Biogas - Slf

TEMA: BIOGASBiogasBioenergirådgivare Fredrik EkProAgria Svenska lantbrukssällskapens förbundLiksom redan namnet säger, är biogas en produkt av en biologisk process.I naturen bildas biogas bland annat i bottengyttjan på sjöar och kärr, i vommenpå idisslare och över huvudtaget på ställen där organiskt materialbryts ner utan närvaro av luft. Syrefria förhållanden är den mest centralaförutsättningen för att organiskt material skall kunna omvandlas till enbrännbar gasblandning genom rötning. Biogasen består grovt taget till tvåtredjedelar av metan och till en tredjedel av koldioxid, gasen kan efter enenkel reningsprocess användas som bränsle i gaspannor för värmeproduktioneller bränns i en kraftvärmeanläggning för produktion av både värmeoch elektricitet (bild 1). Dessutom kan gasen förädlas till trafikbränsle.Biologin bakombiogasbildningenProcessens fyra stegBildningen av biogas indelasi fyra olika steg som sköts avolika mikroorganismer. Defyra stegen är: lösningssteget,syrabildningssteget, ättiksyrastegetoch metanbildningssteget(figur 1). Vid lösningsstegetlöses lättlösligabeståndsdelar ur substrateti vatten, vid syrabildningsstegetbildas genom bakteriernasämnesomsättningenkla fettsyror som via mellanstegetättiksyra omsättstill metangas, koldioxid ochvatten. Biogasbildningensfyra steg är inte tidsmässigtseparerade från varandrautan pågår samtidigt i ettkontinuerligt förlopp.Vid det första steget, lösningssteget(hydrolys),sön derdelas kolhydraterna,fetterna och proteinerna iutgångsmaterialet i enklareorganiska föreningar somsocker, fettsyror och aminosyror.Sönderdelningensker med hjälp av enzymersom utsöndras av bakterierÄmne %Metan, CH 455-75Koldioxid, CO 225-45Kolmonoxid, CO 0-0,3Kväve, N 21-5Väte, H 20-3Svavelväte, H 2S 0,1-0,5Tabell 1. Biogasens genom snittligasammansättningBild 1. Med hjälp av en biogasanläggning kan en gård göra sigsjälvförsörjande vad gäller energi. (Källa: JTI).139

som klarar sig både medoch utan syre (fakultativtanaeroba bakterier).De mellanprodukter sombildats vid lösningsstegetomvandlas i det såkalladesyrabildningssteget (acidogenes)av syrabildandebakterier till enkla fettsyror(propionsyra, smörsyra, ättiksyra).Vid syrabildningsstegetfrigörs vätgas ochkoldioxid. Dessutom bildassmå mängder mjölksyra ochalkohol.Vid nästa steg i biogasprocessen,ättiksyrasteget(acetogenes), omsätts produkternafrån de tidigarestegen av ättiksyrabildandebakterier till ättiksyra, vätgasoch koldioxid. Vätgas är giftigtför de ättiksyrabildandebakterierna och därför ärde beroende av att vätgasentas omhand av metanbildandebakterier i följandesteg i biogasprocessen.Figur 1. Bildningen av biogas indelas i fyra olika steg som sköts avolika mikroorganismer. Metanbildningen sker via flera olika mellanproduktersom bildas som resultat av de deltagande bakteriernasämnesomsättning. Den viktigaste rutten för metanbildningen gårvia mellanprodukten ättiksyra.Det sista steget i biogasprocessen,metanbildningen(metanogenes) står demetanbildande bakteriernaför. Metan bildas utgåendefrån ättiksyra, vätgas ochetanolMetanbildande bakterierDe metanbildande bakterierna(bild 2) hör till gruppenarkebakter som är enav de äldsta livsformerna påvår jord. De härstammar frånen tid då jordens atmosfärvar en helt annan än vadden är idag. Många av dearkebakterier som lever idag140är anpassade till extremalivsmiljöer som höga temperaturereller höga salthalter.Gemensamt för alla metanbildandearkebakterier är attde över huvudtaget inte tålsyre (obligat anaeroba).De bakterier som deltar i deolika stegen i bildningen avmetangas mår bäst underlitet olika miljöbetingelser ifråga om syrehalt, temperatur,och pH -värde. De metanbildandebakterierna ärde som är allra mest kräsnaoch är också de som förökarsig långsammast. Av denhär anledningen brukar mani biogasanläggningar där defyra processtegen sker omvarandra i en och sammarötkammare anpassa förhållandenaenligt de metanbildandebakteriernas behov.SyreFör de metanbildande bakteriernaär syre ett dödligt giftredan i låga koncentrationer.Trots att man vid drift av enbiogasanläggning strävar tillatt undvika att släppa syre ikontakt med materialet kommervid praktisk drift ändåalltid små mängder syre in i

