energioptimering av biogasproduktion - umu.se · pdf fileviak ab, avfallsteknik i ... the...

Energioptimering av biogasproduktion

Hur primärenergibehov till biogasanläggning kan

minskas med energiåtervinning och isolering

Johan Svahn

Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola. (löpnr. som tilldelas)

Svahn J

I

I. Förord Examensarbetet som ligger till grund för denna rapport är ett avslutande moment på civilingenjörsutbildningen i energiteknik vid Umeå Universitet. Arbetet har utförts för SWECO VIAK AB, Avfallsteknik i Stockholm. Jag vill här passa på att tacka min handledare Lars Brolin vid SWECO för inspiration och hjälp under arbetets gång samt övriga medarbetare i gruppen Avfallsteknik. Vill även tacka min handledare vid Umeå Universitet Robert Eklund. Stockholm, september 2006, Johan Svahn

Energioptimering av biogasanläggning

II

II. Summary

Energy efficiencies of biogas production make the biogas an even more environmentally friendly biofuel. Biogas is often used for local heat production of a biogas plant. Less biogas is needed for heating when an energy optimization is done of a plant and more biogas will be possible to sell as biofuel for vehicles. The purpose of this thesis was to analyse how to reduce the demand of heat for biogas production. The thesis have also examined if it is possible to combine a biogas plant with some other renewable energy sources. The thesis was done with literature research and theoretical calculations. The energy loses from the biogas chamber were calculated with numerical methods in Matlab and simulated in Comsol Multiphysics, the biogas chamber is assumed to by placed in the middle of Sweden. The economical calculations are made with Excel and are using the present value method. The energy losses from the digestion chamber can be reduced with insulation and an optimal design. If an insulation with a heat transfer coefficient of 0,05 CmW °⋅/ is used, the smallest recommended thickness of the insulation is 20 centimetres for a mesofil chamber and 24 centimetres for a termofil chamber. With a thick insulation on a mesofil chamber the demand for heat is no longer required because the mixing mechanism provides enough heat to remain the digestion temperature in the digestion chamber. During the winter the digester chamber requires some heat and this can be solved by increasing the temperature of the charging substrate. Heat exchanger and pump are no longer needed to maintain the temperature inside the digester and this result in a lower investment cost for a new biogas plant. A large amount of energy can be saved for a low cost by installing a heat exchanger in all larger biogas plants. To accomplish a higher efficiency of the heat exchanger, when agriculture corps is digested, the incoming process water can be directly connected to the heat exchanger. Another profitable investment is to install a heat pump after the heat exchanger. A positive effect of the installation of a heat pump is that it reduces the emissions of methane from the digestate when the temperature of the digestate is lowered. Solar collector for heating the incoming substrate is an alternative that have big environmental benefits but it is not profitable with out any economical contribution. Wind power is excellent to combine with a heat pump because the heat pumps’ demand of electricity, but it depends on the local wind conditions if the wind power will be a good investment. If a smaller wind power is combined with a heat pump the entire biogas plant can be self sufficient of energy.

Svahn J

III

III. Sammanfattning

Med en energieffektivisering av biogasproduktionen blir biogasen ett ännu mer miljövänligt fordonsbränsle samtidigt som mer biogas kan produceras eftersom biogas ofta används till uppvärmning vid biogasanläggningen. Arbetets syfte har i huvudsak varit att undersöka hur värmebehovet vid biogasprocessen kan minskas. Möjligheterna att minska primärenergibehovet genom att kombinera en biogasanläggning med någon annan förnyelsebar energikälla har även utretts. Arbetet har genomförts med litteraturundersökningar och teoretiska beräkningar. Transmissionsförlusterna från rötkammaren har beräknats med numeriska metoder i Matlab och simuleringar i Comsol Multiphysics där beräkningar är gjorda för ett klimat i mellersta Sverige. Energibalansberäkningarna för rötningsanläggningarna har utförts i Excel och de ekonomiska beräkningarna har gjorts med nuvärdesmetoden. Transmissionsförlusterna från rötkammaren kan minskas med isolering och optimal design. Om en isolering med en värmeledningskoefficient på cirka 0,05 CmW °⋅/ används är minsta rekommenderade isoleringstjocklek 20 centimeter för en mesofil rötkammare och 24 centimeter för en termofil rötkammare. En tjockt isolerad rötkammare behöver ingen varmhållningsprocess utan omrörningen kan tillföra tillräckligt med energi. Dock kan det under vintern krävas en viss varmhållning vilket kan lösas genom att hålla en något högre temperatur på det ingående substratet. Detta medför att pengar kan sparas vid nybyggnation genom att investeringen i värmeväxlare och pump till varmhållning då inte är nödvändig. Värmeåtervinning med värmeväxlare är det alternativ som ska finnas på varje större rötningsanläggning eftersom det innebär att mycket energi kan återvinnas till ett lågt pris. Vid rötning av gröda kan ibland värmeväxlaren kopplas till det inkommande processvattnet för att på detta sätt underlätta en värmeväxling. En värmepump som monteras efter värmeväxlaren är också en lönsam investering och en annan positiv effekt med en värmepump är att emissionerna av metan minskar när temperaturen på rötslammet sänks. Solfångare är ett alternativ som har stora miljömässiga fördelar men är dock inte ekonomiskt lönsamt utan bidrag. Vindkraft är bra att kombinera med värmepump då värmepumpen förbrukar elenergi, det är dock bara aktuellt om det råder bra vindförhållande vid biogasanläggningen. Om ett mindre vindkraftverk kombineras med en värmepump kan hela biogasanläggningen bli självförsörjande av energi vilket ger att biogasanläggningen blir ett enbart positivt energitillskott till samhället.


IV

IV. Innehållsförteckning

1 INLEDNING 1

1.1 BAKGRUND 1 1.2 SYFTE 2 1.3 POLITISKA STYRMEDEL 2 1.4 AVGRÄNSNINGAR OCH METOD 3

2 BIOGAS 4

2.1 BIOGASANVÄNDNING 4 2.2 MILJÖASPEKTER 4 2.2.1 VÄXTHUSEFFEKTEN 4 2.2.2 FLER POSITIVA MILJÖASPEKTER 6 2.3 BIOGAS PRODUKTION 6 2.3.1 BIOGASREAKTOR 7 2.4 ANAEROB NEDBRYTNINGSPROCESS 7 2.4.1 OLIKA TEMPERATURINTERVALL FÖR PROCESSEN 8 2.5 HYGIENISERING 9 2.6 DRIFT AV RÖTGASANLÄGGNING 10 2.7 OMRÖRNING AV RÖTKAMMA REN 10

3 ENERGIBEHOV VID BIOGASPRODUKTION 12

3.1 VÄRMEBEHOV 12 3.2 VARMHÅLLNING AV RÖTKAMMARE 13 3.3 VÄRMEBALANS BERÄKNINGAR 13 3.4 RÖTKAMMARES ENERGIBALANS 13 3.5 VÄRME FRÅN OMRÖRARE 14 3.5.1 MEKANISK OMRÖRARE 14 3.5.2 STRÅLOMBLANDARE 15 3.5.3 DRAGRÖR 15 3.5.4 GASOMBLANDNING 15 3.6 GROVSÖNDERDELNING OCH FINMALNING AV INGÅENDE SUBSTRAT 15 3.7 GASUTBYTE 16 3.8 ENERGIKVOT 16 3.9 VÄRMEVÄXLARE 17 3.10 VÄRMEPUMP 18 3.11 VÄRME FRÅN FRÅNLUFT 18 3.12 TERMISKA ENERGIFÖRLUSTER I RÖTKAMMAREN 19 3.12.1 PÅTVINGAD KONVEKTION 20 3.12.2 NATURLIG KONVEKTION 20 3.12.3 VÄRMESTRÅLNING 20 3.13 EKONOMISKA BERÄKNINGAR OCH ASPEKTER 22 3.13.1 EKONOMISKA BIDRAG 22 3.13.2 EKONOMISK ANALYS 22

Svahn J

V

4 METOD 24

4.1 TERMISKA BERÄKNINGAR PÅ RÖTKAMMARE 24 4.1.1 VÄGGEN PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.1.2 TAKET PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.1.3 BOTTEN PÅ RÖTKAMMAREN 25 4.2 KLIMATMODELL 26 4.2.1 VÄRMESTRÅLNING 26 4.3 INBYGGNAD AV RÖTKAMMARE I FABRIKSLOKAL 26 4.4 PROGNOSSTYRNING 27 4.5 UPPVÄRMNINGSBEHOV 28 4.6 EKONOMI 28

5 ENERGIBESPARANDE ÅTGÄRDER 29

5.1 VARMHÅLLNING AV RÖTKAMMARE 29 5.1.1 ISOLERING 30 5.1.2 GEOMETRI 36 5.1.3 STORLEK 37 5.1.4 INBYGGNAD I FABRIKSLOKAL 39 5.1.5 INVESTERINGSKALKYL PROGNOSSTYRNING APPLICERAD PÅ RÖTKAMMARE 40 5.1.6 STYRNING AV TEMPERATUR PÅ INGÅENDE SLAM T ILL RÖTKAMMARE 41 5.1.7 INGET BEHOV AV VARMHÅLLNING 41 5.2 UPPVÄRMNING AV SUBSTRAT 42 5.3 RESULTAT FRÅN LITTERATURSTUDIER 42 5.3.1 TORRSUBSTANS 42 5.3.2 VÄRME FRÅN FRÅNLUFT 43 5.4 RESULTAT FRÅN BERÄKNINGAR 43 5.4.1 VÄRME FRÅN RÖTSLAM 43 5.4.2 VÄRME FRÅN BIOGAS 44 5.4.3 VÄRMEPUMP 44 5.4.4 PLACERING AV VÄRMEPUMP 44 5.4.5 INVESTERINGSKALKYL VÄRMEPUMP 46 5.4.6 BUFFERTTANKAR 46

6 ANVÄNDNING AV FÖRNYELSEBAR ENERGI 47

6.1 SOLCELLER 47 6.2 VINDKRAFT 47 6.3 SOLVÄRME 47 6.3.1 VARIANTER AV SOLFÅNGARE 48 6.3.2 DIMENSIONERING AV SOLVÄRME 49 6.3.3 INVESTERINGSKALKYL SOLFÅNGARSYSTEM 51

7 EKONOMISK SAMMANFATTNING 52

8 RÄKNEEXEMPEL BIOGASPRODUKTION MED ENERGIBESPARING 53


VI

8.1 ALTERNATIV 1 53 8.2 ALTERNATIV 2 53 8.3 UTVÄRDERING AV SYSTEMEN 54

9 SLUTSATS & DISKUSSION 56

9.1 DISKUSSION 56 9.2 SLUTSATSER 56

10 REFERENSER 58

10.1 BÖCKER OCH ARTIKLAR 58 10.2 PERSONLIGA REFERENSER 59 10.3 INTERNET 59

11 BILAGOR 60

11.1 BILAGA 1 TERMISKA BERÄKNINGAR 60 11.1.1 NATURLIGKONVEKTION 61 11.1.2 PÅTVINGADKONVEKTION 63 11.2 BILAGA 2 PLAN-SOLFÅNGARE 65 11.3 BILAGA 3 TABELL VÄRMEBEHOV I BIOGASANLÄGGNINGAR 66 11.4 BILAGA 4 MATLAB PROGAM 67

Svahn J

1

1 Inledning Mitt examensarbete ligger till grund för denna rapport som beskriver energibesparande åtgärder som kan göras för att minska energianvändningen vid rötningsprocesser.

1.1 Bakgrund Vid produktion av biogas används energi och ett vanligt argument mot många förnyelsebara energikällor är att det används för mycket energi för att producera en ny energikälla. Vid produktion av biogas används energi till insamling och transport av substrat, drift av biogasanläggningen, rening av gasen samt spridning av rötresterna. Maria Berglunds doktorsavhandling 2006 visar att energianvändningen vid produktion av biogas normalt motsvarar 20 till 40 procent av biogasens energiinnehåll. Den största energikrävande delprocessen är generellt drift av biogasanläggningen som svarar för 40 till 80 procent av den tillsatta energin (Berglund & Börjesson 2003). Det samtidigt som den största bidragsgivaren till många miljöpåverkande aspekter är energirelaterade vilket medför att konsumtionen av energi mycket starkt påverkar resultatet på hur miljövänlig biogasen är (Lund, Hansen, 2005). Tidigare har energi funnits i överskott på biogasanläggningarna. Biogasen användes och används på de flesta anläggningarna idag till att värma upp anläggningen och överskottet facklas bort. Med tekniken för uppgraderingen av biogas till fordonsbränsle samt en stor efterfrågan för förnyelsebart drivmedel har gjor t att priset på biogas har gått upp. Marknaden för biogas gör energieffektivisering på biogasanläggningar intressant i ekonomiskt perspektiv samtidigt som mer fossilt bränsle kan fasas ut genom att använda biogas som fordonsbränsle. De snabbt stigande energipriserna samt en stigande oro för negativ miljöpåverkan vid användning av fossila bränslen gör att biogas har blivit ett aktuellt alternativ på den svenska marknaden. Det tillsammans med att marknadspriset för biogas är billigare än bensin och diesel gör att det även är ekonomiskt lönsamt att köra fordon på biogas (Lund, Hansen, 2005). I många anläggningar finns det idag sannolikt en betydande sparpotential i den energianvändning som idag täcks med egenproducerad gas. I Sverige produceras idag cirka 0,1 TWh biogas i storskaliga biogasanläggningar och 0,4 TWh gas samlas upp i de större soptipparna. Många kommunala avloppsreningsanläggningar rötar avloppsslammet som bildas vid rening av avloppsvatten och denna produktion bidrar med ytterliggare cirka 0,8 TWh gas. Det är bara en bråkdel av alla tillgängliga substrat som rötas idag och om alla kunde nyttjas fullt ut skulle en produktion på 15-20 TWh biogas vara möjlig. Det är cirka en femtedel av energiinnehållet av all diesel och bensin som idag används till transporter (Berglund M., 2006).


2

1.2 Syfte Detta arbete har fokuserat på energianvändningen vid driften av rötningsprocessen. Det huvudsakliga syftet har varit att undersöka hur det termiska energibehovet kan minskas för rötningsprocessen. Eftersom biogasen används för att värma upp anläggningen medför det att ju mer energi som kan sparas desto mer biogas kan produceras samtidigt som mindre fossiltbränsle används som drivmedel. Det medför att mindre växthusgas emitteras till luften genom att den energi som kan sparas i anläggningen kan används som drivmedel och därmed blir biogasen en ännu mer miljövänlig energikälla. Målsättningen har varit att visa hur rötningsprocessen kan bli mer energieffektiv, genom att visa på hur olika sätt energin kan återvinnas och samtidigt hur energiförlusterna kan minskas. Detta leder till att mindre primärenergi måste tillsättas till processen. Dessutom beskrivs hur andra förnyelsebara energikällor kan användas i biogasprocessen vilket då leder till att mer biogas kan uppgraderas till fordonsgas istället för att användas inom processen.

1.3 Politiska styrmedel Den främsta anledningen till det ökade intresset för rötning av biologiskt avfall i Sverige är höjda avgifter för deponering av organiskt avfall och ett beslut om deponeringsförbud från och med år 2005. I Sverige kom 2003 den så kallade kretsloppspropositionen som bland annat innehåller ett nytt delmål under miljömålet ”God bebyggd miljö” som är ett av 16 uppsatta miljömål i Sverige. Det säger att senast år 2010 ska 35 procent av matavfallet återvinnas genom biologisk behandling, inklusive hemkompostering. Idag återvinns cirka 20 procent av matavfallet genom biologisk behandling. För att nå målet på 35 procent krävs att ytterligare drygt 130 000 ton matavfall återvinns med biologisk behandling jämfört med i dag (I2). I EU:s drivmedels direktiv från 2003 om att främja användningen av biodrivmedel och andra förnybara drivmedel har målen satts till att 2 procent av försäljningen av bensin och diesel ska utgöras av biodrivmedel som ska uppnås den 31 december 2005 och år 2010 ska andelen öka till minst 5,75 procent. Dock finns det ingenting skrivet i direktivet om hur medlemsländerna ska främja användningen av biodrivmedel (Johnsson B., 2006).

Svahn J

3

1.4 Avgränsningar och metod Detta examensarbete har gått ut på att undersöka hur det är möjligt att energieffektivera biogasproduktionen. Arbetet går in på hur termiska förluster kan minskas samt hur energi kan återanvändas. Den fokuserar inte på hur elkonsumtionen kan minskas. Andra områden som inte har behandlas är: Vid byggnation av biogasanläggning åtgår det energi, denna kan bedömas som försumbar i jämförelse med de övriga energiflödena under driftfasen. Enligt Sundqvist m.fl. (2002) motsvarar energikonsumtionen vid byggna tionen av biogasanläggningar 0,6 % av anläggningens energianvändning under driftfasen. Energianvändningen i transporter, uppsamling, insamling, skörd och spridning av rötrest utgör en stor del av hur mycket energi som används i biogassystemet. Den delen har inte fokuserats på utan bara processen i biogasanläggningen (se figur 1).

Figur 1. Schematisk bild över biogassystemet där pilarna visar material och energi flöden i systemet.

Uppgraderingen av biogas har inte behandlas. Vid en storskalig uppgraderingsanläggning antas elenergianvändningen motsvara cirka 3-6 % av den renade biogasens energiinnehåll (Persson M., 2003). Arbetet har inte heller berört hur biogasen ska användas utan istället undersöka hur användningen av biogas kan minskas på rötningsanläggningen.

Odling av energigrödor vall etc.

