Biogasinstallaties: flexibele productie van hernieuwbare energie uit biomassa
Biogastechnologie maakt gebruik van milieuvriendelijke natuurlijke processen
Objectief wordt biogas beschouwd als een ontvlambaar nevenproduct van de anaerobe vergisting van organisch materiaal. Biogas is één van de meest flexibele elementen in de mix van hernieuwbare energie. Het kan worden opgeslagen in de vorm van warmte of elektrische stroom, zodat de energie kan worden gebruikt waar deze nodig is. Door deze flexibiliteit is biogas een ideale aanvulling op zonne- of windenergie, die beide niet altijd even betrouwbaar en moeilijk te reguleren zijn.
Vogelsang biedt betrouwbare componenten voor de rendabele productie van biogas. Van pomp, versnijd- en desintegratiesystemen tot vastestofdoseeroplossingen, Vogelsang biedt een uitgebreid portfolio aan biogastechnieken voor alle soorten fermentatie. Daarom zien wij onszelf als deskundige partners voor de biogassector. Samen met onze klanten ontwikkelen wij voortdurend onze biogastechnieken en passen wij deze aan de lopende ontwikkelingen in de onderliggende omstandigheden aan, zodat we hen oplossingen kunnen bieden voor de efficiënte productie van biogas. Een belangrijk aspect hiervan is de individuele analyse van elke biogasinstallatie. Dit is de enige manier om potentieel voor de optimalisatie te vinden en ten volle te benutten.
Internationale situatie in de biogassector
Vandaag de dag zijn er in Duitsland ca. 10.000 biogasinstallaties (afhankelijk van de gebruikte telmethode) die stroom leveren aan de bevolking. In heel Europa zijn dat er meer dan 17.000. De gemiddelde grootte van een biogasinstallatie verschilt van land tot land in functie van het gebruikte type biomassa. Dit betekent dat in sommige landen kleinere biogasinstallaties vooral worden aangemoedigd. In Duitsland zijn dit installaties tot maximum 75 kWel die nagenoeg alleen landbouwafval recycleren. Anderzijds zijn er ook grote installaties die meerdere megawatt (MW) genereren. De imputmaterialen zijn gerecycleerde hernieuwbare materialen, huishoudelijk organisch afval en voedingsafval.
Toepassingen in biogasinstallaties
Een biogasinstallatie wordt zo gebouwd dat deze optimale omstandigheden biedt voor de biogasproductie: de biomassa wordt in grote reservoirs (vergisters) bewaard, waar deze vergist zonder licht en zuurstof. Deze anaerobe vergisting vindt plaats in 4 fasen waarin elke gespecialiseerde bacterie de biomassa stap voor stap omzet en daarbij biogas produceert. Deze stappen (ook 'fasen' genoemd) zijn als volgt:
- Eerste stap: hydrolyse (vergisting van ruwe materialen).
- Tweede stap: acidogenese (verzuring).
- Derde stap: acetogenese (vorming van azijnzuur).
- Vierde stap: methanogenese (vorming van methaan).
Het biogas zelf bestaat voornamelijk uit methaan en koolstofdioxide, maar bevat ook verschillende andere gassen, bijvoorbeeld waterstofsulfide, stikstof, zuurstof en ammoniak. Aan het einde van het fermentatieproces blijft het residu genaamd 'digestaat' over, dat in de landbouw als meststof gebruikt kan worden. Hiermee is de natuurlijke kringloop volledig; zonder andere bruikbare nevenproducten is biogas zeer duurzaam.
Biogas: de betonnen koe
De hierboven beschreven processtappen tonen een grote gelijkenis met het verteringsstelsel van een koe. Daarom wordt een biogasinstallatie ook wel eens een 'betonnen koe' genoemd. Zowel in de biogasinstallatie als in het spijsverteringsstelsel van de herkauwers zetten bacteriën biomassa om in energie. Het proces dat in moderne biogasinstallaties 'bereiding van het substraat' wordt genoemd is vergelijkbaar met van het kauwen bij de koe. Hydrolyse vindt plaats in de eerste maag van de koe (de voormaag). De verzuring en de vorming van azijnzuur vinden vervolgens plaats in de boekmaag en de lebmaag, terwijl de energie wordt geproduceerd (d.w.z. geabsorbeerd in het lichaam van de koe) in de dunne en dikke darm en in de appendix. Een andere opvallende gelijkenis is het vaste inputmateriaal (substraat). Net als hun koeien voeden veel landbouwers hun biogasinstallatie met hernieuwbare materialen, zoals maiskuil en graskuil.
De elementen van een biogasinstallatie
Belangrijke kernonderdelen van elke biogasinstallatie zijn:
- substraat / vastestofdosering,
- vergistingstank,
- mixers voor het vermengen van vergistingsstoffen,
- gasopslag,
- fermentatieresidu-opslag voor het resterende gefermenteerde materiaal en
- het geproduceerde biogas wordt meestal gebruikt voor een warmtekrachtkoppelingsunit of -minder vaak- voor gasverwerking en -opslag in het netwerk.
