Livscyklus-Screening af renseteknologier indenfor fiskeindustrien

6. Termisk flotation med slam til biogas

6.1 Energimæssige forhold
6.2 Miljømæssige forhold
6.3 Gødningsværdi af afgasset slam
6.4 Tilvejebringelse af erstattede produkter
6.5 Opgørelse af ressource- og miljøbelastninger
6.6 Vurdering af ressourceforbrug , emissioner og affald
6.7 Følsomhedsvurdering
6.8 Sammenfatning

I nedenstående er lavet opgørelse og vurdering på termisk flotation med efterfølgende anvendelse af slammet i biogasanlæg. Alle data vedrørende selve renseprocessen bygger på kapitel 5. Det er således slamanvendelsen og den substituerede produktion, der er ændret i forhold til kapitel 5.

Den erstattede varmeproduktion er forudsat at være baseret på naturgasfyret fjernvarme.

6.1 Energimæssige forhold

Energiproduktionen beregnes på baggrund af slammets stofindhold, enten A) p.b.a. råprotein og olie eller B) p.b.a. COD-indhold og forventet nedbrydningsgrad.

Indhold af råprotein udgør beregningsmæssigt 6,25 x N-tot-indholdet i slammet, d.v.s. 550 kg (6,25x88 kg), olie udgør ca. 140 kg. Gaspotentiale:

*Nøgletal for gaspotentialer er baseret på (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991)

1 kg COD omsat giver en gasproduktion på 0,35 Nm³ CH₄ (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991)

På baggrund af forholdet mellem protein og olie (2:1) anslås nedbrydningsgraden at udgøre ca. 67% (Forventet nedbrydningsgrad for fedt: 0,80 hhv. for protein: 0,60 (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991).

Tallene ligger på niveau med intervallerne for beregnede gaspotentialer for fedt-og flotationsslam fra fiskefiletering på 0,45 Nm³ CH₄/kg VS og på 0,59 Nm³ CH₄/kg VS specialt for slam fra fede fisk. (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991).

I det følgende anvendes en gasproduktion på 330 Nm³ CH₄.

Ved ind- og udpumpning af biomasse i en reaktor med eksempelvis 20 dages opholdstid vil 1/20 af biomassen kun få en opholdstid på et døgn, en mindre del i 2 døgn osv. Det betyder, at gasudbyttet i reaktoren afhængig af opholdstid og indpumpningsfrekvens er ca. 70-90 % af, hvad der opnås ved fuld udrådning (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991). Dette betyder endvidere, at der vil være gasudvikling ved den efterfølgende lagring af biomassen. Det er imidlertid muligt at opsamle en del af gassen ved anvendelse af membraner, hvilket forudsættes at ske her.

På denne baggrund antages det, at der vil forekomme en gasproduktion svarende til ca. 90% af, hvad der kan opnås ved fuld udrådning.

330 Nm CH₄ x 36,1 MJ/m³ x 0,9 = 10.700 MJ

På baggrund af methanen produceres kraftvarme. Dette kan gøres ved en virkningsgrad på ca. 90 % (elvirkningsgrad ; ca. 32%, varmevirkningsgrad: ca. 58%) (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991)

Energiproduktionen udgør således ca. 3.400 MJ el og 6.200 MJ varme.

Egetforbruget af el udgør for biomasse med et tørstofindhold på ca. 10% i størrelsesordenen 20-60 MJ/t (5,5-17 kWh) (Energistyrelsen, 1995). Egetforbruget er anslået på baggrund af biogasfællesanlæggenes indberetninger til Energistyrelsen i juli-august, 1995. Da slammet har et lavere tørstofindhold sættes forbruget til 9 kWh/ton svarende til ca. 225 kWh/døgn for 25 m³ slam.

For termisk floteret slam kan biogasanlæggets egetforbrug af varme sættes til 0, da det må forventes, at det varme slam vil kunne opretholde en temperatur ved opbevaring og transport der er så høj, at yderligere opvarmning på biogasanlægget ikke er nødvendig.