ötkammaren. Så länge sommängderna är små utgör dethär inte ett problem eftersomsyre i låga koncentrationerkan konsumeras av fakultativtanaeroba bakterier somdeltar i de första stegen avbiogasbildningen.TemperaturJu högre temperatur, destosnabbare sker i allmänhetkemiska och biologiskareaktioner. Det här gällerockså för bildningen av biogas,men inom de gränserde deltagande bakteriernaklarar av. De metanbildandeprocesser som sker i vommenpå nötkreatur arbetarunder en annan temperaturoch i en helt annan takt ände som sker på botten av ettfinskt kärr. Gasbildningen ikärret sker mycket långsamtunder vintern och snabbarpå under sommaren då temperaturenär högre.Till skillnad från vad somär fallet vid komposteringbildas ingen värme underbiogasprocessens gång,kompostering sker i närvaroav syre och är egentligenen långsam och ofullständigförbränning av materialet.Rötning sker utan syreoch därför kan heller ingenvärmealstrande förbränningske. För upprätthållande aven biogasprocess i ett kalltklimat behövs ett tillskottav värmeenergi, i våra klimatförhållandenmåste rötkammarenaktivt värmas föratt önskad driftstemperaturoch därigenom en hyfsadgasproduktion skall kunnaBild 2. Olika metanbildande bakterier sedda genom elektronmikroskop.De runda bakterierna hör till släket Methanosarcina medan detrådliknande hör till släktet Methanothrix. De korta böjda stavformigabakterierna är de som står för bildningen av svavelväte.Bild 3. En av de viktigaste förutsättningarna för att biogasprocessenskall fungera är att man lyckas hålla syret bakom staketet.upprätthållas.Biogasprocesser indelasenligt de temperaturintervallunder vilka de arbetar.Metanbildande processersom sker vid en temperaturlägre än 25°C kallaspsykrofila, metanbildningav den här typen sker lång-141

samt och gasutbytet blir rättlågt, gasbildning enligt denhär kategorin förekommernaturligt bland vassrötternavid varje finsk strand. Metanbildandeprocesser somarbetar under temperaturintervallet32-42°C kallasmesofila. De flesta biogasanläggningararbetar inomdet här temperaturintervalletsom är det samma som gällerför bakterierna i husdjurensmatsmältningskanal.Biogasutbytet vid mesofilaprocesser är bra och dessutomär processen lätt atthålla stabil, om basmaterialetsom skall rötas är djurgödselligger det mesofilatemperaturområdet nära tillhands.Termofil rötning, dvs. rötninginom temperaturintervallet50 - 57 °C kan vara ett braalternativ om livsmedelsavfalleller slakteriavfall sominte härstammar från denegna gården skall rötas. Vidtermofilrötning tar det barahälften så lång tid för materialetatt bli utrötat som vidmesofil rötning, gasutbytetblir dessutom en del större.På minussidan å andra sidanär att termofila biogasprocesserär mer känsligaför störningar än mesofila.Dessutom blir energiförbrukningenpga. den högredriftstemperaturen större vidtermofila processer.pH-värdeDe bakterier som deltar i deolika skedena av biogasprocessenhar olika pH -områdeninom vilka de trivs bäst.Figur 2. Mängden gas som kan utvinnas ur ett substrat ökar medstigande temperatur, nedbrytningen sker snabbare och blir merfullständig.De hydrolyserande och syrabildandebakterierna trivsbäst klart på den sura sidan(pH 4,5 – 6,3). De här bakteriernakan ändå leva vidneutrala förhållanden, derasaktivitet blir då enbart någotnedsatt. Bakterierna somdeltar i det tredje och fjärdeskedet av biogasbildningen,dvs. ättiksyrabildningen ochmetanbildningen, kräver däremotneutrala förhållanden(pH 6,8 – 7,5).Under normal drift av rötningsprocessenbrukar rötkammarenspH-värde hållasig kring 7, men vid tillsatsav för mycket substrat pertidsenhet hinner de metanbildandebakterierna inteta hand om all den syra desyrabildande bakteriernaproducerar. Följden av dethär är att processens pHvärde sjunker vilket i sintur hämmar ämnesomsättningenhos de metanbildandebakterierna. Omrötningsprocessen blir surmåste tillförseln av substratstoppas för att ge de metanbildandebakterierna tidatt omvandla syran till metanoch därigenom få processenatt återhämta sig.NäringsämnenEn lämplig sammansättningav fodret är en förutsättningför all djurhushållning, detsammagäller också förbakterierna som gör jobbeti en rötkammare. Specielltviktigt är att förhållandetmellan kol och kväve i substratetär lämpligt. Om substratetinnehåller för mycketkol vilket kan vara fallet dåenbart växtprodukter rötasleder det till att en stor delav biogasproduktionspotentialeni materialet förblir outnyttjad.Om förhållandet däremotär det motsatta, dvs.att substratet innehåller förmycket kväve i relation till kolkan ammoniak börja bildasvilket i sin tur kan leda till142