Een warmtekrachtkoppelingsunit is een gasmotor die wordt gekoppeld aan een generator die stroom (vermogen) levert uit de biogasenergie. Mixers zijn noodzakelijk, want alleen hiermee kunnen optimale omstandigheden worden gecreëerd voor de productie van biogas, wanneer de vergister grondig en gelijkmatig wordt gemixt. Het doel van de vastestofdoseerder van Vogelsang is het aanvoeren van de vaste biomassa naar de vergister. In het ideale geval wordt dit gedaan met laag energieverbruik en een storingsvrije werking, ongeacht het type biomassa.
Welke vast materiaal kan worden gebruikt in een biogasinstallatie is afhankelijk van verschillende factoren. Algemeen gesproken moet het organische aandeel zeer dicht zijn aangezien het alleen dan kan worden omgezet in biogas. De rententietijd moet ook overeenkomen met het gebruikte vaste materiaal. De retentietijd is de gemiddelde tijd die de biomassa doorbrengt in de vergister tot hij er weer uitstroomt. Als deze tijd te kort is, hebben de bacteriën niet genoeg tijd om het meeste vaste materiaal voldoende af te breken. Het resultaat is dat de energie in de biomassa niet volledig wordt benut. Uit technologisch oogpunt is dit geen probleem, maar het heeft een impact op het rendement van de biogasinstallatie. Inputmaterialen met hoge energie leveren niet automatisch het hoogste rendement. De kosten van het inputmateriaal en de werkelijke energie die het kan leveren, moeten eveneens in aanmerking worden genomen. Er moet ook officiële toelating worden aangevraagd voor de geselecteerde biomassa.
Natte fermentatie en droge fermentatie - de twee fermentatiemethodes
Biogasinstallaties worden vaak volgens 2 criteria geclassificeerd. Er wordt bijvoorbeeld een onderscheid gemaakt tussen natte fermentatie en droge fermentatie. Bij natte fermentatie wordt het vaste materiaal vermengd met een vloeistof. De daaruit resulterende organische suspensie is meestal vloeibaar en wordt bewogen met een pomp van Vogelsang.
Tijdens de droge fermentatie wordt stapelbare biomassa in een 'boxvergister' of 'garagevergister' geplaatst en dan besproeid met een vloeistof (het 'percolaat'). Percolaat dat uit de bodem druppelt wordt opgevangen en opnieuw aangebracht aan de bovenkant van de biomassa. Dit vergemakkelijkt het fermentatieproces en maakt zo biogasproductie mogelijk. Dit type installatie wordt niet zo vaak gebruikt en wordt in de eerste plaats toegepast voor het vergisten van organisch afval, zoals tuinafval of huishoudelijk voedingsafval.
Biogasinstallaties en biomethaaninstallaties: het gaat om wat er uit komt
Een ander onderscheid is dat tussen biogasinstallaties en biomethaaninstallaties. Beide installaties produceren biogas. In biogasinstallaties wordt dit biogas een beetje verder verwerkt en dan direct omgezet in stroom en warmte in een warmtekrachtkoppelingsunit in de buurt. Biomethaaninstallaties verwerken het biogas zo grondig dat het, net als aardgas, bijna volledig uit methaan bestaat. Dit biomethaan kan daarom rechtstreeks naar het aardgasnetwerk worden geleid waar het kan worden getransporteerd en verbrand op de plaatsen waar de energie vereist is.
Afvalinstallaties: nuttig gebruik van organisch afval
Een andere veel gebruikte classificatie is gebaseerd op gebruikte biomassa. Hierbij wordt een onderscheid gemaakt tussen covergistingsinstallaties of afvalinstallaties en hernieuwbare materialeninstallaties. De term 'covergistingsinstallatie' dateert uit de beginperiode van de biogasboom in Duitsland. Landbouwers bouwden systemen waarin ze de energie, die nog in mest aanwezig was, in de vorm van biogas wilden genereren en gebruiken. Al snel ontdekten ze dat ze veel meer biogas konden produceren als ze ook cosubstraten toevoegden aan de mest, bijvoorbeeld voedingsresten, granen of organisch afval. Zo ontstond de term 'covergistingsinstallatie' voor biogasinstallaties, die zowel industriële residu's en afval als landbouwafval zoals drijfmest en mest gebruiken. Na verloop van tijd verminderde de proportie van zulke landbouwgebaseerde biogasinstallaties die afvalmateriaal vergisten sterk. In plaats daarvan werden veel industriële installaties gebouwd voor het verwerken van huishoudelijk, commercieel en industrieel afval. Tijdens deze ontwikkeling begon men de term 'afvalinstallatie' te gebruiken voor biogasinstallaties waar organisch afval wordt vergist.