Insamling av organiskt avfall

Uppgradering av biogas

Spridning av rötrest

Energi Rötnings-process

Transport Transport

Transport

Gas

Gräns för arbetet


4

2 Biogas Den biogas som utvinns från rötkammaren innehåller 60-80 % (volym %) metan )( 4CH och 20-40 % koldioxid )( 2CO . Dessutom finns små mängder kvävgas (0-1 %), svavelföreningar (0-2000 ppm) samt spår av syrgas och vätgas (Forsberg T. m. fl. 2005). Biogas som fordonsbränsle renas och uppgraderas så att det består till cirka 97 procent av metan och resten koldioxid. Uppgraderad biogas har ett energiinnehåll på 9,8 kWh per normalkubikmeter, Nm3. Normalkubikmeter är en definition av gas i normaltillstånd 0 Co och trycket 1,013 bar. En normalkubikmeter uppgraderad biogas kan jämföras med en liter bensin som har ett energiinnehåll på 8,8 kWh per liter. Det gör att en normalkubikmeter biogas motsvarar i energiinnehåll mer än 1,10 liter bensin (I3).

2.1 Biogasanvändning Biogas har olika användningsområden och uppgraderad biogas kan användas som fordonsbränsle eller levereras till naturgasnä tet. Genom att leverera biogasen till naturgasnätet blir distributionen enklare och det blir inget problem med att få avsättning för gasen. Om det inte är möjligt att leverera biogas till naturgasnätet kan det därför vara bra att anlägga ett distributionssystem, så att biogasen kan levereras till tankstationer i närheten (Lundqvist M. 2004). Biogas som inte uppgraderas kan användas som bränsle till en drivmotor för elproduktion, den kan också användas till eldning i panna för uppvärmning av lokaler och rötningsprocess. Om det inte finns någon avsättning för biogasen om t.ex. gasklockan är full så kommer biogasen att facklas bort. Det görs bl.a. av säkerhetsskäl och därför att emissioner av metan har en starkare växthuseffekt än koldioxid.

2.2 Miljöaspekter Ett biogassystem kan betraktas som ett s.k. multi-funktionellt bioenergisystem som genom optimal design och lokalisering kan generera olika miljötjänster. Förutom generering av förnyelsebar energi, samt minskade emissioner av luftföroreningar, ger även det rötade slammet en effektivare näringsutnyttjande som leder till ett minskat behov av handelsgödsel (Börjesson & Berglund 2003).

2.2.1 Växthuseffekten Eftersom biogas är ett icke fossilt bränsle dvs. ett förnyelsebart drivmedel så går koldioxiden i kretslopp (se figur 2). När biogas används som drivmedel till fordon minskas bidraget av växthusgaser under förutsättningar att metanförlusterna hålls låga. Eftersom metan också är en kraftig växthusgas och genom tillvaratagande av denna gas minskas påverkan på atmosfären. Betraktat utifrån ett hundraårsperspektiv har metan en koldioxidekvivalent på 21, vilket betyder

Svahn J

5

att metan är 21 gånger starkare än koldioxid. Det beräknas kunna ha en förlust upp till mellan 8-26 % beroende på vilket biogassystem som studeras om det ska bli jämförbart med koldioxid utsläppen när fossila bränslen används (Börjesson P., & Berglund M., 2003).

Figur 2. Koldioxidens kretslopp i ett biogassystem (I4) När användningen av biogas jämförs med andra biodrivmedel så får den en mycket liten påverkan på växthuseffekten. Om man räknar in metanutsläppen som tillkommer vid produktion så kommer biogasen inte till en lika bra nivå (se tabell 1). Det är därför mycket viktigt att försöka minimera utsläppen av metan så mycket som möjligt. De största utsläppen av metan sker vid uppgraderingen av biogasen till fordonsgas. Idag beräknas utsläppen av metan vid uppgradering vara 1-2 % men det sjunker till nära 0 med nya tekniker som introduceras på marknaden.


6

Tabell 1. Mängd koldioxid per mängd energi (MJ) vid livscykelanalys för olika drivmedel

Drivmedel Summa Koldioxid, g/MJ Koldioxid Ekvivalenter, bensin=100

Etanol (ren Etanol) 7,7 37

Etanol (E85) 18,7 47

Etanol ur cellulosa 6 33

Biogas 0,9 32

Bensin 79 100

RME 9 27

Diesel 81 78

Källa: Bioenergi - ny energi från jordbruket, Jordbruksverket 2006 På detta sätt som i tabell 1 är det vanligt att jämföra olika drivmedels påverkan av växthuseffekten. Dock är en viktig aspekt att substraten som används vid biogasproduktion även måste tas om hand om de inte skulle ha rötas. Den hanteringen kan också orsaka utsläpp som till exempel vid lagring av gödsel (Berglund 2006).

2.2.2 Fler positiva miljöaspekter Utlakning av kväve från jordbruksmarken orsakar övergödning i vattendrag och slutligen havet. En av orsakerna till problemet är spridning av stallgödsel vars näring inte kan tas upp tillräckligt av grödorna. Genom att röta gödseln mineraliseras stora delar av det organiskt bundna kvävet och blir mer lättillgänglig för grödan. Rötad gödsel luktar dessutom betydligt mindre än orötad. Utsläppen av svavel och kväveoxider är markant lägre i jämförelse med bensin. Det bildas totalt ungefär fyra gånger mindre försurande ämnen vid biogasanvändning än vid bensindrift (Johnsson B 2005). Utsläpp av partiklar och fotokemiska oxidanter minskas också mycket och det medför att det är positivt för stadsmiljön att använda biogas drivna fordon istället för bensin- eller diesel-fordon (Börjesson & Berglund 2003).

2.3 Biogas produktion Biogas bildas när mikroorganismer, främst bakterier, bryter ner organiskt material i frånvaro av syre från luften. Organiskt material kan vara organsikt avfall och olika lantbruksgrödor. Organsikt avfall kan till exempel vara matavfall från hushåll, storkök, restauranger, slam från avloppsreningsverk, processvatten från livsmedelindustrin med mera. Lantbruksgrödor har en storpotential för att i framtiden ta en stor marknadsdel av bränslet som används i framtidens transporter. Det produceras stora mängder organiskt avfall i dagens samhälle och dessa behöver behandlas på ett eller annat sätt innan det återförs till naturens kretslopp. Vid en biogasprocess utnyttjas

Svahn J

7

mikroorganismernas naturliga förmåga att bryta ner sådant material till en näringsrik slutprodukt som kan användas som gödningsmedel. Under nedbrytningsprocessen bildas också biogas vars huvudbeståndsdel är metan. Metan är en mycket energirik gas som kan användas inom olika ändamål (Jarvis Å, 2005). En biogasanläggning kan vara uppbyggd på flera olika sätt dock har alla en rötkammare där det organiska materialet bryts ner till biogas och rötrest (se figur 3). Först förbehandlas substratet på olika sätt beroende på substrat för en optimering av processen.

Figur 3. Principskiss över en biogasanläggning.

2.3.1 Biogasreaktor Continuously stirred tank reactor (CSTR) är den vanligaste biogasreaktorn i Sverige idag. Den fungerar genom att materialet kontinuerligt pumpas in i reaktorn där nedbrytningen sker i ett steg. I rektorn finns en omrörare som ser till att materialet totalomblandas vilket är den metod som kommer att utredas i denna rapport (Jarvis Å, 2005).

2.4 Anaerob nedbrytningsprocess Rötningen är en mikrobiologisk nedbrytningsprocess av organiska material under syrefria förhållanden. Det är ett flertal olika bakterier som deltar i processen. Nedbrytningsprocessen sker i fyra steg (se figur 4) . I det första steget i processen hydrolyseras fett, kolhydrater och protein till aminosyror, sockerarter och fettsyror. Dessa produkter bryts sedan ner i ett eller två steg till enklare föreningar som ättiksyra, myrsyra, vätgas, koldioxid och aminosyror. Det är av ättiksyra, vätgas och koldioxid som metanbakterierna sedan producerar metan och koldioxid. Om det inte finns tillräckligt med metanbakterier så kommer de övriga bakterierna att dö på grund av att de

Buffertank

Rötkammare

Avvattning

Gasuppgradering

Flytande biomull

Biogas/ Fordonsgas

Substrat

Fast biomull


8

förgiftas av sina egna slutprodukter. Därför är det viktigt att inte överbelasta biogasreaktorn (Svenska vatten och avloppsverksföreningen, 1981).

Figur 4. Schema över anaerob nedbrytningsprocess, något förenklat .

Sammansättningen av det organiska materialet har en stor betydelse för nedbrytningshastigheten, gasutbytet och sammansättningen av gasen. Vid rötning av vall är det ofta hydrolyssteget som är det hastighetsbestämmande steget, då hydrolys av cellulosa och hemicellulosa är långsam. Protein och stärkelse bryts ner lätt och glykos och aminosyror bildas därför snabbt. Fett bryts ner långsamt medan lignin inte kan hydrolyseras alls av anaeroba bakterier (Lindqvist 2002).

2.4.1 Olika temperaturintervall för processen Slutprodukten metan är en mycket energirik förening och det medför att endast lite energi kommer bakterierna tillgodo. Det medför att bakterierna har en mycket långsam tillväxt och att värmebildningen är mycket liten. Hastigheten av den anaeroba nedbrytningen varieras med temperaturen (se figur 5). Det finns fyra olika maximum av tillväxt. Det två vanligaste som används i rötkammare är mesofil 35-37 ºC och termofil 50-55 ºC.

Komplexa organiska material (Kolhydrater, protein, fett etc.)

Lösliga organiska föreningar (Aminosyror, socker, m.m.)

Intermediära produkter (Fettsyror, alkoholer, m.m.)

Ättiksyra 2H + 2CO

Biogas

4CH + 2CO

Hydrolys

Jäsning

Anaerob oxidation

Metanbildning

Svahn J

9

Figur 5. Mikrobiell aktivitet för olika temperatursintervall (Östergard 1995).

Vid termofil rötning sker processen snabbare och erforderlig uppehållstid för samma nedbrytningsgrad är lägre än för mesofil rötning. Den negativa aspekten för termofil rötning är framförallt ett större uppvärmningsbehov. Den vanligaste metoden i Sverige är idag mesofil.

2.5 Hygienisering Vid biogasanläggningar som tar emot animaliskt lågrisk avfall från slakterier är det ett krav från EU att ha ett separat hygieniseringssteg där substratet behandlas 70 ºC i en timme. De flesta anläggningar har ett separat hygieniseringssteg där hygieniseringen antingen sker satsvis eller kontinuerligt. Satsvis är att föredra då det är lättare att kontrollera tid och temperatur för behandlingen. Innan hygieniseringen mals substratet ner till max 12 mm i diameter. För att substratet ska komma upp i rätt temperatur och för att det inte ska innehålla några klumpar där det kräver en längre tid att nå rätt temperatur.


10

2.6 Drift av rötgasanläggning När en biogasanläggning är i drift är det många parametrar som ska kontrolleras för ett bra biogasutbyte. För att få en optimal produktion av rötgas är det några faktorer som har avgörande betydelse (Kjellén B. J. m fl. 2003).

• Rötningstid och rötningstemperatur. • Jämn tillförsel av slam till kammaren (för att undvikande av temperaturförändringar) • God omröring i rötkammaren • Undvikande av temperaturfall

Ett temperatur fall på 1 till 2 ºC kan hämma rötprocessen. Däremot har en snabbtemperaturhöjning på 1 till 2 ºC ingen negativ effekt.

• Driftstörningar genom överbelastning eller tillförsel av ”gift”. pH- värde i rötslam skall vara >7 Innehåll av ättiksyra i rötslam ska ll vara <500 lmg / Innehåll av 2CO i rötgasen skall vara <45%

2.7 Omrörning av rötkammaren Det finns olika typer av omblandningssystem för rötkammare. Omblandningen är nödvändig för att uppnå en homogen miljö där koncentrationsskillnader minimeras och för att bakterierna ska kunna komma i kontakt med slammet. Omblandning har en stor inverkan på rötningsprocessen. Vid en dålig omrörning uppkommer problem med stora temperaturdifferenser i olika delar av rötkammaren, överbelastning i delar av rötkammaren och s.k. ”surjäsning” är en kombination av dessa som ofta leder till skumning (Starberg K. m fl. 2002). De vanligaste metoderna för omrörning av rötkammare sker med (se figur 6):

Svahn J

11

• Mekanisk omrörning som är monterad i toppen av rötkammaren (vanligaste metoden i

Sverige) • Gasomblandning där komprimerad biogas leds in i botten av rötkammaren (fåtal i

Sverige) • Strålmunstycken, pumpning av rötslammet in i rötkammaren så att de skapar omrörning

(finns inga i Sverige) • Dragrör, pressar ner substratet i mitten av rötkammaren som skapar omrörning, kan också

reverseras för att motverka skumning (finns inga i Sverige)

Figur 6. Schematiskbild över olika omblandningssystem (Starberg K. m fl. 2002).


12

3 Energibehov vid biogasproduktion Val av substrat samt utformning av biogasanläggning kommer att påverka hur mycket energi som används i anläggningen. Värme används till hygienisering, uppvärmning av substrat till rötkammaren samt varmhållning av rötkammare. Elbehovet uppkommer av bland annat pumpning, sönderdelning och omblandning av materialet.

3.1 Värmebehov Substratet som kommer in till en anläggning som kan antas hålla en temperatur av cirka 5- 15 ºC det kan anses som en medeltemperatur utomhus över hela året samt att det värms upp något när det behandlas. Det största energibehovet är när substratet ska hygieniseras det värms då upp till en temperatur på 70 ºC som sedan hålls i minst en timme vilket är den högsta temperatur som systemet har. Efter hygieniseringen kommer rötslammet att behövas kylas ner till rötningstemperatur som är 55 ºC eller 37 ºC. Efter den processen behövs mer energi när rötningen sker, då temperaturen ska hållas så konstant som möjligt på 37 ºC för mesofil rötning och 55 ºC för termofil rötning. Under rötningen är det en varmhållningsprocess genom att rötkammaren har transmissionsförluster mot den omgivande luften och marken.

Figur 7. Schematisk bild över biogas produktion (Nordberg Å. 1997) Om processen inte använder ett substrat som behöver hygieniseras är det istället rötkammaren som har den högsta temperaturen i systemet. Då behövs substratet bara värmas upp till rötningstemperatur.

Svahn J

13

3.2 Varmhållning av rötkammare Uppvärmning av slam för att behålla rötningstemperatur kan ske genom cirkulation av rötkammarinnehållet via en extern värmeväxlare. Det går även att hålla en högre temperatur på det ingående slammet och då behövs mindre energi tillsättas i cirkulationen. Ett annat alternativ som inte är så vanligt är injiceringen av ånga, denna metod kan ge en högre lokal temperatur som lokalt kan hämma rötningsprocessen. Två andra metoder är cirkulation av varmvatten i rör inne i rötkammaren och eldrivna doppvärmare. Vid de två sista metoder kan problem uppstå med beläggningar som gör att värmeöverföringen blir sämre. Nackdelarna med de tre sista metoderna gör att det två första alternativen är att föredra (Starberg K. m.fl., 2002).

3.3 Värmebalans beräkningar Det teoretiska värmebehovet som behövs för uppvärmning av substraten kan beräknas med ekvation:

tmCQ pslam ∆=•** (Alvarez H., 2003)

där slamQ = energi i substratet [J]

pC = 100

1050*4180*)100( tsts +− [J/kg* ºK]

•

m = massa [kg] t∆ = temperaturförändring [ºK]

ts = torrsubstanshalt [%]

pC vatten= 4180 [J/kg * ºK]

pC rötslam= ca 1050 [J/kg * ºK]

3.4 Rötkammares energibalans Det positiva energiflödet in till rötkammaren består av slammet som går in, varmhållnings- processen som håller materialet på rätt temperatur samt effekten från omrörare. De negativa energiflödena är det utgående slammet, den utgående rötgasen samt de transmissionsförluster som uppstår från rötkammaren. En rötkammares energibalans kan beskriva med hjälp av ekvation:

gasfslamutomrörningslamineffekt QQQQQQ ++=++ (egen) där effektQ = uppvärmningseffekten [W]

tmCQ pslamin **•

= = energiinnehållet ingående slam [W]

omrörningQ = friktionsvärme från omrörare [W]


14

tmCQ slamutpslamut **•

= = energiinnehållet utgående slam [W]

fQ = transmissionsförluster [W]

tmCQ gasutpgas *•

= = energiinnehållet utgående biogas [W] Eftersom massbalansen ger att den massa som går in är den samma som den som går ut:

gasutslamutin mmm•••

+= [kg] Massbalansen ger att uppvärmningseffekten bli lika stor som värmeförlusterna när temperaturen på det ingående rötslammet antas vara samma som temperaturen på det utgående rötslammet och den utgående biogasen.

gasslamutslamin QQQ += [W]

fomrörningeffekt QQQ =+ [W] De transmissionsförluster som uppkommer i rötkammaren är samma som den energi som behöver tillsättas i varmhållningsprocessen och det energitillskott som omröraren tillför.

3.5 Värme från omrörare Energi som tillsätts av en omrörare upptas i rötkammaren i form av rörelseenergi och den rörelseenergins motstånd är friktion. Det leder till att rörelseenergin övergår till friktionsvärme som tas upp i rötkammaren.

3.5.1 Mekanisk omrörare Vid mekanisk omrörning tillsätts energi till en elmotor som driver en propellern i rötkammaren. Friktionsvärme uppstår mellan propellern och slammet som leder till ökad temperatur i rötkammaren. Hur stor energi som bildas i rötkammaren kan uppskattas genom att räkna hur mycket energi som omröraren tillför systemet. Genom att anta att energin som propellern avger tas upp av rötkammaren. Verkningsgraden av en asynkronmotor kan beräknas med:

el

mek

PP

=η (Alvarez H, 2003)

där

η= verkningsgrad [%]

mekP = mekanisk energi [W]

elP = tillförd elektriskenergi [W]

Svahn J

15

Den ligger oftast mellan cirka 80- 90% det ger att nästan all energi som tillsätts till asynkronmotorn tas upp av rötkammaren. Normal effektförbrukning för en propeller är cirka 1 W/m3 rötkammarvolym men det är inte helt verifierat att det är tillräckligt (Starberg K. mfl., 2005). Det är vanligt att en större effekt används för att säkerhetsställa en god omblandning. Omblandningsbehovet beror också på vilket substrat som används.