Transport

Slammet transporteres til Vester Hjermitslev Biogasanlæg, der er beliggende ca. 50 km fra Hirtshals. Det forudsættes at lastbilen køres med fuldt læs til anlægget og "tom vogn" tilbage.

0,7 (0,9) MJ/tkm x 100 km x 25 t = 1750 (2250) MJ

D.v.s. 40-50 kg dieselolie, sættes her til 45 kg.

Værdierne er baseret på (Trafikministeriet, 1990) og repræsenterer energiforbruget for lastbil på ca. 10-19 tons henholdsvis 25-30 tons for værdierne i parentes. Disse nøgletal anvendes også i de følgende kapitler.

Bioforgasning er forbundet med følgende typer af udledninger og miljøpåvirkninger:

Methanemission fra biogasanlæg kan kun opgøres i form af nogle meget grove overslag. Methanemission kan potentielt forekomme fra gasmotorgeneratoranlægget, i form af diffuse udslip fra biogasanlægget samt efter det afgassede restprodukt har forladt biogasanlægget for at blive udbragt på landbrugsjord.

Vedrørende gasmotorgeneratoranlæg, har undersøgelser på naturgas peget på udslip på i størrelsesordenen 1-7% af gassen afhængig af motortype. Foreløbige undersøgelser indikerer, at udslippene for biogasmotorer også kan variere indenfor et nogenlunde tilsvarende interval. (Dansk Gasteknisk Center, 1996).

De øvrige udslip af mere diffus karakter er svære at fastlægge. Som et bud på det samlede udslip sættes methanemissionen til at varierer mellem 0 – 10 % af den gasproduktion, der kan opnås ved fuld udrådning, svarende til 0-30 Nm³ CH₄, d.v.s. emissione på 0-20 kg CH₄ pr. døgn (0,72 g/l, (Rasmussen, 1963). Sættes i beregningerne til 10 kg CH_4.

Ved afbrænding af biogassen er de væsentligste emissioner SO₂ - og NO_x   udledning. Afbrænding af biogas betragtes som CO₂-neutral, da der blot udledes samme mængde CO₂, som der tidligere er optaget fra luften ved produktion af biomassen. Udledningsniveauet for gasmotorgeneratoranlæg ligger på følgende niveau:

Figur 6.1
Emission fra afbrænding af biogas (* Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991).

I bioforgasset organisk affald kan ca. 50% af N-indholdet forventes at være på ammoniumform (Koordineringsudvalget for biogasfællesanlæg, 1991), d.v.s. ca. 45 kg pr. døgn.

Afdampning af ammoniak fra gyllebeholdere med flydelag og i forbindelse med udbringning giver et samlet tab på ca. 13-17 % af ammonium-N (kilde:jf. bilag 1). Ammoniakfordampning fra afgasset gylle vurderes på baggrund af pH og tørstofindhold (viskositet) ikke at være væsentligt større end fra ubehandlet gylle (Energistyrelsen, 1995).

For afgasset slam er viskositeten større, hvorfor slammet vil være lidt længere om at trænge ned i jorden. Ammoniakfordampningen sættes derfor skønsmæssigt til en værdi på 17% af ammonium-N, d.v.s. ca. 8 kg NH₃ . Der er meget stor usikkerhed på dette tal, skønsmæssigt 50%.

Fra handelsgødning fordamper der ikke ammoniak af betydning.

Er meget usikker at bestemme. På baggrund af bilag 1 er der givet et bud på størrelsesordenen, der på flere punkter er baseret på gennemsnitlige værdier for Danmark. Der vil imidlertid være betydelige variationer afhængig af jordbundstype, nedbørs- og temeraturforhold mv., men et bud er ca. 35 kg N svarende til ca. 40 % af tilført mængde N i slammet.

Med dagens teknologi, som stadig er under udvikling, er det langt hen ad vejen muligt at løse evt. tilknyttede luftproblemer (Energistyrelsen, 1995).

På baggrund af oplysningerne om fjernet mængde stof fås et samlet næringsstofindhold i slammet pr. døgn på henholdsvis 90 kg N og 4,8 kg P. Sættes den jordbrugsmæssige værdi af kvælstoffet til 60% og sættes den for P på stort set samme niveau som for handelsgødning fås følgende:

Erstattet mængde handelsgødning : 55 kg N og 4,8 kg P.

