Advanced

The potential of industrial hemp (Cannabis sativa L.) for biogas production

Kreuger, Emma LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Transportsektorn står för 63% av Sveriges använding av kol, olja och gas. Biobränslen som etanol, biodiesel och biogas står bara för 6.8% av energin som används för nationella transporter, biogas står för 12% av detta. Ökad produktion av biobränslen för transproter behöver inte betyda minskad produktion av jordbruks- och skogsråvaror för annat. Dels kan restprodukter användas i ökad omfattning och dels finns det omfattande arealer jordbruksmark runt om i världen som inte används. I Sverige är 177 000 ha eller 7% av åkermarken avställd (2010).

Vilka grödor är då lämpliga som energigrödor? Hur mycket energi man får ut per hektar och hur mycket energi som går åt för produktionen är kanske... (More)
Popular Abstract in Swedish

Transportsektorn står för 63% av Sveriges använding av kol, olja och gas. Biobränslen som etanol, biodiesel och biogas står bara för 6.8% av energin som används för nationella transporter, biogas står för 12% av detta. Ökad produktion av biobränslen för transproter behöver inte betyda minskad produktion av jordbruks- och skogsråvaror för annat. Dels kan restprodukter användas i ökad omfattning och dels finns det omfattande arealer jordbruksmark runt om i världen som inte används. I Sverige är 177 000 ha eller 7% av åkermarken avställd (2010).

Vilka grödor är då lämpliga som energigrödor? Hur mycket energi man får ut per hektar och hur mycket energi som går åt för produktionen är kanske de första avgörande faktorerna man tänker på. Effekten på växthusgasutsläpp har också diskuterats intensivt de senaste åren. Men, det finns även andra faktorer som är viktiga för hållbar odling, nämligen grödornas effekt på jorden och omgivningen. För en låg påverkan av sjukdomar hos grödor bör man år till år växla vilka grödor man odlar på samma plats. Vid val av energigrödor är det därför fördelaktigt att använda andra grödor än livsmedelsgrödor, då kan de användas som avbrottsgrödor mellan livsmedelsgrödor. För produktion av fordonsbränslen är tyvärr vete, Triticale och raps de mest använda grödorna i Sverige idag, vilka alla är vanliga livsmedels- och fodergrödor. Vete och Triticale för etanol, raps för biodiesel.

Vi har studerat möjligheten att använda en fibersort av industrihampa (Cannabis sativa L.) som energigröda för produktion av biogas. Hampa odlades och användes tidigare för fiberproduktion i Sverige men var länge förbjuden på grund av innehållet av drogen Δ9-tetrahydrocannabinol (THC). Nu finns det varianter med mycket låga THC halter som är tillåtna att odla och hampan har blivit en återupptäckt gröda.

Hampan ger hög avkastning av biomassa per hektar. Den blir över två meter hög och formar ett tätt lövverk vilket kväver de flesta ogräs. Den kan framgångsrikt odlas utan kemiska bekämpningsmedel och är lovande som avbrottsgröda i växtföljder.

Vi har utvärderat vilken tid det är lämpligt att skörda hampa för biogasproduktion och hur mycket biogas den ger. Vi fann att september och början av oktober ger högst utbyte biogas per hektar. Biogasutbytet per kilo hampa (jämfört på torrbasis) var inte högt, men eftersom hela plantan används och biomasseutbytet per hektar var relativt högt blev utbytet av fordonsbränsle per hektar högre än exempelvis vid produktion av etanol från vete och biodiesel från raps.

Förbehandling med syrakatalyserad ångbehandling ökade utbytet lite. Samproduktion av etanol och biogas gav ytterligare lite högre utbyte av fordonsbränslen än ren biogasproduktion. Vi testade också att kombinera förbehandling och tillsatts av cellulosanedbrytande enzymer före biogasproduktionen. Dessa enzymer använder man vid etanolproduktion från cellulosa. Enzymtillsattsen gav inte några tydliga fördelar, vi fick lika mycket biogas på ungefär samma tid med och utan enzymtillsatts.