3.5.2 Strålomblandare Här pumpas slammet med en fristående pump in i rötkammare med munstycken som gör att det bildas en omblandning i rötkammaren. Energitillförseln till rötkammaren kan uppskattas till verkningsgraden av pumpen. Detta medför att energin som tillförs systemet i slutändan bildar friktionsvärme.

3.5.3 Dragrör Beräknas på samma sätt som för mekanisk omrörare eftersom den fungerar på liknande sätt bara det att det är en mindre omrörare som är monterad i rötkammaren (se figur 6).

3.5.4 Gasomblandning Vid gasomblandning blir det svårare att uppskatta hur mycket energi som rötkammaren tillförs. Gasen komprimeras med hjälp av en kompressor innan den trycks in i botten av rötkammaren. Temperaturen på gasen stiger vid komprimering och det medför att energi tillförs rötkammaren, samtidigt som omrörningen medför att friktionsvärme bildas. Gasomblandning förbrukar cirka 5-15 gånger mer elenergi än mekanisk omrörning (Starberg K. m.fl., 2005). Eftersom det är många parametrar som styr hur mycket energi som tillförs rötkammaren med gasomblandningen, uppskattas inte energitillförseln utan istället använda mekaniska omrörare i kommande räkneexemplen.

3.6 Grovsönderdelning och finmalning av ingående substrat Vid rötning av ensilage vallgröda krävs viss sönderdelning och vid sönderdelningen tillförs substratet energi. Ett exempel är vid finmalning av halm som är ett specialfall så stiger temperaturen på substratet vilket kan vara så mycket som en ökning med 20 ºC (Nordberg Å. & Edström M. 1997). Det är därför viktigt att vid rötning av halm placera kvarnen så att processen kan använda den energi som substratet får genom finmalningen.


16

3.7 Gasutbyte Det teoretiskt möjliga gasutbytet ligger generellt mellan 0,8 och 1,1 kgNm /3 nedbrVS . Där VS är det organiska innehållet av torrsubstansen även kallad glödrest. Utbytet är beroende på vilket substrat som används i rötningsprocessen (Starberg K. m fl. 2005).

3.8 Energikvot För att bedöma hur energieffektiv en biogasanläggning är används en energikvot (Berglund M., Börjesson P 2003), definierat som:

Energikvot = ut

in

EE

(Berglund, Börjesson 2003)

där Energikvot [%]

inE = primärenergiinsats drift av biogasanläggningen [W]

utE = energiinnehållet i producerad biogas [W] Energikvoten ger den tillsatta energiinsatsen dividerat med energiinnehållet i den producerade biogasen, uttryck i procent. Ju lägre energikvot desto bättre är energieffektiviteten. I tabell 2 ses tidigare uppskattningar och uppmätta värden på värmebehovet för framställning av biogas för olika anläggningar. En mer utförlig tabell ses i bilaga 3. Tabell 2. Totala värmebehovet i biogasanläggningarna, utryckt som procent av den producerade biogasens energiinnehåll respektive MJ per ton substratblandning.

Anläggning Värmebehov (% av producerad biogas)

Värmebehov (MJ/ton Substratblandning)

Gårdsanläggning, Mesofil rötning 32-40

Central anläggning, Mesofil rötning

6-17 70-120 (180)

Central anläggning, termofil rötning 13-26

Källa: Berglund, Börjesson, Energianalys av biogassystem 2003 Anledningen till att gårdsanläggningar har en högre energikvot är att det inte är ekonomisk hållbart med värmeåtervinning vid små anläggningar.

Svahn J

17

3.9 Värmeväxlare När det rötade slammet ska värmeväxlas med det ingående råslammet kan inte en vanlig värmeväxlare alltid användas eftersom slam lätt fastnar och sätter igen kanalerna. Därför används ibland två motströms värmeväxlare med en vattenslinga emellan som flyttar energin mellan det rötade slammet och råslammet (se figur 8).

Figur 8. Principskiss över slam-vatten-slam värmeväxlare (egen)

En värmeväxlare som kopplas motströms, dvs. den kopplas så att det varma flödet möter det kalla flödet och kan beräknas med elementär värmeväxlarteori där den termiska verkningsgraden på en värmeväxlare kan beräknas enligt (Alvarez H, 2003):

)()(

)()(

ärmeutbyteMaximalt värmeutbyteVerkligt v

,min

,var,var

,

,,

inkallvarm,in

utminmvarm

inkallvarm,inmin

inkallutkallkallVVX TTC

TTCTTCTTC

−−

=−−

==η

där VVXη = Verkningsgrad värmeväxlare [%]

inmT ,var = Varma flödets inloppstemperatur [ºK]

utmT ,var = Varma flödets utloppstemperatur [ºK]

inkallT , = Kalla flödets inloppstemperatur [ºK]

utkallT , = Kalla flödets utloppstemperatur [ºK]

minC = kallC = varmC = Specifik värmekapacitet slam [J/kg* ºK] Värmeväxling på råslammet som går in i rötkammaren kan ibland vara problematiskt och ge en dålig verkningsgrad. Problematiken uppstår när råslammet har en högre viskositet än vad rötslammet har vilket innebär att laminärt flöde i värmeväxlaren kan uppstå som gör att värmeövergången blir betydligt sämre än vad som erhålls vid turbulent flöde. Det kan även uppstå beläggningar om råslammet innehåller mycket fett, som då minskar värmeövergången (Starberg K. m fl. 2005).

Råslam in

Råslam ut

Rötslam ut

Rötslam in

Vatten


18

3.10 Värmepump En värmepump utvinner värme från ett medium som har en lågvärdig energi och omvandlar det till högvärdig energi som kan användas som uppvärmning. En högre temperatur på vatten som kommer in till värmepump ger en högre värmefaktor på värme pumpen. En hög värmefaktor gör att mer värme kan produceras för en vis mängd tillsatt el. Den ideala värmefaktorn för en värmepump som arbetar efter Carnotprocessen är:

ÅK

K

TTT−

=Φ (Alvarez H, 2003)

där Φ = ideal värmefaktor [-] KT = kondenseringstemperatur [ºK]

ÅT = förångningstemperatur [ºK] På grund av friktionsförluster och andra förluster så kan inte all eleffekt omvandlas till värme utan den riktiga värmefaktorn påverkas av en korrektionsfaktor k.

ÅK

Kv TT

Tk

−⋅=Φ (Alvarez H, 2003)

där vΦ = verklig värmefaktor [-]

k = korrektionsfaktor, ofta satt till 0,7 [-]

3.11 Värme från frånluft Det finns olika sätt som gör det möjligt att återanvända energin från den varma utgående luften. De tre vanligaste metoderna för att mekaniskt återanvända energin från ventilationsluft är:

• Frånluft och tilluft med värmeåtervinning med värmeväxlare (FTX)

Den utgående ventilationsluften värmeväxlas mot den ingående ventilationsluften. När den förbrukade ventilationsluften har renats kan man låta den passera ett värmeåtervinningsaggregat. Där kan upp till 85 procent av energin från ventilationsluften återvinnas till den luft som kommer in i anläggningen. De fungerar genom att motströms värmeväxla den utgående luften med den luft som kommer in i lokalen. Det positiva är att mindre energi måste tillsättas jämfört med FVP dock måste byggnaden vara tät.

• Frånluft med värmeåtervinning med värmepump (FVP) En FVP fungerar genom att en värmepump kopplas mot frånluften som tar värmen till varmvattensystemet. Kort kan sägas att FVP ger mer energibesparingar men den arbetar sämre när det är lägre temperaturer utomhus och kan då jämföras med FTX (Torssell R. 2005). Det negativa är att mer primärenergi måste tillsättas genom el.

Svahn J

19

• Kombinerad FTX med FVP

Ett sista alternativ är att genom att placera en FTX och en FVP i serie efter varandra. Med denna metod kommer maximalt med energi att återvinnas men samtidigt har den också den dyraste investeringskostnaden (Torssell R. 2005).

3.12 Termiska energiförluster i rötkammaren De termiska energiförlusterna i rötkammaren sker med värmeledning genom klimatskalet. Värmeledning är energi som transporteras mellan närliggande molekyler i ett material, detta sker överallt där det finns en temperaturskillnad mellan materialen. Värmeövergången genom klimatskalet kan beskrivas med ekvation:

tT

Ck

yT

yT

xT

∂∂=

∂∂+

∂∂+

∂∂

ρ2

2

2

2

2

2

(Cengel Y. A, 2003)

där k = värmekonduktiviteten [ ]KmW

°⋅

ρ = densitet

3mkg

C = värmekapacitet [ KkgJ °⋅ / ] T = temperatur [ K° ] t = tid [s]

En exakt analytisk formellösning av ekvationen kan ibland vara svår att få fram, då kan den lösas numeriskt. Detta görs praktiskt med ett dataprogram som använder finita elementmetoden. Vid analytisk ekvationslösning ger givna värden på de ingående variablerna ett givet svar, vid numerisk ekvationslösning används serieutvecklingar som konvergerar mot lösningen då en räknevariabel går mot oändligheten. Beräkningar på detta sätt blir omfattande och om en inte fullt så djupgående analys kan istället endimensionell värmeledning användas på klimatskalet. Då kan värmeflödet genom tanken beräknas enligt:

tot

atm

RTT

Q−

=•

1 (Cengel Y. A, 2003)

där •

Q= värmeflöde [W]

1T = temperatur insidan [ºK]

atmT = omgivningstemperaturen [ºK]

totR = total termisk resistans [W/ºK]

Hur den totala termiska resistansen beräknas, ses i bilaga 1.


20

Här betraktas temperaturfördelningen genom klimatskalet som linjärt. När ett klimatskal består av flera lager med olika värmekonduktivitet så kommer temperaturfördelningen att betraktas som flera linjära funktioner.

3.12.1 Påtvingad konvektion Påtvingad konvektion är när en fluid eller en gas rör sig över en yta som kyls eller värms beroende på hur värmeförhållandet är. I detta arbete kommer den påtvingade konvektionen bestå av hur vinden blåser och det kommer att påverka värmeflödet ut ur rötkammaren. När hastighet på luften stiger ökar värmeövergångstalet som gör att de termiska förlusterna stiger (Cengel Y. A, 2003).

3.12.2 Naturlig konvektion Naturlig konvektion är ett fenomen som inträffar när temperaturen på en yta är högre eller lägre än den omgivande luftens temperatur. Det medför att luften värms upp eller kyls ner. När luften värms upp så kommer densiteten för luften att minska. Detta gör att luften börjar drivas uppåt och det närmsta lagret av luft att börja röra sig och det medför att det bildas konvektion (Cengel Y. A, 2003).

3.12.3 Värmestrålning Förutom värmeledning kommer också värmestrålning att påverka energiflödet. Strålningen kan förenklat uppdelas i två typer, solstrålning och termisk strålning. Solstrålning Solstrålningen har en positiv inverkan på energiförlusterna d.v.s. de kommer att minska. Rötkammaren absorberar en del av solstrålningen och andelen beror på vilket material och färg som utsidan på rötkammaren har. Effekten till kammaren beräknas med ekvation:

)cos(** 0 βα AIQ solsol = (Cengel Y. A, 2003) där solQ = soleffekt [W] solα = absorbtans för ytan på kammaren [-]

0I = solarkonstanten [ 2/ mW ]

A = arean på solsidan [ 2m ] β = infallsvinkeln [-]

Svahn J

21

Termisk strålning Termiskstrålning sker mellan två ytor som har olika temperatur. Det uppstår mellan taket och atmosfären samt mellan väggen och atmosfären samt närliggande terräng.

)( 44mssts TTAQ −= σε (Cengel Y. A, 2003)

där tsQ == termiskstrålning [W]

σ = 810*67.5 − Stefan-Boltzmann konstant [ ]42 */ KmW ε = emisitans för ytan på kammaren [-]

sT = temperaturen på ytan [ºK]

msT = motstrålande ytans temperatur [ºK] A = arean [ 2m ]

Ekvivalent utomhustemperatur Den ekvivalenta utomhustemperaturen används för att bestämma den motstrålade ytans temperatur. Vid helt klar himmel kan temperaturen för den motstrålande temperaturen approximativt tecknas som:

14*2,1 −= ums TT för horisontella ytor (Claesson J., 1984) 5*1,1 −= ums TT för vertikala ytor (Claesson J., 1984)

där msT = temperatur motstrålande yta [ºC] uT = utomhustemperatur [ºC] När det är en helt mulen himmel kan msT sättas lika med uT . Vid olika ”molnighetsgrad” kan msT uppskattas genom interpolering mellan ytterlighetsfallen. Total värmestrålning Den totala energibalansen av termisk strålning bestäms av:

tssolS QQQ −= (Cengel Y. A, 2003) där SQ = total energibalans av strålning [W] solQ = solstrålning [W] tsQ = termiskstrålning [W]


22

3.13 Ekonomiska beräkningar och aspekter När en investering för energieffektivisering görs ska inte hela kostnaden betraktas för lönsamheten utan bara den merkostnad som är gjord för energieffektiviseringen. När en investering görs för allmänt underhåll eller andra aspekter får det inte belasta lönsamheten för energieffektiviseringen. Det är bara den extra utgift som tillkommer då t ex en dyrare pump som förbrukar mindre energi än en vanlig pump inköps som ska användas i lönsamhetsberäkningar (Kjellén B J, Andersson A-C 2002).

3.13.1 Ekonomiska bidrag I Sverige finns idag olika bidrag att söka för investering i olika förnyelsebara energikällor och energibesparandeåtgärder. Många bidrag ges ofta till byggnation av biogasanläggningar. Eftersom det finns olika sorters bidrag att söka och det är svårt att uppskatta hur stora dessa bidrag är, har inte bidragen beräknats in i de senare gjorda investeringskalkylerna. Det medför att investeringskalkylerna kan vara missvisande eftersom det kan röra sig om ganska stora investeringsbidrag.

3.13.2 Ekonomisk analys För att jämföra och bedöma dess lönsamhet kan flera olika metoder och investeringskalkyler användas. I denna rapport används Pay-backmetoden och nuvärdesanalys. Pay-backmetoden Det är den enklaste formen av investeringskalkyl som anger hur lång tid det tar för de ackumulerade årliga investeringsöverskotten att nå samma värde som grundinvesteringen. Den används här bara för att sålla bort de alternativ som har en för lång återbetalningstid.

aG

Paybacktid = (Ross m.fl., 2005)

där Paybacktid = tid innan återbetalning [år]

G = grundinvestering [kr] a = årlig inbetalningsöverskott [kr/år]

Svahn J

23

Nuvärdesanalys När en investering bedöms används nuvärdesmetoden för att bestämma lönsamheten. Den beräknar framtida investeringar och vinster till dagens värde då grundinvesteringen görs. Det görs för att en betalning som inträffar idag är mer värd än en betalning som görs i framtiden eftersom pengarna kan investeras och ge avkastning i andra projekt under tiden (Ross mfl 2005). Nuvärdet beräknas enligt:

trKassaflöde

NUV)1( +

= (Ross m.fl., 2005)

där NUV = nuvärde [kr] Kassaflöde = projektets kassaflöde [kr/år]

r = kalkylränta [%] t = ekonomisk livslängd [år]


24

4 Metod

4.1 Termiska beräkningar på rötkammare För att beräkna transmissionsförlusterna från en rötkammare har ett program gjorts i Matlab, där förlusterna beräknas med hjälp av numeriska metoder. Energiförlusterna beräknas momentant för varje timme och summeras till en summa för hela året. Genom att ändra variabler kan energiförlusterna beräknas för olika tjocklekar på isoleringen samt för mesofil- och termofilprocess. Se principskiss över värmeflödet genom klimatskalet på rötkammaren figur 10.

Figur 9. Principskiss över värmeflödet genom rötkammarens klimatskal

Isoleringen i senare räkneexempl är gjorda med antagandet att isoleringen har en värmeledningskoefficient k=0,05 [ CmW °⋅/ ] samt att rötkammaren är uppbyggd med 300 mm tjock betongbehållare. Det är även möjligt att ändra storlek samt höjd och bredd på rötkammaren. En vanlig standard när rötkammare byggs är att höjden dividerat på radien är 1,5 och det är optimerat för att underlätta en god omblandning i rötkammaren. Här har undersökts om det går att minska energiförlusterna genom att bygga rötkammaren med en annan kvot samt hur energiförlusterna ändras med storleken på rötkammaren.

Svahn J

25

4.1.1 Väggen på rötkammaren Värmeledningen genom väggen beräknas med antagandet att temperaturen på insidan av väggen är samma som rötslammets temperatur i rötkammaren. Energitransporten beräknas med att temperaturen på utsidan av väggen gissas med iterativa beräkningar. Temperaturen på utsidan av rötkammaren beror av energitransporten från rötslammet genom väggen och den konvektion samt strålning som väggen avger till den omgivande luften och de motstrålande ytorna. Båda dessa energitransporter beror på temperaturen på ytterväggen. När energitransporten genom väggen är lika stor som konvektionen och strålningen stämmer energibalansen och energiförlusten kan beräknas för det tillfället.

