| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Basisdokumentation for biogaspotentialet i organisk dagrenovation

2 Biogaspotentiale

Biogaspotentialet kan kvantificeres på flere forskellige måder, som redegjort for i dette afsnit. Det er hensigten at redegøre for en række metoder, hvor forholdsvis simple laboratoriemålinger på affaldet skal kunne anvendes til beregning af det teoretiske biogaspotentiale. Dette skal efterfølgende anvendes til at opnå kvalificerede forudsigelser af biogasproduktionen i større anlæg. Metoderne tager udgangspunkt i måling af henholdsvis grundstofsammensætningen, komponent sammensætningen, COD og VS. Dertil kommer måling af biogaspotentiale i en laboratoriereaktor.

2.1 Teoretisk biogaspotentiale beregnet på basis af den kemiske sammensætning

Den kemiske sammensætning af det organiske stof, der udgør substratet for biogasprocessen, har afgørende betydning for udbyttet af metan.

2.1.1 Beregning på basis af grundstofsammensætningen

Kendes grundstofsammensætningen af substratet mht. kulstof, hydrogen og ilt, kan det teoretiske gasudbytte beregnes vha. Buswell’s formel:

/Angelidaki, 2002/

Metanmængden udtrykt på basis af VS beregnes således ud fra følgende formel:

/Angelidaki, 2002/, hvor N står for standardbetingelser (0° C og 1 atm. tryk).

Indeholder prøven kvælstof, er det nødvendigt at benytte en udvidet udgave af Buswell’s formel, der tager hensyn til kvælstoffets bidrag til redoxprocesserne:

/Angelidaki, 2002/

Det antages her, at kvælstoffet forbliver på sin reducerede form (omdannes til NH₃). Indeholder prøven også svovl, skal der ligeledes korrigeres for dette, da det også indgår i redoxprocesserne. Indholdet af svovl i affaldsprøverne har dog vist sig at være relativt lavt (<0,5%), så det er valgt at se bort fra dette.

Affald indsamlet i Hovedstadsområdet, fælles skraldespande, forbehandlet med skrueseparator i Aalborg den 21/5-2001. Affaldets sammensætning (alle procenter er af TS):

Heraf følger, at C:H:O:N = 4,3: 7,9: 1,7: 0,22 på TS-basis. Forholdet mellem grundstofferne på VS-basis vil være det samme. Ud fra den udvidede Buswell formel beregnes metanpotentialet til 0,653 Nl CH₄/g VS, svarende til 653 Nm³ CH₄/t VS

2.1.2 Beregning på basis af komponentsammensætningen

Det teoretiske biogaspotentiale kan også beregnes ud fra substratets sammensætning af forskellige organiske fraktioner, såsom kulhydrater (sukker, stivelse, cellulose, træstof osv.), fedt og protein. Disse betegnelser dækker over grupper af organiske stoffer og der findes ikke én kemisk formel for den enkelte gruppe. For at forsimple beregningerne for sammensatte prøver (f.eks. prøver af organisk affald), er det derfor nødvendigt at vælge en gennemsnitsformel for hver fraktion. For kulhydrat vælges sammensatte glukosemolekyler, (C₆H₁₀O₅)_n. Fedt repræsenteres ved C₅₇H₁₀₄O₆ og proteiner ved C₅H₇NO₂ /Angelidaki, 2002/. Udfra dette beregnes det teoretiske biogaspotentiale vha. Buswell’s formel, se Tabel 1. Ved beregning af det teoretiske biogaspotentiale for protein benyttes en modificeret udgave af Buswell’s formel for at tage højde for kvælstofindholdet (se afsnit 2.1.1).

Tabel 1:
Beregning af teoretisk biogaspotentiale for forskellige organiske komponenter vha. Buswell’s formel. For fedt og protein er beregnet et generelt teoretisk biogaspotentiale samt eksempler på teoretiske biogaspotentialer for specifikke fedt- og proteinprøver.

Som det ses, er der store forskelle i biogaspotentialerne på VS-basis for de forskellige organiske komponenter. Fedt har langt højere biogaspotentiale pr. gram VS end de øvrige komponenter. Indenfor grupperne er der størst variation mellem forskellige former for protein. Der vil derfor også her være den største usikkerhed ved gennemsnitsberegninger. Det er derfor nødvendigt at skønne sammensætningen af proteiner alt efter hvilken form for substrat der er tale om. Den her valgte generelle proteintype (C₅H₇NO₂) vurderes at være repræsentativ for proteinindholdet i organisk husholdningsaffald /Angelidaki, 2002/.