att hela biogasbildningsprocessenkollapsar. Vid rötningav enbart kväverik gödselsom höns- eller svingödselfinns risk för att kvävehaltenblir för hög. Förhållandetmellan kol och kväve i substratetskall vara cirka 20:1(10-30:1) Det här betyderatt materialet som matas ini biogasanläggningen skallinnehålla ungefär 20 gångerså mycket kol som kväve föratt processen skall fungerabra.Hämmande ämnenVilket som helst ämne somingår i det substrat somtillförs rötkammaren kan iprincip i alltför hög koncentrationverka hämmandepå biogasbildningsprocessen,alldeles speciellt gällerdet här för antibiotika ochdesinficeringsmedel, herbicider,salter och tungmetallersom redan i mycket lågakoncentrationer kan skadaprocessen. Förutom ämnensom tillförs med substratetkan produkter av de deltagandebakteriernas egenämnesomsättning i alltförhöga koncentrationer verkainhiberande på processen,exempel på det här är bildningav ammoniak och svavelväte.främst om stallgödsel samtgrödor som vall, säd, rotfrukter,majs och blast. Bioavfall,pressrester från produktionav biodiesel och avfall frånlivsmedelsindustrin är ocksåutmärkta råvaror om sådanafinns att tillgå. Substrat sominnehåller mycket fiber ochlignin som trä eller halmlämpar sig dåligt för rötning.Nästan all biogas som producerasi Finland idag utvinnsur avstjälpningsplatseroch ur kommunala avloppsvattensreningsverk.I landets fem lantbruksanläggningarär stallgödselden huvudsakliga råvaran.I Tyskland används förutomstallgödsel stora mängderåkergrödor och då framförallt majs vid produktionenav biogas (Bild 4). Tack varedet goda priset för grön elfinns i Tyskland en installeradelproduktionskapacitetvia biogas motsvarandeett kärnkraftverk eller cirka1TW. Den goda lönsamhetenhos de tyska biogasanläggningarnabygger heltpå att priset för grön el ärsubventionerat.Hygienisering avsubstratGödsel och åkergrödor behöverinte värmebehandlasinnan de inmatas i enbiogasanläggning, Råvarasom innehåller animaliskabeståndsdelar som bioavfalleller slakteriavfall bör däremotvärmebehandlas innanmaterialet får användas somsubstrat för biogasproduktion.I fråga om matavfall ochbiprodukter från livsmedelsindustrinräcker det med enupphettning av materialet till70°C under en timmes tid.När det gäller rötning avBiogas i TysklandRåmaterial per dygn för 500 kW kontinuerlig eleffekt:* 7 ton svingödsel* 4 ton ensilerat hö* 9 ton majs* 3,5 ton rågBiogasbildningeni praktikenBiogasråvarorI princip kan allt organisktmaterial rötas, men teknikenpassar bäst för materialsom lätt kan brytas ner.Inom lantbruket handlar det500 kW x 24 h = 12000 kWh / dygn~16 cent / kWh ->elförsäljning 1 900 € /dygnBild 4. Tack vare ett gott pris för den producerade elenergin lönarsig elproduktion via biogas i Tyskland med odlade grödor somhuvudsakligt råmaterial.143

självdöda eller slaktadesjuka djur eller överhuvudtagetmaterial som kan varabehäftat med sjukdomsalstraremåste materialet steriliserasinnan det får matas ien biogasanläggning. Steriliseringbetyder i praktiken attmaterialet skall upphettas till133 °C under 3 bars tryck i20 minuters tid. Värmebehandlatmaterial bör avkylasinnan det matas in enbiogasanläggnings rötkammare,alltför varmt materialskadar rötningsprocessensbiologi.Gasutbyte och -kvalitetUtbytet av biogas från ettsubstrat beror på substratetssammansättning(tabell 2). Eftersom olikarötbara material innehållerolika mycket vatten räknarman ut materialets biogaspotentialenligt substratetsinnehåll av torrsubstans.Torrsubstansen är kring 10% i flytgödsel medan den ärkring 35 % i klöverensilage.Halten av torrsubstans begränsasi våtrötningsanläggningarfrämst av det faktumatt mycket trögflytande massorär svåra att hantera ochflytta. För att processen skallfungera praktiskt bör materialetvara pumpbart.Substrat som innehållermycket fett och protein geren högre metanhalt ochdärigenom ett högre värmevärdepå gasen än materialsom innehåller mycketkolhydrater. Vid rötning avslakteriavfall, matrester ellerflytgödsel blir den produceradebiogasens metanhalthögre än vid rötning avåkergrödor som vallväxtereller majs (tabell 2). Genomfinfördelning av fiberrikasubstrat förbättras gasutbytet,finfördelningen görsubstratet mer tillgängligtför bakterierna.Mesofil rötning av enbartflytgödsel ger sällan mer än1 kubikmeter biogas per kubikmeterrötkammarvolymoch dag. Om blandningeninnehåller mer energirikamaterial som vallgrödor,sockerbetor och matavfallkan man få ut 2-3 kubikmeterbiogas per kubikmeterrötkammarvolym och dag.Den mest problematiskabeståndsdelen i biogasenär svavelväte, detta trots attdess andel av gasen brukarvara på en nivå motsvarandeen bråkdel av en procent.Svavelväte är den gas somger gasbubblorna som stigerupp ur bottnen på en sumpigstrand sin karakteristiskalukt. För att undvika korrosionsskadorpå motorer ochgaspannor måste svavel fällasut ur gasen. I sin enklasteform sker utfällningenav svavelvätet genom en inblandningav cirka 3 % lufti biogasen. Utfällningen avsvavelvätet sker genom enbiologisk process där bakterienSulfobacter oxydansoxiderar svavelvätet till elementärtsvavel. Bakteriernafinns överallt och behöverdärför inte tillsättas, för attutfällningen skall fungera effektivtbehövs ytor där Sulfobacteroxydans kan leva.Lämpliga växtunderlag förbakterien är träkonstruktioneri rötkammarens tak elleri gaslagret eller träbitar i enseparat för avsvavling konstrueradbehållare.UppehållstidDå man bygger en biogasanläggningmåste mankompromissa mellan investeringskostnadensstorlek åena sidan och utrötningsgradenav materialet å andra sidan.En fullständig utrötningav substratet kräver en långuppehållstid för materialeti rötkammaren och därigenomen stor rötkammarvolym,vilket gör investeringendyrare.På grund av att materialet ien biogasanläggning ständigtblandas om är det omöjligtatt veta hur länge en en-Material Biogasproduktion Gasensm 3 / ton våtvikt metanhalt %Slakteriavfall 250 70Bioavfall 150-250 65Åkerbiomassa 50-250 55Svingödsel 25-35 65Nötgödsel 15-25 60Tabell 2. Metanhalt och gasutbyte av olika substrat.144

