Externe opdracht NVRD
Energieopwekking uit biomassa
Externe opdracht NVRD
Energieopwekking uit biomassa
Medewerkers: Timothy van Heeswijk Barry Schild Suzan de Wit Niels Kennis Tim Wilke Sietse van Osch
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
Tutor: Stijn Mattheij
[email protected]
Opleidingsgegevens: Academie voor Technologie van Gezondheid en Milieu Avans Hogeschool Lovensdijkstraat 61-63 4818 AJ Breda Telefoon: 076-525 05 00 Plaats en datum: Breda, 18 november 2007 Periode 2.1 Versie: 2
Samenvatting In dit rapport worden technieken voor het opwekken van energie uit biomassa vergeleken. De meest bruikbare technieken voor gemeentelijke afvalstromen zijn vergisting, vergassing en verbranding. Per bruikbare techniek worden het proces besproken en verschillende aspecten. Onder deze aspecten vallen de volgende; technisch, ecologisch, praktisch, toekomstig en van elke installatie wordt een voorbeeld gegeven. Hierbij kan geconcludeerd worden dat vergassing nog verder ontwikkeld moet worden en op het moment de minste voorkeur krijgt. Verbranding en vergisting zijn allebei zeer rendabel, al kan er met oog op de kosten, een voorkeur uitgaan naar vergisting. Deze techniek heeft de beste prijs kwaliteit verhouding. Het enige nadeel hiervan is dat het maar voor een beperkt aantal afvalstromen gebruikt kan worden. Een overzicht van alle aspecten is gegeven in hoofdstuk 7, hierin wordt een afwegingskader weergegeven. Ook zal er rekening gehouden worden met benodigde vergunningen en dergelijke.
Inhoudsopgave 1. 2.
Inleiding..................................................................................................... 6 Opwekking bio-energie................................................................................. 7 2.1 Nationaal Milieubeleidsplan........................................................................ 7 2.1.1 Doelstellingen ........................................................................................ 7 3. Vergisting ......................................................................................................... 8 3.1 Algemene procesbeschrijving ......................................................................... 8 3.1.1 Methoden .............................................................................................. 8 3.1.2 Globale weergave proces ......................................................................... 9 3.2 Technisch...............................................................................................10 3.2.1 Vooropslag en invoersystemen ................................................................10 3.2.2 Vergister ..............................................................................................10 3.2.3 Nacompostering ....................................................................................11 3.2.4 Luchtbehandeling ..................................................................................11 3.2.6 Biogas en WKK-motor ............................................................................11 3.3 Financieel...............................................................................................12 3.4 Ecologisch ..............................................................................................13 3.5.1 Rendement ...........................................................................................14 3.5.2 Subsidies..............................................................................................14 3.6.1 Enzymen ..............................................................................................15 3.6.2 Mechanische en/of thermische voorbehandeling ........................................15 3.6.3 Genetische modificatie van de biomassa...................................................15 3.6.4 Thermofiele vergisting............................................................................15 3.6.5 KC en ORC cycli.....................................................................................15 3.6.6 Procesoptimalisatie ................................................................................15 3.6.7 Aanbevelingen ......................................................................................16 3.7 Voorbeelden ...........................................................................................17 3.7.1 Groningen vergisting huishoudelijk afval...................................................17 3.7.2 Lelystad GFT-vergister ...........................................................................17 4. Vergassing.................................................................................................19 4.1 Algemene procesbeschrijving ........................................................................19 4.2 Technisch...............................................................................................21 4.2.1 Soorten afval ........................................................................................21 4.2.2 Luchttoevoer.........................................................................................21 4.2.3 Vergassingsproces .................................................................................21 4.2.4 Emissies ...............................................................................................21 4.2.5 Gaszuivering .........................................................................................22 4.3 Financieel...............................................................................................23 4.4 Ecologisch ..............................................................................................24 4.5 Praktisch ................................................................................................25 4.5.1 Rendement ...........................................................................................25 4.5.2 Subsidies..............................................................................................25 4.5.3 Vergassing