4.1.2 Taket på rötkammaren Transmissionsförlusterna från taket av rötkammaren kommer till största del från den biogas som finns i toppen av rötkammaren, eftersom det är biogasen som har kontakt med taket. När biogasen produceras så stiger den uppåt och tas ut i toppen av rötkammaren där den leds till en gasklocka där gasen lagras. Den energi som rötgasen innehåller i form av värme kommer att försvinna från systemet eftersom den leds ut från rötkammaren. Den energiförlust som tillkommer är strålningsförluster från rötslammet till taket. Eftersom biogasen har en lägre värmekapacitet än rötslammet ger det att taket inte håller samma temperatur som den resterande delen av rötkammaren. Det ger upphov till att det avges energi från rötslammet till taket med termisk strålning. I programmet beräknas den termiska strålning som går från rötslammet till taket men inte energiförlusten från biogasen. Anledningen är att en temperatursänkning av biogasen inte påverkar energiförlusterna från rötkammaren utan det kommer istället att påverka hur mycket värmeenergi som kan återvinnas ur biogasen.

4.1.3 Botten på rötkammaren Beräkningar av värmeförluster mot marken är inte möjligt att göra med endimensionella beräkningar. Värmen kommer inte ba ra att gå rakt ner i marken utan den kommer även att gå genom marken upp till den omgivande luften. Därför är det inte möjligt att beräkna med endimensionella beräkningar. Vid beräkningar av förlusterna mot marken har programmet Comsol multiphysics använts. Med programmet har simuleringar av olika isoleringstjocklekar och olika utomhusförhållanden genomförts. Antagandet görs att marken på 1,7 meters djup har en konstant temperatur på 5 ºC. Sedan har utomhusförhållanden varierats för att få en modell på hur mycket energi som förloras vid olika förhållanden. Detta har gjorts för tre olika isoleringstjocklekar noll, fem och tio cm. Genom att beräkna hur mycket energi som förloras per kvadratmeter kan dessa värden sedan användas i programmet för att beräkna hur mycket energi som går förlorad genom botten.


26

4.2 Klimatmodell Med tanke på de stora variationerna av väderförhållandet över ett helt år och att klimatet har en stor inverkan på transmissionsförlusterna från rötkammaren har ett program gjorts där temperaturen, molnigheten, vindförhållande samt solstrålning varieras över året. Detta görs då det är mer intressant att veta hur stora transmissionsförlusterna är över hela året, jämfört med vid ett specifikt tillfälle. Den energi som lagras i väggen kan inte be räknas när beräkningarna sker momentant. Genom interaktiva beräkningar gissas temperaturen på ytterväggen och värmeflödet ut genom rötkammaren beräknas. Det tar drygt en timme innan värmeflödet blir stationärt, beroende på isoleringstjocklek och temperatur differens. Det är därför en bra approximation att beräkningarna sker en gång i timmen i ett år. Datavärden för klimatmodellen är tagna för Östra Svealand och Nordöstra Götaland. Värdena kommer ifrån Utdrag ur värme, Claesson m.fl. 1984.

4.2.1 Värmestrålning I programmet beräknas solstrålningen med antagandet att solen strålar mot taket och halva väggen under en molnfri dag. Den solstrålning som träffar rötkammaren ökar temperaturen på ytterväggen och det ger ett positivt energiflöde till rötkammaren. När temperaturen på ytterväggen ökar kommer även den att avge mer energi till den omgivande luften. Detta p.g.a. att den har en högre temperatur än den omgivande luften. Värden på effekten av solstrålningen används från tabellerade värden (Claesson J. 1984).

4.3 Inbyggnad av rötkammare i fabrikslokal En annan parameter som kan varieras är om en del av rötkammaren byggs in i fabrikslokalen. På detta sätt kan den energi som går ut genom väggen användas för att värma upp lokalen. Här har två alternativ analyserats, att halva eller en fjärdedel av rötkammaren är inbyggd i lokalen (se figur 22).

Svahn J

27

Figur 10. Principskiss över hur rötkammaren kan byggas in i industrilokal.

När rötkammaren byggs in i en fabrikslokal kommer transmissionsförlusterna från den del som är inbyggd att används till att värma upp industrilokalen. Detta ger att mindre energi behövas till att värma upp industrilokalen och därför kommer primärenergi tillskottet till processen att sjunka. Transmissionsförlusterna från rötkammaren minska också för att temperaturen i industrilokalen är betydlig högre än utomhustemperaturen vilket medför att energiflödet genom rötkammarväggen kommer att minskas.

4.4 Prognosstyrning Energitillförsel i dagens rötkammare regleras ibland efter temperaturen på rötslammet och på detta sätt används inte rötkammarens värmetröghet. Ett exempel är: När en kall och klar natt övergår till en varm och solig dag, hade det inte behövts så mycket värme eftersom utomhustemperaturen stiger samt idigt som solstrålningen kommer att minska värmeförlusterna. Genom att använda en prognosstyrning kan detta förutspås och temperaturen på rötslammet kan hållas mer konstant. SMHI har i samarbete med Elektro Relä AB utvecklat en prognosmottagare där givaren inte bara styrs av utomhustemperaturen utan av en femdygnsprognos där en ekvivalent utomhustemperatur beräknas och den använder parametrarna utomhustemperatur, vindriktning, vindstyrka och solstrålning. Med lokala väderprognoser som grund kan sedan kommande effektbehov för rötkammaren beräknas. Det är då möjligt att anpassa energitillförseln efter kommande väderförändringar och nyttja byggnadens värmetröghet. På detta sätt kan en jämnare temperatur på rötslammet hållas samtidigt som man kan uppnå en lägre energianvändning.

Industrilokal

Utomhus

En fjärdedel inbyggd

Halva inbyggd


28

Vid beräkning av hur mycket energi som kan sparas görs antagandet att utomhustemperaturen stiger med 3 ºC i snitt över året (KP1). Detta antagande gäller för bostadsbyggnader, alltså för hus med fönster på. Eftersom mest energi som kommer från solen tas upp av fönster ger det inte lika stort utslag på en rötkammare eftersom det inte finns några fönster på en rötkammare som kan släppa igenom den kortvågiga solstrålningen.

4.5 Uppvärmningsbehov Vid beräkningar för uppvärmningsbehovet har programvaran Excel använts. Beräkningar har gjorts för en medeltimme på året där resultaten senare har presenterats för ett helt år då antagandet har gjorts att rötningsanläggningen är i drift 24 timmar om dygnet och 365 dagar om året. Värmeväxlare uppska ttas ha en verkningsgrad på 95 %. Varmhållningsbehovet av rötkammaren har tagits med i beräkningarna dock har inga andra tranmissionsförluster uppskattas eftersom det är ett högt flöde i ledningarna.

4.6 Ekonomi Vid beräkningar av lönsamheten har elpriset antagits till 75 öre/kWh och priset på värmeenergi till 55 öre/kWh samt att energipriserna antas stiga med 2 % per år i framtiden. Kalkylränta uppskattas att vara 6 %.

Svahn J

29

5 Energibesparande åtgärder Det finns olika alternativ till att återvinna samt spara energi vid biogasprocessen. Eftersom alla anläggningar är olika är det mycket viktigt att se till varje anläggning som specifik. Det som är lämpligt att göra vid en anläggning är inte garanterat det som skulle fungera på en annan. Därför ska varje anläggningsprocess utvärderas noga innan en energieffektiviserande åtgärd görs. Värmebehovet kan delas upp i varmhållning och uppvärmning. Detta ger att uppvärmningsbehovet är betydligt större än vad varmhållningsbehovet är (se figur 11).

Figur 11. Exempel på värmebehovet vid biogasproduktion utan energiåtervinning .

Här följer några förslag på hur värmebehovet kan minskas. Det är uppdelat i två delar där först varmhållningsbehovet berörs sedan visas hur uppvärmningsbehovet kan minskas.

5.1 Varmhållning av rötkammare Utomhusklimatet har stor betydelse för energiförlusterna och i figur 12 ses hur de varierar över ett år. Genom att jämföra ett medeldygn i varje månad kan en graf presenteras över hur energiförlusterna är fördelade över året. Beräkningar är gjorda på en 5000 m3 stor rötkammare som står på en betonggrund på marken.

Värmebehov biogasproduktion

8%

92%

Varmhållning Uppvärmning


30

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Jan Feb

Mars April

Maj Juni Jul

iAu

gSe

pOkt Nov Dec

Månad

En

erg

ifö

rlu

st p

er d

ag [

kWh

]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Jan Feb

Mars April

Maj Juni Jul

iAu

gSe

pOkt Nov Dec

Månad

En

erg

ifö

rlu

st p

er d

ag [

kWh

]

Figur 12. Energiförluster för ett medeldygn i månaden för en 5000 m 3 stor mesofil- till vänster och termofil- rötkammare till höger. Båda rötkammarnas tak och väggar har 10 centimeters isolering och 5 centimeter isolering i grunden. En termofil rötkammare har större energiförluster över hela året. Energiförlusterna blir störst under de kalla delarna av året. Det blir en större procentuell skillnad när en mesofil anläggning undersöks.

5.1.1 Isolering När det är varmt ute, stark solstrålning och om isoleringen är liten så är energiflödet genom väggen positivt d.v.s. rötkammaren ökar i temperatur på insidan. Den företeelsen är inte önskvärd eftersom temperaturen på rötslammet ska vara så konstant som möjligt och det är således inte bara för kyla som isoleringen har en positiv effekt. Genom att öka isoleringen på en rötkammare kan energi sparas eftersom de termiska ene rgiförlusterna sjunker. Här följer några räkneexempel på hur mycket energi som kan sparas genom att isolera rötkammaren. Beräkningar är gjorda på en 5000 m3 stor rötkammare som står på en betonggrund på marken. Tjockleken på isoleringen har en mycket stor betydelse för storleken av energiförlusterna. Det gäller att hitta en minimal ekonomiskt kostnad eftersom investeringskostnaderna stiger med tjockleken på isoleringen samtidigt som energikostnaderna sjunker (se figur 13).

Svahn J

31

Figur 13. Isoleringstjockleken på vägg och tak varieras på en rötkammare med 10 cm isolering i botten, mesofilprocess. Om isoleringen ökas med 10 centimeter från, 10 centimeter till 20 centimeter minskar energiförlusten med cirka 80 MWh per år, det ger en besparing på 44 000 kr per år. När isoleringen ökas från 20 centimeter till 30 centimeter minskar energiförlusten med cirka 22 MWh per år, detta ger en besparing på 12 100 kr per år. För en termofilprocess blir energiförlusterna ännu högre eftersom slammet håller en högre temperatur (se figur 14).

0.15 0.2 0.25 0.3 0.3560

70

80

90

100

110

120

Isoleringstjocklek [m]

Ter

msi

kene

rgifö

rlust

[MW

h]


32

Figur 14. Isoleringenstjockleken på vägg och tak varieras på en rötkammare med 10 cm isolering i botten, termofilprocess. För en termofilprocess finns det ännu större energibesparingar att göra. Om isoleringen ökas från 5 till 15 centimeter sparas cirka 220 MWh per år vilket ger en besparing på cirka 121 000 kr per år. Om isolering istället ökas från 15 till 25 centimeter sparas cirka 56 MWh vilket ger en besparing på 30 800 kr per år. Genom att beräkna mängden energi som sparas med tilläggsisolering är det möjligt att beräkna hur mycket pengar som sparas för varmhållningen av rötkammaren. Tabell 3. Beräknad ekonomiskt nuvärde för en isolering med avbetalningstid på 15 år för en rötkammare med storlek 5000 m3.

Mesofil Process Termofil Process Ökning av isolering

Energibesparing [MWh per år]

Nuvärde 15 år [kr]

Energibesparing [MWh per år]

Nuvärde 15 år [kr]

från 5 cm till 15 cm 175 990 000 220 1 250 000 från 10 cm till 20 cm 80 450 000 103 580 000 från 20 cm till 30 cm 22 125 000 37 210 000

Ovan visas att tilläggsisolering är mycket lönsam för både mesofil och termofil process. 15 år är vara ganska kort avbetalningstid eftersom rötkammaren kan antas anvä ndas en betydligt längre tid.

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

Isolerningstjocklek [m]

Ter

mis

kene

rgifö

rlust

per

år

[MW

h]

Svahn J

33

Isolering kan ibland köpas i färdiga plattor, då är ett pris per kvadratmeter möjligt att få. En leverantör har lämnat följande prisuppgifter för en isolering med en värmeledningskoefficient på 0,043 [ CmW °⋅/ ] (se tabell 4). Dock kommer värmeledningskoefficienten att stiga lite när isoleringsplattorna monteras på väggen med fästanordningen. Därför passar det bra i uträkningen att använda en värmeledningskoefficient på 0,05 [ CmW °⋅/ ].

Tabell 4. Kostnad per m2 för olika isoleringstjocklekar.

Isoleringstjocklek Pris [kr per m2]

100 337 150 410 200 488 240 552

Med dessa värden kan en kostnadskalkyl göras, dock tillkommer kostnad för montering. Monteringskostnaden kan antas vara samma för alla alternativ och tas därför inte med i jämförelsen mellan de olika alternativen. Här ses hur hög investeringskostnaden är samt hur mycket som energikostnaden blir, räknat till ett nuvärde för 20 år (se figur 15 och 16).

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

1600000

1800000

240 200 150 100

Isolering [mm]

Kos

tnad

[kr]

Energikostnad

Investering

Total kostnad

Figur 15. Den totala kostnaden för investeringen samt energiförbrukningen för en 5 000 m3 mesofil reaktor beräknat till ett nuvärde på 20 år. Den minsta kostnaden för en mesofilprocess är när tjockleken på isoleringen är 200 mm. Den är dock minimalt större för 240 mm men stiger mycket när isoleringen är 150 mm. Det ger att en mesofil reaktor minst ska isoleras med 200 mm.


34

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

240 200 150 100

Isolering [mm]

Kos

tnad

[kr

]

Energikostnad

Investering

Total kostnad

Figur 16. Den totala kostnaden för investering samt energiförbrukningen för en 5 000 m3 mesofil reaktor beräknat till ett nuvärde 20 år. För en termofil rötkammare sjunker den totala kostnaden med tjockleken på isoleringen. Det beror på att energiförlusterna är större än för en mesofil. Minsta rekommenderade tjocklek för en termofil reaktor är svår att uppskatta eftersom kostnaden sjunker med isoleringstjockleken och inget minimum har inträffat. Om en tjockare isolering beräknas kan det vara möjligt att kostnaden skulle vara mindre. Dock kan sägas att 240 mm är minsta rekommenderade tjocklek i detta fall. Grundens isolering är en stor del av de totala förlusterna, i figur 17 ses hur stor andel av energiförlusterna som går genom de tre olika delarna av rötkammarens klimatskal taket, väggen och botten.

Figur 17. Visa r hur stor del av rötkammarens energiförluster som går genom tak, vägg och botten. Väggen är isolerad med 20 cm och grunden är i de båda alternativen oisolerad och isolerad med 10 centimeter .

Svahn J

35

I figur 17 ses att när grunden är oisolerad står grunden för nästan 50 % av energiförlusterna. Anledningen till att taket har en så liten del av förlusterna är att förlusterna till största del kommer från biogasen. Förlusten från biogasen har inte inkluderats eftersom de går ut ur rötkammaren. Det är bara strålningsförlusten från slammet till taket som är inkluderat i uträkningarna. Det är dock lite svårare att isolera grunden eftersom rötkammarens hela massa vilar på den. Här under har isolering i grunden för en mesofilprocess varierats för tre olika exempel 0 centimeter, 5 centimeter och 10 centimeter isolering under grunden (se figur 18).

0.15 0.2 0.25 0.3 0.3560

70

80

90

100

110

120

130

140

150


Ter

mis

kene

rgifö

rlust

per

år

[MW

h]

Figur 18. Visar hur mycket energi som sparas när grunden isoleras, mesofilprocess.

Genom att isolera grunden med 10 centimeter kommer cirka 30 MWh att sparas vid en mesofil process, det ger en besparing på cirka 16 500 kr per år. Det är därför viktigt att isolera grunden och inte bara väggarna och tak. För en lika stor rötkammare men för en termofilprocess blir energibesparingen större (se figur 19).

Grunden oisolerad Grunden isolerad 5 cm Grunden isolerad 10 cm


36

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35100

120

140

160

180

200

220

240


Term

iske

nerg

iförlu

st p

er å

r [M

Wh]

Figur 19. . Visar hur mycket energi som sparas när grunden isoleras, termofilprocess.

Genom att isolera grunden för en termofilprocess med 10 centimeter kan cirka 40 MWh sparas. 40 MWh omräknat till pengar blir cirka 22 000 kr per år. Så det är en stor besparing som kan göras genom att tänka på att isolera grunden när rötkammaren byggs. En annan lösning är att gräva ner rötkammaren i marken och använda marken som isolering. Då krävs det också isolering mot marken. Detta alternativ har inte räknats ut här men kan vara ett bra alternativ beroende på de geologiska förhållanden på platsen där rötkammaren ska byggas. För att minska transmissionsförlusterna från biogasproduktionen ska inte bara rötkammaren isoleras. Det är även viktigt att rörledningar, armaturer, anslutningar och bufferttankar isoleras. Köldbryggor ska undvikas genom att använda lämpliga fastsättningsanordningar för isoleringen. Resultatet från beräkningarna gäller bara för dessa exempel, vid användning av en annan isolering eller en annan placering på rötkammaren blir resultaten annorlunda.

5.1.2 Geometri En rötkammare kan ha olika geometrier, det är dock viktigast att geometrin gör det enkelt att ha en bra omblandning. Det vanligaste är att den är formad som en stående cylinder. Genom att variera höjden och diametern på en rötkammare samtidigt som volymen är konstant an en optimal kvot mellan höjden och diametern finnas som ger den minsta energiförlusten för en given volym. Vid dimensionering idag används ofta kvoten att höjden ska vara 1,5 gånger diameter. När isoleringen sätts till 10 cm för grunden och 20 cm för väggarna för en termofilprocess ger det också en optimal kvot av höjden dividerat med diametern på 1,5 (se figur 20).