skild vattenmolekyl befinnersig i rötkammaren, den genomsnittligauppehållstidenför materialet kan man ändåberäkna mycket enkelt. Uppehållstidenför materialet ien rötkammare är definieradsom rötkammarens volym divideradmed volymen av detdagligen tillförda substratet.Vid rötning av enbart stallgödselbrukar man användasig av en uppehållstid påcirka en månad. Med åkergrödorsom substrat krävs iallmänhet en något längreuppehållstid för att materialetskall hinna bli ordentligt utrötat.Bioavfall och matresterhinner däremot bli utrötat påett par veckor.Ju mer substrat som perdygn matas in i en rötkammare,desto kortare bliruppehållstiden. De metanbildandebakterierna somdeltar i biogasbildningenförökar sig relativt långsamt.Om man matar en rötkammaremed klart mer materialän vad som är lämpligt fördess storlek riskerar manatt utspolningen av metanbildandebakterier blir störreän återväxten. Vid överbelastningav en rötkammareblir dessutom nedbrytningsgradenav materialet dålig(figur 3).som tillförs rötkammaren perdygn dividerat med rötkammarensstorlek.Den maximala storlekenpå den rötkammarbelastningsom kan användasbestäms av egenskapernahos det material som skallrötas. Med lätt nedbrytbartmaterial kan högre rötkammarbelastninganvändas änmed svårt nedbrytbart material.Rötning av matavfalleller vallgrödor tillåter en högrerötkammarbelastning änrötning av djurgödsel ellerhalm. En biogasanläggningklarar med flytgödsel somsubstrat cirka 3 kg organisktmaterial per kubikmeterrötkammarvolym och dygn.Med vallgrödor kan en rötkammarbelastningpå cirka6 kg organiskt material perkubikmeter och dygn användas.OmblandningFör att en hög biogasproduktionskall uppnås måstebakterierna som gör jobbeti biogasprocessen kommaväl i kontakt med materialetsom skall rötas. Det här arrangerasgenom omrörningav materialet i rötkammaren.Utan omrörning sker enskiktning av materialet så atthuvuddelen av bakteriemassansamlar sig i närheten avbottnen på rötkammarenmedan det mesta substratetsamlar sig nära ytan.Trots att en välfungerandeomrörning av materialet ärnödvändig, gäller det ändåatt inte röra om för mycketoch för våldsamt. Orsakentill det här är att de ättiksyrabildandebakterierna ochde metanbildande bakteriernalever i ett symbiotisktförhållande till varandra. VidRötkammarbelastningSom mått på hur mycketmaterial man kan tillföra enrötkammare per tidsenhetanvänds begreppet rötkammarbelastning.Rötkammarbelastningendefinieras sommängden organiskt materialFigur 3. Den maximala gasproduktionen med en viss rötkammareuppnås vid rätt kort uppehållstid medan den maximala utrötningenav ett substrat nås vid en lång uppehållstid. Om den genomsnittligauppehållstiden är kortare än cirka 7 dygn kommer biogasprocessenatt kollapsa på grund av alltför stor utsköljning av metanbildandebakterier.145