m.b.v. het Fischer Tropsch (FT) procédé ..................................25 4.6 Toekomstig ............................................................................................27 4.7 Voorbeeld ..............................................................................................28 4.7.1 Kippenmestvergassing ...........................................................................28 5.1 Procesbeschrijving .......................................................................................29 5.2 Technisch ...................................................................................................30 5.2.1 Aanvoer en opslag van grond- en hulpstoffen............................................30 5.2.2 Stookproces..........................................................................................30 5.2.3 Water- en stoomcyclus...........................................................................30 5.2.4 Rookgasbehandeling ..............................................................................31 5.2.5 Reststoffenverwerking............................................................................32 5.3.1 Investering ...........................................................................................33 5.3.2 Besparing .............................................................................................33 5.4 Ecologisch ..................................................................................................34 5.4.1 Emissies ...............................................................................................34
5.5 Praktisch ....................................................................................................35 5.5.1 Rendement ...........................................................................................35 5.5.2 Subsidies..............................................................................................35 5.6 Toekomstig .................................................................................................36 5.7 Voorbeeld ...................................................................................................37 6.1 Inzameling .............................................................................................38 6.1.1 Knelpunten ...........................................................................................38 6.2 Benodigde vergunningen..........................................................................39 6.2.1 Vergisting .............................................................................................39 6.2.2 Vergassing............................................................................................39 6.2.3 Verbranding..........................................................................................39 7. Afwegingskader..........................................................................................40 Literatuurlijst .......................................................................................................43
5
1. Inleiding Biomassa wordt steeds vaker ingezet voor het opwekken van duurzame energie. De ontwikkelingen op dit gebied gaan hard, zo zijn er veel initiatieven voor de inzameling en verwerking van bepaalde deelstromen. En ook de verwerkingstechnieken ontwikkelen zich snel. Gemeenten en reinigingsdiensten moeten hun plaats bepalen in het landschap. De NVRD wil daarom voor gemeenten en reinigingsdiensten een inventarisatie uitvoeren naar de mogelijkheden,technieken en beleidsaspecten. Hiervoor is door de opdrachtgever de Avans Hogeschool gevraagd een inventarisatie te maken door middel van een literatuurstudie. In dit rapport zullen onder andere beleidsmatige aspecten, de nuttige afvalstromen, de verwerkingstechnieken, schaalgrootte en toekomstige ontwikkelingen behandeld worden. Vergisting Tijdens de vergisting worden alleen makkelijk afbreekbare componenten afgebroken, zoals bermgras, GFT-afval en huishoudelijk afval. Componenten zoals hout zijn moeilijk afbreekbaar. Deze blijven dan ook vrijwel onveranderd aanwezig. Vergisting gebeurt, in tegenstelling tot compostering, zonder zuurstof en met andere bacteriën. Bij dit proces ontstaat er methaangas, door verbranding van dit gas in een WKK-motor wordt er energie opgewekt. Vergassing Bij vergassing kunnen alle soorten afval gebruikt worden, denk hierbij aan huishoudelijk afval, biomassa, dierlijk afval en gemengd kunststofafval. Vergassen is een proces dat tussen verbranden en vergisting (pyrolyse) in zit. Het is een thermisch proces waarbij door middel van zuurstoftoevoer er een verbranding met de aanwezige koolstof plaats kan vinden. Verbranding Biologisch materiaal is de grondstof voor het opwekken van warmtekracht in een houtverbrandingsinstallatie, waarmee huishoudens kunnen worden voorzien van groene stroom. Als grondstof kan bijvoorbeeld hout, snoeiafval en bermgras worden gebruikt. In een houtverbrandingsinstallatie wordt biologisch materiaal verbrand om energie op te wekken. Een verbrandingsproces bestaat uit de volgende stappen; aanvoer en opslag van de grondstoffen, het stookproces, elektriciteitsopwekking, rookgasreiniging en reststoffenverwijdering Leeswijzer Het Nationaal Milieubeleidsplan zal samen met mogelijke technieken in hoofdstuk 2 aan de orde komen. Hierna, in hoofdstuk 3, zal vergisting worden toegelicht. Dit zal gebeuren met een globale procesbeschrijving en technische, financiële, ecologische, praktische en toekomstige aspecten ook wordt er een voorbeeld gegeven. Vervolgens worden in hoofdstuk 4 alle aspecten van vergassing toegelicht waarna in hoofdstuk 5 verbranding uitgebreid aan de orde komt. In hoofdstuk 6 zullen alle consequenties die een biomassa installatie met zich meebrengt besproken worden. Hierna zullen de voor- en nadelen in hoofdstuk 7 aan de orde komen en tot slot, in hoofdstuk 8, het afwegingskader.
6
2.
Opwekking bio-energie
Hieronder wordt het nationaal milieubeleidsplan met betrekking tot energie uit biomassa.