Är det då ekonomiskt möjligt att använda hampa som biogasråvara? Vi gjorde en ekonomisk analys för några olika varianter av biogasproduktion och kombinerad biogas och etanolproduktion i en stor anläggning, med hampa från ca 5% av Skånes jordbruksmark. Utbytet av biogas eller biogas och etanol motsvarade hälften av energin i hampan. Genom kraftvärmeproduktion från resterna kunde anläggningen bli helt självförsörjande på energi och dessutom kunde ytterligare upp till en tredjedel av energin i hampan säljas som el och värme. Ekonomiskt spelade det ingen större roll om man bara hackade hampan grovt eller förbehandlade den med ånga och syra före biogasproduktion, eller om man producerade etanol från en del av materialet alternativt använde allt för biogasproduktion. Men, trots hög energieffektivitet, var ingen av de studerade processkombinationerna ekonomiskt lönsamma. Produktion och transport av hampan stod för upp till två tredjedelar av den totala kostnaden. För att få lönsamhet idag skulle den totala kostnaden behöva minska med en tredjedel, eller så skulle priset för uppgraderad biogas till producenten behöva öka med åtminstone 3,6 kr/m3. (Less)
Abstract
Biofuels are currently produced from agricultural crops, and an increasing use of crops for this application is expected in the EU in the years to come. The dominating crops cultivated in the EU for biofuel production today have a relatively large environmental impact. The European Energy Agency has identified several lignocellulosic crops, including industrial hemp, as more sustainable potential alternatives. However, the biofuel yield from industrial hemp was largely unexplored before the work presented in this thesis was initiated. In this thesis work, the focus was on the potential of using hemp for methane production through anaerobic digestion.

The biomass yield per hectare and the specific methane yield were determined at... (More)
Biofuels are currently produced from agricultural crops, and an increasing use of crops for this application is expected in the EU in the years to come. The dominating crops cultivated in the EU for biofuel production today have a relatively large environmental impact. The European Energy Agency has identified several lignocellulosic crops, including industrial hemp, as more sustainable potential alternatives. However, the biofuel yield from industrial hemp was largely unexplored before the work presented in this thesis was initiated. In this thesis work, the focus was on the potential of using hemp for methane production through anaerobic digestion.

The biomass yield per hectare and the specific methane yield were determined at four different hemp harvest times. The specific methane yield did not change with harvest time, the average yield was 234 ± 35 m3/t volatile solids. The most suitable harvest time was therefore at the time of highest biomass yield, in this study found in the beginning of September to the beginning of October. The biomass energy yield was 186 GJ/ha and the methane energy yield 88 GJ/ha. The effect of storing hemp as silage on the methane yield was investigated. It was found that ensiling conserved the energy efficiently as the same methane yield was achieved before and after more than 3 months storage. It was shown that the methane yield of ensiled crops could easily be overestimated when the dry matter was measured with a standard method. The standard method does not include correction for volatile organic compounds formed during ensiling and lost by evaporation during dry matter determination. A previously developed method for correcting dry matter was demonstrated to be useful in avoiding this error.