de ättiksyrabildande bakteriernasämnesomsättningbildas vätgas som är giftigtför dem, genom att metanbildandebakterier leveromedelbart inpå de ättiksyrabildandebakterierna kanvätgasen tas omhand av demetanbildande bakteriernasom i sin tur omvandlar vätgasentill metan.RötrestAll den näring som finns idet material som matasin i rötkammaren finns efterbiogasprocessen kvari restprodukten, rötresten,som alltså är ett värdefulltgödselmedel. Näringsinnehålleti rötresten varierarbland annat beroende påvilket substrat som rötats,vilken typ av biogasprocesssom använts och hur längesubstratet varit i rötkammaren.Att röta stallgödsel ochsprida rötresten på åkrarnaistället för att sprida gödselndirekt ger flera fördelar. Närgödsel rötas omvandlas,eller mineraliseras, en stordel av det organiskt bundnakvävet till ammoniumkvävesom växterna lättare kan taupp. Att röta gödsel medföratt urlakningen av kvävefrån jordbruksmarken blirmindre, dessutom minskarrötningen lukten hos gödseln.Flytande rötrest har ungefärsamma torrsubstanshaltsom flytgödsel och kanspridas med samma teknik.Rötresten från torrötningsanläggningarär i fast formoch sprids på samma sättsom fastgödsel. För spridningav rötrest på åkermark146Gödselproduktion på gård med 150 mjölkkor- 150 mjölkkor + rekrytering producerar cirka 10 000 kgflytgödsel per dygn.- 10 000 kg flytgödsel = 10 m 3- Flytgödseln innehåller cirka 10 % torrsubstans- Ca 80 % av torrsubstansen är organiskt materialMängd organiskt material10 000 kg/dygn x 10 % x 80 % = 800 kg/dygn.Vi antar att gården med 150 mjölkkor har en biogasanläggningmed en rötkammarvolym på 300 m 3 . Anläggningensrötkammarbelastning och uppehållstid blirföljande:Rötkammarbelastning800 kg organiskt material per dygn/300 m 3 rötkammarvolym= 2,67 kg organiskt material/m 3 rötkammarvolymoch dygn.Uppehållstid300 m 3 rötkammarvolym/10 m 3 flytgödsel per dygn =30 dygn.gäller samma tidsbestämmelsersom för spridningav stallgödsel.AnläggningsteknikSpontan metanbildningBiogas produceras idagmed ett nästan gränslöst antalolika system. Orsaken tilldet här är att metanbildningur biomassa är en processsom spontant sker i naturennästan överallt där det finnsorganiskt material och därdet råder mer eller mindresyrefria förhållanden. Knyterman väl ihop en soppåsesom innehåller matresterbörjar det efter en tid bildasmetangas i påsen.Enkla biogasanlägningarI Indien och Kina finnssammanlagt cirka 10 miljonerenkelt konstrueradesmåskaliga biogasanläggningarsom producerar gasför matlagning på gasspisar.Rötkammaren består därav två gastäta kärl som ärplacerade innanför varandra,det undre och aningenstörre kärlet är öppet uppåtmedan det övre och aningenmindre kärlet är öppet neråt(figur 4). Mellanrummet mellanbotten i de två kärlen ärfyllt med en blandning avvatten och gödsel eller matrester.Vid nedbrytningenav materialet bildas biogassom samlas under det uppoch nedvända övre kärletsom fungerar som en gasklocka.Den produceradegasen leds från toppen avgasklockan genom en slangin till köket där den användssom energikälla för matlagning.

För att de här anläggningarnaskall fungera ordentligtkrävs att materialet somskall rötas finfördelas innandet matas in till processen,dessutom krävs att klimatetär lämpligt varmt. Trots attman i Indien har betydligtvarmare vintrar än vad vi harhär fungerar de här enklaouppvärmda och oisoleradeanläggningarna dåligt underårets kallaste månader.VåtrötningsanläggningarDen mesta använda teknikenför biogasframställningi västvärlden bygger på enfortlöpande tillsats av rötsubstrattill en helomblandadrötkammare med pumpbartmaterial (figur 5). Rötkammarenär utformad som encylindrisk behållare gjordav stål eller stålbetong ochövertäckt med en vädertåliggastät folie. I motsats till deenkla asiatiska anläggning-Figur 4. I Asien finns cirka 10 miljoner enkla biogasanläggningar idrift. Gasen används främst som energikälla vid matlagning.Figur 5. Den mest använda tekniken för biogasproduktion i västvärlden bygger på mesofil rötning i enhelomblandad rötkammare. Den producerade gasen utnyttjas i allmänhet för kraftvärmeproduktionmedan rötresten sprids som flytgödsel.147

arna är rötkammaren isoleradoch utrustad med omrörareoch varmvattenslingorför uppvärmning. Tillförselnav material sker med någratimmars intervall och därförmåste material i jämn taktlämna rötkammaren. Eftersommaterialet som lämnarrötkammaren fortfarandehar en del biogasproduktionskapacitetkvar överförsdet till ett gastätt rötrestlageri väntan på spridning somgödsel på åker. Cirka 20% av den totala biogasproduktionensker i allmänhet irötrestlagret.TorrötningNamnet torrötning är missvisandesåtillvida att torrötningenliksom våtrötningenär helt beroende av vattenför att fungera. Våtrötningsprocesserarbetar medpumpbara material med entorrsubstanshalt på upp tillcirka 15 %. Vid torrötninganvänder man materialsom är stapelbara och haren torrsubstanshalt på cirka30 %.Torrötningstekniken härstammarursprungligenfrån avstjälpningsplatserdär regnvatten som sippratner genom soporna harsamlats upp och pumpatstillbaka över materialet.Genom ett sådant här förfarandekombinerat medgasutvinning ur massanhar man kunnat minska degasformiga utsläppen frånavstjälpningsplatserna samtförkorta den tid under vilkengasbildningen pågår. Huvuddelenav den biogas somproduceras och används iFinland härstammar frånavstjälpningsplatser.Vid torrötning pumpar manvatten över rötmaterialetgenom duschmunstycken itaket på en garageliknanderötkammare, vattnet och ivattnet lösta ämnen sipprar(perkolerar) sakta nergenom det stapelbara substratet.Från botten av rötkammarensamlas perkolatvätskanupp och pumpas viaen perkolatvätskebehållaretillbaka genom duschmunstyckenaöver materialet(figur 6).För att perkolatvätskanskall fördelas jämnt övermaterialet i rötkammarenkrävs att materialet har enrelativt grov struktur. Samtidigtmåste materialet varafinfördelat för att angreppsytanför bakterierna skall bliså stor som möjligt. De härbåda kraven är motstridigaoch i praktiken krävs vidtorrötning en längre uppehållstidän vid våtrötning föratt en ordentlig utrötning avmaterialet skall hinna ske.För att undvika en alltför storkomprimering av materialetlängst ner i substrathögen irötkammaren måste höjdenpå substratet begränsas tillcirka två meter. De flesta torrrötningsanläggningarsomfinns idag är försöks- ellerpilotanläggningar.Gasens användningVärmeproduktionDet enklaste och billigastesättet att utnyttja den produceradegasen är att brännaden i en gaspanna förproduktion av varmvattenför uppvärmningsändamål– eller som man gör i Indien– använda gasen somenergikälla i köket. Typisktför gårdsbaserade biogasanläggningarär att energiproduktioneni anläggningarnamångfalt överskridergårdens eget behov av värmeenergi,dessutom är behovetav värme under sommarhalvåretbegränsat.KraftvärmeproduktionGårdsbaserade biogasanläggningarär i allmänhetbyggda för produktion avbåde el och värme. Den mestallmänt använda lösningenför kraftvärmeproduktionbygger på förbränning avbiogasen i en ottomotor elleri en för gasdrift konverteraddieselmotor. Motorn i sin turdriver ett elaggregat på ettkonstant varvtal (1500 rpm)för att den producerade elenerginskall hålla sammafrekvens som elnätet. I frågaom drift av rena gasmotorer(bild 5) sker tändningen avgasblandningen med tändstift,medan man vid drift avdieselaggregat tänder gasblandningenmed hjälp avliten mängd diesel för varjecylinderfyllning. Dieselåtgångenmotsvarar vid dehär anläggningarna unge-148