Affald indsamlet i Hovedstadsområdet, fælles skraldespande, forbehandlet med skrueseparator i Aalborg den 21/5-2001. Affaldets sammensætning (alle procenter er af TS):

Fedt: 18%
Protein: 18%
Træstof: 13%
VS: 91% af TS
Andre kulhydrater: 42% Beregnet som VS-(fedt + protein + træstof)

Det teoretiske metanpotentiale beregnes således ud fra værdierne i tabel 1:

2.2 Teoretisk biogaspotentiale beregnet på basis af kemiske samleparametre

2.2.1 Beregning på basis af COD

COD (chemical oxygen demand) repræsenterer iltforbruget ved iltning af det totale indhold af organisk stof i prøven. Der kan derfor angives følgende sammenhæng mellem prøvens indhold af VS og COD (se også afsnit 2.1):

Af afsnit 2.1 fremgår metanproduktionen fra organisk stof:

Der findes altså følgende sammenhæng: 0,35 l CH₄/g COD ved standardbetingelser (0° C og 1 atm. tryk).

Affald indsamlet i Hovedstadsområdet, fælles skraldespande, forbehandlet med skrueseparator i Aalborg den 21/5-2001.

COD=1,3 g COD/g TS
VS=0,91% af TS

Metanpotentiale = 1,3 g COD/g TS × 0,35 Nl CH₄/g COD
= 455 Nm³ CH₄/t TS
= 500 Nm³ CH₄/t VS

2.2.2 Beregning på basis af Volatile Solids (VS)

Gasproduktionen kan ikke beregnes direkte på baggrund af VS, da der er stor forskel på gaspotentialet for forskellige former for VS (se afsnit 2.1). Det er derfor nødvendigt at vide, hvilken form for VS, der er tale om. En metode er at omregne VS til COD. Dette gøres ud fra det støkiometriske forhold ved fuldstændig oxidation af det organiske stof. Forholdet mellem VS og COD afhænger af den kemiske sammensætning af det organiske stof. Den generelle formel for COD/VS-forholdet for organisk stof med formlen C_nH_aO_bN_C er:

/Angelidaki, 2002/

Tabel 2 viser de beregnede forhold mellem COD og VS for udvalgte organiske komponenter. Anvendelse af disse værdier til beregning af teoretisk biogaspotentiale kræver kendskab til hvilken form for VS der er tale om i den enkelte prøve (kulhydrat, fedt eller protein). Da disse analyser ikke altid foreligger, kan beregningen foretages ud fra en gennemsnitlig sammensætning af VS i organisk affald. Denne sammensætning er beregnet på baggrund af kemisk analyse af 46 prøver af organisk affald. Beregningen viser, at VS i organisk husholdningsaffald gennemsnitligt består af 17,2% fedt, 18,4% protein og 64,4% kulhydrat. Andelen af kulhydrater er beregnet som restfraktionen af VS efter de målte værdier for fedt og protein er trukket fra. Denne metode benyttes, da der ikke er foretaget fuldstændige analyser af det totale indhold af kulhydrater i affaldet. Denne beregnede fordeling af VS i affaldsprøverne medfører et COD/VS forhold på 1,51.

Tabel 2:
COD/VS forhold for organiske komponenter

Med denne gennemsnitlige sammensætning og et metanpotentiale på 0,35 Nl CH₄/g COD (se afsnit 2.2.1), vil det teoretiske biogaspotentiale for organisk affald blive 528 Nm³ CH₄/t VS.

Ved nærværende metode anvendes således som en tilnærmelse 528 Nm³/t VS som en fast værdi uafhængigt af sammensætningen af affaldet i øvrigt Denne værdi må derfor kun anvendes til beregning af teoretisk biogaspotentiale for kildesorteret organisk dagrenovation.

Affald indsamlet i Hovedstadsområdet, fælles skraldespande, forbehandlet med skrueseparator i Aalborg den 21/5-2001.

Da dette teoretiske metanpotentiale er givet på VS-basis, er det muligt umiddelbart at angive metanpotentialet for denne prøve til 528 Nm³ CH₄/t VS.

2.3 Realiserede biogaspotentialer

2.3.1 Måling af biogaspotentiale

Biogaspotentialerne måles i batchforsøg over 50 dage ved 55° C. Reaktorerne er 2 liters glasflasker med skruelåg og septum. Til hver batch tilsættes prøve af organisk affald således, at slutkoncentrationen i batchen bliver omkring 2% affalds-VS. Der benyttes inokulum fra et dansk biogasanlæg (Vegger Biogasanlæg), der opererer termofilt ved 55° C. Forsøgene udføres i triplikater med kontrolprøver (udelukkende inokulum og vand) samt referenceprøver, hvor biogaspotentialet fra cellulose måles.

