, i form af udvaskning, derforogså blive mindre.På den anden side øges risikoen for fordampningaf ammoniak med et stigendeindhold af ammonium-N, og da afgasset gylleikke naturligt danner svømmelag i lagertankenøges fordampningsrisikoen under lagring. Deter imidlertid et krav, at gylletanke skal have etflydelag, og landmanden må derfor selv etableredet. Det kan f.eks. ske med snittet halmeller leca-nødder. Herved kan fordampningenreduceres fra ca. 20 til få procent af kvælstofindholdeti den oplagrede gylle.Også under gylleudbringningen øges risikoenfor ammoniakfordampning pga. det højereindhold af ammonium-N. Men da afgassetgylle er meget mere tyndtflydende end rå gylle,jf. tørstofindholdet i figur 28, synker gyllenhurtigere i jorden, hvor ammoniakken bindestil vand og partikler. I praksis er fordampningenderfor ikke større fra afgasset gylle end frarå gylle, selv ved udlægning oven på jordenmed slæbeslanger.Pga. den højere N-nyttevirkning af afgassetgylle, er der samlet set et stort potentiale for atmindske tabet af kvælstof ved anvendelse påmarkerne. Potentialet er eksemplificeret vednedenstående balancer (se figur 30).I virkeligheden er forholdene mere kompliceredeend skitseret her. Bl.a. har forskelligeafgrøder forskellige kvælstofnormer (mængdeN, der må tilføres), og gødskningen sker oftemed en blanding af gylle og handelsgødning,der har forskellige N-nyttevirkning. En del af’tabet’ vil være organisk bundet kvælstof ellerblive ophobet i rodmassen og langsomt frigivesde følgende år. Endelig spiller klimatiskeforhold (nedbør og fordampning) en rolle forbalancen.LugtSom bekendt lugter gylle temmelig kraftigt nården bringes ud på markerne, og lugten skyldesindhold af ikke mindre end 300 forskelligestoffer, som hver især bidrager til det samledelugtindtryk. Nogle stoffer har en ekstremt lavlugttærskel, dvs. mennesker kan registrere stoffeti uhyre svage koncentrationer, mens andrehar en betydeligt højere tærskel.I biogasprocessen nedbrydes en række afdisse stoffer, men til gengæld dannes en rækkeandre. Antallet af lugtenheder (LE) er derfor oftelige så stor over en afgasset gylle som over enrå gylle. Alligevel er der en markant forskel nårgyllen anvendes. Dels er lugten ikke så kraftig og’stikkende’ fra afgasset som fra rå gylle, og delsforsvinder den meget hurtigere fra en gødsket30 t rå gylle/ha (= 150 kg total-N/ha)30 t afgasset gylle/ha (= 150 kg total-N/ha)InputOptagetaf planterInputOptagetaf planter150 kg N105 kg N150 kg N120 kg NTab 45 kg NN-nyttevirkning 70 %Tab 30 kg NN-nyttevirkning 80 %Figur 30. Simplificeret kvælstofbalance ved anvendelse af rå gylle (½ kvæg, ½ svin) og afgasset gylle.30

mark, bl.a. fordi den afgassede gylle pga. detlavere tørstofindhold hurtigere synker i jorden.Reduktion af lugt fra gylleudbringningen er daofte også en af de væsentligste årsager til at landmændenegår ind i biogasprojekter (se figur 31).Til gengæld kan der være en potentiel risikofor øgede lugtgener omkring selve biogasanlægget.Her samles og behandles store mængdermere eller mindre ildelugtende biomasser,og det er indlysende at der i f.eks. aflæssehallenog fortanke frigives store lugtmængder. Er manomhyggelig med at ventilere og opsamle disseog efterfølgende rense luften i f.eks. biofiltre,kan generne dog i praksis reduceres til et acceptabeltniveau. Alligevel er det protester fra naboer,som frygter lugtgener, der er den størsteforhindring for etablering af nye biogasfællesanlæg.Overordnet betragtet er der dog næppetvivl om, at biogasanlæg generelt mindskerlugtgener forårsaget af husdyrgødning.Nedbrydning afmiljøfremmede