Grunden oisolerad Grunden isolerad 5 cm Grunden isolerad 10 cm

Svahn J

37

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

Kvoten av höjden dividerat med diametern

Term

iske

nerg

iförlu

st p

er å

r [M

Wh]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 395

100

105

110

115

120

125

130

135

140

Kvoten av höjden dividerat med diametern

Term

iske

nerg

iförlu

st p

er å

r [M

Wh]

Figur 20. Termofilprocess till vänster och mesofilprocess till höger, isoleringen på rötkammaren är 10 cm grunden och 20 cm väggar och tak. En vanlig standard är att kvoten ska vara 1,5. När en mesofilprocess undersöks finns istället en optimal kvot på cirka 0,75, här finns det alltså energi att spara om rötkammaren görs lägre. Anledningen till att rötkammare byggs efter normen att höjden ska vara 1,5 gånger diametern är att omrörningen ska fungera bra. Det kan därför vara svårt att utöka rötkammaren mer på bredden. Den optimala höjden på rötkammaren är beroende av isoleringstjockleken på grunden och väggen. Den kommer att bli en annan om isoleringen ändras. Genom att försöka minimera den yta som har de största förlusterna kommer de andra ytorna att öka i yta tills ett minimum av energiförlusterna hittas. Därför är det svårt att säga att ett visst snitt är det bästa eftersom det beror mycket på isoleringstjockleken. Den energiförlust som kan besparas genom att bygga med rätt dimension är relativt liten så den praktiska geometrin för omrörning är i prioritet.

5.1.3 Storlek Storleken på rötkammaren har betydelse på hur mycket energi som behövs för att behålla temperaturen vilket beror på att en mindre rötkammare har en större yta jämfört med hur stor volym som rötkammaren innehåller (se figur 21).


38

01020

30405060708090

500

1000

1500

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1000

0

Volym [m3]

kWh

per

ku

bik

met

er

Figur 21. Energiförlusterna per kubikmeter när storleken ökar på en mesofil rötkammare. Om en mesofilrötkammare på 2000 m3 byggs istället för fyra på 500 m3 uppnås nästan en halvering av transmissionsförlusterna. För en termofilprocess blir det istället (se figur 22).

0102030405060708090

500

1000

1500

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1000

0

Volym [m3]

kWh

per

kubi

kmet

er

Figur 22. Energiförlusterna per kubikmeter när storleken ökar på en termofil rötkammare. Energiförbrukningen sjunker när storleken på rötkammaren ökar. Den stiger dessutom ganska mycket när storleken är under 3 000 m3. Transmissionsförluster för en rötkammare som har en volym på 4 000 m3 är 2/3 av vad två rötkammarer med volym 2000 m3. Genom att energiförlusterna stiger när rötkammare minskas vilket ge r att rent energitekniskt är det bättre att bygga en stor rötkammare istället för fler små. Dock finns det processtekniska fördelar med att bygga två mindre rötkammare istället för en.

Svahn J

39

5.1.4 Inbyggnad i fabrikslokal Det ger en dubbel vinst att bygga in rötkammaren i en lokal genom mindre behov av primärenergi till varmhållningsprocessen av rötkammaren och att energibehovet för uppvärmning av lokal går ner. Det negativa är att investeringskostnaderna kommer att stiga jämfört med att bygga rötkammaren fristående. För en mesofil process blir energiflödet (se figur 23).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0% 25% 50%

Andel inbyggd i lokal

MW

h Värme till lokal

Värmeförlust

Figur 23. Visar en 5000 m3 stor rötkammare med mesofilprocess som har tjugo centimeters isolering som byggs in i en industrilokal. Inbyggnad i lokal med halva rötkammaren vid en mesofilprocess sparas cirka 16 MWh och det ger dessutom ett positivt energiflöde till industrilokalen på cirka 20 MWh. Ekonomiskt ger det en besparing på cirka 20 000 kr per år. För en termofilprocess blir energiflödet större (se figur 24).


40

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0% 25% 50%

Andel inbyggd i lokal

MW

h Värme till lokal

Värmeförlust

Figur 24. Visar en 5000 m3 stor rötkammare med termofilprocess som har tjugo centimeters isolering som byggs in i en industrilokal Inbyggnad i lokal med halva rötkammaren vid en termofilprocess sparas cirka 20 MWh och det ger dessutom ett positivt energiflöde till industrilokalen på cirka 40 MWh. Det ger en besparing på cirka 33 000 kr per år. Vid nybyggnation är detta ett mycket intressant alternativ som kan göra att energiförlusterna minskas samtidigt som uppvärmningsbehovet blir mindre och dessutom behövs det mindre material till byggnationen.

5.1.5 Investeringskalkyl prognosstyrning applicerad på rötkammare En prognosstyrare kostar från 6 000 kr till 8 000 kr (KP1) beroende på hur många parametrar som den klarar av. Den dyrare modellen innehåller också en funktion som gör att det är möjligt att fjärrstyra uppvärmningen. För att använda prognosstyrningen så behövs det ett abonnemang på prognoser och det kostar ca 3 000 kr till 6 000 kr per år. Antagandet görs att prognosen kostar 4000 kr/år och har ett fast avtal under femton år. För att kunna beräkna och uppskatta energibesparingen antas att utomhustemperaturen i snitt över året höjs med tre grader. Som exempel tas en rötkammare på 5 000 m3 med 20 centimeters isolering. När årsförbrukningen beräknas blir energiförlusterna för ett år utan prognosstyrning 96 MWh och om en prognosstyrare appliceras på rötkammaren blir energiförlusterna 88 MWh. Det ger alltså en besparing på cirka 8 MWh per år. Det ger en payback tid på cirka 15 år och en återbetalningstid med nuvärdesanalys på cirka 11 år. Detta ger alltså en mycket lång återbetalning och en inte så stor energibesparing. Förmodligen blir det även ganska svårt att styra efter utomhustemperaturen eftersom temperaturen på det ingående substratet styr hur mycket energi som behövs för varmhållningen.

Svahn J

41

Vid beräkningarna för prognosstyrning har antagandet gjorts att temperaturen stiger med 3 ºC i snitt över året. Detta antagande kan göras för bostadsbyggnader alltså för hus med fönster. Det gör att de faktiska energibesparingarna är mindre än detta resultat. Det ger att en investering av en prognosstyrare inte är fullt applicerbar på en rötkammare eftersom de största energivinsterna uppstår när solen strålar in genom fönstren samt att temperaturen på det ingående substratet har en större betydelse än vad utomhustemperaturen har för varmhållningen. Därför blir inte energivinsten så stor och lönsamheten är inte så hög.

5.1.6 Styrning av temperatur på ingående slam till rötkammare Temperaturen på det ingående slammet har en stor inverkan på hur mycket energi som måste tillsättas i rötkammaren. Om temperaturen på det ingående slammet kan styras medför det att varmhållningsprocessen inte behövs. Genom att höja eller sänka temperaturen beroende på årstid kan istället temperaturen i rötkammaren regleras med värmeväxlaren som värmer upp det ingående substratet Vinsten med att höja temperaturen som går in i rötkammaren är att när rötslammet värmeväxlas så uppstår det förluster. Särskilt vid en process som har ett hygieniseringssteg innan rötkammaren är det onödigt att kyla ner slammet för mycket innan det går in i rötkammaren. Temperaturskillnaden som behövs för att styra processen är någon enstaka grad. Genom att ändra inställningen av börvärdet på värmevä xlaren innan rötkammaren, kan temperaturen på processen styras. Det är därför viktigt att överdimensionera värmeväxlaren som sitter innan rötkammaren.

5.1.7 Inget behov av varmhållning Vid tjock isolering kan varmhållningsprocessen helt tas bort från rötkammaren genom att omrörningen tillför energi istället och under vintern kan en något högre temperatur på ingående substrat hållas. Detta ger att pengar kan sparas i att investeringen i en värmeväxlare och pump för varmhållning inte är nödvändig vid en nybyggnation. Dessa pengar kan istället läggas på att isolera rötkammaren som betalas tillbaka då driftkostnaderna minskar med en minskad energiförbrukning. Om en omrörareeffekt på 8 kW installeras i en 5 000 m3 mesofil rötkammare behövs det 30 centimeters isolering för att energiförlusterna ska vara lika stora som energin som tillförs av omröraren i snitt över året. Genom att isolera har alltså varmhållningsbehovet helt försvunnit. Dock kommer det att behövs mer energi under vintern som kan lösas med att variera temperaturen på det ingående substratet.


42

5.2 Uppvärmning av substrat Energi behövs för att värma upp det ingående substratet till biogasanläggningen. För att minska energianvändningen till uppvärmningen kan värmeenergin som finns i processens produkter återanvändas. Energin som går ut med produkterna är annars en förlust för systemet. Nedan presenteras olika metoder att minska behovet av värmeenergi för uppvärmning av ingående substrat.

5.3 Resultat från litteraturstudier

5.3.1 Torrsubstans En högre torrsubstanshalt innebär att mindre volym vatten måste värmas upp för att producera samma mängd gas. Det innebär också att det behövs en mindre reaktorvolym eller gör det möjligt att ha en längre uppehållstid i en befintlig rötkammare. Det sambandet gör att det går åt mindre energi för att röta ett substrat med en högre torrsubstanshalt (se figur 25). Problemet med att ha en högre torrsubstans är att pumparna kan få problem med att pumpa slammet (Starberg K. m fl. 2005).

Figur 25. Erfordrig värmeenergiförbrukning vid mesofil (?t = 20) respektive termofil (?t = 40) rötning som funktion av TS-halt i inkommande slamflöde till rötkammaren. (Starberg K. m fl. 2005) Effekterna av torrsubstanshalten blir ännu större vid termofil rötning. Det är därför extra viktigt att vid en termofil process hålla en hög torrsubstanshalt på det ingående substratet.

Svahn J

43

5.3.2 Värme från frånluft Det är svårt att säga vilket system som är det bästa, eftersom FTX systemet medför att inkommande ventilationsluft passerar värmeväxlaren så är det viktigt att byggnaden är tät i klimatskalet. En FVP däremot tar ut energi ur den utgående luften och överför energin till värmesystemet. FVP medför att mer energi kommer att frigöras och det gör att livscykelkostnaden blir den lägsta (Torssell R. 2005). Det farliga med FVP är att elpriset kommer att vara en mycket avgörande faktor på hur lång tid det tar innan investeringen kommer att betalas tillbaka. Värme från frånluft kommer inte att undersökas djupare eftersom det är svårt att uppskatta volymen på ventilationsluft, energibehovet till hela anläggningen samt hur ventilationssystemet är uppbyggd. Det ska istället undersökas specifikt för varje anläggning.

5.4 Resultat från beräkningar

5.4.1 Värme från rötslam Det finns flera möjligheter till att återanvända energin som finns i rötslammet. Den största energimängden finns att hämta ur rötslammet som kommer ut ur hygieniseringen som håller en temperatur av 70 ºC. Substratet ska sedan kylas ner till 37 ºC (mesofilprocess) alternativt 55 ºC (termofilprocess) innan rötslammet går in i rötkammaren. Här är det optimalt att värmeväxla det utgående slammet mot det ingående slammet. Genom att hålla en kontinuerlig process så kan den energi som går ut återvinnas till det slam som går in till hygieniseringen. Då kyls slammet som går in till rötkammaren samtidigt som slammet som går till hygieniseringen värms upp. Det kan göras med hjälp av en slam-slam värmeväxlare. Rötslammet som kommer ut från rötkammaren håller en temperatur av 37 ºC (mesofil process) alternativt 55 ºC (termofil process) genom att med hjälp av en värmeväxlare kan temperaturen sänkas till cirka 20-25 ºC och energin kan tas upp av det ingående substratet till processen. För en rötningsanläggning av gröda kan ibland det ingående processvattnet vara en så stor mängd att värmeväxlingen av det utgående substratet kan göras enbart mot det ingående vattnet. På detta sätt underlättas värmeväxlingen eftersom vatten är enklare att värmeväxla än slam. Investeringskalkyl på värmeväxlare En värmeväxlare behövs för att kunna återanvända energi från det utgående rötslammet till det ingående substratet. Om ett flöde på cirka 2 l/s kan en värmeväxlare uppskattas att kosta cirka 485 000 kr (KP2). Effekten den återvinner blir cirka 95 kW det ger en energivinst på cirka 832 MWh per år. Driftkostnaderna antas till noll och eftersom lite service behövs. Det ger en payback tid på cirka ett år och om nuvärdesanalys används cirka 1,5 år. Det ger att en värmeväxlare är en mycket bra investering och kommer att öka lönsamheten för en biogasanläggning.


44

5.4.2 Värme från biogas Den gas som kommer ut ifrån en rötkammare håller samma temperatur som rötkammaren. Det är idag vanligt att biogasen kyls för att kondensera ut vattnet ur gasen. Detta görs för att inte senare få problem med det kondenserade vattnet. Det finns alltså en energipotential att kyla biogas med en värmeväxlare och/eller värmepump och återanvända energin som annars går förlorad. Om biogasen värmeväxlas vid en stor mesofil biogasanläggning som producerar cirka 1 000 Nm3 biogas i timmen ger detta en effekt av cirka 9,7 kW erhållas när temperaturen sänks från 37 ºC till 17 ºC. På detta sätta kan cirka 85 MWh återanvändas varje år. Eftersom en termofil anläggning ger en högre temperatur på rötgasen finns det här mer energi att spara. Tekniker som kan användas är ungefär samma som för energiåtervinning av frånluften. Det är vid de större anläggningar som denna energibesparande åtgärd kan vara användbar eftersom vid en mindre anläggning blir effekten för liten för att det ska bli ekonomiskt hållbart. Dock måste det finnas användning av värmen i systemet för att det ska vara en bra investering.

5.4.3 Värmepump Om en värmepump installeras efter en värmeväxlare kan temperaturen sänkas till cirka 5 C° på det rötade slammet. Värmepumpen tar värmeenergi från rötslammet plus att elenergin också övergår till värmeenergi. Den nya energin som utvinns kan användas till att värma upp substratet. Genom att använda el som kommer från förnyelsebara energikällor kan man fortfarande hålla fossila energikällor borta från produktionen av biogas. Dock kommer det att bli en tillsatts av primärenergi som är mindre bra. Fördelen med värmepump är att när temperaturen på rötslammet sjunker så avstannar rötningsprocessen och detta innebär att de inte produceras någon mer metangas. Det är mycket viktigt att stoppa rötprocessen eftersom metangas är en stark växthusgas. Metanproduktionen från rötatslam stiger exponentiellt med temperaturen på slammet och det medför att det blir mycket viktigt att försöka sänka temperaturen så lågt som möjligt (Lund Hansen 2005).

5.4.4 Placering av värmepump En värmepump kan placeras så att den arbetar mot en slinga som läggs inuti ett rötrestlager och på detta sätt kan mer gas utvinnas samtidigt som energi återvinns från systemet (se figur 26). Problemet är att temperaturen på rötslammet förmodligen inte kan sänkas tillräckligt lågt eftersom det då skulle krävas ett stort rötrestlager. När temperaturen på rötresterna sänks kommer också gasutvinningen att sjunka, det medför då att gasuttaget i rötrestlagret kommer att bli lågt.

Svahn J

45

Figur 26. Principskiss över värmeåtervinning med gasutvinning från rötslam

Eftersom temperaturen på rötslam som kommer direkt från rötkammaren kan värmeväxlas direkt mot det ingående substratet behövs det ingen tillförsel av energi för att utvinna energin. Därför kan en värmeväxlare kombineras med en värmepump som är kopplad till värmeväxlare som är placerad efter den första värmeväxlaren (se figur 27).

Figur 27. Principskiss över värmeåtervinning från rötslam

Det medför att värmeenergin tas först ut i värmeväxlaren, sedan sänks temperaturen ännu mer när den passerar värmeväxlaren som är kopplad till värmepumpen. Det ger då en mycket bra återvinning av energin eftersom temperaturen på rötslammet kan sänkas ner till cirka 5 ºC samtidigt som metanproduktionen nästintill kommer att upphöra. Därför rekommenderas detta system framför det andra alternativet. För en anläggning med ett flöde på 2 l/s som håller en temperatur av 23 ºC kan sänkas till 5 ºC genom att koppla en stor värmeväxlare till en värmepump. Effekten som det rötade slammet ger är cirka 140 kW. Eleffekten som måste tillsättas för att driva värmepumpen blir cirka 70 kW och detta ger att värmepumpens effekt blir cirka 210 kW och en värmefaktor på 3. Det är ganska lågt


46

och förmodligen kommer en värmepump att ge en högre värmefaktor (cirka 3,5 – 4) om den optimeras för temperaturen på rötslammet.

5.4.5 Investeringskalkyl värmepump Investeringskostnaden för en sådan värmepump inklusive värmeväxlare blir cirka 1 360 000 kr (KP4). Driftkostnaderna antas vara lika med elförbrukningen och återvunnen energi beräknas som vinst till systemet. Det ger en payback tid på cirka 2,5 år och en återbetalningstid på cirka 2,5 år. Det innebär att en värmepump är en bra investering till att sänka driftkostnaderna. En värmepump kan antas fungera utan kompressorbyte i cirka 10 år så det är klart lönsamt att placera en värmepump efter en värmeväxlare.

5.4.6 Bufferttankar Stora energiförluster uppkommer då rötslam lagras mellan hygieniseringen och rötkammaren. Genom att istället använda energin som finns i rötslammet kan energin återvinnas genom en värmeväxlare. Det är då bra att ha en kontinuerlig process så att slammet direkt efter värmeväxlaren går in i rötkammaren. När en värmeväxlare och/eller en värmepump används på rötslammet som kommer från rötkammaren ska bufferttanken placeras efter energiåtervinningen. Om bufferttanken har ett system som tar hand om gasen kommer frågan i ett annat läge eftersom gasen som kan utvinnas ofta har ett större energiinnehåll än vad som kan sparas genom att återanvända värmeenergin. Genom att öka uppehållstiden kan utrötningsgraden öka och gasutbytet hålls konstant med fördelen att slammet inte behöver lagras för att utvinna mera gas. Samtidigt som värmeenergin kan återanvändas.