fär 10 % av den mängd somskulle gå åt vid ren dieseldrift,eller ungefär det somåtgår vid tomgångskörningav motorn.Andra möjliga lösningar förkraftvärmeproduktion ärdrift av mikrogasturbinereller stirlingmotorer. Stirlingmotorerär kolvmotorermed extern förbränning ochborde i princip klara sig medmycket mindre service ochhålla längre än motorer medintern förbränning. Stirlingmotorertenderar ändå varautrymmeskrävande och dyraoch används därför inte allmänt.Mikrogasturbiner ärdäremot på kommande ibiogassammanhang. I engasturbin finns det en endarörlig del och därför kan dehålla länge och klara sigmed väldigt litet service.Dagsläget är ändå det attmikroturbiner är dyrare änmotsvarande kolvmotoreroch tenderar arbeta meden något sämre mekaniskverkningsgrad.Tack vare god mekaniskverkningsgrad och lågt prisär kolvmotorer med internförbränning idag den överlägsetmest använda lösningenvid småskalig kraftvärmeproduktion.Kolvmotornrepresenterar dessutomen mycket etablerad tekniksom alla som har med maskineratt göra är bekantamed. Trots att kolvmotorkonceptetär välfungerande ärdet också förknippat med enhel del nackdelar. En kolvmotorinnehåller många rörligadelar som slits och i ochmed att förbränningen skerinternt ställs höga krav pårenheten hos det användabränslet. En kolvmotor ärberoende av ofta återkommandeservice i form av oljebytenoch liknande. Dessutomslits motorerna ut rättsnabbt, efter cirka fem årskontinuerlig drift krävs totalrenoveringeller alternativtutbyte av motorn.En förbränningsmortor somdrivs med biogas klarar avatt omvandla ungefär 30 %av biogasens energiinnehålltill elenergi, resten blir värme.Stora gas- och dieselmotorerkan arbeta med enelverkningsgrad på över 40%, men vid biogasdrift körsmotorerna på mager blandningför att undvika produktionav kväveoxider. Körningpå mager blandning sänkermotorns verkningsgrad. Denstörsta delen av biogasensenergiinnehåll omvandlasvid kraftvärmeproduktiontill värme.Biogasanläggningar medkraftvärmeproduktion användermotorns spillvärme somvärmekälla för uppvärmningav biogasanläggningen ochoftast också för uppvärmningav närbelägna byggnader.Framför allt under sommarendå avsättning för värmeär svår att ordna blir en stordel av värmeproduktionskapaciteteni allmänhet outnyttjad.Trots att cirka dubbelt såmycket värme som el producerasvid kraftvärmeproduktionbrukar man räkna medatt ungefär lika många kilowattimmarvärme som elektricitetkan utnyttjas utanförFigur 6. Stapelbara substrat kan rötas genom torrötning, rötkammarenär ett lufttätt garageliknande utrymme utrustat med vattenspolningsanordningaroch uppvärmningssystem.149