stofferMiljøfremmede stoffer findes i mange biomasser,bl.a. i gylle og slam, og stammer f.eks. frarengøringsmidler. Nogle har hormonlignendeeffekter, og er f.eks. blevet mistænkt for at kunnefå fisk til at skifte køn. Mange er organiskestoffer, og de fleste er nedbrydelige i den anaerobeproces. Enkelte er dog svært nedbrydelige,og nedbrydes stort set kun aerobt. Stofferne erofte bundet til organisk materiale, og nedbrydningensker fortrinsvis biologisk. Det betyderat nedbrydeligheden almindeligvis stiger medtemperaturen. Endelig spiller molekylvægtenofte en rolle: jo mindre vægt, jo større nedbrydelighed.Nedbrydeligheden af miljøfremmede stofferhar hidtil kun været undersøgt på få biogasanlæg,f.eks. Lemvig Biogasanlæg, og her harnedbrydningen tilsyneladende været næstentotal, idet der ikke er blevet fundet væsentligekoncentrationer i den afgassede gylle.Smitstofreduktion og hygiejniseringSmitstoffer, dvs. bakterier, virus og parasitter,der kan fremkalde sygdom hos mennesker ogdyr tilføres biogasfællesanlæg med husdyrgødningog affald i en mængde og art svarendetil sundhedstilstanden i husdyrbestanden ogbefolkningen.Indholdet af fækale streptokokker, som i sigselv er uskadelige, er altid meget høj i rågylle,og antallet (FS-tallet) er et indirekte mål formængden af andre og evt. skadelige bakterier,f.eks. salmonella. Målinger fra biogasfællesanlægviser at antallet af streptokokker kan væreop mod 10 mio. pr. gram i rågylle, og være reducerettil < 5 pr. gram (= 0) efter afgasningen.Det samme gælder for de fleste andre bakterier.Hygiejniseringen er dermed meget effektiv ognærmest fuldstændig. Også husdyrparasitter igyllen slås i stort omfang ihjel i et traditioneltanlæg. Erfaringen viser da også at sundhedstilstandeni besætninger tilsluttet biogasanlægofte er bedre end normalt.Behandlingen af gylle i biogasanlæg sikrerendelig at ukrudtsfrøs spireevne ødelægges.Resultatet er at ukrudtstrykket i marken reduceresog at mængden af ukrudtsmidler vil kunnebegrænses.Vindretning5 minutterUbehandlet gylleAfgasset gylleFigur 31. Lugtensudbredelseefter gyllespredningefter henholdsvis5 min.og 12 timer forubehandlet ogafgasset gylle.12 timer31

Separation afafgasset biomasseMange har set separation af gylle – rå eller afgasset– som et brugbart instrument til løsningaf husdyrbrugets problemer med overgødskningog for store tab af næringsstoffer til omgivelserne.Filosofien er, at man ved at adskille næringsstofferne– helt eller delvist – får lettere ved atkomme af med et overskud.Lavteknologisk separationMed en lavteknologisk separering af afgassetgylle, f.eks. vha. en dekantercentrifuge, viltørstof og næringsstoffer typisk blive fordeltsom skitseret i figur 32 (i eksemplet er tagetudgangspunkt i en tynd afgasset gylle, men forholdetmellem stofferne vil være nogenlundeden samme med et tykkere udgangspunkt):Fiberfraktionen indeholder hovedparten aftørstoffet, og udgøres af unedbrydelige organiskestoffer (specielt lignin), mineraler, sand ogbakterieceller. Fraktionen har et tørstofindholdomkring 30 %, struktur som en fin kompost,og den skal spredes med gødningsspreder. Dener meget velegnet som jordforbedringsmiddel,fordi den indeholder humusopbyggende stoffer.Fosforindholdet er ligeledes højt, og fraktionener derfor også velegnet til opgødskningaf arealer med fosformangel. Til gengæld erkvælstofindholdet forholdsvis lavt, og hovedpartener organisk bundet kvælstof med en lavkvælstofvirkning.Fiberfraktionen er ikke lagerstabil, og vil vedhenlæggelse gå i spontan kompostering. Derudvikles varme i bunken, og organisk bundetAfgasset biomasse