The effect of chopping, grinding and using acid-catalysed steam pretreatment prior to methane production from hemp, and the effect of combining ethanol and methane production were investigated and compared to methane or ethanol production alone. Methane production or co-production of ethanol and methane gave twice the biofuel yield of ethanol production alone. The use of steam pretreatment gave a similar methane yield to that from ground hemp, but higher than that from chopped hemp. Addition of external cellulolytic enzymes in a separate hydrolysis step after steam pretreatment, prior methane production, did not give a higher methane yield, than direct anaerobic digestion after steam pretreatment. The experimental data on production of these biofuels was combined with heat and power production in techno-economical modelling of a large-scale plant. Methane production or co-production of ethanol and methane production together with combined heat and power production showed high energy efficiencies and similar economic performance. Chopped and steam-pretreated hemp performed similarly economically in biogas production when combined with heat and power production. The co-production of methane, heat and power satisfied the energy requirements of the process and yielded a surplus of sellable products such as methane, electricity and district heating corresponding to 71–75% of the energy of the biomass. Despite high energy efficiencies none of the processes analysed would be economically viable today. The cost of the feedstock accounted for more than half of the total process cost. For the co-production of biogas, heat and power to be economically viable, the total cost would have to be reduced by one third. Alternatively, the methane sale price would have to increase by more than 50% to 3.6 SEK/m3. The yields of methane and ethanol were found to influence the process economy considerably. The production of electricity and heat had a significant influence on the energy efficiency but less on the process economy. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gronauer, Andreas, Institute of Agricultural Engineering, Department of Sustainable Agricultural Systems, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
biogas, anaerobic digestion, bioenergy, Cannabis sativa L., hemp, energy crops, biofuel, methane, transportation fuel, renewable energy
pages
128 pages
publisher
Biotechnology, Lund University
defense location
Room KC:B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2012-08-31 13:30
ISBN
978-91-89627-84-0
language
English
LU publication?
yes
id
bb67d5f2-8b56-49b4-a955-b6a318fd3186 (old id 2856430)
date added to LUP
2012-07-02 10:58:12
date last changed
2016-09-19 08:45:02
@misc{bb67d5f2-8b56-49b4-a955-b6a318fd3186,
  abstract     = {Biofuels are currently produced from agricultural crops, and an increasing use of crops for this application is expected in the EU in the years to come. The dominating crops cultivated in the EU for biofuel production today have a relatively large environmental impact. The European Energy Agency has identified several lignocellulosic crops, including industrial hemp, as more sustainable potential alternatives. However, the biofuel yield from industrial hemp was largely unexplored before the work presented in this thesis was initiated. In this thesis work, the focus was on the potential of using hemp for methane production through anaerobic digestion.<br/><br>
The biomass yield per hectare and the specific methane yield were determined at four different hemp harvest times. The specific methane yield did not change with harvest time, the average yield was 234 ± 35 m3/t volatile solids. The most suitable harvest time was therefore at the time of highest biomass yield, in this study found in the beginning of September to the beginning of October. The biomass energy yield was 186 GJ/ha and the methane energy yield 88 GJ/ha. The effect of storing hemp as silage on the methane yield was investigated. It was found that ensiling conserved the energy efficiently as the same methane yield was achieved before and after more than 3 months storage. It was shown that the methane yield of ensiled crops could easily be overestimated when the dry matter was measured with a standard method. The standard method does not include correction for volatile organic compounds formed during ensiling and lost by evaporation during dry matter determination. A previously developed method for correcting dry matter was demonstrated to be useful in avoiding this error.<br/><br>
The effect of chopping, grinding and using acid-catalysed steam pretreatment prior to methane production from hemp, and the effect of combining ethanol and methane production were investigated and compared to methane or ethanol production alone. Methane production or co-production of ethanol and methane gave twice the biofuel yield of ethanol production alone. The use of steam pretreatment gave a similar methane yield to that from ground hemp, but higher than that from chopped hemp. Addition of external cellulolytic enzymes in a separate hydrolysis step after steam pretreatment, prior methane production, did not give a higher methane yield, than direct anaerobic digestion after steam pretreatment. The experimental data on production of these biofuels was combined with heat and power production in techno-economical modelling of a large-scale plant. Methane production or co-production of ethanol and methane production together with combined heat and power production showed high energy efficiencies and similar economic performance. Chopped and steam-pretreated hemp performed similarly economically in biogas production when combined with heat and power production. The co-production of methane, heat and power satisfied the energy requirements of the process and yielded a surplus of sellable products such as methane, electricity and district heating corresponding to 71–75% of the energy of the biomass. Despite high energy efficiencies none of the processes analysed would be economically viable today. The cost of the feedstock accounted for more than half of the total process cost. For the co-production of biogas, heat and power to be economically viable, the total cost would have to be reduced by one third. Alternatively, the methane sale price would have to increase by more than 50% to 3.6 SEK/m3. The yields of methane and ethanol were found to influence the process economy considerably. The production of electricity and heat had a significant influence on the energy efficiency but less on the process economy.},
  author       = {Kreuger, Emma},
  isbn         = {978-91-89627-84-0},
  keyword      = {biogas,anaerobic digestion,bioenergy,Cannabis sativa L.,hemp,energy crops,biofuel,methane,transportation fuel,renewable energy},
  language     = {eng},
  pages        = {128},
  publisher    = {ARRAY(0xbddf4a0)},
  title        = {The potential of industrial hemp (Cannabis sativa L.) for biogas production},
  year         = {2012},
}