Over forsøgsperioden udtages jævnligt gasprøver (i alt 10-15 gange), hvor metanmængden i et fast volumen headspace analyseres på gaskromatograf. Prøverne udtages med glassprøjte med "pressure lock", hvilket gør det muligt at udtage et fast volumen ved det aktuelle tryk i batchen. Da størrelsen af headspace kendes for hver batch, kan metankoncentrationen og dermed metanproduktionen beregnes. Da der i løbet af forsøget produceres omkring 6 liter biogas (CH₄ + CO₂), er det nødvendigt at "lufte" flaskerne 5-6 gange i denne periode. Luftningen foretages, når trykket i batchen nærmer sig 2 bar og sker ved at stikke en kanyle gennem septum og dermed udligne trykket i flasken. Det er nødvendigt at udtage gasprøver både før og efter luftningen.

Resultaterne opgøres i Nm³ CH₄/ton VS ved standardbetingelser (0° C og 1 atm. tryk) som akkumuleret metanproduktion over tid.

2.3.2 Realiserede biogaspotentialer for organiske komponenter

Tabel 3 viser realiserede biogaspotentialer fra organiske komponenter, såsom cellulose, glukose, fedt (hhv. svinefedt og planteolie) og protein (gelatine). I tabellen er ligeledes angivet, hvor stor en del af det teoretiske biogaspotentiale der er opnået ved forsøgene. Ved beregning af de teoretiske biogaspotentialer er kemiske formler for de enkelte stoffer (og ikke gennemsnitsformler) benyttet. Dette er muligt, da der er tale om rene organiske komponenter (cellulose og glukose) eller blandinger med kendt indhold (svinefedt, raps olie og gelatine).

Tabel 3:
Realiseret og teoretisk biogaspotentiale for organiske komponenter /Marca, 2002/

*)Det teoretiske biogaspotentiale er beregnet ved Buswell’s formel ud fra komponentsammensætningen af det enkelte stof.

Det ses, at der opnås over 85% af det teoretiske biogaspotentiale for alle komponenter undtaget gelatine. Det lave metanudbytte fra gelatine kan skyldes ammonium inhibering, da der frigives kvælstof under nedbrydning af proteinerne. Det antages, at det er muligt at opnå omkring 85% af det teoretiske biogaspotentiale, hvis der ikke sker inhibering under processen. Det er ikke muligt at opnå 100% af det teoretiske metanpotentiale, da en del af det organiske stof under processen udnyttes til cellevækst /Angelidaki, 2002/.

Tabel 4 viser realiserede biogaspotentialer samt udvalgte kemiske parametre fra fire prøver af kildesorteret forbehandlet organisk dagrenovation. De analyserede affaldsprøver indgår i et større forskningsprojekt om organisk affald, hvor bl.a. effekten af forskellige forbehandlingsmetoder undersøges. Affaldet er indsamlet i Hovedstadsområdet, Vejle, Aalborg og Kolding og stammer fra henholdsvis fælles og individuelle skraldespande. Forbehandlingen for prøverne er foretaget på skrueseparatoren i Aalborg for de to første prøver og på rullesigten i Herning for de to øvrige.

Tabel 4:
Realiseret biogaspotentiale samt kemisk sammensætning af fire affaldsprøver

*)Bestemmelsen af COD er behæftet med stor usikkerhed pga. analysemetoden.

Ud fra disse kemiske parametre er det muligt at beregne det teoretiske biogaspotentiale ved hjælp af de forskellige metoder, der er beskrevet i de foregående afsnit. Tabel 5 viser de forskellige teoretiske biogaspotentialer sammenholdt med de målte biogaspotentialer for de fire prøver.

Tabel 5:
Beregning af teoretisk biogaspotentiale på baggrund af forskellige kemiske parametre for fire affaldsprøver. De teoretiske biogaspotentialer er sammenlignet med de målte.

*) Iltindholdet er ikke målt. Det antages, at ilten udgør den resterende del af VS, når N, C, H og S er trukket fra. Dette giver et iltindhold på gennemsnitligt 28%.

2.3.3 Sammenligning af målte og beregnede biogasværdier

Som det ses i Tabel 5 giver beregning af teoretiske biogaspotentialer i stort set alle tilfælde højere værdier end de målte biogaspotentialer. Dette er forventeligt, da de teoretiske potentialer er beregnet under forudsætning af 100% omsætning af det organiske stof, hvor der i praksis kan forventes omkring 85% omsætning . Enkelte beregnede metanpotentialer resulterer i en overestimering på 40-60%, hvilket ikke kan forklares med forbrug af organisk stof til f.eks. cellevækst. Beregning af biogaspotentialet ved hjælp af enkeltstoffer og brændværdier giver de højeste teoretiske potentialer, mens de øvrige beregningsmetoder giver en mindre overestimering for de aktuelle prøver.

2.4 Komponenterne i biogas

En del af den dannede CO₂ vil opløses i vandfasen og derfor ikke indgå i en volumenbaseret måling af gasproduktionen. Opløseligheden af CO₂ afhænger af bl.a. temperatur og pH. Kun en forsvindende del af den producerede CH₄ opløses i vandfasen.