6.4 Tilvejebringelse af erstattede produkter

Ved rensning af procesvandet ved termisk flotation med efterfølgende anvendelse af slammet i biogasanlæg vil der produceres el, varme og N- og P-gødning. Disse produkter forudsættes at erstatte følgende produkter:

Produkter

1. Konventionelt produceret el, der i Danmark fortrinsvis er baseret på kul. Vedrørende data for tilvejebringelse af denne el henvises til afsnit 10.2.
2. Fjernvarme baseret på naturgas. Vedrørende data for tilvejebringelse af varme henvises til afsnit 10.4.
3. Kunstgødning. Vedrørende data for tilvejebringelse af kunstgødning henvises til afsnit 10.1.

De erstattede mængder udgør følgende:

Mængder

1. Der produceres ca. 3.400 MJ el. Efter 10 % ledningstab svarer dette til 3.000 MJ, d.v.s. 850 kWh. Herfra skal trækkes egetforbruget på ca. 225 kWh, d.v.s. ca. 625 kWh erstattet el.
2. Varmeproduktionen udgør 6.200 MJ, og egetforbruget er sat til 0. Forudsættes virkningsgraden at være ca. 85 % fås et forbrug af naturgas på 150 kg naturgas.
3. 55 kg N-kunstgødning og 4,8 kg P-kunstgødning

6.5 Opgørelse af ressource- og miljøbelastninger

I nedenstående er sammenfattet ressource-/materialeforbrug samt udledninger, såvel forøgede som sparede, ved termisk flotation af procesvandet og efterfølgende anvendelse af slammet til biogas. Derudover fremgår de sparede procesvandsudledninger til recipienten.

Reduktion i stofudledningen til recipienten bevirker en reduktion i effektpotentialet for næringssaltsbelastning på ca. 550 kg NO₃-ækvivalenter svarende til 2.200 mPEMwdk2000. De ressource- og miljømæssige belastninger ved termisk flotation og efterfølgende biogasanvendelse skal således vejes op imod denne forbedring på næringssaltbelastningen. Den nævnte forbedring i effektpotentialet for næringssaltbelastning fremgår af figur 6.2, men er ikke indregnet i den efterfølgende præsentation og kommentering af UMIP-beregninger. Den nævnte forbedring på næringssaltsbelastning inddrages imidlertid i sammenfatningen på termisk flotation (med biogasanvendelse) afsnit 6.8.

Figur 6.2
Opgørelse af ressource- og materialeforbrug samt udledning (pr.døgn)

For den tidligere omtalte høje værdi for kviksølvudledning i forbindelse med chlor/NaOH-produktion indgår en kommentering af resultatet i det følgende.

Vedrørende energiforbrug og –kilde til opvarmning af procesvandet repræsenterer værdierne i parentes det tidligere omtalte naturgasscenarie.

I nedenstående figur 6.3 er vist resultatet af UMIP-beregningerne for de ressourceforbrug, der er tillagt størst betydning ved vægtningen af ressourceforbrugene.

Figur 6.3
Ressourceforbrug pr. døgn ved termisk flotation af procesvandet med efterfølgende bioforgasning af slammet.

Som det fremgår af figuren er der det forbruget af olie, der er det dominerende ressourceforbrug. Energiproduktionen ved bioforgasning kan ikke opveje ressourceforbruget til opvarmning.

Termisk flotation af procesvandet vil således betyde et forbrug af især olieressourcer.

Figur 6.4
Emissioner pr. døgn ved termisk flotation af procesvandet med efterfølgende bioforgasning af slammet.

Vedrørende emissionssiden vil belastningen øges på alle parametre. Det er dog især bidragene til drivhuseffekt, forsuring og næringssaltbelastning, der er betydende.

Vedrørende affald er UMIP-modellen stadig under udvikling m.h.t. effektpotentialer og vægtningsfaktorer. Resultaterne skal ses i dette lys.

