Biogasprocessen
Micro-skala omsætning er, med nogle undtagelser, en kontinuert proces baseret på husdyrgødning. Bakterier der allerede lever i husdyrgødningen nedbryder organiskmateriale og omsætter plantedele til biogas. Hjertet for biogasanlægget er reaktortanken som for det meste består af en eller flere gastætte tanke.
Nedenfor kan du finde mere teknisk information om biogas, forskellige komponenter til i biogasanlæggene og få mulighed for at vide mere om biologien og procesparametrene i biogasprocessen.
Teknikker
Produktionen på et gårdbiogasanlæg er, med visse undtagelser, en kontinuerlig proces baseret på flydende husdyrgødning. Biogasanlæggets hjerte er rådnetanken, som typisk består af en eller flere gastætte tanke af stål eller beton. Den flydende husdyrgødning i rådnetanken blandes/omrøres og der opretholdes en konstant temperatur. Substratet tilføres til reaktoren flere gange dagligt. Afgasset biomasse udtages fra reaktoren samtidig med indpumpning. Indholdet i rådnetanken holdes konstant, hvilket resulterer i en jævn og kontinuerlig produktion af biogas. Mængden af organisk tørstof der tilføres kan kontrolleres ofte automatiseret. Man kan vælge en vertikal eller horisontal rådnetank, enkelt-fase eller flere-fase, mesofil eller termofil drift. Din foretrukne anlægstype vil afhænge af typen af biomasse, der forventes anvendt.
For fast husdyrgødning er der flere muligheder; ved blanding med flydende husdyrgødning eller vand kan det behandles som flydende husdyrgødning i systemer som beskrevet ovenfor. En anden mulighed er en batchproces, som eksempel i en rådnetanke af den såkaldte garagetype. En sådan rådnetank består typisk af flere kamre, som er fyldt til det maksimale, hvorefter omsætningsprocessen finder sted. Efter endt opholdstid tømmes boksen og processen opstartes igen med ny biomasse. Væsken der undslipper under tømning (perkolat) opsamles, opvarmes og sprinkles over det friske substrat.
En anden type rådnetank er mere almindelig: Den såkaldte plug flow reaktor. Denne er en horisontal cylinder hvor substratet bevæger sig fra en ende til den anden. Omrøringsmekanismen arbejder i en bevægelsesretning vinkelret på substratets bevægelse. Belastningen fra organisk tørstof kan være højere end i en CSTR. Kendetegnet er værdier på 5 til 10 kg ODM/m3/dag. I praksis er denne type reaktorer ofte kombineret med en vertikal rådnetank hvilket tillader længere opholdstid.
Komponenter i et biogasanlæg
Et biogasanlæg består af mere end bare en eller flere reaktortanke. Andre mulige komponenter er f.eks.:
- Lagertank til husdyrgødning
- Lagertank til andre biomasser
- Indfødningssystem
- Rådnetanke inklusive oprørere
- gasfakkel
- Biogaslager
- Lager til afgasset biomasse
- Opvarmning af biogas
- Motor-generatorenhed (kombineret varme og el produktion)
- Gas opgraderingsanlæg
- Rørføring og pumper
- Anlæg til behandling af afgasset biomasse
Hvilke komponenter der relevante i din situation, og hvilken kapacitet der er nødvendig for det du ønsker at producere (energi eller gas), hvilke muligheder du har for at købe skaffe yderligere biomasser samt ønsker om behandling af afgasset er spørgsmål, der har betydning for det optimale valg af anlægskoncept.
Biologien i biogasprocessen
Biogas bliver produceret ved en biologisk proces, hvor orgaisk stof ved bakteriel omsætning sker under anaerobe forhold. Anaerobe forhold betyder at processen foregår i et iltfrit miljø. Det organiske materiale i substraterne omsættes og omdannes derved til biogas af mikroorganismer.
De fire faser i biogasproduktion
Processen består af fire trin som hver gennemføres af forskellige grupper af bakterier:
Kilde: http://www.streambioenergy.ie/content/user/images/mapb.gif
- Hydrolyse
- Acidogenese (syredannelse)
- Acetogenese (acetatdannelse)
- Metanogenese (metandannelse)
I første fase, hydrolysen, nedbrydes store organiske polymerer som kulhydrater, fedtstoffer og proteiner, til mindre bestanddele som simple sukkerarter, aminosyrer, fede syrer og vand.
Herefter starter anden fase. Denne fase er acidogenese, yderligere nedbrydning af de resterende komponenter. Dette udføres af syredannede bakterier som omdanner komponenterne til kortkædede fedtsyrer, alkoholer, CO2, hydrogen og ammoniak.