anläggningen. Under vinternåtgår betydande mängdervärmeenergi till uppvärmandeav nytt substrat sommatas in i rötkammaren ochtill uppvägande av rötkammarensvärmeförluster.Försäljning av gasLantbruk brukar vara belägnarätt långt från samhällendär den produceradevärmeenergin skulle kunnaavsättas. Att bygga långakulvertdragningar är dyrtoch leder dessutom till storavärmeförluster. Transport avbiogasen i rörledningar tillförbrukningspunkten iställetför transport av elektricitetoch värme är rent energimässigtvettigt, gas somär energi i kemisk form harbättre lagrings- och transportegenskaperän värmesom är energi i fysikaliskform. Att gräva ner en gasledningär dessutom billigareän att gräva ner kulvertar.I andra ändan av gasröretkan en närvärmepanna elleren för en hel by gemensamkraftvärmeanläggning finnas.Biogasanläggningensägare kan välja mellan attsälja den producerade gasentill energianläggningeni det närbelägna samhälleteller att själv driva anläggningen.Förädling av gasen tilltrafikbränsleEtt annat sätt att utnyttja denproducerade biogasen är attuppgradera den till fordonsgas(bild 6). Vid uppgraderingav biogas renar manförst gasen från svavelväteGasottomotor 200 kWBild 5. Större biogasanläggningar använder oftast stora ottomotorervid generering av elektricitetBild 6. Erkki Kalmari, en av biogaspionjärerna i Finland tankar sinbil med förädlad biogas från gårdens egen biogasanläggning.och partiklar varefter manseparerar koldioxiden frångasen. Koldioxid är i sig inteen skadlig komponent ochbehöver inte avlägsnas frångasen om den bränns i engaspanna eller i en kraftvärmeanläggning.Orsaken tillatt man vid förädling av biogastill fordonsgas strävartill att bli av med så mycketsom möjligt av koldioxidenär att den har en utspädandeeffekt på gasen, ju merkoldioxid som finns i biogasen,desto lägre blir gasensvärmevärde.Den vanligaste tekniken föratt separera koldioxiden frånmetangasen bygger på attman får koldioxiden att lösasig i vatten i en trycksatt vattenskrubber.Koldioxid ochsvavelväte löser sig bådalättare i vatten än metan.Praktiskt kan det här gå tillså att man trycksätter gasen150

till cirka 10 bar och leder denuppåt genom en behållarefylld med fyllnadskroppar(exempelvis glasbitar ellerbitar av koks) samtidigt somvatten spolas nedåt genomfyllnadskroppsbädden. Pådet här sättet får man nästanall koldioxid att lösa sigi vattnet och dessutom blirman av med det återståendesvavelvätet. Då vattnetfrån skrubbern leds ut i detfria frigörs gaserna på nyttvarefter vattnet kan återanvändas.Förutom vatten kanman i skrubberanläggningaranvända speciella lösningsmedeloch speciella kolbaseradefyllnadskroppar somgör separeringen av koldioxideneffektivare och tillåteranvändning av lägre tryck.En nackdel med uppgraderingenär att förutom koldioxidoch svavelväte ocksåen del metan löser sig ivattnet. Innan den renadegasen kan användas sombränsle i fordon komprimerasden till ett tryck på cirka200 bar. Gasen skall dessutomenligt rådande säkerhetsbestämmelserluktsättas.Biogas går att användasom fordonsbränsle ocksåutan uppgradering, förutsattatt vatten och svavelväte avlägsnatsur gasen. På grundav att man vid körning påouppgraderad gas fraktarmed sig kring 40 % koldioxidi gastuberna blir aktionsradienbegränsad, dessutomblir det svårt att hålla kollpå bildningen av kväveoxidervid gasens förbränningi motorn.Exempel: Biogasproduktion på mjölkgårdStallgödsel som substratEn mjölkko + rekrytering producerar cirka 65 kg gödsel perdygn. Gödselns innehåll av torrsubstans är kring 10 % ochcirka 80 procent av torrsubstansen består av organiskt material.Vi antar att en gård (eller två gårdar) med 150 mjölkkorgår in för att investera i en biogasanläggning och vill reda uthur mycket energi som kan utvinnas ur gödseln. Med 150mjölkkor blir mängden stallgödsel per dygn knappa 10 000kg (150 x 65 kg). Om djuren går inomhus året om blir gödselmängdenpå årsnivå cirka 3650 ton. Mängden organisktmaterial i gödseln kan räknas ut enligt följande:Per dygn: 10 000 kg x 10 % x 80 % = 800 kgPer år: 3 650 ton x 10 % x 80 % = 292 tonEtt ton organiskt material från nötflytgödsel ger cirka 330 m 3biogas med en metanhalt på 60 %. Metanproduktionskapacitetenhos ett års gödsel från de 150 korna är följande:292 ton x 330 m 3 biogas/ton x 60 % metan =58 000 m 3 metanEn kubikmeter metan innehåller ungefär lika mycket energisom en liter olja, dvs. 10 kWh. Energiinnehållet i den produceradebiogasen är därför 580 000 kWh eller 580 MWh.Vallväxter som substratGården med sina 150 kor kunde öka sin energiproduktionspotentialbetydligt genom att förutom gödsel också gå inför att röta vallväxter i biogasanläggningen, men då måsteen större anläggning byggas. Vi antar att det i närheten avgården finns 100 hektar odlingsmark utan vettig användningsom får börja producera timotej och klöver för biogasanläggningen.Årsskörden av vallväxter antas vara 17 400 kgfärskvikt/ha vilket motsvarar medeltalet i Finland. Vallenstorrsubstans ligger på 35 % och 90 % av torrsubstansenantas vara organiskt material.Mängden organisk torrsubstans från hundra hektar blir:100 ha x 17,4 ton/ha x 35 % x 90 % = 548 ton151