Svahn J

47

6 Användning av förnyelsebar energi Genom att producera sin egen energi kan en biogasanläggning bli helt oberoende ifrån andra energikällor och det är intressant att undersöka om det går att kombinera med andra förnyelsebara energikällor. Genom att producera sin egen energi kan hela biogasanläggningen bli en besparing för miljön. Idag används biogasen som uppvärmningskälla samt att producera el med gasmotor vid de flesta anläggningar. Förutom biogasen finns det värme ur det rötade slammet som har värmeväxlats mot det ingående substratet. Det kan producera mer förnyelsebar energi genom att använda en värmepump. Eftersom det finns stora områden till förfogande och inga estetiska krav så är vind och solenergi två andra alternativ med en energipotential som kan utnyttjas. Här har de olika alternativen utvärderats, dock berörs inte lokal användning av biogas. Detta eftersom den kan användas bättre som fordonsbränsle än att producera el eftersom den då direkt byter ut ett fossiltbränsle.

6.1 Solceller Att producera el via solceller är önskvärt men är ännu inte ekonomisktlönsamt utan bidrag. Även om verkningsgraden har gått upp de senaste åren så har priset på kisel stigigt med den ökade efterfrågan och gjort att det inte ännu är ekonomisktlönsamt att investera i solceller i Sverige utan bidrag. De solceller som tillverkas ska istället placeras i länder som har en högre effekt från solen. Framsteg i forskning om solceller kommer i framtiden göra att solceller blir ett kommersiellt alternativ

6.2 Vindkraft Vindkraft är ett annat önskvärt alternativ men här är det lokalisering och vindförhållande som styr om det är lönsamt och därför kommer inte det alternativet att vidare undersökas i denna rapport. Genom att montera ett vindkraftverk på toppen av en rötkammare minskas investeringskostnaden genom att inget fundament behövs. Vindkraft ska istället undersökas vid varje specifik anläggning.

6.3 Solvärme Solvärme kan användas för uppvärmning av det inkommande substratet och eftersom det inkommande substratet har en låg temperatur kan solfångaren arbeta mot en relativt låg temperatur som gör att solfångaren får en högre verkningsgrad. Eftersom utbytet per kvadratmeter solfångare stiger när temperaturen i ackumulatortanken sjunker. Om solfångare används till att värma upp det inkommande substratet kan den även användas hela sommaren när solfångaren producerar mest energi (se figur 28). Det eftersom substratet ska upp till en temperatur på minst 37 ºC (mesofilprocess) och det gör det även möjligt att använda all energi under sommarmånaderna.


48

Figur 28. Principskiss över hur ett solfångarsystem kan kopplas in i biogaspro duktionen

I en ackumulatortank kan värmeenergi sparas från dagen så att den även täcker energibehovet över natten. Det kan vara en bra idé att dimensionera solfångaren efter hur mycket energi som kan hämtas samt hur mycket som behövs under ett dygn på sommaren. Det eftersom man inte vill ha ett överskott av energi som måste kylas bort under sommaren. Samtidigt som det ger den bäst ekonomiska aspekten om solfångaren kan gå kontinuerligt och all producerad energi används.

6.3.1 Varianter av solfångare De tre vanligaste alternativen av solfångare som finns på marknaden är plan-solfångare, vakuumrör -solfångare och pool-solfångare.

• Vakuumrör-solfångare Vakuumrör-solfångaren har en sämre tillförlitlighet men har en bättre effekt, eftersom den producerar värme även då det inte är så mycket direkt solstrålning. Anledningen är att den har ett isolerande skikt av vakuum runt röret med den värmeupptagande vätskan. Dock är vakuumrören det dyraste alternativet.

• Pool-solfångare Pool-solfångare är det enklaste systemet som kan liknas med att lägga en trädgårdslang på en svartplåt. Det alternativet är dock mest effektivt vid låga temperaturer upp till cirka 25 ºC. Pool-solfångare är den billigaste varianten men den ger mindre energi per kvadratmeter när den arbetar mot höga temperaturer i ackumulatortanken.

• Plan-solfångare Det vanligaste alternativet i Sverige är plan-solfångare som vissa tillverkare lämnar en garanti på upp till femton år. Det medför att de har en hög tillförlitlighet samtidigt som den kan arbeta i en högre temperatur. Det är intressant då den kan kopplas in efter en värmeväxling av de utgående rötresterna.

Svahn J

49

6.3.2 Dimensionering av solvärme Det finns alltså många olika alternativ till att använda solenergin, men här utreds bara alternativet med att koppla en plan-solfångaren till en ackumulatortank eftersom vakuumrören har ett för högt inköpspris samt dålig tillförlitlighet. Pool-solfångaren faller på att effektivitet är för låg vid högre temperaturer. Detta då substratet antas värmeväxlas mot det utgående innan det värms med solfångare. Utbytet per kvadratmeter solfångare varierar med medeltemperaturen där medeltemperaturen avser medelvärdet av ingående och utgående temperatur på den värmebärande vätskan som finns i solfångaren. Substrat som går in till en rötkammare efter att det har värmeväxlas mot det utgående rötslammet kan antas ha en temperatur på cirka 20 ºC. Temperaturen som ackumulatortanken har är den temperatur som solfångaren kommer att arbeta mot. Den kan antas hålla en medeltemperatur av 40 ºC eftersom substratet ska värmas upp till 37 ºC. SP Statens Provnings- och forskningsinstitut genomför tester och simuleringar som bestämmer prestanda och parametrar för solfångaren. Det beräknas i ett program som heter MINSUN som ger utbytet per kvadratmeter. En viktig parameter är vilken medeltemperatur som den värmebärande vätskan i solfångaren har. De simulerade värdena är för 25, 50 och 75 ºC så värdet för 40 ºC får approximeras med hjälp av interpolering (se figur 29). Med hjälp av interpolering ger att vid en medeltemperatur på 40 ºC erhålles cirka 520 kWh per kvadratmeter och år.

0

100

200

300

400

500

600

700

25 50 75

grader celcius

kwh/

kvad

ratm

eter

kwh

Figur 29. Årsutbytet från en solfångare (Aquasol Big AR) vänd i 45 söderriktning (I1).

Det blir en bättre verkningsgrad för en solfångare när den har en lägre temperatur att arbeta mot. Det innebär att man med fördel kan använda solfångare för uppvärmning av substrat som ska in i en mesofilprocess eftersom det då inte behövs en så hög temperatur.


50

När solfångaren ska dimensioneras till ett vanligt bostadshus beräknas storleken efter hur mycket tappvarmvatten som används i huset. Dimensioneringen görs på årets sommarmånader, då det är mest sol och endast för tappvarmvattenbehovet. Detta görs för att användningen av tappvarmvatten kan antas vara konstant över hela året. Dimensionering till en biogasanläggning kan göras efter hur mycket energi det används under sommarmånaderna till att värma upp substratet. Därför är det intressant att veta hur mycket energiåtgången är under sommaren. Genom att beräkna hur mycket energi som används under ett dygn under sommaren kan solfångaren dimensioneras så att medelvärdet av dagarna producera lika mycket energi under en dag. Med data från en solfångaranläggning som är i drift kan sedan utbytet från solfångaren delas upp så att delmängden av det totala utbytet från solen kan delas in per månad. I figur 30 ses utbytet från en solfångare som är placerad i Örebro.

Solkurva

0102030405060708090

100

Jan Feb Mars April Maj Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dec

Månad

kWh

per

kvad

ratm

eter

Figur 30. Effekten på solfångare per kvadratmeter i Örebro.

Från figur 29 kan sedan ett medeltal för varje dag i månaden beräknas. När medeltalet för varje dag är känt kan sedan energiproduktionen per dygn beräknas. Utbytet per kvadratmeter är störst i juni när det uppgår till 2,8 kWh per kvadratmeter och dag som medel (se figur 31).

Svahn J

51

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Jan Feb Mars April Maj Juni Juli Aug Sep Okt Nov Dec

Månad

kWh

per

kvad

ratm

eter

Figur 31. Utbytet av energi per kvadratmeter och dag för en plan-solfångare i Örebro.

Om man antar att det går åt cirka 50 kW till att värma upp substratet i en kontinuerlig process kommer det att behövas 50 kW * 24 h = 1200 kWh per dygn för att värma upp substratet. Solfångaren har sitt maximum under juni månad den producerar cirka 2,8 kWh per m2 och dag. Storleken som behövs blir då 1200/ 2,8 = 429 m2. Storleken på ackumulatortanken får uppskattas.

6.3.3 Investeringskalkyl solfångarsystem Investering av plan-solfångarsystem som har en yta av 500 m2 kan uppskattas till cirka 2 000 kr per kvadratmeter. Ett pris för plan-solfångare ligger mellan 1 600 – 2 000 kr (KP 3). Det priset är utan kringutrustning som behövs t.ex. ackumulatortank, kopplingar och ventiler. Eftersom 500 m2 är en relativ stor anläggning antas priset per kvadratmeter blir relativt lågt. Därför antas att priset för solfångareanläggningen blir 4 000 kr/m2 totalt, inklusive kringutrustning. Det totala priset blir 4 000 kr/m2 * 500 m2 = 2 000 000 kr. Driftkostnaderna antas till noll eftersom inget större underhållsarbete behövs och tillverkaren lämnar en 15 år lång garanti. Energimängden som produceras blir 500 m2 * 520 kWh = 260 MWh. Förlusterna kan uppskattas till 10 % det ger att den totala energiproduktionen blir 234 MWh per år. Investeringen ger en payback tid på cirka 15 år. Investering betalas tillbaka efter 25 år med nuvärdesmetoden. Problemet är om fjärrvärme används som uppvärmning kan priserna på sommaren var lägre än vad som har kalkylerats med. Eftersom ett kraftvärmeverk behöver kylning under sommaren för att producera el samtidigt som värmebehovet för abonnenterna är betydligt lägre. Det ger att återbetalningstiden kan vara betydlig längre om ett bra avtal med fjärrvärme är möjligt.


52

7 Ekonomisk sammanfattning Den mest lönsamma investeringen är en värmeväxlare som återbetalas på cirka 1,5 år (se tabell 5). En värmepump betalas tillbaka på cirka 2,5 år och är också en bra investering.

Tabell 5. Investeringskostnad och återbetalningstid för olika energibesparandelösningar

Investering (kr)

Energi (MWh/år)

Återbetalningstid (år)

Värmeväxlare 485 000 832 1,5

Värmepump 1 360 000 1226 (1839)i 2,5

Prognosstyrning 6 000 8 11

Solfångare 1 000 000 234 25 i Totala energitillförseln värmepump

Vid en investering av en prognosstyrare är det ganska osäkert om alternativet kommer att löna sig. Det blir dessutom svårt att optimera den eftersom temperaturen på det ingående slammet styr mycket hur mycket energi som behövs till varmhållningen. Solfångare är ett bra alternativ till att komplettera uppvärmningen. Det har en hög tillförlitlighet och vid en långsiktig satsning är det ett bra alternativ. Dock är återbetalningstiden lång och det är bara med ett högt bidrag som denna lösning kan bli ekonomiskt lönsam. Detta ger att en värmeväxlare och en värmepump rekommenderas som energilösningar vid biogasproduktion.

Svahn J

53

8 Räkneexempel biogasproduktion med energibesparing För att visa hur mycket energi som går att spara har här ett räkneexempel för en biogasproduktion med en mesofil rötkammare med volymen 5 000 m3 och ett ingående flöde av substrat på cirka 1,4 l/s. Substratet är 26 000 ton vallgröda (23 % ts-halt) blandat med 18 500 ton vatten vilket producerar 18 GWh gas per år. Enligt uppskattningar (Börjesson P., 2004) ger varje ton vall ett utbyte biogas på 2,5 GJ/ton substrat. Båda rötkammarna har en mekanisk omrörare med effekten 5,5 kW.

8.1 Alternativ 1 Rötkammarens väggar och tak isoleras med 10 centimeter och grunden är oisolerad. Värmeväxling sker av utgående substrat mot ingående substrat (se figur 32). Detta alternativ kan ses som en vanlig biogasanläggning som finns idag.

Figur 32. Systemlösning för alternativ 1

8.2 Alternativ 2 Rötkammares väggar och tak isoleras med 20 centimeter samt grunden isoleras med 10 centimeter samt 25 % av rötkammaren är inbyggd i industrilokal. Värmeväxling sker av utgående substrat mot ingående substrat. En värmepump återvinner energi från utgående substrat efter värmeväxlingen. Värmepumpen sänker temperaturen på det utgående substratet till 9 ºC och arbetar med en värmefaktor på 3,5 (se figur 33).


54

Figur 33. Systemlösning för alternativ 2

8.3 Utvärdering av systemen Varmhållningsbehovet är nästan dubbelt så stort i den dåligt isolerade rötkammaren i alternativ 1. Omrörarna tillför energi till rötkammarna vilket leder till att varmhållningsbehovet minskas för de båda anläggningarna (se tabell6). Tabell 6. Varmhållningsbehov rötkammare per år

Alternativ 1 Alternativ 2 Varmhållning rötkammare -179 MWh -87 MWh Värme från omrörare +44 MWh +44 MWh Varmhållningsbehov rötkammare -135 MWh -43 MWh

När de båda alternativen jämförs blir den total värmebehovet nästan samma. Det som skiljer är varmhållningsbehovet som är lite lägre för alternativ 1 som har en bättre isolerad rötkammare (se tabell 7). Tabell 7. Värmebehov per år

Alternativ 1 Alternativ 2 Varmhållning rötkammare -135 MWh -43 MWh Uppvärmning substrat -1 254 MWh -1 254 MWh Totalt värmebehov -1 390 MWh -1 297 MWh

Det är hur mycket energi som återanvänds som blir skillnaden. De båda alternativen har en lika stor värmeväxlare som ger 534 MWh i återvunnen energi per år. Värmepumpen som installeras i alternativ 2 producerar 787 MWh värme när 225 MWh elektricitet tillsätts. Det ger att mer värme kommer att produceras än vad som används i processen. Det ger att cirka 24 MWh ytterliggare kan användas för att täcka lokalens energibehov (se tabell 8). Dessutom så används 10 MWh direkt till att värma upp lokalen i alternativ 2.

Svahn J

55

Tabell 8. Energi som återanvänds i processen per år

Alternativ 1 Alternativ 2 Värmeåtervinning värmeväxlare +534 MWh +534 MWh Värmeåtervinning värmepump 0 MWh +787 MWh Totalt värmebehov -1 390 MWh -1 297 MWh Energibalans -856 MWh +24 MWh Värme till lokal 0 MWh +10 MWh

I det andra alternativet återanvänds hela 85 % av den tillsatta energin. Dock krävs det stora mänger elektricitet som kostar mycket pengar. Energikvoten på producerad gas blir 1,3 % som kan anses mycket låg (se tabell 9) jämför med bilaga 3. Tabell 9. Nyckeltal till de olika alternativen

Värmeåtervinning 38 % 85 % Gasproduktion 18 GWh 18 GWh Energikvot % av gasproduktion 4,6 % 1,3 % Värmebehov -856 MWh 0 MWh Energi till lokal +energi överskott 0 MWh +34 MWh Elbehov omrörare -48 MWh -48 MWh Elbehov värmepump 0 MWh -225 MWh

Energiöverskottet kan enkelt återanvändas eftersom den del som kommer från värmepumpen består av varmvatten som direkt kan kopplas till det lokala uppvärmningssystemet. Tabell 10. Kostnader för energi per år

Alternativ 1 Alternativ 2 Elenergi kostnad per år (75 öre/kWh) -36 000 kr -205 000 kr Värmeenergi kostnad per år (55 öre/kWh) -642 000 kr 0 kr Värmeenergi som används lokalt 0 kr +19 000 kr Total kostnad per år -678 000 kr -186 000 kr

Detta räkneexempel visar att mycket pengar går att spara genom att energieffektivisera en biogasanläggning. Kostnaden per år blir cirka 473 000 kr mindre för alternativ 2 jämfört med alternativ 1. Isoleringen står för en besparing på cirka 52 000 kr av den totala besparingen. En annan positiv effekt med en värmepump är att emissioner av metan från det rötade slammet minskas när temperaturen sänks på slammet. Detta ger att alternativ 2 ger en stor besparing inte bara ekonomiskt utan även miljömässigt. Dock så ökar värmepumpen systemets elberoende. Detta kan lösas genom att investera i ett mindre vindkraftverk så att hela elanvändningen för biogasproduktionen produceras lokalt vid anläggningen. Detta ger att biogasproduktionen blir en helt positiv primärenergikälla. Alternativt kan förnyelsebar elenergi köpas från leverantör.


56

9 Slutsats & diskussion

9.1 Diskussion Resultaten som presenteras för energiförlusterna till rötkammaren är gjorde för mellersta Sverige om en rötkammare placeras längre norrut kommer energiförlusterna att öka med den sjunkande temperaturen. Detta ger att isoleringsbehovet kommer att öka med ett kallare klimat. Det är svårt att uppskatta hur stor felmarginal som beräkningarna för energiförlusterna har med tanke på att det är många parametrar som styr samt att rötkammaren har andra fästanordningar och delar som inte är medräknade i detta arbete. Det kan antas att energiförlusterna kommer att vara lite högre än vad som är beräknat. Vid en optimal design kan hela rötningsanläggningens behov av tillsatt energi nästan bli noll. Detta inträffar då en värmepump installeras samtidigt som ett mindre vindkraftverk byggs vid anläggningen. Det ger då att biogasanläggningen blir en brutto energiproducent för samhället utan behov av någon energi. En värmepump minskar inte bara energianvä ndningen vid anläggningen den minskar också emissioner av metangas från biomullen som produceras. När biogasen produceras utan tillsats av energi blir biogasen ett ännu grönare alternativ och biogasen kan användas i en hållbar utveckling av samhället. Det medför att genom en fortsatt utbyggnad av biogasproduktion, minskas oljeberoendet samtidigt som fler arbetstillfällen skapas lokalt och transporterna av bränslen minskas.