2.1 Nationaal Milieubeleidsplan Een goede milieukwaliteit is een voorwaarde voor de gezondheid en het welbevinden van mensen, planten en dieren en voor een duurzame maatschappelijke en economische ontwikkeling. Het milieubeleid begint met het besef dat door ons gewenste functies (industrie, wonen, landbouw etc.) eisen stellen aan de kwaliteit van het milieu. Hieruit volgt het besef dat bepaalde effecten van het menselijk handelen ongewenst zijn, wanneer deze leiden tot een vermindering van de milieukwaliteit. Hierbij moet gedacht worden aan: verandering van klimaat, verzuring, vermesting, verspreiding, verontreiniging van de bodem, verwijdering, verstoring, verdroging, verspilling.
2.1.1 Doelstellingen Hieronder worden de doelstelling van het milieubeleid voor de verschillende ruimtelijke schaalniveaus behandeld. Lokale niveau Allereerst wordt er begonnen met het lokale niveau. De bedoeling van het NMP is het voorkomen van problemen met bodem, water en lokale luchtverontreiniging, en van geluidsproblemen. Dit kan bereikt worden met energie uit biomassa waardoor er een duurzame leefomgeving ontstaat in de stad en op het platteland. Regionaal niveau Vervolgens komt het regionaal niveau aan de orde. Dit houdt het herstel van functies van het milieu voor drinkwatervoorziening, voor duurzame vormen van landbouw, voor wonen in het landelijk gebied en voor recreatie in. Met behulp van duurzame energie kunnen er mogelijkheden geschept worden voor het behoud en ontwikkeling van natuur en landschap. Fluviaal niveau Heeft geen toepassing op gebruik van duurzame energie. Continentaal niveau De risico’s voor de volksgezondheid en ecosystemen als gevolg van luchtverontreiniging en smogvorming kunnen verwaarloost worden wanneer er energie uit biomassa wordt opgewekt. Mondiaal niveau Uiteindelijk zal energie uit biomassa voorkomen dat de ozonlaag nog verder aangetast zal worden. Er zullen minder broeikasgassen uitgestoten worden en wanneer er elke keer weer genoeg bomen geplant worden, zal de biodiversiteit niet teveel teruggedrongen worden. Hieruit valt te concluderen dat energie uit biomassa de beste manier is volgens het NMP.
7
3. Vergisting In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op alle aspecten die met vergisting te maken hebben.
3.1 Algemene procesbeschrijving Vergisting is een anaeroob proces waarbij bacteriën in de biomassa de organische stoffen omzetten in biogas. Dit gasvormig mengel bestaat voornamelijk uit methaan (CH4) en koolstofdioxide (CO2) Dit proces kan onderverdeeld worden in vier fasen waarin specifieke micro-organismen een rol spelen: - Hydrolyse: hierbij worden complexe, onopgeloste organische stoffen omgezet in eenvoudige, opgeloste organische stoffen. - Verzuring: hierbij worden de eenvoudige, opgeloste organische stoffen omgezet in vluchtige vetzuren en koolstofdioxide. - Azijnzuurvorming: hierbij worden de vluchtige vetzuren in azijnzuur en waterstof omgezet. - Methaanvorming: hierbij worden het azijnzuur, de koolstofdioxide en het waterstof omgezet in methaan. Hieronder is het proces in een schema weergegeven.
Figuur 1. Systematische weergave van het vergistingsproces.
Door het biogas op te vangen kan het gebruikt worden om een generator te laten draaien. De warmte en energie die daarbij vrijkomt kan gebruikt worden. Het afvalproduct wat naast het biogas ontstaat is compost, dit kan dienst doen als meststof. [1]
3.1.1 Methoden Hieronder worden twee methoden weergegeven die gebruikt kunnen worden bij het vergistingsproces.
8
Batch-proces Hierbij wordt de vergistingstank telkens in één keer gevuld of geleegd. Dit systeem wordt in Lelystad gebruikt. Bij dit proces is bijna geen voorbewerking van het GFT-afval nodig en de nabewerking bestaat uit nacomposteren en zeven. [2] Continue proces Hierbij wordt continue een constante hoeveelheid GFT toegevoegd aan de vergistingstank. Het continue proces is toegepast in De Spinder in Tilburg. Dit proces bestaat uit voorsortering, verkleining, weging, menging met vergist materiaal en proceswater, vergisting, ontwatering en nacompostering. Een knelpunt is hierbij de hoeveelheid zand in de GFT, dit veroorzaakte al snel slijtage aan de schroefpersen, verstoppingen in de leidingen en overbelasting van de afvalwatercentrifuge. [3]
3.1.2 Globale weergave proces Huishoudelijk afval en GFT-afval kunnen beide vergist worden. Het proces verschilt echt wel, hieronder wordt van elk proces een globale weergave gegeven.
