Vurdering av produksjonsanlegg for biogass ved Orklas virksomheter i Rygge med fokus på valg av reaktorteknologi samt avfallets karakteristikker og metanpotensial

Abstract

Anaerob nedbrytning har lenge vært forbundet med stabilisering av organisk avfall, men i jakten på fornybar energi har teknologien fått en stadig større interesse i produksjonsanlegg for biogass. I en tid med høy befolkningsvekst og minkende fosforlagre har også teknologien potensialet til å gjenvinne viktige plantenæringsstoffer tilbake til jorda. Det finnes også biogassanlegg spesifikt bygget for kraftproduksjon ved bruk av energivekster som substrat, men høye kostnader knyttet til energivekster har gjort kraftproduksjonen av biogass dyr. For Orklas virksomheter i Rygge vil imidlertid anskaffelsen av substrat representere en kostnadsbesparelse, ettersom avfallet deres behandles eksternt til en årlig kostnad på 0,5-1,0 MNOK. Hvis avfallet har et høyt metanpotensial, vil en intern avfallsbehandling i et biogassanlegg kunne være et kostnadseffektivt alternativ.

Gjennom BMP-tester («bio-methane potential») av avfallet ble det avdekket svært ulike karakteristikker mellom avfallet fra produksjonslokalene. Mens grønnsaksavfallet (hodekål og rødbeter) fra Nora ga et tørrstoffinnhold på 4,7-14,7% og et metanpotensial på 192 – 256 ml CH4/g VS, ga Idun-avfallet (miks av sauser) et tørrstoffinnhold og metanpotensial på hhv. 19,6% og 568 ml CH4/g VS. Dette betyr at 900 tonn avfall fra Idun kan potensielt omdannes til ca. 97 000 Nm3 metangass, mens tilsvarende avfallsmengde fra Nora vil kunne gi ca. 12 000 - 22 000 Nm3 metangass. Litteraturstudiet avdekte at når frukt- og grønnsaksavfall (FVW) brytes ned anaerobt, skjer det en rask syredannelse. Dette kan medføre en overvekt av flyktige fettsyrer som kan inhibere metanogenene. Fenomenet skyldes FVW innhold av hovedsakelig karbohydrater. Nora opplever at deres avløpsvann forsures i løpet av et todagers opphold i buffertanker. Ettersom avløpsvannet deres består av vaskevann fra grønnsaker med høyt innhold av karbohydrater, kan det tenkes at årsaken skyldes det nevnte fenomenet. Problemer knyttet til forsuring av prosessen kan imidlertid forhindres ved å separere metanogenesen fra acetogenesen i et kontinuerlig fler-stegs-system. Det kan derfor se ut som avfallet fra Nora ser ut til å favorisere en slik løsning, mens Idun-avfallet, med sitt høye tørrstoff- og fettinnhold, vil muligens egne seg bedre i en plug-flow-reaktor. En kartlegging av den totale avfallssammensetningen er derfor viktig for å kunne si noe om forventet produsert energi i et potensielt biogassanlegg.

Imidlertid ble det antatt at 92% av den årlige avfallsmengden på 900 tonn genereres på Idun, basert på tømmefrekvens til Noras avfallskontainer. Gassmengden produsert i BMP-testen ble så oppskalert til et anlegg bestående av en CSTR-reaktor og mikroturbin. Dette tatt i betraktning, sammen med en rekke andre antakelser (bl.a drifts- og investeringskostnader), ble det funnet at et biogassanlegg kan redusere kostnadene med 300 000NOK/år sammenlignet med dagens avfallshåndtering.

Anaerobic decomposition has long been associated with the stabilization of organic waste, but in the pursuit of renewable energy, the technology has gained an increasing interest in biogas production facilities. In a time of high population growth and decreasing phosphorus stocks, the technology also has the potential to recycle important plant nutrients back to earth. There are also biogas plants specifically built for power generation using energy crops as substrates, but high costs associated with energy crops have made the power production of biogas expensive. However, for Orkla's businesses in Rygge, the collecting of feedstock will represent a cost saving, as their waste is treated externally at an annual cost of 0.5-1.0 MNOK. If the waste has a high methane potential, an internal waste treatment in a biogas plant could be a cost-effective alternative.

The BMP ("bio-methane potential") test of the waste revealed very distinctive characteristics between the waste from the production facilities. While Nora's vegetable waste (chicken bowl and beetroot) gave a solids content of 4.7-14.7% and a methane potential of 192 - 256 ml CH4 / g VS, the Idun waste (mix of sauces) gave a dry matter and methane potential on respectively. 19.6% and 568 ml CH4 / g VS. This means that 900 tons of waste from Idun can potentially be converted into approx. 97 000 Nm3 methane gas, whereas the corresponding amount of waste from Nora could give approx. 12,000 - 22,000 Nm3 methane gas. The literature study revealed that when fruit and vegetable waste (FVW) is broken anaerobically, a rapid acid formation occurs. This may result in an overweight of volatile fatty acids that can inhibit the methanogens. The phenomenon is due to FVW content of mainly carbohydrates. Nora experiences that their wastewater is soured during a two-day stay in buffer tanks. Because their wastewater consists of water from vegetables with high carbohydrates, it may be thought that the cause is due to the phenomenon mentioned. However, problems associated with acidification of the process can be prevented by separating the methanogenesis from acetogenesis in a continuous multi-stage system. It may therefore appear that Nora's waste seems to favor such a solution, while the Idun waste, with its high solids and fat content, may possibly be better in a plug-flow reactor. A survey of the total waste composition is therefore important to say something about expected produced energy in a potential biogas plant.

However, it was assumed that 92% of the annual waste volume of 900 tons is generated on Idun, based on the discharge frequency of Nora's waste containers. The amount of gas produced in the BMP test was then scaled up to a plant consisting of a CSTR reactor and microturbine. Considering this, along with several other assumptions (operating and investment costs, amongst other things), it was found that a biogas plant could reduce costs by 300,000NOK / year compared with today's waste management.