Øget biogasproduktion på renseanlæg – løsningerne ligger ligefor

Øget biogasproduktion på renseanlæggene kan være et godt og relativt ukompliceret skridt på vejen til at blive energineutral - eller energipositiv. Eksisterende kapacitet kan sammen med ny teknologi og styring medvirke til at øge energiproduktionen betydeligt, skriver markedschef i Krüger.
Brødtekst

Renseanlægget er det sted hos de danske forsyningsselskaber, hvor energiregningen er størst. Her bruges i gennemsnit mere end 60 pct. af den samlede energi, som forsyningen bruger. Vandsektoren i Danmark bruger i øvrigt ca. 2 pct. af det samlede danske energiforbrug.

Der er faktisk potentiale til, at vandsektoren SELV producerer den energimængde, den bruger – og i øvrigt meget mere til.

Der er et stort potentiale i at øge produktionen af biogas på de danske renseanlæg. Mange steder er der allerede overskudskapacitet i renseanlæggenes eksisterende rådnetanke, driftsekspertisen er til stede, og anlæggene har en lang levetid for at leve op til miljølovgivningen.

Fokus på energiforbruget

Der er over de seneste ti år sparet en del på energiforbruget på renseanlæggene i Danmark. Det er sket gennem en målrettet indsats, hvor de mest energiforbrugende processer har været i fokus, samtidig med at spild er minimeret og i mange tilfælde ændret til energigenvinding og energiproduktion.

Teoretisk set rummer 1 m3 spildevand i indløbet til renseanlægget 1,8 kWh energi. Der er meget stor variation i dette i praksis, for mens meget 'tykt' (COD-holdigt) spildevand fra industrien rummer meget energi, vil tyndt, regn- og indsivningsopspædet husholdningsspildevand rumme mindre energi.

Der løber groft opgjort ca. 600 mio. m3 spildevand til danske renseanlæg pr. år, og der bruges i alt godt 400 GWh på at rense det. Renseanlæggene producerer i dag ca. 285 GWh selv, primært fra biogas, men også lidt fra varmepumper.

Energiproduktionen på renseanlægget i form af el og varme kommer således overvejende fra afbrænding af biogas i en gasmotor, men varmepumper vil nok vinde frem og supplere i de kommende år, hvor flere ugunstige afgifter fjernes (el til varme sænkes fra 21 øre/kWh til 0,4 øre/kWh i 2021, afgift på overskudsvarme bortfalder i 2021, og PSO-afgiften udfases med virkning fra 2022).

Der er også produktion af energi fra solceller på mange anlæg, fordi der er frie arealer og behov for energi, enkelte anlæg har vindmøller, og i Kolding har Bluekolding etableret en turbine længere nede på udløbet fra Agtrup Renseanlæg, der ligger ca. 30 m over Kolding Fjord.

Den energi, der produceres på renseanlægget, anvendes til pumpning, beluftning, omrøring, opvarmning af rådnetank, afvanding af slam samt opvarmning og elforbrug i tilknyttede bygninger. Omtrent halvdelen af energien på renseanlægget bruges til beluftning i nitrifikationstrinnet.

Produktion af biogas og energi på renseanlægget

Biogas (i form af methan) produceres på renseanlægget i en rådnetank, hvor slam (organisk materiale) nedbrydes af bakterier under anaerobe forhold.

Tidligere var biogasproduktionen mest et sekundært resultat, da det primære fokus var at stabilisere slammet og nedbringe den slammængde, der skulle bortskaffes fra anlægget, mens biogassen blev brændt af i en fakkel.

I dag bruges biogassen til afbrænding i en gasmotor, og her omsættes op mod 80-90 pct. af gassens kaloriferiske værdi til el og varme i ca. 45/55 forhold med lidt mere varme end el.

Den producerede el kan anvendes på anlægget til pumpning, beluftning, maskindrift etc. Både fordi behovet er der, og fordi det er relativt enkelt at distribuere el internt på anlægget.

Varmen bruges især til at varme slammet i rådnetanken op (mesofil rådnetanksdrift omkring 37°C eller thermofil rådnetanksdrift omkring 52°C).

Både overskydende el og varme sælges til nettet. Det er enkelt og billigt at eksportere el, forudsat at nettet har kapacitet, mens det, for at kunne afsætte varmen, er afgørende, at der enten er et nærliggende fjernvarmenet eller en potentiel aftager tæt på, for ellers bliver anlægsomkostningerne til fjernvarmeledninger en barriere for en fornuftig økonomi.