9.2 Slutsatser En viktig parameter för att minska energianvändningen är att en kontinuerlig process och inte några onödiga lagringstankar finns mellan de olika processerna eftersom värmeenergi förloras när slammet lagras och kyls ner. En hög torrsubstans är också viktigt för att energianvändningen ska kunna hållas låg. Systemtänkandet är mycket viktigt när en energiåtervinning planeras. Energimängden i utvinning av gas från en bufferttank efter rötkammaren är oftast mycket större än vad som kan återanvändas i form av värmeenergi. Detta beror på hur stor utrötningsgraden är på anläggningen. En tjock isolering på rötkammaren gör att energiförlusterna minskar och det är inget problem med övertemperatur i rötkammaren om det går att reglera temperaturen på det ingående substratet. Isoleringen för en mesofil rötkammare ska inte understiga 20 centimeter och för en termofil rötkammare ska den inte understiga 24 centimeters isolering. Vid en tjock isolering kan varmhållningsprocessen helt tas bort från rötkammaren genom att omrörningen kan tillföra energi istället och under vintern kan en något högre temperatur på ingående substrat hållas vilket ger att pengar kan sparas i att inte investera i en värmeväxlare och pump till varmhållning vid nybyggnation. Dessa pengar kan istället läggas på att isolera rötkammaren som betalas tillbaka då driftkostnaderna minskar med en minskad energiförbrukning.

Svahn J

57

Värmeväxlare är det alternativ som ska finnas på varje större rötningsanläggning eftersom mycket energi kan återvinnas till ett lågt pris. Vid rötning av gröda kan ibland värmeväxlaren kopplas till det inkommande vattnet som tillsätts processen för att på detta sätt underlätta en värmeväxling. En värmepump är en bra lösning som kan minska energianvändningen och återanvända mer energi. Samtidigt som den har miljöfördelen att den minskar emissionerna av metan från det rötade slammet. Solvärme är ett alternativ som ska utredas mer och det skulle vara intressant att se att någon nybyggnation av en biogasanläggning som använder denna metod för att värma upp det inkommande substratet. Dock är alternativet inte ekonomiskt lönsamt utan bidrag men med tanke på de miljömässiga fördelar som en solfångare har ska de inte bortses ifrån.


58

10 Referenser

10.1 Böcker och artiklar Alvarez H., Energiteknik, Studentlitteratur 2003 Berglund M., Biogas production from a systems analytical perspective, Avdelningen för Miljö- och energisystem, Lunds tekniska högskola 2006 Berglund M., Börjesson P., Energianalys av biogassystem, Avdelningen för Miljö- och energisystem, Lunds tekniska högskola, rapport nr 44, 2003 Börjesson P., Berglund M., Miljöanalys av biogassystem, Avdelningen för Miljö- och energisystem, Lunds tekniska högskola, rapport nr 45, 2003 Börjesson P., Energianalys av drivmedel från spannmål och vall , Avdelningen för Miljö- och energisystem, Lunds tekniska högskola, rapport nr 54, 2004 Cengel Y. A., Heat transfer a practical approach, McGraw-Hill, Second edition, 2003 Claesson J., Nevander L.-E., Sandin K., Utdrag ur Värme , Institutionen för byggnadsfysik tekniska högskolan i Lund. Lund, 1984 Forsberg T., Rosengren B., Johansson C-G., Rahm L., Brolin L., Persson M., Jansson U., Konigen A., Biogasanvisningar, BGA 05, Svenska Gasföreningen, 2005-06-10 Jarvis Åsa, Biogas Förnybar energi från organiskt avfall, Svenska biogasföreningen, 2005 Johnsson B., Bioenergi -ny energi från jordbruket, Jordbruksverket, rapport 2006:1, 2006 Kjellén B. J., Andersson A-C., Energihandbok för avloppsreningsverk, VA-Forsk rapport Nr 2, maj 2002 Lindqvist H., En miljösystemanalys av samrötning av organiskt avfall och vallgröda i Västerås kommun , Industriellt miljöskydd, KTH, 2002 Lund Hansen T., Quantification of environmental effects from anaerobic treatment of source-sorted organic household waste, Institute of environment & Resources, Technical University of Denmark, September 2005 Lundqvist M., Rapport till möte med energimyndigheten , SWECO VIAK AB, Svenskt Vatten Energieffektivisering, 2005-01-13 Nordberg Å. Edström M., Optimering av biogasprocess för lantbruksrelaterade biomassor, Jordbrukstekniska institutet, 1997

Svahn J

59

Persson M., Utvärdering av uppgraderingstekniker för biogas, Svenskt Gastekniskt Center, Rapport 142, november 2003. Ross, Westerfield, Jordon, and Roberts, Fundamentals of Corporate Finance, McGraw-Hill Ryerson Limited, 5th Canadian Edition, 2005 Starberg K., Karlsson B., Larsson J-E., Moraeus P. & Lindberg A., Problem och lösningar vid processoptimering av rötkammardriften vi avloppsreningsverk, VA-Forsk rapport Nr 2005-10. Svenska vatten och avloppsverksföreningen, Rötning av kommunalt slam, Teknik med nya möjligheter, Publikation VAV P42, feb. 1981. Sundqvist J-O., Baky, A., Carlsson, M., Eriksson, O. & Granath J. Hur skall hushållsavfallet tas omhand? Utvärdering av olika behandlingsmetoder. IVL Rapport B 1462, IVL Svenska Miljöinstitutet AB. Stockholm 2002. Torssell R., Energianvändning och livscykelkostnad för ventilations- och uppvärmningssystem i småhus, Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola, Rapport TVIT--05/5004, Lunds universitet, 2005 Östgaard, K, Miljöbioteknilogi Del 1, Institut for bioteknologi NTH., 1995

10.2 Personliga referenser (KP1) Per Olsson, Elektro Relä AB 2006-03-14 (KP2) Kristian Pettersson, Läckebywater AB 2006-03-25 (KP3) Stefan Jonsson, Aqua Sol AB 2006-04-28 (KP4) Ola Swärd, Malmberg Water AB 2006-05-17

10.3 Internet (I1) http://www.sp.se/energy/CertProd/P_solfangare_lista.htm 2006-04-24 (I2) www.rvf.se 2006-05-22 (I3) www.gasforeningen.se 2006-05-19 (I4) www.stockholmvatten.se 2006-02-02


60

11 Bilagor

11.1 Bilaga 1 Termiska beräkningar Energiförlusten genom klimatskalet på rötkammaren beräknas enligt:

tot

atm

RTT

Q−

=•

1 (Cengel Y. A.,2003)

Där:

•

Q= Energiflödet [W]

1T = Temperatur insidan [ºK]

atmT = Omgivningstemperaturen [ºK]

totR = Total termiskresistansen [ºK/W] För manteln blir den totala termiska resistansen:

AhLk

rr

Lk

rr

Lk

rr

RRRRRtot

tot

12

ln

2

ln

2

ln

3

3

4

2

2

3

1

1

2

4321 +

+

+

=+++=πππ

]/[ WK°

Där

1r = Radien inuti kammaren [m]

2r = Radien med behållaretjockleken [m]

3r = Radien med isoleringstjockleken [m]

4r = Radien med plåttjockleken [m] L = Höjden på rötkammaren sidorna [m] A = Area på utsidan av rötkammarens väggar [ 2m ]

1k = Värmeledningskoefficienten för betong [ KmW °⋅/ ]

2k = Värmeledningskoefficienten på isoleringen [ KmW °⋅/ ]

3k = Värmeledningskoefficienten på plåten [ KmW °⋅/ ]

toth = Totalt värmeövergångstal [ KmW °⋅2/ ] För taket ges total termiska resistansen istället av:

AhAkt

Akt

Akt

RRRRRtot

tot

1

3

2

2

2

1

14321 +++=+++= ]/[ WK°

Där

1t = Tjockleken på behållaren [m]

2t = Tjockleken på isoleringen [m]

Svahn J

61

3t = Tjockleken på ytterplåten [m]

1k = Värmeledningskoefficienten för betong [ KmW °⋅/ ]

2k = Värmeledningskoefficienten för isoleringen [ KmW °⋅/ ]

3k = Värmeledningskoefficienten för plåten [ KmW °⋅/ ]

A= Arean på taket av rötkammaren [ 2m ] toth = Totalt värmeövergångstal [ KmW °⋅2/ ]

11.1.1 Naturligkonvektion För att bestämma hur stor inverkan den naturliga konvektionen har på utsidan av rötkammaren har en kall vinterdag simulerats för att en maximal skillnad på ytans temperatur och den omgivande luften. De värden som har används vid beräkningarna är när utomhustemperaturen är – 13ºC och en vindhastighet på 1 m/s. Isoleringstjockleken är satt till 10 cm. Temperaturen på ytan av rötkammaren bestäms genom interaktiva beräkningar i Matlab. Dessa beräkningar har gjorts för att kunna bestämma hur stor inverkan den naturliga konvektionen har på värmeflödet ut ur kammaren.

Konvektionskoefficienten, h beräknas med följande formel:

NuLk

h = (Cengel Y. A.,2003)

där

k= värmeöverföringstalet för luft [ KmW °⋅/ ] L= Höjden på rötkammaren eller längden på taket [m] Nu= Nusselt talet. [-]

Nusselttalet är olika för tankens cylinderyta och dess ovansida. För sidan beräknas det enligt:

( )[ ]2

278

169

61

Pr492.01

387.0825.0

++=

RaNus (Cengel Y. A.,2003)

där

Pr = Prandtl numret (Tabellerat värde) [-] Ra = Rayleigh numret [-]

För taket är formeln:

31

1.0 RaNut = (Cengel Y. A.,2003)


62

Rayleightnumret ges av:

Ra = LGr *Pr (Cengel Y. A.,2003) där Pr = Prandtl numret

LGr = Grasshof numret som kan beräknas från ekvation:

( )2

3

νβ cs

L

LTTgGr ∞−

= (Cengel Y. A.,2003)

där

g = tyngdaccelerationen [m/s2]

sT = Temperaturen på utsidan av rötkammaren [ºK]

atmT = utomhustemperaturen [ºK]

cL = Höjden på rötkammarens yttervägg [m] ν = kinematiks viskositet [m2/s]

β = volymexpansionskoefficienten [1/ºK] Pr och ν är temperaturberoende konstanter som hämtas ur tabell. β är volymexpansionskoefficienten som bestäms av:

( ) 211

atmsave TTT +==β (Cengel Y. A.,2003)

där

sT = temperaturen på utsidan av rötkammaren [ºK]

atmT = utomhustemperaturen [ºK] Vid stora cylindrar är böjningen på cylindern så liten att den kan approximeras till en rak vägg. Detta kan göras då:

41

35

LGr

LD ≥ (Cengel Y. A.,2003)

där

D = Diametern på rötkammaren [m] L = Höjden på rötkammaren [m]

LGr = Grasshof numret [-]

Svahn J

63

Om vi antar att vi har en rötkammare med 10 m radie och 10 m höjd. Yttertemperaturen sätts till

– 13ºC, temperaturen på ytterväggen sätts till – 8ºC, viskositeten blir då s

mv2510252.1 −⋅= ,

Volymexpansionskoefficienten β bestäms av ekvation (x). Då blir LGr = 610493.1 ⋅ . Vid insättning i ekvation (D) ser man att det uppfyller värdet som gör att man approximera det med en vertikal vägg.

10Re

1.02

<< LGr (Cengel Y. A.,2003)

där

LGr = Grasshof numret [-] Re= Reynolds tal [-]

Om ekvation blir 0.1< (x) eller >10 är den påtvingade konvektion så liten att den kan bortses ifrån. Reynoldstal beräknas med ekvation:

vVLc=Re (Cengel Y. A.,2003)

där Re = Reynoldstal [-]

cL = Längden på ytan [m] V = lufthastigheten [m/s] ν = kinesmatisk viskositet för luft. [m2/s]

Reynoldstal beräknas för en vindhastighet på 1 m/s. Detta ger ett Reynoldstal på 510987.7 ⋅ . Genom att använda ekvation kan man sedan undersöka om den naturliga konvektionen har någon större inverkan på värmeflödet. När siffrorna sätts in blir sva ret 610340,2 −⋅ . Med detta resultat kan man approximera bort den naturliga konvektionens inverkan på värmeflödet.

11.1.2 Påtvingadkonvektion Den påtvingade konvektionen kan beräknas genom att man först beräknar Reynolds tal med ekvation:

vVLc=Re (Cengel Y. A.,2003)

där Re = Reynoldstal [-]

cL = Längden på ytan [m] V = Vindhastigheten [m/s]


64

ν = kinematiks viskositet för luft. [m2/s] Den kinesmatiska viskosite ten varierar med luftens temperatur och tryck. För att underlätta beräkningarna kommer luften att antas vara en ideal gas. Nusseltalet för mantel ytan bestäms med ekvation:

5/48/5

4/13/2

3/12/1

282000Re

1]Pr)/4,0(1[

PrRe62,03,0

+

++=cylNu (Cengel Y. A.,2003)

Nusseltalet för taket bestäms med ekvation:

3/18,0 PrRe037,0=takNu (Cengel Y. A.,2003) Sedan kan värmeövergångstalet h beräknas. För mantel arean:

D

kNuh Cyl= (Cengel Y. A.,2003)

För taket

LkNu

h tak= (Cengel Y. A.,2003)

Värmeflödet blir om yttemperaturen är känd:

( ) ( ) )cos(** 044 βαεσ AITTATThAQ solsatms −−+−= ∞

•

(Cengel Y. A.,2003) där

•

sQ = Värmeflödet från cylinderytan [W]

sT = temperaturen på utsidan av rötkammaren [ºK]

atmT = utomhustemperaturen [ºK]

∞T = ekvivalent utomhustemperaturen [ºK] ε = emitans för ytan [-] σ = 810*67.5 − Stefan-Boltzmann konstant [ ]42 */ KmW A = Area på utsidan av rötkammarens väggar [m2]

h = konvektionskoefficienten [ KmW °⋅2/ ] solα = absorbtans för ytan på kammaren [-]

0I = solarkonstanten [ 2/ mW ]

Svahn J

65

β = infallsvinkeln [-]

11.2 Bilaga 2 Plan-solfångare Tabell (Solfångare), placerad Apelvägen Örebro år 2005. Källa Aqua Sol Jan 2,1 kWh Feb 18,5 kWh Mars 37,5 kWh April 62,5 kWh Maj 88,6 kWh Juni 87 kWh Juli 80,9 kWh Aug 75,7 kWh Sep 54,4 kWh Okt 18,4 kWh Nov 5,3 kWh Dec 2,4 kWh Totalt 533,3 kWh


66

11.3 Bilaga 3 Tabell Värmebehov i biogasanläggningar Tabell 3.1: Direkt värmebehov i biogasanläggningar uttryckt som procent av energiinnehållet i producerad biogas och som MJ energibärare per ton substratblandning (Berglund &Börjesson 2003) Värmebehov (% av biogas)

Värmebehov (MJ/ton substratblandning) Kommentar Källa

30 (190 (8 % ts) 210 (10 % ts))i

Uppskattning av uppvärmningsbehov vid gårdsbaserad mesofil rötning av gödsel och skörderester

(Nilsson, 2000)

25 (140 (13 % ts))i Uppskattning av uppvärmningsbehovet (ingen hygienisering) utan värmeväxling vid kommande gårdsbaserad mesofil rötning av gödsel.

(Nilsson m.fl., 2001)

10 125 (13 % ts)i Uppskattning av uppvärmningsbehov vid kommande central rötning av gödsel, vallgrödor och avfall från handel, industri, hushåll etc. i Kalmar.

(Nilsson m.fl., 2001)

13 430 (35 % ts)ii Uppskattning av uppvärmningsbehovet för hushållsavfallet vid central rötning i Karpalund (mesofil)

(Börjesson, 1997; Nilsson, 1997a)

4,3 46 (16,5 % ts)iii Avser beräknat uppvärmningsbehov vid mesofil rötning (1 MW) av ensilage, gödsel och halm (ingen hygienisering, ingen värmeväxling av rötrest) minus friktionsvärme från malning och omblandning. Tillgodoräknande av friktionsvärme minskar värmebehovet med ca 40 %. Recirkulation av vätska

(Nordberg & Edström, 1997)

3,3 resp. 4,5 77 (14,2 % ts) resp. 110 (15,7 % ts)

Beräknat värmebehov vid mesofil rötning av ensilage och organiskt hushållsavfall (blandningsförhållande 80:20 respektive 50:50). Friktionsvärme från omrörning och malning tillgodoser delar av värmebehovet. Recirkulation av vätska

(Nordberg m.fl., 1997)

10 (K-stad) 10 (Laholm) 22 – 45 (L-k) 10 – 20 (U:a) 7 (H-borg)

80 (K-stad) 60 (Laholm) 50 – 90 (U:a) 100-140 (H-borg)

Sammanställning av driftsdata för biogasanläggningarna i Kristianstad, Laholm, Linköping, Uppsala och Helsingborg. Mesofil rötning utom i Uppsala (termofil). (För Linköping inkluderas oljeförbrukning fram till distribution av uppgraderad gas)

(Bjurling & Svärd, 1998)

i Dessa värden har beräknats från uppgifter om värmebehovet uttryckt i procent av biogasens energiinnehåll och biogasutbytet från aktuell substratblandning. ii Detta avser energianvändning per ton hushållsavfall som har ts-halten 35 %. Om hushållsavfallet tillförs vatten för att uppnå ts -halten 10 % blir värmebehovet 0,1/0,35*430 = 110 MJ/ton substratblandning. iii Elbehovet 1 010 kWh/dygn samt total mängd ensilage, halm, gödsel och återcirkulerad vätska 79,4 ton/dygn ? 46 MJ/ton blandning (16,5 % ts). Men total mängd ensilage, halm och gödsel 46,8 ton/dygn ? 78 MJ/ton substrat (22 % ts).

