Förutsättningar för energiutvinning ur avfall med geoenergisystem

Abstract (Swedish)

Människan har genom alla tider givit upphov till avfall. I takt med att utvecklingen fortskridit har även mängden avfall ökat vilket ställt krav på en effektiv avfallshantering. Deponering och kompostering är några av de metoder som används för omhändertagandet av avfall där mängden organiskt avfall som deponeras har minskat till följd av de förbud som införts. Mängden organiskt material som omhändertas via kompostering kan därav komma att öka. Organiskt material genomgår en nedbrytning som involverar både biologiska och kemiska processer vilka ger upphov till att bland annat lakvatten, metan, koldioxid och värme bildas. Det har under en längre tid varit känt att det sker en temperatur- och värmeutveckling i deponier och komposthögar men inte i vilken utsträckning. Tanken på att använda deponier och komposthögar som en alternativ energikälla har under senare tid utvecklats. I detta examensarbete redogörs förutsättningarna för utvinning av denna energi med hjälp av en litteraturstudie, fältstudie och en modell. Utifrån litteraturstudien framkommer det att det sker en temperatur- och värmeutveckling i deponier och komposthögar med temperaturer mellan 35℃ och 70℃ respektive 25℃ och 78℃. Vertikala system för deponier anses vara mest lämpade för äldre nedlagda deponier i Sverige, med en möjlig värmeutveckling på ungefär 72,4 MJ/m3, på grund av avsaknaden av organiskt material i framtida deponier. Nuvarande deponier som innehar ett uppsamlingssystem för deponigas kan erhålla en optimerad gasproduktion genom utvinning av värme. System som innefattar spiralformade slangar som cirkulerar en värmebärare inuti komposthögar och system som fångar den uppvärmda luften samt vattenångan som avgår från komposthögar anses vara effektiva för utvinning av värme. Dessa system har under försök givit upphov till värmeeffekter på 11,9 kW respektive 9,8 kW. I en fältstudie testades värmeutvinning ur en komposthög på Rönneholms avfallsanläggning. I studien placerades en slang underst varpå en värmebärare cirkulerade för att transportera den uppkomna värmen. Denna placering visades inte medföra en värmeeffekt motsvarande den som uppgivits i litteraturen. Värmeeffekten uppgick i medel till 351 W. Med hjälp av temperaturmätningar under fältstudien validerades en enklare modell som utvecklats med hjälp av simulerings- och beräkningsprogrammet COMSOL Multiphysics. Modellen simulerade en temperaturutveckling som stämde väl överens med den uppmätta temperaturen förutom för förhöjda temperaturer som uppkommit under komposthögens tidigare stadie. Genom detta examensarbete har det uppdagats att det finns en stor möjlighet för energiutvinning ur avfall och att denna kan ses som en alternativ förnybar energikälla.

Abstract

Through time, mankind have given rise to waste. Along with the evolvement of technology the amount of waste has steadily increased which in turn have put high demands on waste management. Landfills and composts are some of the methods used for treatment of waste where the amount of organic waste that is being landfilled has decreased due to restrictions. The amount of organic waste that is being treated through compost may thus increase. Organic material goes through a decomposition that involves both biological and chemical processes which give rise to the forming of leachate, methane, carbon dioxide and heat. It has been known under a longer period that there is a temperature and heat generation taking place in both landfills and composts, but not to what extent. The thought of using landfills and composts as an alternative source of energy has now been raised. In this thesis the conditions for recovering that energy is described with the help of a literature study, field study and a computer model. The literature study has brought forth the temperature and heat generation in landfills and composts. Temperatures between 35℃ and 70℃ have been measured in landfills and between 25℃ and 78℃ have been measured in composts. Vertical systems for heat recovery is the most suitable system for old landfills in Sweden, with heat generations up to 72,4 MJ/m3, due to the lack of organic waste in landfills that are to be constructed. Landfills that have a collection system for gas can optimise this production with the help of heat extraction. Systems that use slinky shaped tubes for circulating a heat carrier inside composts and systems that captures the heat from the composts in the form of warm air and vapor is considered to be effective. These systems have given rise to heat generation rates in the range of 11,9 kW to 9,8 kW, respectively. In the field study heat recovery is performed for a compost at the waste management facility in Rönneholm. A tube was placed under a compost pile whereupon a heat carrier was circulated to recover the generated heat. The results showed that the placement of the tube did not result in similar numbers of heat generation rates as claimed in the literature. The heat generation rate was found to be 351 W, in average. With the help of measurements done under the field study for the temperature of the compost a simplified computer model was validated. The model was developed with COMSOL Multiphysics, a simulating and calculations software. The temperature was simulated and was seen to agree well with the measurements from the field study. The model could however not fully simulate the elevated temperatures that took place in the early beginning. Through this thesis it has been shown that there is a great opportunity for energy recovery from waste which in turn can be regarded as a renewable energy source.