Der er groft anslået ca. 50 renseanlæg i Danmark med rådnetanke til udrådning af slam, og det skønnes, at ca. 180.000 ton slamtørstof ud af samlet ca. 225.000 ton slamtørstof anvendes til biogasproduktion.

Hvis al den producerede energi kan anvendes internt og/eller eksporteres, så er det naturligvis i renseanlæggets interesse at maksimere produktionen af biogas. Mange danske renseanlæg har gjort det som vist på figur 1:

SYNSPUNKTET FORTSÆTTER UNDER FIGUREN

Normalt dansk renseanlæg med onlinestyring
Dansk renseanlæg med avanceret styring, primær slam og biologisk slam til rådnetank. Rød markering er forbrug, grøn markering er produktion – opgjort som energi pr. PE pr. år.
Illustration: Krüger

Den effektive og energioptimale rensning kræver fuld kontrol over de biologiske processer, især nitrifikationstrinnet. Hertil bruges avanceret onlinestyring, så der indblæses nøjagtigt den luft, der skal til, for at bakterierne kan omdanne ammonium til nitrat.

Styringen hjælper også med at filtrere organisk materiale fra i indløbet (primær fældning/for-filtrering), idet en for effektiv filtrering vil kunne gå ud over de biologiske trin. Styringen hjælper desuden med at trimme det aktive slam (bakteriemassen) i de biologiske trin og dermed optimere udtaget af overskudsslam herfra.

Resultatet er et ret effektivt forbrug af energi og en relativt god produktion af energi – dog ikke energineutral eller energipositiv.

Øget biogasproduktion med hydrolyse

Der er heldigvis flere muligheder for at øge biogasproduktionen på det viste anlæg.

Første nærliggende trin er at få mere biogas ud af det slam, der er på anlægget. Det kan f.eks. gøres ved at sætte et behandlingstrin ind, der hydrolyserer slammet (en slags 'trykkogning'), hvorved endnu mere af slammets organiske materiale bliver nedbrydeligt. Den svært nedbrydelige fraktion åbnes.

Hydrolysen kan udføres flere steder, og en meget effektiv én er at hydrolysere mellem to udrådningstrin (DLD – Digestion, Lysis, Digestion) – som vist på figur 2.

SYNSPUNKTET FORTSÆTTER UNDER FIGUREN

Med DLD og 25% mere gas
Dansk renseanlæg med avanceret styring, primær slam og biologisk slam til rådnetank samt termisk hydrolyse og ekstra udrådning. Tallene i parentes er fra driftsscenariet i figur 1.
Illustration: Krüger

Med denne løsning øges biogasproduktionen typisk mellem 25 pct. og 35 pct. Som det ses af figuren, er renseanlægget nu relativt tæt på at være energineutralt. Der kan stadig optimeres på slamudtaget i renseanlæggets indløb (primærslam udtag).

Der kan også optimeres på driften af rådnetanken. Driften af rådnetanken er ofte baseret på god og lang erfaring, hvor stor sikkerhed for kontinuitet i driften vejer tungt.

Der er i Danmark gennemført flere større forsknings- og udviklingsprojekter med henblik på at afdække den biologiske aktivitet i rådnetanken bedre, og for at udvikle måling og styring, der kan assistere med driften og maksimere gasproduktionen.

Ved en bedre styring af rådnetanken kan det forventes, at der kan produceres 5-10 pct. mere biogas – også uden slamhydrolyse.

Øget biogasproduktion fra slamlagertank

Ved at etablere overdækning og gasopsamling på slamlagertank mellem rådnetank og slutafvanding vil det desuden være muligt at øge biogasproduktionen med yderligere 10-15 pct. Samtidig reduceres klimaaftrykket, da methan har et klimaaftryk på 300 CO2-ækvivalenter.

En meget smart løsning til dette er den såkaldte 3iEN-tank (se foto), hvor det (kolde) indgående slam varmeudveksler med det (varme) udgående slam i en overdækket tank, hvor biogassen kan opsamles. Dette princip er bl.a. etableret på Skagen Renseanlæg, hvor varmebesparelsen og den ekstra gasproduktion er nok til at dække energibehovet i 100 boliger i Skagen by.