I den tredje fase acetogenese, dannes de organiske syrer. Disse er basen for den endelige metanogenese. De ansvarlige bakterier i tredje faser er acetatdannende og meget følsomme overfor temperatursvingninger. Selve metanogenesen starter langsomt i den tredje fase.
Den fjerde og sidste fase resulterer i metan produktion. Halvfems procent af den samlede mængde metan bliver dannet i denne fase. Også CO2 frigives, vand i små mængder, H2S og N2. Indholdet af metan i biogas varierer typisk mellem 50 % og 60 %. I gårdbiogasanlæg foregår de fire faser i processen typisk i samme reaktor/reaktortank med konstant omrøring.
Miljøforhold for bakterier
Bakterierne i reaktortanken er meget følsomme overfor temperaturen. Derfor skal temperaturen i reaktortanken holdes på et vist niveau for at forhindre at bakterierne bliver dræbt. I praksis skelnes der mellem mesofile bakterier og termofile bakterier. Mesofile bakterier kræver en temperatur på mellem 25 °C og 45 °C, typisk ca. 38 °C. For termofile bakterier er temperaturer på 45 °C eller mere, påkrævet. Termofile bakterier er mere sensitive overfor temperaturændringer end mesofile bakterier. Derfor er termofil omsætning vanskeligere at kontrollere.
Bortset fra en bestemt konstant temperatur er der flere faktorer som har en positiv indflydelse på klimaet for bakterier:
Et fugtigt miljø. Vandindholdet i substratet skal være på mindst 50 % for at de metan producerende bakterier kan arbejde og reproducere sig selv.
Et mørkt miljø. Selvom lyset ikke er dødbringende for bakterier, er det årsag til en forsinkelse af processen. Så ved at opretholde et mørkt miljø understøttes biogasprocessen.
pH-værdien i reaktortanken. Generelt opererer hver bakteriekoloni optimalt ved en bestemt pH værdi. For de metanogene bakterier er denne værdi 7. I tilfælde af et-trins omsætning, hvor kun en reaktortank anvendes, anbefales det at denne pH-værdi fastholdes. Grunden til dette er at de metanogene bakterier bruger mest tid på reproduktion hvilket gør dem til det svageste led.
Næringsstoffer. Bakterier har brug for næringsstoffer, vitaminer og mineraler, til at opbygge cellemateriale. Husdyrgødning indeholder generelt tilstrækkeligt med næringsstoffer, vitaminer og mineraler.
Stor overflade på substratet. Jo finere substratet er når det kommer ind i reaktortanken, jo større overfladeareal, hvorved der opnås en bedre omsætning. Specielt ved kort opholdstid er det vigtigt at anvende et fint formalet substrat. Dannelse af flydelag nedsætter den aktive overflade hvilket er årsag til at der er regelmæssig omrøring i reaktoren.
Kontinuert tilførsel af substrat. For at undgå at bakterierne bliver overfodret er det vigtigt at skabe et flow af substrat der er så kontinuert som muligt. Jo bedre nedbrydeligt substratet er, jo oftere skal det tilføres reaktortanken.
Gas outlet. Jo lettere biogassen kan undslippe substratet, jo højere produktionsmængde kan der opnås. For at opnå dette bør gastrykket over substratet ikke være for højt. Et velfungerende gasudtag er derfor nødvendigt.
Undgåelse af forstyrrende stoffer. Nogle stoffer har en forstyrrende eller endda ødelæggende effekt på biogasproduktionen. Ilt er et godt eksempel, men også antibiotika eller mugne substrater kan forstyrre biogasprocessen.
Proces parametre
Der er tre parametre som beskriver biogasprocessen. Disse er:
Den organiske belastning, som står for den organiske tørstof belastning. Dette repræsenterer, hvor mange kilogram organisk tørstof pr. m3 reaktorvolumen der bliver ført til reaktortanken pr. dag. Dette varierer typisk mellem 2 og 3 kg organisk tørstof/m3/dag. Som tommelfingerregel kan du bruge 4 kg/m3/dag som maksimal værdi. Derudover sænkes bakterieaktiviteten.
Opholdstid. Den såkaldte hydrauliske opholdstid er den teoretiske tid substratet opholder sig i reaktoren. For en CSTR (continuous stirred-tank reaktor) er dette en beregnet værdi. For en plug-flow reaktor repræsenterer den hydrauliske opholdstid den faktiske opholdstid ret præcist. Generelt, jo lettere substratet kan nedbrydes, jo kortere kan den hydrauliske opholdstid blive.
Nedbrydningsprocent. Dette afspejler procentdelen af den totale mængde organisk tørstof som nedbrydes under opholdstiden. Typisk er dette ca. 60 %. Det er muligt at nedbryde en større andel men dette kræver en længere opholdstid og/eller varme-trykbehandling. I praksis bliver alt organisk tørstof ikke omsat.