Ett ton organiskt material i form av vallväxter ger cirka 550m 3 biogas med en metanhalt på 55 %. Metangasproduktionspotentialenpå hundra hektar vallväxter blir härigenom:152548 ton x 550 m 3 biogas/ton x 55 % metan =165 770 m 3 metanEnergiinnehållet i 165 770m 3 metan motsvarar ungefär1660 MWh kemisk energieller knappa tre gånger såmycket som gödseln från de150 korna gav.Produktion avkraftvärmeVill man omvandla biogasensenergiinnehåll till elektricitetfår man räkna meden verkningsgrad på cirka30 % för ett gasmotordrivetelaggregat. Det här innebäratt en knapp tredjedel av energiinnehålleti den produceradegasen kan omvandlastill elektricitet. Cirka 55 % avenergiinnehållet blir värmemedan 15 % går förlorat iform av resterande avgasvärmeoch strålningsförluster.Framför allt under vinternåtgår betydande mängderenergi för uppvärmning avsubstratet som är på väg ini rötkammaren och för uppvägandeav rötkammarensvärmeförluster.ProcessvärmeI ovanstående exempel med150 mjölkkor och kraftvärmeproduktionåtgår cirka130 000 kWh värme ellerdryga 40 % av den produceradevärmeenergin tillprocessens upprätthållande.Det här motsvarar ungefären femtedel av den produceradebiogasens energiinnehåll.Då man rötar substratmed lägre vattenhalt ochstörre biogaspotential änstallgödsel minskar andelenenergi som går åt till att drivaprocessen. Antar vi att manförutom gödseln också gårin för att röta vallväxter från100 hektar räcker knappa10 % av energiinnehållet iden producerade gasen ellercirka 15 % av värmenfrån kraftgenereringen föratt hålla processen igång.Dimensionering av enbiogasanläggningRötkammarens storlek bestämsav mängden substratsom skall matas in i anläggningensamt av substratetsegenskaper. Förutom mängdensubstrat bör man kännatill vilken rötkammarbelastningsom kan användas ochhur lång uppehållstid substratblandningenkräver. Vidmesofil rötning med flytgödselsom substrat klarar röt-Energiinnehållkammaren en belastning påcirka 3 kg organiskt materialper kubikmeter rötkammarvolymoch dygn medan uppehållstidenbör vara cirkafyra veckor. Vid rötning avenbart gödsel från 150 korräcker en rötkammarvolympå knappa 300 m 3 .Vid rötning av vallväxter kanman använda en rötkammarbelastningpå cirka 6 kgorganiskt material per kubikmeterrötkammarvolym ochdygn, uppehållstiden bör dåvara något längre än vid rötningav flytgödsel. Vid mesofilrötning av den blandningav flytgödsel och vallväxtersom använts i det här exempletbehövs en uppehållstidpå cirka 5 veckor. En lämpligstorlek på rötkammaren ärcirka 550 m 3 .Den produceradeenergins värdeVi antar att mjölkgårdenmed 150 kor har en årlig elförbrukningpå 160 000 kWhoch en årlig oljeförbrukningför värmeproduktion på 10000 liter, vilket med en pannverkningsgradpå 90 % gerett värmebehov på 90 000kWh. Med ett elpris på 7,6cent per kWh landar elräkningenför ett år på dryga 12000 €, medan oljeräkningen1 m 3 metangas = 1 liter olja = 10 kWh1 m 3 biogas = ~ 6 kWh1 m 3 biogas = ~ 2 kWh elektricitet

Tidningen om Finlands lantbruk och landsbygd – på svenskaFredriksgatan 61 A 34, 00100 HelsingforsTfn (09) 586 0460, fax (09) 694 1358www.landsbygdensfolk.fi– greppar landetför 10 000 liter olja med ettskattefritt oljepris på 505 €/m 3 ger en årlig oljekostnadpå 5 050 €. Det sammanlagdapriset för elektricitetenoch uppvärmningsoljan somköps till gården per år landarpå dryga 17 000 €.I exemplet med mjölkgårdenmed sina 150 mjölkkor ochrötning av stallgödsel räckerelenergin från gödseln justlagom till för att täcka detegna elbehovet. Däremotblir cirka 100 000 kWh värmeenergiöver. Om manantar att all överloppsvärmekunde säljas till ett pris motsvarandekostnaderna för attköpa 10 000 liter olja som tillsitt energiinnehåll motsvararöverloppsvärmen skulle dethär ge en ytterligare inkomstpå dryga 5 000 €. I praktikenär det här inte möjligt eftersomingen vill köpa värmemitt i sommaren och dessutomblir det ofta för dyrt ochförknippat med stora värmeförlusteratt dra kilometervismed kulvertledningar för atttransportera värmen dit somden behövs.Biogasanläggningarnasstora framgång i Tysklandbygger helt på att man fårett bra pris per såld kilowattimmegrön elektricitet. Entysk producent av biogaselfår cirka 16 cent per såldkilowattimme, medan motsvarandesiffra i Finland(september 2007) är kring3,5 cent. De biogasanläggningarsom idag är i drift iFinland lever till en stor delpå såkallade portavgifter förbiologiskt nedbrytbart avfallsom hämtas till biogasanläggningenför behandling.För att det skall bli en hyfsadlönsamhet i finska biogasanläggningarkrävs ettbättre pris för produceradelenergi, eller alternativt enstor marknad för biogas somförädlats till trafikbränsle.153