kg kg/tMængde 1000 –Tørstof, 2,8 % 28 28Vand 972 972Total-N 5 5NH 4 -N 4 4Fosfor, P 0,9 0,9Kalium, K 2,8 2,8SeparationFiberfraktion kg kg/tMængde 80 –Tørstof, 30 % 24 300Vand 56 700Total-N 1,25 15,6NH 4 -N 0,3 3,8Fosfor, P 0,7 8,8Kalium, K 0,2 2,5Væskefraktion kg kg/tMængde 920 –Tørstof, 0,4 % 4 4,3Vand 916 995Total-N 3,75 4,1NH 4 -N 3,7 4,0Fosfor, P 0,2 0,2Kalium, K 2,6 2,8Figur 32. Lavteknologisk separation med dekantercentrifuge. Den afgassede gylle deles ved centrifugering i to fraktioner:En fiberfraktion med 30 % tørstof, der er humusholdig og et godt jordforbedringsmiddel. Desuden indeholder fraktionenhovedparten af fosforindholdet. Væskefraktionen indeholder kun 0,4 % tørstof, men det meste af ammonium-kvælstoffet.Separationen giver mulighed for mere præcis og effektiv anvendelse af gyllen.32

N bliver mineraliseret og i et vist omfang tabtved ammoniakfordampning. Det stiller selvsagtspecielle krav til opbevaringen og evt. transportaf fraktionen.Væskefraktionen består næsten kun af vandog fremtræder som en meget tynd gylle. Denindeholder hovedparten af ammonium-kvælstoffet,og er dermed en hurtigtvirkende gødning,der skal spredes med slæbeslanger ellernedfældes. Under gunstige forhold kan deropnås lige så høj N-nyttevirkning som medhandelsgødning, dvs. 90 - 95 %.En fordel for landmanden er, at hvor hannormalt kun må sprede 140 kg N pr. ha medhusdyrgødning, kan han ved anvendelse af væskefraktionenfuldgødske. Dvs. han i stedet måsprede op til 168 kg N pr. ha. Med et indholdpå 4,1 kg N/t kan han således komme af medca. 40 t/ha, hvor han normalt med usepareretgylle må nøjes med ca. 28 t/ha (5 kg N/t). Detsparer ham for noget transport og desuden evt.for noget handelsgødning. Om det er tilstrækkeligttil at opveje ekstraomkostningerne erderimod et andet spørgsmål.Højteknologisk separationDet er muligt at separere væskefraktionen yderligeresåledes at næringsstofferne opkoncentreresendnu mere, og der findes flere højteknologiskemetoder til dette.En simpel metode er inddampning, hvorvandet under varmetilførsel afdampes. Vedtotal inddampning ender man med en siruplignendemasse, som indeholder de resterendenæringsstoffer og mineraler. Processen kræverforsuring ved tilsætning af syre eller videre behandlingaf vandfraktionen for at tilbageholdeammoniak. Fordelen er at man slipper af meden masse vand, som det er dyrt at køre rundtmed. Ulempen er at processen er meget energikrævende,og at udstyret naturligvis heller ikkeer gratis.Andre metoder går ud på f.eks. at tagekvælstoffet ud af væsken. Det kan ske vedsåkaldt ammoniakstripning. Ved tilsætning afen base, f.eks. natriumhydroxid, NaOH, forskydesligevægten NH 4+NH 3+ H + mod højre,og opvarmes biomassen herefter, fordamperammoniakken sammen med noget af vandet.Efterfølgende kondenseres vand/ammoniak,og man får en vandig opløsning med et højtindhold af kvælstof. Kvælstoffet vil ved anvendelsedog være stærkt flygtig og let fordampe,derfor må man ’forsure’ det ved tilsætning afsyre.Processen er, som antydet, forholdsvis kompliceretog dermed også temmelig bekostelig,og tilbage står man med en væskefraktion somstort set indeholder hele kaliummængden.Denne fraktion kan udvandes med vandingsanlæg.Men skal kaliumindholdet udnyttes optimalt,kan man ikke udvande hele mængdenpå et begrænset areal, selvom man godt kantillade sig at gødske med kalium for flere år adgangen. Det giver derfor naturligvis en besparelsepå transporten.Alternativt må man også pille kalium ud afvæsken, hvilket kan ske ved hjælp af diversemembranseparationsmetoder o.l.Som det er antydet ovenfor er separation