Figuur 3, globale weergave GFT vergisting
Figuur 2, globale weergave huishoudelijk afval [4]
9
3.2 Technisch In dit hoofdstuk worden de technische aspecten in het gehele proces stuk voor stuk bekeken. Zo worden per onderdeel de kosten en de voor- nadelen besproken. Dit gebeurt in de volgorde van het proces. Het vergistingsproces bestaat voornamelijk uit de onderstaande stappen: Vooropslag en invoersystemen Vergister Nacompostering Luchtbehandeling Biogas
3.2.1 Vooropslag en invoersystemen Door middel van vooropslag, ontstaat er een constante en regelmatige toevoer van de biomassa. De opslagmethode en ruimtebeslag hangt af van het soort biomassa en vergunning. Voor vaste co-producten kunnen sleufsilo’s of kuilen in aanmerking. Hierbij zal alleen de geuremissie zoveel mogelijk moeten voorkomen. De kosten van opslag van co-producten zijn hetzelfde als deze producten als voedermiddel worden opgeslagen. De voor- en nadelen van deze invoersystemen is in tabel 2.1 te zien. [5] Tabel 2.1, verschillende invoersystemen voor co-producten.
3.2.2 Vergister Onder invloed van de aanwezige bacteriën en micro-organismen worden de organische componenten opgelost in water. Methanogene bacteriën zetten de vetzuren die zo ontstaan om in biogas. Dit biogas borrelt omhoog en wordt daarop geleid naar een kiezelfilter. De biomassa bezinkt in de vergister, het residu wordt opgevangen en met
10
een schroef naar de voedingspomp gebracht. Zo wordt de inhoud van de vergister rondgepompt, waardoor de inhoud op temperatuur blijft en niet te warm wordt.
3.2.3 Nacompostering De overgebleven biomassa wordt ontwaterd en naar de nacomposteringshal gebracht. Daar wordt het materiaal belucht, hierbij wordt ammoniakale stikstof omgezet in nitraat en stijgt de temperatuur tot 60-70 graden Celcius. Bij deze reactie worden ongewenste kiemen en bacteriën sterk gereduceerd. Na 2 tot 3 weken is de compost uitgerijpt tot een stabiel en zuiver eindproduct.
3.2.4 Luchtbehandeling De installatie moet voorzien zijn van hal- en puntafzuigingen die de verontreinigde lucht zoveel mogelijk van de bron afzuigen. De afgezogen lucht wordt gebruikt als beluchting bij de nacompostering. Deze lucht samen met de lucht van de puntafzuigingen is daardoor belast met de vrijgekomen ammoniakdampen. Deze lucht wordt daarna door een bevochtiger geleid om de relatieve vochtigheid tot 90% op te voeren. Deze bevochtigde lucht komt vervolgens in een biofilter terecht, waar de aanwezige microorganismen de geurcomponenten verwijderen. Dit levert na ongeveer een maand rijpe compost op.
3.2.6 Biogas en WKK-motor Het geproduceerde biogas krijgt een behandeling om het geschikt te maken als brandstof in de biogasmotoren. Een kiezelfilter verwijdert de grote partikels die uit de vergister worden meegesleurd. In de aanzuigleiding koelt het biogas af, waardoor condens ontstaat. Deze waterdamp wordt apart opgevangen en het biogas wordt opgeslagen in een flexibele gastank. Een blowerstation zuigt het biogas aan en koelt het nog een keer voor een verdere condensafscheiding. Hierna wordt de druk opgevoerd tot 80 mbar, waardoor het biogas opwarmt en de relatieve vochtigheid daalt. Daarna wordt het in de WKK-motor toegevoerd.