Popular Abstract (Swedish)

Avfall, en möjlig förnybar energikälla med hjälp av bakterier?

Avfallet som vi i dag slänger i våra soptunnor skulle eventuellt kunna värma våra hus. Tankarna far direkt till förbränning och fjärrvärme men forskning visar nu på att detta möjligen skulle gå att uppnå endast med hjälp av bakterier.

Människan har genom tidens gång alltid gett upphov till avfall. Avfallshantering är på så sätt inget nytt utan redan kring 200 år före Kristus fanns det speciella sanitetspoliser i Kina som såg till att bortförseln av avfall gick rätt till. Avfall har dumpats i gropar och därefter täckts över vilket vi fortfarande gör än i dag. I dagens samhälle kallar vi dessa gropar för deponier. Avfallet har även under en lång tid återvunnits genom kompostering vilket medfört att vi fått tillbaka en produkt som kan förbättra våra jordar genom att bidra med bland annat näring. Under denna tid har det för både deponier och komposthögar iakttagits hur det stundtals rykt från högarna och även ibland har bränder observerats. Vad detta har berott på har man först under en senare tid kommit underfund med. Värmen som gett upphov till rykande och brinnande deponier och komposthögar har utvecklats med hjälp av de bakterier som bryter ner det organiska materialet i avfallet.

Organiskt material, exempelvis matavfall, bryts ner med hjälp av bakterier i olika steg och ger upphov till olika biprodukter. När bakterier bryter ner organiskt material i en deponi sker detta först under en process som kallas aerob nedbrytning. Aerob betyder med syre och bakterierna använder på så sätt syre för att bryta ner avfallet. Under denna fas avges värme, koldioxid och lakvatten. När syret väl tar slut bryts avfallet ner anaerobt, utan syre, och under denna fas avges även värme, koldioxid och lakvatten men även metangas. Metangas är en växthusgas som påverkar växthuseffekten i större grad jämfört med koldioxid, den är alltså mer potent. För deponier har temperaturer mellan 35℃ och 70℃ påträffats och för komposthögar har temperaturer mellan 25℃ och 78℃ påträffats. Det är alltså höga temperaturer som utvecklats med hjälp av bakterierna.

Den värme som bakterierna ger upphov till kan tas tillvara på med hjälp av olika metoder. För deponier kan man borra rakt ner genom den barriär som täcker avfallet från omgivningen och installera en slang i vilken en vätska cirkuleras med hjälp av en pump. Denna vätska fångar upp värmen från deponin och avger den sedan där den behövs, exempelvis till en varmvattenberedare. En liknande metod kan användas för komposthögar men slangen placeras då istället längs med komposthögen. I examensarbetet som utförts användes denna metod för en komposthög men slangen placerades då inte i dess mitt utan underst. Denna placering av slangen observerades ge en lägre mängd värme. Man kan även använda en slang eller ett rör som placeras ovanför komposthögen för att fånga värmen. I slangen eller röret cirkuleras en vätska med hjälp av en pump. Uppvärmd luft som även innehåller den fukt som avges då vattnet i komposthögen avdunstar fångas upp då den stiger. Luften kyls sedan ner då den kallare vätskan i slangen eller röret möter den varmare luften. På detta sätt förs värmen över till vätskan som sedan för värmen vidare dit den behövs. Det behövs dock göras fler studier av utvinning av värme för både deponier och komposthögar för att se hur pass mycket som kan utvinnas och under hur lång tid. Det som är säkert är iallafall att det finns värme att utvinna.

I samma examensarbete skapades en datormodell av komposthögen för att se om temperaturen kunde beräknas med hjälp av denna. Det visade sig att de temperaturer som modellen beräknade för komposthögen stämde väl överens med de temperaturmätningar som gjordes under försöket att ta tillvara på värmen. Detta öppnar upp en möjlighet att med hjälp av denna modell beräkna den värme som kan utvinnas genom att även modellera själva systemet som utvinner värmen.

• author: Karlsson Thodenius, Martin
• supervisor: Martijn van Praagh
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Preconditions for energy recovery from waste with shallow geothermal energy systems
• course: VTG820 20171
• year: 2017
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: avfall, värme, värmeutvinning, kompost, deponi, geoenergisystem
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG-5151)/1-59/(2017)
• other publication id: ISRN LUTVDG/(TVTG-5151)/1-59/(2017)
• language: Swedish
• id: 8917452
• date added to LUP: 2017-06-21 13:16:22
• date last changed: 2020-09-10 09:40:46