Svahn J

67

11.4 Bilaga 4 Matlab progam function Energi Volym=5000; %Rötkammarvolym T=310; %Temperatur behållare 310 eller 328 inbyggd=0, %Del som är inbyggd i industrilokal 0, 25 eller 50 procent iso=0.20; %Isolering tjocklek väggar och tak behtjock=0.3; %Tjockleken på betongen isog=0; %Isoleringstjocklek Grunden 0, 0.05 eller 0.10 meter L1=15; %höjd rötkammare Tin=293; %Temperatur inomhus L2=1; %Höjdtoppen %Värmeledningskoef kstal=1.1; %värmeledningskoef betong kiso=0.05; %värmeledningskoef isolering kplat=60.5; %värmeledningskoef Plåt kbetong=1.4; %värmeledningskoef Betong vis=1.338e-5; %viskositet luft Pr=0.7362; %Pr nr för luft k=0.02364; %värmeledningskoef luft %variabler och konstanter Gasuttot=0; Qyear=0; Qmtot=0; Qbtot=0; Qtoptot=0; Effektin=0; Minsta=3e6; i=1; l=0; Tsoil=279; %Temperatur mark Qopt=-9999999999999; SB=5.67e-8; % Stefan Boltzmann konstant E=0.9; %emittans ABSR=0.8; %Absoption av solstrålning Qjan=0; Qfeb=0; Qmars=0; Qapril=0; Qmaj=0; Qjuni=0; Qjuli=0; Qaug=0; Qsep=0; Qokt=0; Qnov=0; Qdec=0; % kompisar som söker efter fel Kalle=1; Bengt=1; Martin=1; Gunnar=1; Kort=9999999999999; Isoleringgrunden=isog, Isoleringvägg=iso, for z=1:1:31 % januari for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=2.7*cos(x)+269.15; % Beräknar temperaturen i timmen if z<=19


68

S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>19 & z<=27 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>27 & z<=29 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>29 S(i)=3; Sol(i)=450; end R=rand(1); %slumpar fram vindhastigheten if R >0.6 vind=0.5; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=32:1:59 %februari for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=3.15*cos(x)+269.20; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=46 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>46 & z<=55 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>55 & z<=57 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>57 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=60:1:90 %Mars for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=4.1*cos(x)+272.45; R = rand(1); if R >0.6

Svahn J

69

vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=75 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>75 & z<=85 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>85 & z<=87 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>87 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=91:1:120 %April for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=5.25*cos(x)+277.60; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=101 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>101 & z<=115 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>115 & z<=118 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>118 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=121:1:151 %Maj for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=5.75*cos(x)+284.1; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5;


70

elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=129 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>129 & z<=143 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>143 & z<=147 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>147 S(i)=3; Sol(i)=900; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=152:1:181 %Juni for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=5.75*cos(x)+288.6; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=159 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>159 & z<=172 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>172 & z<=177 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>177 S(i)=3; Sol(i)=900; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=182:1:212 %Juli for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=5.6*cos(x)+291.25; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75;

Svahn J

71

else vind=12; end if z<=189 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>189 & z<=205 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>205 & z<=209 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>209 S(i)=3; Sol(i)=900; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=213:1:243 %Augusti for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=4.95*cos(x)+289.9; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=222 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>222 & z<=238 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>238 & z<=241 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>241 S(i)=3; Sol(i)=900; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=244:1:273 %September for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=3.9*cos(x)+285.05; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=253


72

S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>253 & z<=268 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>268 & z<=271 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>271 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=274:1:304 %Oktober for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=3.15*cos(x)+279.6; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=288 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>288 & z<=300 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>300 & z<=302 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>302 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=305:1:334 %November for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=2.1*cos(x)+275.15; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=324 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>324 & z<=332 S(i)=2; %Moln

Svahn J

73

Sol(i)=0; elseif z>332 & z<=333 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>333 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end for z=335:1:365 %December for x=((2*pi)/24):((2*pi)/24):2*pi temp=2.3*cos(x)+272.25; R = rand(1); if R >0.6 vind=1; elseif R <= 0.6 & R > 0.36; vind=2.5; elseif R <= 0.36 & R > 0.2; vind=4.5; elseif R <= 0.2 & R > 0.1; vind=6.75; else vind=12; end if z<=354 S(i)=1; %Mulet Sol(i)=0; elseif z>354 & z<=363 S(i)=2; %Moln Sol(i)=0; elseif z>363 & z<=364 S(i)=3; %Klart Sol(i)=0; elseif z>364 S(i)=3; Sol(i)=450; end B(i)=temp; V(i)=vind; i=i+1; end end %for iso=0.15:0.01:0.35 %Testar olika höjder for i=1:1:8760 Tsur=B(i);%Utomhustemp v=V(i);%Vindhastighet %beräknar den ekvivalent utomhus temperaturen if S(i)==1 Tmsv=Tsur; elseif S(i)==2 Tmsv=(((Tsur-273.15)+(1.1*(Tsur-273.15)-5))/2+273.15); elseif S(i)==3 Tmsv=1.1*(Tsur-273.15)-5+273.15; end r=sqrt(Volym/(pi*L1)); %Beräknar radien am=2*pi*r*L1; %mantel area Re=(v*2*r)/vis; %Beräknar Reynoldstal för väggen Nucyl=0.3+((0.62*Re^(1/2)*Pr^(1/3))/((1+(0.4/Pr^(2/3)))^(1/4)))*(1+(Re/282000)^(5/8))^(4/5);%Beräknar Nusseltalet för väggen


74

hcyl=(Nucyl*k)/(2*r); %Beräknar värmeövergångstalet förmantel %Beräkna värmeresistans för manteln Rstal=log((r+behtjock)/r)/(2*pi*L1*kstal); % för betong Riso=log((r+iso+behtjock)/(r+behtjock))/(2*pi*L1*kiso); % värmeresistans isolering Rplat=log((r+iso+behtjock+0.004)/(r+iso+behtjock))/(2*pi*L1*kplat); %plåt Rconv=1/(hcyl*(2*(r+iso+behtjock))*pi*L1); %konvektion Rtot=Rstal+Riso+Rplat; % Värmeförlust mantelarea sun=Sol(i)*ABSR*sin(pi/4); %Beränar Solstrålnings effekten hin=15; % Antar värme övergångstal för insidan i lokal Test=0; Prov=Tsur; utsidan=Tsur; % Beräknar temperaturen på utsidan av manteln while utsidan<Prov+30 %Gissar temperatur Skillnad=abs((((T-utsidan)/Rtot)/am)-E*SB*(utsidan^4-Tmsv^4)-(hcyl*(utsidan-Tsur))); if Skillnad <2 Ty=utsidan; Tsur; utsidan=1000; Skillnad; Test=1; end utsidan=utsidan+0.5; end if Test==0 utsidan=Tsur-5; while utsidan<Prov+70 Skillnad=abs((((T-utsidan)/Rtot)/am)-E*SB*(utsidan^4-Tmsv^4)-(hcyl*(utsidan-Tsur))); if Skillnad <6 Ty=utsidan; utsidan=1000; Skillnad; Test=1; end utsidan=utsidan+0.05; end end if Test==0 Bengt=Bengt+1; Tsur; sun; end % Beräknar temperaturen för den sida som har solstrålning if sun>0 Test2=0; Prov=Tsur; utsidan=Tsur-2; while utsidan<Prov+30 Skillnad=abs((((T-utsidan)/Rtot)/am)+sun-E*SB*(utsidan^4-Tmsv^4)-(hcyl*(utsidan-Tsur))); if Skillnad <2 Tsol=utsidan; Tsur; utsidan=1000; Skillnad; Test2=1; end utsidan=utsidan+0.5; end if Test2==0 utsidan=Tsur-5;

Svahn J

75

while utsidan<Prov+70 Skillnad=abs((((T-utsidan)/Rtot)/am)+sun-E*SB*(utsidan^4-Tmsv^4)-(hcyl*(utsidan-Tsur))); if Skillnad <6 Tsol=utsidan; utsidan=1000; Skillnad; Test2=1; end utsidan=utsidan+0.05; end end if Test2==0 Kalle=Kalle+1; Tsur; sun; end end %Beräknar temperaturen på ytan av mantel som är inbyggd i lokal if inbyggd>0 Test3=0; insidan=Tin; miffo=Tin; while insidan<miffo+30 Skillnad=abs((((T-insidan)/Rtot)/am)-E*SB*(insidan^4-Tin^4)-(hin*(insidan-Tin))); if Skillnad <2 Ti=insidan; Ti; insidan=1000; Skillnad; Test3=1; end insidan=insidan+0.5; end if Test3==0 insidan=Tin-5; while insidan<miffo+70 Skillnad=abs((((T-insidan)/Rtot)/am)-E*SB*(insidan^4-Tin^4)-(hin*(insidan-Tin))); if Skillnad <6 Ti=insidan; insidan=1000; Skillnad; Test3=1; end insidan=insidan+0.05; end end if Test3==0 Matrin=Martin+1; end end % Beräkanar energiförlust genom mantel om 25 procent är inbyggd i lokal if inbyggd==25 Qin=((T-Ti)/Rtot)*(1/4); if sun>0 Qm2=((T-Ty)/Rtot)*0.5*(3/4); Qm3=((T-Tsol)/Rtot)*0.5*(3/4); Qm1=Qm2+Qm3; elseif sun==0 Qm1=((T-Ty)/Rtot)*(3/4); end % Beräkanar energiförlust genom mantel om 50 procent är inbyggd i lokal


76

elseif inbyggd==50 Qin=((T-Tin)/Rtot)*(1/2); if sun>0 Qm2=((T-Ty)/Rtot)*0.5*(1/2); Qm3=((T-Tsol)/Rtot)*0.5*(1/2); Qm1=Qm2+Qm3; elseif sun==0 Qm1=((T-Ty)/Rtot)*(1/2); end % Beräkanar energiförlust genom mantel om 0 procent är inbyggd i lokal elseif inbyggd==0 if sun>0 Qm2=((T-Ty)/Rtot)*0.5; Qm3=((T-Tsol)/Rtot)*0.5; Qm1=Qm2+Qm3; Qin=0; elseif sun==0 Qm1=((T-Ty)/Rtot); Qin=0; end end Qm=-Qm1; wm=(Qm/am); %Beräknar energi förlust genom Botten ab=pi*r^2; if T==310 if isog==0.1 wb=-Tsur*0.05+24.5; wi=-Tin*0.05+24.5; elseif isog==0.05 wb=5e-4*Tsur^2-0.35*Tsur+72.875; wi=5e-4*Tin^2-0.35*Tin+72.875; elseif isog==0 wb=-Tsur*0.1075+51.5; wi=-Tin*0.1075+51.5; end end if T==328 if isog==0.1 wb=-Tsur*0.14+72.875; wi=-Tin*0.14+72.875; elseif isog==0.05 wb=-0.07875*Tsur+43.8125; wi=-0.07875*Tin+43.8125; elseif isog==0 wb=-Tsur*0.055+31.7; wi=-Tin*0.055+31.7; end end if inbyggd==50 ah=ab/2; Qb=-ah*wb-ah*wi; elseif inbyggd==25 Qb=-(ab/4)*wi-3*(ab/4)*wb; elseif inbyggd==0 Qb=-ab*wb; end %Beräkar energiförlust genom Toppen atop=pi*r*sqrt(r^2+L2^2); vtak=v; Retak=(vtak*2*r)/vis; Nutak=(0.037*Retak^0.8*Pr^(1/3)); htak=(Nutak*k)/(2*r); Rstaltop=behtjock/(kstal);

Svahn J

77

Risotop=iso/(kiso); Rplattop=0.004/(kplat); Rconvtop=1/(htak); Rtottop=(Rstaltop+Risotop+Rplattop); % Beräknar ekvivalent uthomhustemperatur för toppen if S(i)==1 Tms=Tsur; elseif S(i)==2 Tms=(((Tsur-273.15)+(1.2*(Tsur-273.15)-14))/2+273.15); elseif S(i)==3 Tms=1.2*(Tsur-273.15)-14+273.15; end hgas=25; Taket=0; % Gissar temperaturen på utsidan på taket if T==310 Tg=306; if iso>0.25 Tg=308; end end if T==328 Tg=324; if iso>0.25 Tg=326; end end Takgas=-5e500; % Beräkanr temperaturen på utsidan av toppen while Takgas<0 Tu=Tg-(Rtottop)*(hgas*(T-Tg)+ABSR*E*SB*(T^4-Tg^4)); Takgas=-sun+htak*(Tu-Tsur)+E*SB*(Tu^4-Tms^4)-((Tg-Tu)/(Rtottop)); Tg=Tg+0.1; end Tg=Tg-0.1; Takgas=-1; while Takgas<0 Tu=Tg-(Rtottop)*(hgas*(T-Tg)+ABSR*E*SB*(T^4-Tg^4)); Takgas=-sun+htak*(Tu-Tsur)+E*SB*(Tu^4-Tms^4)-((Tg-Tu)/(Rtottop)); Tg=Tg+0.01; end Tg=Tg-0.02; Takgas=-1; while Takgas<0 Tu=Tg-(Rtottop)*(hgas*(T-Tg)+ABSR*E*SB*(T^4-Tg^4)); Takgas=-sun+htak*(Tu-Tsur)+E*SB*(Tu^4-Tms^4)-((Tg-Tu)/(Rtottop)); Tg=Tg+0.001; end Tg=Tg-0.002; Takgas=-1; while Takgas<0 Tu=Tg-(Rtottop)*(hgas*(T-Tg)+ABSR*E*SB*(T^4-Tg^4)); Takgas=-sun+htak*(Tu-Tsur)+E*SB*(Tu^4-Tms^4)-((Tg-Tu)/(Rtottop)); Tg=Tg+0.0001; end Tg=Tg-0.0002; Takgas=-1; while Takgas<0


78

Tu=Tg-(Rtottop)*(hgas*(T-Tg)+ABSR*E*SB*(T^4-Tg^4)); Takgas=-sun+htak*(Tu-Tsur)+E*SB*(Tu^4-Tms^4)-((Tg-Tu)/(Rtottop)); Ts=Tg; Tg=Tg+0.00001; Taket=1; end if Taket==0 Gunnar=Gunnar+1; Ts=Tg; end % Beräknar energi förlust genom taket Qtop=-ab*(1/((1/E)+(1/E)-1))*SB*(T^4-Ts^4); Gasut=atop*hgas*(T-Ts); %Beräknar den energiförlusten för hela rötkammaren Gasuttot=Gasuttot+Gasut; Qtot=Qm+Qb+Qtop; Qmtot=Qmtot+Qm; Qbtot=Qbtot+Qb; Qtoptot=Qtoptot+Qtop; Qyear=Qyear+Qtot; Effektin=Effektin+Qin; if i<=744 Qjan=Qtot+Qjan; elseif i>744 & i<=1416 Qfeb=Qtot+Qfeb; elseif i>1416 & i<=2160 Qmars=Qtot+Qmars; elseif i>2160 & i<=2880 Qapril=Qtot+Qapril; elseif i>2880 & i<=3624 Qmaj=Qtot+Qmaj; elseif i>3624 & i<=4344 Qjuni=Qtot+Qjuni; elseif i>4344 & i<=5088 Qjuli=Qtot+Qjuli; elseif i>5088 & i<=5832 Qaug=Qtot+Qaug; elseif i>5832 & i<=6552 Qsep=Qtot+Qsep; elseif i>6552 & i<=7296 Qokt=Qtot+Qokt; elseif i>7296 & i<=8016 Qnov=Qtot+Qnov; elseif i>8016 & i<=8760 Qdec=Qtot+Qdec; end if -Qtot<Minsta Minsta=-Qtot; hour=i; end %end %plot(Tsur,htak); %Hold on; %Qyear=0; end

Svahn J

79

perm3=-(Qyear)/Volym, Procentmantel=Qmtot/Qyear; Procenttak=Qtoptot/Qyear; Procentbotten=Qbtot/Qyear; Qyear=Qyear/(1000*1000); l=l+1; Effektin=Effektin/(1000*1000); G(l)=-Qyear; Q(l)=iso; r, Minsta, hour, Qmtot, Procentmantel, Qbtot, Procentbotten, Qtoptot, Procenttak, Gasuttot, Qyear, Gasuttot=0; Qyear=0; Qmtot=0; Qbtot=0; Qtoptot=0; Effektin, %Effektin=0; %end hold on; %plot(Q,G); Kalle, Bengt, Martin, Gunnar, Kostnad=-(Qyear*1000)*0.6; iso, inbyggd, Effektin, Qyear, Kostnad; m=[(Qjan/31)/1000,(Qfeb/28)/1000,(Qmars/31)/1000,(Qapril/30)/1000,(Qmaj/31)/1000,(Qjuni/30)/1000,(Qjuli/31)/1000,(Qaug/31)/1000,(Qsep/30)/1000,(Qokt/31)/1000,(Qnov/30)/1000,(Qdec/31)/1000] plot(m);

energioptimering av biogasproduktion - umu.se · pdf fileviak ab, avfallsteknik i ... the...

Documents