11
3.3 Financieel Een globaal financieel overzicht staat hieronder weergegeven. Tabel 3, financieel overzicht. [6]
boederijschaal kleinschalig
Proces
regionale schaal 25.000 ton/jaar
regionale schaal 36.000 ton/jaar
Input co-materialen (ton/jaar) totaal (ton/jaar) Schaal vergistingproces vooropslag (m³) systeem (m³) na-opslag (m³) procestemperatuur (˚C) sanitatie (bewatering) biogas productie verbrandingswaarde gasopslag (m³)
2.000 2.000
4.500 4.500
8.000 4.500
150 1.200 1.245 38 nee 533.050 22 250
200 2.020 447 37 nee 22,6 2.400
1.000 3600 1.000 35 ja 2.312.500 21 6.000
Niet bekend
WKK elektrisch vermogen gasmotor (KWe) Elektriciteitproductie (KWh/jaar)
137
208
549
932.515
1.502.013
4.393.750
Investering vergistingsinstallatie vooropslag na-opslag wkk overig
171.300 19.400 43.569 128.774 133.964 497.000 60.634 436.366
611.668 74.623 537.045
2.150.000 262.300 1.887.700
7,3
17.082 5,8
40.193 6,2
investeringskosten-bruto subsidies investeringskosten-netto Resultaat jaarresultaat terugverdientijd
1.549-
12
3.4 Ecologisch Bij anaerobe vergisting komen allerlei milieuaspecten aan de orde waarmee als bedrijfleider rekening mee gehouden dient te worden. Hieronder wordt een overzicht van milieuaspecten bij de bouw en het gebruik van een vergistinginstallatie gegeven. Beperking van het broeikaseffect Tijdens de anaerobe vergisting vormen zich verschillende gassen, waarvan sommige gassen schadelijk zijn voor het milieu. Zo is methaan een broeikasgas, de uitstoot hiervan wordt dus beter vermeden. Wanneer het methaangas zorgvuldig wordt opgevangen, levert anaerobe vergisting een milieuvoordeel op. Aangezien bij nietvergisting van organisch materiaal ook methaangas vrijkomt, dit zal dan alleen ongehinderd het milieu vervuilen. Hernieuwbare energie Door vergisting te gebruiken om elektriciteit en/of warmte te produceren wordt het gebruik en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen gereduceerd. Terugdringen van het mestoverschot Met behulp van vergisting kan ook het mestoverschot teruggedrongen worden. Via vergisting wordt uit deze mest energie gewonnen die op haar beurt weer kan worden ingezet voor de verdere verwerking van het overgebleven digestaat uit de mest. Vergisting is dus een bewerking van het mestoverschot en tegelijk een stap in de verwerking ervan. Geurhinder Het vergistingsproces gaat door volledig gesloten tanks, geurhinder zou kunnen ontstaan bij bijvoorbeeld de toevoer van co-producten, opslag van deze stoffen in een ontvangsthal en de verdere afwerking van het digestaat. Bij elke installatie verschilt de plaats waar de geur ontstaat. Op deze plaatsen kunnen eventueel maatregelen genomen worden om potentiële geurhinder te vermijden. Transport Het vervoer van het materiaal kan ook klachten opleveren. Zo moet er goed voor uit gekeken worden om de aanvoer van vers materiaal en de afvoer van het digestaat te combineren. Hierbij moet ook rekening gehouden met de omgeving. Veiligheid Biogas is ontplofbaar, dit gevaar is echter beperkt, vanwege van de lagere druk en de kleine hoeveelheid. De kans op ongevallen is hierdoor uiterst klein, omdat een biogasinstallatie aan strenge veiligheidsnormen moet voldoen. Een correcte bedrijfsvoering met respect voor wetten en voorschriften is vereist. Wanneer dit nagekomen wordt, zullen de risico’s en hinder uiterst beperkt zijn. [7]
13
3.5 Praktisch In deze paragraaf wordt bekeken of deze techniek goed is toe te passen en de hoeveelheid rendement.
3.5.1 Rendement Het rendement van vergisting wordt door een aantal factoren bepaald: opbrengsten elektriciteit, inkoop van comaterialen en afzet van digestaat en investeringskosten. Met name kleinschalige vergisters zijn gevoelig voor de variaties in elektriciteitsopbrengst en de inkoopprijs van comaterialen. Bij grootschalige vergistingsinstallaties komen de investeringskosten als belangrijkste factor voor de rentabiliteit bij.
3.5.2 Subsidies Bij een vergistingsinstallatie is subsidie mogelijk op verschillende gebieden. Hieronder worden de subsidieregelingen genoemd met betrekking tot duurzame energie. Energie Onderzoek Subsidie (EOS) Deze subsidie heeft als doel een constante duurzame energievoorziening dichterbij te brengen. Onder EOS vallen vier subsidieregelingen: Nieuw Energie Onderzoek (NEO), Lange Termijn (LT), Energie en Samenwerkingsprojecten (ES) en Demonstratie (DEMO). Milieukwaliteit Energie Productie (MEP) Een subsidie die het opwekken van duurzame energie promoot. Energie Investerings Aftrek (EIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven investeren in duurzame energie en andere energiebesparingsopties. Milieu Investerings Aftrek (MIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven milieu gerelateerd investeren. Reductie Overige Broeikasgassen (ROB) Stimuleerd reductie van de uitstoot van methaan, lachgas en fluorverbindingen.
14
3.6 Toekomstige ontwikkelingen Veel vergistingsinstallaties zijn nog lang niet uitontwikkeld omdat er nog maar betrekkelijk weinig ervaring is opgedaan. Hierdoor valt te verwachten dat de investeringen onderhoudskosten in de toekomst zullen dalen. Ook door serieproductie en een goede samenwerking zal de investering dalen. Voorwaarde is wel dat er een voldoende grote markt is en dat de installaties dus in toenemende mate worden toegepast. In dit paragraaf staan de verwachte ontwikkelingen om het rendement te verhogen en de kosten te verlagen.
3.6.1 Enzymen Enzymen zorgen voor een snellere afbraak van de celwanden van de diverse biomassa producten. Hierdoor kan de vergister stabieler gas produceren en op lange termijn ook meer, met eenzelfde hoeveelheid biomassa. Hier wordt onderzoek naar gedaan.
3.6.2 Mechanische en/of thermische voorbehandeling Mechanische verkleining zorgt voor een betere toegankelijkheid voor bacteriën. Ook kan de biomassa thermisch worden voor behandeld waardoor de bestanddelen voor een bepaalde tijd ontsloten worden voor vergisting.
3.6.3 Genetische modificatie van de biomassa Hierdoor kan het aandeel organische stof worden vergroot, waardoor de afbreekbare fractie van het vergistingsproces toeneemt.
3.6.4 Thermofiele vergisting Een bestaand proces dat plaatsvindt op een temperatuur van 55á60 graden Celsius. Hierdoor is de verblijftijd in de vergistingtank korter waardoor er meer biogas per tijdseenheid kan worden geproduceerd. Dit wordt niet vaak toegepast aangezien er ervaren personeel en een goed monitoring- en controlesysteem voor nodig is. Hiermee is wel een rendementsverbetering van 10% haalbaar.
3.6.5 KC en ORC cycli Dit zijn nageschakelde systemen die warmte van de gasmotor omzetten in elektriciteit. Dit is nu nog niet interessant omdat er geen afzet van warmte is. Dit zou wel in de toekomst verder ontwikkeld kunnen worden.
3.6.6 Procesoptimalisatie Het gaat hierbij om het gebruik van goede meetapparatuur en een constante procesbewaking en –besturing. Door een betere voorbehandeling kan het huidige omzettingsrendement van biomassa naar biogas omhooggaan van 40 naar 50-60%. Ook het omzettingsrendement van biogas naar elektriciteit zou in de toekomst omhoog kunnen gaan van 38% naar 45%. Ook kunnen een aantal parameters de betrouwbaarheid van vergisters vergroten. Zo kan de ‘downtime’ gereduceerd worden. Dit kan gebeuren door bijvoorbeeld de vluchtige vetzuurconcentratie of de partiele waterstofdruk te meten. Door het meten van de vluchtige vetzuurconcentratie kan verzuring worden opgemerkt en de voedingssnelheid worden aangepast. De partiele waterstofdruk is een indicator voor de effectiviteit van de methaan vorming stap. Ook kan de waterstofproductie geoptimaliseerd worden waarmee de onderhoudskosten met 10% gereduceerd kunnen worden.
15
3.6.7 Aanbevelingen Onderzoek naar methode, zoals bijvoorbeeld enzymen, om moeilijkere biomassa beter te ontsluiten voor vergistingsprocessen. Hierdoor kan de verblijftijd worden verkort en/of meer biogas geproduceerd worden. Ook is onderzoek naar meetmethode om het proces te kunnen aansturen van belang. Hierdoor kan sterker en sneller geopereerd worden waardoor de biogasproductie zal toenemen en het aantal draaiuren wordt verhoogt. Verruiming van de mogelijkheden om organische reststromen te verwerken en mogelijkheden om het digistaat te benutten, zouden ook voor meer opbrengsten zorgen. [8]