Hernieuwbare materialeninstallaties - wat zijn ze en hoe onderscheiden ze zich
De term 'hernieuwbare materialeninstallatie' dateert uit een periode waarin de overheid had beslist om de vergisting van hernieuwbare materialen te stimuleren, met name energiegewassen. Naast landbouwafval vergiste deze biogasinstallaties alleen hernieuwbare grondstoffen. Landbouwafval is meestal mest en drijfmest. Typische hernieuwbare materialen (energiegewassen) zijn:
- mais- en graskuil,
- GPS (gehele-plant-silage) en
- gewassen, zoals aardappelen, rapen enzovoorts, op voorwaarde dat deze niet voor voedingsproductie waren/zijn bestemd.
Wanneer al deze punten in aanmerking worden genomen, moet geschikte vastestofdoseertechniek, die de biomassa voordelig kan aanvoeren, worden geïnstalleerd in de biogasinstallatie. Vloeibaar afval van landbouw, bijvoorbeeld meststof en glycerine of residu's van vetvangers, kan gewoonlijk direct in de vergister worden gepompt met een Vogelsang-pomp. Omdat dit vaak afval is dat vreemde voorwerpen bevat zoals stenen, metaal en onzuiverheden (bijvoorbeeld hout, riemen) raden wij het gebruik van versnijders en verdelers voor vreemde voorwerpen aan om het materiaal tot een beheersbaar formaat te verkleinen.
Hygiëne
Bij het gebruik van inputmateriaal dat is onderworpen aan hygiënevoorschriften is een diepe reiniging vereist om parasieten, virussen of bacteriën in het materiaal, die schadelijk zijn voor het milieu, te vernietigen. Dit geldt met name voor substraten van dierlijke oorsprong zoals slachtafval en voedingsafval. Bij de meest gebruikte procedure wordt het inputmateriaal verhit tot minstens 70°C gedurende een uur en dan verkleind tot een grootte van maximaal 12 mm. Beproefde systemen voor dit proces zijn aanrakingsgebaseerde versnijders in combinatie met een verdringerpomp. Verdringerpompen van Vogelsang pompen viskeus en schurend afvalmateriaal veilig. Een honingraadzeef met openingen van 12 mm in de RotaCut-versnijder zorgt ervoor dat alle elementen worden verkleind tot de maximaal toegestane grootte. Speciale opties zorgen dat inputmateriaal niet onbehandeld voorbij de versnijder komt.
Toevoerproces voor niet-vloeibare biomassa
Biogasinstallaties worden vooral gevoed met niet-vloeibaar, vast materiaal (ook 'substraten' genoemd). De toevoerprocessen kunnen grof worden verdeeld in 2 categorieën: droge vastestofdosering en vloeibarestofdosering. Bij droge vastestofdosering worden de inputmaterialen direct in de vergister geplaatst. Excentrische wormschroeven zijn de meest gebruikte methode. Hierbij wordt het vaste materiaal naar boven verplaatst en boven op de organische suspensie geplaatst. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is de relatief lage investeringskosten. Het vaste materiaal moet echter worden omgeroerd door de mixers in de vergister. Dit is alleen mogelijk bij een zeer hoog energieniveau. Deze techniek is ook niet zeer geschikt voor substraten met lange vezels, bijvoorbeeld gras, stro of landbouwafval, zoals mest.
Bij vloeibarestofdosering wordt de biomassa eerst gemengd met een vloeibare suspensie, het digestaat of zogenoemde 'recirculaat' van de vergister. Dit proces wordt ook 'maischen' genoemd. De resulterende massa wordt dan naar de vergistingsruimte getransporteerd (meestal verpompt). De voordelen van deze procedure zijn dat de biomassa in de vergister terechtkomt in vloeibare vorm en dat het mixen veel minder energie kost bij een vergisterinhoud die goed kan worden gemixt met de organische suspensie. Als het vaste materiaal ook tegelijk wordt verwerkt, gaat het verminderde energieverbruik ook gepaard met verhoogde gasproductie. Dit reduceert ook aanzienlijk het vaak voorkomende probleem van de vorming van drijvende lagen.
Als alternatief zijn er vloeibarestofsystemen die naast hernieuwbare materialen, ook organisch afval met extreem verschillende eigenschappen als input kunnen hebben. Veel biogasinstallaties zijn gebaseerd op dit soort systemen. De reden hiervoor is ofwel dat ze ook gewassen, zoals aardappelen of bieten, willen gebruiken naast klassieke hernieuwbare materialen, of omdat de eigenschappen van de gebruikte biomassa extreem variëren (bijvoorbeeld bij voedingsafval of huishoudelijk organisch afval). Andere biogasinstallaties reageren erg flexibel, omdat ze de momenteel op de markt verkrijgbare biomassa goedkoop opkopen. Systemen als PreMix, de vastestofdoseerder van Vogelsang, zijn gemaakt voor dit soort biogasinstallaties. Zij kunnen een groot aantal verschillende types biomassa betrouwbaar, eenvoudig en goed gemaischt als input naar de vergister voeren. Zo voldoen ze aan een basisvereiste voor een rendabele werking van deze biogasinstallaties.