Fordelingen mellem CO₂ og CH₄ dannet under biogasproduktionen afhænger delvist af substratets sammensætning (se afsnit 2.1.1). For gennemsnitligt organisk dagrenovation kan det beregnes (se afsnit 2.1.1), at den dannede gas vil bestå af 63% CH₄ og 37% CO₂.

I det følgende beregnes, hvor stor en del af den samlede producerede CO₂ der vil opløses i vandfasen i reaktorerne ved biogaspotentialemålinger i batchforsøg som beskrevet i afsnit 2.3.1. Der benyttes følgende antagelser:

CO₂ i vandfasen vil indgå i carbonatsystemet. Det antages, at ligevægten mellem [CO₂] og [H₂CO₃] er forskudt kraftigt i retning af [H₂CO₃] og at det opløste [CO₂] derfor kan regnes som [H₂CO₃]. Det antages ligeledes, at bidraget fra carbonatsystemets komponenter i startsituationen er negligabelt.

Ud fra denne koncentration kan koncentrationerne af karbonatsystemets øvrige komponenter beregnes ud fra følgende ligninger (K₁ og K₂ er beregnet for 55° C):

ß

[HCO₃^-] = 3,59 · 10^-2M

[CO₃^2-] = 3,13 · 10^-5M

ß

[H₂CO₃] + [HCO₃^-] + [CO₃^2-] = 4,16 · 10^-2M

Dette er den maksimale koncentration, der kan opløses i vandfasen og da der ses bort fra startkoncentrationen af komponenterne, antages denne mængde at stamme fra opløst CO₂ fra biogasprocessen. Da V_vandfase = 0,5L drejer det sig om

2,08 · 10^-2mol.

Mængden af CO₂ i luften kan beregnes ud fra idealgas ligningen:

Andelen af CO₂, der optages i vandfasen beregnes:

Omkring 40% af den dannede CO₂ i flasken er derfor at finde i vandfasen ved det aktuelle tryk. Den mængde CO₂, der kan måles direkte i luften i headspace, vil derfor være lavere end den mængde CO₂, der teoretisk set dannes ved biogasprocessen.

Beregningerne er baseret på de aktuelle batchforsøg udført på DTU. I forsøgene varierer det aktuelle tryk i hver batch i takt med gasdannelse og luftning. Beregningen afspejler et tilfældigt valgt tidspunkt i forløbet, hvor trykket er 1,5 atm. og totalindholdet af CO₂ i batchen er 0,05 mol. Hver batch i de omtalte forsøg indeholder omkring 9 g VS. Omsætningsgraden for VS antages at være 85% og kulstofindholdet er bestemt til 50g C/g VS. Der omsættes altså 3,83 g C = 0,32 mol C pr. batch. Da der ved omsætningen dannes 63% CH₄ og 37% CO₂, giver dette en CO₂-produktion på 0,12 mol CO₂. Dette er omkring det dobbelte af den samlede mængde CO₂, som findes i beholderen ved ligevægt i henhold til ovenstående beregninger. Det antages derfor, at den resterende mængde CO₂ endnu ikke er dannet eller er bortventileret ved luftning.

Det understreges, at bestemmelsen af metandannelsen ikke påvirkes af, at en del af det dannede CO₂ forbliver i væskefasen.

2.5 Biogaspotentiale i forhold til affald

Biogaspotentialet for affaldsprøver kan opgøres på forskellig måde. Resultaterne fra laboratorieforsøgene opgøres i Nm³ CH₄/t VS. Disse resultater kan ligeledes opgøres som metanpotentiale på basis af biomasse (våd vægt) eller kildesorteret affald (våd vægt), se Figur 1. Enheden for metanpotentialet har stor betydning. Opgørelse på basis af VS giver indtryk af omsætteligheden og energiindholdet af den organiske del af biomassen. Opgørelse på biomasse (W/W) basis viser, hvor meget biogas (Nm³ CH₄/t biomasse, W/W) biogasanlægget kan forvente at få ud fra en kendt mængde biomasse. Opgørelse på basis af kildesorteret affald (W/W) giver indtryk af den forventelige mængde biogas (Nm³ CH₄/t kildesorteret dagrenovation, W/W) for en kendt mængde indsamlet kildesorteret organisk dagrenovation. Her medtages effektiviteten i forbehandlingsanlægget og denne opgørelse er derfor specifik for de enkelte forbehandlingsmetoder (de øvrige opgørelser er gjort på basis af prøver forbehandlet på de enkelte forbehandlingsanlæg, men andelen af biomasse og rejekt fra forbehandlingen af den enkelte prøve indgår ikke i beregningerne).

Figur 1:
Gaspotentialer fra forskellige forbehandlingsmetoder opgjort på forskellig basis, henholdsvis VS-, biomasse- og kildesorteret affaldsbasis.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |