Increase of biogas production by incorporating residual streams from agriculture

Abstract

To expand the biogas production in Region Västra Götaland (RVG), residual streams from the agricultural sector can function as a large-scale supplier of biomass. The production of biogas decreases the dependence of fossil fuels and the digestate that is formed can also be returned to the agricultural sector, creating a closed loop. The expansion was assessed in this thesis by the investigation of the biogas producers in RVG and the total potential of agricultural residues. An interview study was conducted for co-digestion and farm-based biogas plants, to investigate their capacity, interest and ability to introduce agricultural residues in their process. The utilisation of mechanical pretreatment was analysed to facilitate the implementation of fibrous residues.

This study shows that the total theoretical potential of agricultural residual streams is equal to 1.31 TWh/year in RVG. The current biogas production in RVG is 300 GWh/year, where co-digestion plants account for 56 % and farm-based biogas plants for 5 %. The most used agricultural residue, with 91 % is slurry from cattle and pig. The interview study concludes that the biogas plants could increase the current capacity with 184 GWh/year by incorporating agricultural residues. Large co-digestion plants have the greatest opportunity of adapting its current facilities, but their main limitation is to receive a permit allowing them to expand the production and utilise other substrates. Out of all agricultural residues, manure is of highest interest for the biogas plants to include in its production, whereas fibrous residues are associated with challenges. The higher water content and receiving the manure-gas aid contributes to that manure is prioritised over other agricultural residues.

The fibrous residues consisting of solid manure fractions, excess and discarded ley silage and straw account for around 68 % of the total theoretical potential and to include these substrates into the biogas production, pretreatment is needed. The present study shows mechanical pretreatment is currently the best choice of handling dry and fibrous substrates, with the hammer mill being the most suitable for large-scale operations and the mixer-wagon for small-scale operations. The energy spent on mechanical pretreatment is paid off if it increases the methane yield with 5 % and has an energy demand below 60 kWh/ton wet weight (ww) for manure, 150 kWh/ ton ww for ley silage, and 290 kWh/ton ww for straw. An economic evaluation concludes that an electricity price under 3 SEK/kWh with a biogas income of 0.8 SEK/kWh is needed for mechanical pretreatment to be profitable. The study concluded that further research and development is required to design a robust and reliable process to include straw and ley silage to a larger extent.

Abstract (Swedish)

För att utöka biogasproduktionen i Västra Götalandsregionen (VGR) kan restströmmar från jordbrukssektorn fungera som en storskalig leverantör av biomassa. Produktionen av biogas minskar beroendet av fossila bränslen och rötresten som bildas kan också återföras till jordbrukssektorn, vilket skapar ett slutet kretslopp. I detta examensarbete granskades utökningen genom en kartläggning av biogasproducenterna i VGR och den totala potentialen av jordbruksrester. En intervjustudie genomfördes för samrötning och gårdsbaserade biogasanläggningar, för att undersöka deras kapacitet, intresse och förmåga att införa jordbruksrester i sin process. Utnyttjandet av mekanisk förbehandling analyserades för att kunna implementera fiberrika jordbruksrester.

Det här examensarbetet visar att den totala teoretiska potentialen av restströmmar från jordbruket 1.31 TWh/år i VGR. Den nuvarande biogasproduktionen är 300 GWh/år i VGR, där samrötningsanläggningar står för 56 % och jordbruksbaserade för 5 %. Den mest använda jordbruksresten, med 91 % är flytgödsel från nötkreatur och grisar. Intervjustudien konstaterade att biogasanläggningarna skulle kunna öka sin nuvarande kapacitet med 184 GWh/år genom att inkorporera jordbruksrester. De stora samrötningsanläggningarna i VGR har störst möjlighet till att anpassa sina nuvarande anläggningar men deras huvudsakliga begränsning är att få tillstånd att utöka sin produktion och röta andra typer av substrat. Av alla jordbruksrester är gödsel av högsta intresse för biogasanläggningarna att inkludera i sin produktion, medan fiberrika substrat anses vara förknippade med utmaningar. Den högre vattenhalten och gödselgasstödet bidrar till att gödseln prioriteras framför andra jordbruksrester.