16
3.7 Voorbeelden Hieronder worden twee voorbeelden gegeven van vergistingsinstallaties.
3.7.1 Groningen vergisting huishoudelijk afval In Groningen is de eerste organische natte fractie (ONF) vergistingsinstallatie ontwikkeld. Vagron, een afvalverwerkingsbedrijf, haalt in de gehele regio jaarlijks ruim 168 kton huishoudelijk afval op. Dit afval wordt gescheiden in bruikbare stromen, waarna de ONF vergist wordt. Sinds het Besluit Overige Organische Meststoffne (BOOM) in 1991 mag de ONF in huisvuil niet meer gecomposteerd worden. Vagron ging op zoek naar een nieuwe verwerkingsmethode en kwam uit bij vergisting, verbranding en storten bleek financieel niet aantrekkelijk te zijn. In 1998 begon de bouw van de vier vergistingtanks waarna deze in 2000 geopend werd door de koningin. In eerste instantie was het de bedoeling de ONF direct te vergisten, het inerte materiaal verstoorde echter het proces. Daarom is er een wasinstallatie gebouwd om deze materialen, zoals zand en dergelijke, uit het ONF te wassen. Maar nog steeds ging het bedrijven van deze ONF-vergistingsinstallatie niet zonder slag of stoot. Het materiaal in de vergister bleef zich onverwachts gedragen. In eerste instantie was er gekozen voor thermofiele vergisting bij een temperatuur van meer dan 55 graden Celcius. Dit is uiteindelijk veranderd naar mesofiele vergisting, bij ongeveer 37 graden Celcius, dit proces is eenvoudiger en heeft een hoger energierendement. Dit proces loopt wel uitstekend. De omzetting van het biogas naar elektriciteit en warmte werd volledig uitbesteed aan Essent, waarmee de investeringskosten voor de gasmotoren en de aansluiting op het elektriciteitsnetwerk bij de energieleverancier lagen. Sinds 2004 draait de vergistingsinstallatie 24 uur per dag, volautomatisch. Uiteindelijk zorgt de gehele vergistingsinstallatie voor vijftien extra arbeidsplaatsen. Jaarlijks verwerkt Vargon nu ongeveer 168.000 ton huishoudelijk afval. Dit afval wordt ontdaan van papier, plastic, schrooten blik, wat overblijft is ruim 67.000 ton ONF. Deze fractie samen met 25.000 ton ONF geleverd door een externe leverancier, gaat via een lange transportband naar de wasinstallatie. De gewassen ONF wordt vervolgens in de vier mengtanks verwarmd met proceswater. Vanuit daar wordt het overgebracht naar de vergistingtanks waar het gemiddeld achttien dagen verblijft op 37 graden Celcius. Het ontstane biogas wordt via een opslag naar de warmtekrachtinstallatie. Het achtergebleven digestaat in de vergister wordt ontwaterd en gemengd met andere stoffen waarna het gebruikt kan worden als afdekmateriaal voor stortplaatsen. Een klein deel daarvan moet nog gestort worden. Het warme proceswater hergebruikt Vagron voor het opwarmen van het ONF. In de wkk wordt het biogas in gasmotoren omgezet in warmte en elektriciteit. Van de jaarlijks geproduceerde 14,3 miljoen kWh gebruikt Vagron eenderde zelf voor het proces en de gebouwen op de locatie. Het restant levert Vagron als groene stroom aan het net, genoeg om ruim 4.800 huishoudens te voorzien van elektriciteit.