afgylle og afgasset gylle temmelig bekostelig, ihvert fald hvad angår højteknologisk separation.Inden man kaster sig over metoderne, børman derfor nøje overveje, hvad formålet meddet er og ikke mindst prisen. F.eks. er omkostningenalene ved lavteknologisk separation,som altid går forud for en evt. højteknologisk,ca. 20 kr./t (10 kr. pr. t i driftsudgifter og 10 kr./ttil forrentning og afdrag på lån til udstyret).Nogenlunde det samme koster almindeligtransport af gylle med gylletankbil inden for enrimelig afstand, 10 - 15 km. For at separationskal kunne svare sig skal afstanden, som gødningsstofferneskal transporteres, med andreord være temmelig stor.33

StikordsregisterAAerob nedbrydning 8, 34Affald 6, 7, 23, 24, 28, 29, 31, 34Anaerob nedbrydning 4, 8, 28, 34BBiogas 4-7, 15-17, 19, 23-28Biogas, brændværdi 4, 5, 19Biogas, sammensætning af 4, 22Biogasanlæg 4, 6, 7, 11, 12, 15, 19, 22, 23, 28,29, 31Biogasfællesanlæg 7, 15, 26, 31, 34Biogaspotentiale 20, 34Biogasproduktion 6, 7, 13, 20, 23-25, 28Biogasudbytte, se også gasudbytte 19, 21, 23Biomasse 7, 8, 10-13, 15-29, 31-33Brændværdi 4, 5, 19CC/N-forhold 12Cellulose 4, 9, 10, 19Chemical Oxygen Demand (COD) 12, 15, 19CO 2-fortrængning 27, 28CO 2-neutral 26CO 2-ækvivalent 28Continously Stirred Tank Reactor (CSTR) 12, 15DDrivhuseffekt 6, 28Drøvtygger 5, 6EEffektivitet, se også årsvirkningsgrad 18, 22, 27Efterlagertank 15, 17Emission, se også udledning 6, 26-28Energiafgrøde 24, 25, 28Energiproduktion 6, 18, 23-27FFermentation, se også syredannelse 8, 10Fiberfraktion 22, 32Flydelag, se også svømmelag 30Forsuring, se også ’løber sur’ 13Fortank 15, 16, 31Fosfor 12, 29, 32GGasproduktion, se også biogasproduktion17, 20, 22, 23Gasudbytte, se også biogasudbytte 11, 19, 20,22, 24, 28Giftvirkning 14Gylle 7, 13, 16, 28-33Gødning 7, 16, 17, 28, 33HHemicellulose 4, 9, 10, 19Hydraulic Retention Time,se også opholdstid 19Hydrolyse 8-10Hæmning 10, 12-14KKortkædede fedtsyrer (VFA) 10Kvælstof 4, 10, 12, 25, 28-30, 32, 33LLagertank 15, 17, 22, 28, 30Langkædede fedtsyrer (LCFA) 8, 10Lignin 9-11, 19, 25, 32Lugt, reduktion af 31Løber sur, se også forsuring 1034

MMakronæringsstoffer 12, 23Mesofil 11, 13, 16Metan 4-6, 8, 10-12, 14, 17, 19, 20, 23, 27, 28Metanbakterier 5, 10-12Metandannelse, se også metanogenese 8, 10, 14Metanogenese, se også metandannelse 10Metanprocent 4Mikronæringsstoffer 12, 13Miljøfremmede stoffer 31OOpholdstid (HRT), se også HydraulicRetention Time 15, 17, 19-23Ozonlag 6TTermofil 11, 13, 16Tundra 6Tørstofindhold 11, 15, 19, 21, 23, 25, 28-32UUdledning, se også emission 26, 28VVæskefraktion 32, 33ÅÅrsvirkningsgrad, se også effektivitet 18PPsykrofil 11RReaktortank 15-17, 22Rensningsanlæg 6, 7, 16, 23, 24SSeparation 32, 33Septiktank 6Slam 6, 7, 15, 21-25, 31Smitstoffer 31STUB-program 7Supernatantlag 22Svømmelag, se også flydelag 12, 16, 22, 30Syredannelse, se også fermentation 8, 1035

Dette hæfte er udgivet som et gratis undervisningsmateriale af Det JordbrugsvidenskabeligeFakultet, Aarhus Universitet. Hæftet giver en bred almen indføring i problematikkenvedrørende biogas, og henvender sig derfor både til fagfolk og interesserede lægfolk.Størstedelen af hæftet er skrevet, så det kan læses med udbytte af interesserede uden særligeforkundskaber, og vil også kunne bruges på gymnasialt niveua, fortrinsvis i biologi og kemi.Tak til Anders Peter Jensen og Adris Georgis Shlimon, Xergi A/S, Lars Ellegård, BWSC og LarsKristensen, Lemvig Biogas, for omhyggelig faglig korrektur og gode råd.Denne 2. udgave af hæftet er opdateret og trykt med støtte fra Vækstforum for Region Midtjylland.