Figur 6.5
Affald pr. døgn ved termisk flotation af procesvandet med efterfølgende bioforgasning af slammet.

Der er ligeledes tale om forøgelse af affaldsmængderne. De mest betydende bidrag er knyttet til slagge/aske og volumenaffald, der som tidligere omtalt begge er relateret til elproduktion.

Som det var tilfældet i kapitel 5 med foderanvendelse af slammet er der her lavet et tilsvarende scenarie med opvarmning af procesvandet med naturgas. Resultaterne fremgår af paranteserne i tabellerne. I dette scenarie er det vedrørende ressourcer således forbruget af naturgas der er betydende. På emissionssiden reduceres bidragene til især forsuring, drivhuseffekt og toksicitet. På affaldssiden er der ingen betydende ændringer.

Et højere niveau for kviksølvudledning i forbindelse med NaOH-produktion v.h.a. kviksølvcelleprocessen vil betyde, at værdien for persistent toksicitet bliver betydeligt højere svarende til niveauet for termisk flotation med efterfølgende foderanvendelse d.v.s. i størrelsesordenen 1400 mPEMwdk2000.

Såfremt biogasanlægget antages at ligge i umiddelbar nærhed af Skagerak Fiskeeksport vil der kunne spares ca. 45 kg dieselolie til transport. Dette giver imidlertid kun begrænset reduktion på de vægtede ressourceforbrug og effektpotentialer, den procentvis største reduktion er på fotokemisk ozondannelse og human toksicitet. Betydningen af disse to parametre er imidlertid af begrænset betydning i sammenligning med de øvrige parametre som drivhuseffekt, næringssaltbelastning, forsuring og persistent toksicitet, hvor ændringen er minimal. På ressourcesiden er besparelsen på dieselolie ubetydelig i sammenligning med ressourceforbruget til opvarmning af procesvandet.

Fastsættelse af methanudslip fra biogasanlæg er meget usikker. Som tidligere nævnt er denne i opgørelsen sat til 10 kg CH₄ pr. døgn, og den forventes at ligge indenfor et interval på 0-20 kg CH₄ pr. døgn. Den vil således bidrage til effektpotentialet for drivhuseffekt med 0-500 kg CO₂-ækvivalenter (effektfaktoren for methan er 25 g CO₂ pr. g CH₄). Som det fremgår af tabellen over emissioner ligger det "øgede effektpotentiale for drivhuseffekt" på i alt 5.800 kg CO₂-ækvivalenter. Methanudslippet udgør således her et forholdsvis begrænset bidrag, selvom det måtte ligge i nærheden af de 20 kg CH₄.

6.8 Sammenfatning

Resultatet af LCA-screening af termisk flotation med anvendelse af slammet til biogas er sammenfattet i nedenstående figur 6.6. Figuren er baseret på opgørelsen afsnit 6.6, oliescenariet, indeholdende sparet stofudledning til recipienten.

Figur 6.6
Samlet resultat på henholdsvis ressourcesiden og emissions-/affaldssiden.

Reduktion i udledning

Besparelsen i stofudledningen til recipienten (der er inkluderet i figuren) bevirker en reduktion i effektpotentialet for næringssaltsbelastning på ca. 550 kg NO₃-ækvivalenter svarende til 2.200 mPEMwdk2000.

Termisk flotation med efterfølgende anvendelse af slammet til biogas giver anledning til øget belastning på alle øvrige parametre, hvor især forbruget af olieressourcerne samt bidrag til drivhuseffekt og forsuring er betydende.

Samlet vurdering

Med udgangspunkt i ovenstående vurderes det, at såfremt energiforsyningen er baseret på den forudsatte oliefyring vil den samlede belastning på miljøet øges ved brug af denne renseteknologi med efterfølgende anvendelse af slammet til biogas. Såfremt energiforsyningen baseres på naturgas (de i afsnit 6.6 anførte værdier i parentes) forbedres miljøregnskabet, men ressource- og miljøbelastningerne vurderes fortsat at "spise" en meget stor del af den miljøforbedring, der er i relation til udledningen til recipienten.