De fiberrika restprodukter bestående av fasta gödselfraktioner, överblivet och kasserat vall ensilage och halm står för cirka 68 % av den totala teoretiska potentialen och för att inkludera dessa substrat i biogasproduktionen behövs förbehandling. Resultaten från den här studien visar att mekanisk förbehandling för närvarande det bästa valet för hantering av torra och fiberrika substrat, där hammarkvarnen är bäst lämpad för storskaliga verksamheter och mixervagn för småskaliga verksamheter. Energin som spenderas på mekanisk förbehandling lönar sig om den ökar metanutbytet med 5 % och har ett energibehov under 60 kWh/ton våtvikt (vv) för gödsel, 150 kWh/ton vv för vall ensilage och 290 kWh/ton vv för halm. En ekonomisk utvärdering visar att det behövs ett elpris under 3 kr/kWh med en biogasintäkt på 0.8 kr/kWh för att mekanisk förbehandling ska vara lönsam. Studien drog slutsatsen att ytterligare forskning och utveckling krävs för att utforma en robust och tillförlitlig process för att inkludera vallgrödor och halm i en större utsträckning.

Popular Abstract (Swedish)

Biogas, en underskattad miljöhjälte med stor potential.

Biodrivmedel så som biogas hamnar lätt i skymundan då tillgången på biomassa utgör en begränsning. Men faktum är att biogasproduktion har goda förutsättningar att utöka om samhället satsar på utvecklingen av processen.

Examensarbetet har undersökt hur jordbrukssektorn i Västra Götalandsregionen kan fungera som en storskalig leverantör av hållbar biomassa och hur stor andel biogasanläggningar i regionen kan eller vill använda sig av. En intervjustudie visade att anläggningarna kan öka dagens biogasproduktion på 300 GWh/år med 60 % genom att inkludera jordbruksrester, främst flytande gödsel från kor och grisar och rester från spannmålsodling. Det finns utrymme att utöka produktionen betydligt mer, eftersom den totala biogaspotentialen av restströmmar från jordbruket framgick till 1.3 TWh/år. Detta är fyra gånger mer än den årliga biogasproduktionen. För att uppnå denna potential behövs flera åtgärder genomföras.

I dagsläget är flytande gödsel mer intressant som biogasråvara, då det är enkelt att hantera och uppmuntras genom gödselgasstödet som utbetalas av Jordbruksverket. Fiberrika jordbruksrester som halm och vallgrödor prioriteras bort, trots att miljönyttan av att odla vallgrödor som råvara till biogas kan likställas med det av gödsel. Det finns även ett intresse att introducera vallgrödor i växtföljden men ekonomiska medel saknas. Därmed finns det belägg att skapa lika förutsättningar genom att exempelvis inför ett vallstöd.

De fiberrika jordbruksresterna inkluderat fasta gödselfraktioner var också associerade med process relaterade utmaningar enligt de undersökta anläggningarna. En lösning som presenterades är att finfördela materialet med en mekanisk förbehandling, för att göra materialet pumpbart och mer tillgängligt för mikrobiell nedbrytning. För storskaliga processer visade sig hammarkvarn vara en effektiv metod med avseende på den energin som investeras och kostnaden för elektriciteten som används. För småskaligt bruk var mixervagnar ett lämpligare alternativ. Men det behövs en beprövad process för att anläggningarna ska våga satsa på tekniken och de fiberrika råvarorna.

Likaväl finns det biogasanläggningar med både rätt utrustning och ekonomiska medel som vill inkludera mer restströmmar från jordbruket, även de fiberrika. Emellertid stoppas dessa av en komplex och tidskrävande ansökningsprocess för att få eller förnya sina miljötillstånd. Denna begränsning riskerar att bromsa expansionen av biogas och därför bör satsningar göras för att skapa en mer effektiv process.

Det främsta skälet att öka produktionen av biogas och utnyttja hela potentialen från jordbrukssektorn, är för att den levererar en cirkulär lösning. Biogasen kan ersätta fossila råvaror och rötresten som blir kvar kan återgå till jordbruket som biogödsel. När fiberrika substrat används kan rötresten också avvattnas och vara en råvara i ett bioraffinaderi, exempelvis för produktion av bioolja. Uppgraderad biogas kan ersätta naturgas, vilket är fördelaktigt både hållbarhetsmässigt och geopolitisk. Dessutom kan den användas i flytande form redan idag som ett bränsle till tungtrafik. En slutsats är att biogas är något vi borde satsa på och fokus framöver bör ligga på att utveckla tekniken kring användningen av fiberrik biomassa.

• author: Fjäll, Stephanie
• supervisor: Ola Wallberg
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Agriculture and Food Sciences; Technology and Engineering
• keywords: Anaerobic digestion, Agricultural residue, Lignocellulosic biomass, Mechanical pretreatment, Biogas production, Biorefinery, Chemical engineering
• language: English
• id: 9090046
• date added to LUP: 2022-06-20 15:04:25
• date last changed: 2022-06-20 15:04:25