SYNSPUNKTET FORTSÆTTER UNDER FOTOET

3iEN-tank ved Skagen Renseanlæg
3iEN-tank i forgrunden på Skagen Renseanlæg
Illustration: Frederikshavn Forsyning

En god forretning

Hos nogle forsyninger har man samlet slamhåndteringen fra flere af forsyningens anlæg på ét renseanlæg. Herved tilføres yderligere organisk materiale, og så kan anlægget blive energipositivt – altså producere mere energi, end det selv bruger.

Det er gjort i Billund Vand på Grindsted Renseanlæg (Billund BioRefinery), hvor der samtidig tilføres både organisk industriaffald og kildesorteret organisk husholdningsaffald.

SYNSPUNKTET FORTSÆTTER UNDER FIGUREN

 

Billund Vand & Energi biogasproduktion
I 2014, hvor design af udbygningen startede, modtog man allerede organisk affald, men fordoblede fra 2.500 ton i 2014 til 4.900 ton i 2017. Biogasproduktionen steg fra 1,3 mio. m3 til 3,1 mio. m3. Organisk gødning (udrådnet slam) til landbrugsjord faldt fra 4.400 ton til 4.000 ton.
Illustration: Krüger

Som det fremgår af figur 3 udgør slammængden (målt som tørstof) ca. 40 pct. af den samlede tilførte biomasse, mens resten er organisk affald.

Det medfører, at Billund Biorefinery producerer mere end 2,5 gange så meget energi, som renseanlægget selv skal bruge.

Samtidig med at det organiske input er fordoblet (forskellen mellem 2014 og 2017 viser en 96 pct. stigning), er den slammængde, der skal køres ud på landbrugsjord, faktisk sænket med 9 pct. Det skyldes den termiske hydrolyse, der sikrer optimal omsætning og gasproduktion af slammets/affaldets organiske indhold.

Da den termiske hydrolyse foregår ved 160-180 °C, er den rest, der skal på landbrugsjord som jordforbedring, også hygiejniseret. Biogasproduktionen er hævet med 139 pct.

Billund Vand har udviklet Billund Biorefinery med tilskud fra MUDP og idriftsat anlægget med succes i 2017. Allerede i 2026 forventes investeringen at være tilbagebetalt, og løsningen dækker et lokalt behov her og nu.

Hos Billund Vand har man på kort sigt valgt at fokusere på øget biogasproduktion lokalt gennem genanvendelse af restfraktioner. Det gavner miljø, økonomi og lokalsamfund. Med den relativt korte tilbagebetalingstid spærres der ikke for andre løsninger, hvor biomassen eventuelt kan anvendes med højere værdi i fremtiden.   

I udviklingen af Billund Biorefinery er der med succes bl.a. testet produktion af biopolymer fra slam (kan anvendes til bionedbrydelig plast), genvinding af fosfor som struvit, hvis rest-slammet en dag ikke skal på landbrugsjord, samt bedre styring af de 2 rådnetanke.

En anden væsentlig succes er etableringen af en effektiv rejektvandsbehandling baseret på anammox-bakterien, der sørger for at omdanne ammonium til frit kvælstof uden brug af oxygen og kulstof.

Billund Biorefinery er et demonstrationsprojekt i fuld skala (designkapacitet 100.000 PE) og rammer lige midt i skiven for fremtidens løsninger omkring miljø og ressourcer, hvor denne optimering af synergier mellem vand, energi og affald rummer et meget stort globalt potentiale.

Slam på landbrugsjord i Danmark

En af de ting, der kan stå i vejen for øget biogasproduktion, er stigende udgifter til udbringning af overskudsslam på landbrugsjord.

Det giver god mening at tilbageføre næringsstoffer (N og P) og kulstof (C) til jorden, og der er måske hjælp at hente.

Der er allerede vist alternativer, hvor f.eks. meget af fosforen kan udtages og overskudsslammet kan f.eks. pyrolyseres med biokoks som minimal rest.

På den måde opretholdes recirkuleringen af næringsstof og kulstof, men til gengæld fjernes medicinrester, tungmetaller, mikroplast og andre miljøfremmede stoffer kontrolleret, inden de ender på landbrugsjord.

Øget biogasproduktion på danske renseanlæg vil understøtte den grønne omstilling, og virkemidlerne er demonstreret i fuld skala og ligger klar.