3.7.2 Lelystad GFT-vergister In Lelystad staat sinds 1996 de enige werkzame GFT-vergister van Nederland. De piekverwerkingscapaciteit van deze vergister is zo’n 55.000 ton gescheiden GFT-afval per jaar. Vanwege seizoensfluctuaties is dit gemiddeld zo’n 35.000 ton per jaar. Het GFT-afval wordt met containers of inzamelvoertuigen van 20 tot 30 ton opgehaald, deze worden geleegd op de stortvloer in de ontvangsthal. Vanuit deze hal wordt het afval met behulp van een shovel en in 14 anaerobe reactoren van bruto 720 kuub (6*6*20meter) gestort. In deze reactoren wordt het GFT-afval anaeroob vergist. Elke reactor zit in een ander stadium van het vergistingsproces. Dit heeft als voordeel dat het proces op gang kan worden gebracht door entmateriaal uit een voorgaande reactor. Ook
17
kan zo de methaanproductie gelijk gehouden worden, aangezien deze in het begin heel hoog is en snel daarna afneemt. Het GFT verblijft 17 tot 21 dagen in de reactor, bij een temperatuur van 35 tot 40 graden Celcius. Warm percolaatwater wordt over het GFT-afval gesproeid. De reactoren worden voor het openen gespeld met de verbrandingsgassen uit de gasmotor, om het methaan op een veilige manier te verwijderen zonder explosiegevaar. Het geproduceerde biogas wordt in twee gasmotoren omgezet in warmte en elektriciteit. De warmte wordtd gebruikt om het percolaatwater op temperatuur te brengen en als verwarming van de gebouwen. De nabewerking van het vergiste product bestaat uit nacompostering gedurende twee weken op de composteerinrichting in Lelystad. De bedoeling is deze compostering op het terrein van de vergister zelf te laten plaatsvinden. [9] De GFT-installatie in Lelystad heeft zo’n 9.000.000 euro gekost en is gefinancierd met subsidie van Novem, VROM en Senter. De afzet van het vergiste product is in de loop van de tijd steeds verder verbeterd. Momenteel wordt dit bij boeren en tuinders afgezet, aangezien in de Nederlandse bodem het gehalte aan stabiele organische stof sterk terugloopt. Verder wordt tegenwoordig de GFT-compost gemengt met hoge concentraties plantversterkende organismen. Deze biostimulatoren bevorderen het microbiologisch leven in de grond en kunnen plantenziektes belemmeren.[10] Tabel 4. Gegevens m.b.t. de vergistinginstallatie in Lelystad.
Jaarlijke hoeveelheid biomassa Biogasopbrengst per ton GFT Elektrisch vermogen Thermisch vermogen Totale elektriciteitsopbrengst Afmeting installatie Totale bruto investering Terugverdientijd
Vergister GFT-afval 35.000 ton gescheiden GFT afval 90 m³ biogas 650 KWe 11.600 GJ 2.070.000 kWh per jaar 7360 m³ € 9.000.000 Circa 10 jaar
Vergister huishoudelijk afval 92.000 ton ONF 8,5 miljoen m³ biogas 2.520 Kwe 3600 GJ 14.300.000 kWh per jaar 22800 m³ € 19.700.000 (exclusief wkk instalatie) Circa 10 jaar
Dit is interessant voor zowel kleine installaties (10 ton/dag) tot grote installaties (100500 ton/dag). De terugverdientijden voor vergistinginstallaties liggen rond de tien jaar.
18
4.
Vergassing
Vergassing is een thermisch proces waarbij organisch materiaal maximaal wordt omgezet in een gasvormige fase. Door dit proces wordt er voornamelijk H2, CH4, N2, CO, CO2 en H2O gevormd. Dit productgas wordt verbrand voor energieopwekking of kan worden ingezet als grondstof in de chemische industrie.
4.1 Algemene procesbeschrijving Vergassen is een proces dat tussen verbranden en pyrolyse in zit. Het is een thermisch proceswaarbij door middel van zuurstoftoevoer er een verbranding met de aanwezige koolstof plaats kan vinden. Door deze verbranding wordt het organisch materiaal omgezet in de gasvormige fase, zogenaamd syngas. De hoeveeleid van de verbranding hangt af van de luchttoevoer. Omdat de afvalstoffen thermisch worden gekraakt onstaan er weer andere stoffengevormd, deze zijn voornamelijk CO, CO2, H2, CH4, N2, H2O en kleine hoeveelheden koolwaterstoffen. Het gas dat hieruit vrijkomt kan worden ingezet als energiebron. De hoeveelheid energie die vrijkomt hangt af van de hoeveelheid zuurstof die gebruikt wordt. Zo zal vergassing met pure zuurstof een groter rendement hebben dan vergassing met gewone lucht. De temperatuur van vergassing ligt tussen de 750 en de 1400 ºC. In principe wordt de temperatuur zo hoog mogelijk gehouden om zoveel mogelijk syngas te produceren uit de massa. Het syngas heeft dus ook een temperatuur van 750 tot 1400 ºC Het proces staat in figuur 4 weergegeven. Afval wordt door middel van lucht verbrand tot syngas, dit wordt gezuiverd en kan als grondstof of energiebron gebruikt worden.
Figuur 4, Algemene procesbeschrijving vergassing
Er zijn verschillende varianten van het vergassingsproces. Zo kan er verscild worden in de aanvoer van de gasstroom. Deze kan plaatsvinden in meestroom, tegenstroom of dwarsstroom. Ook zijn er verschillende typen reactoren waar vergassing in plaats kan
19
vinden, de meest gebruikte zijn de vast-bed en de wervelbedreactor gebruikt. Ook kan er een combinatie van pyrolyse en vergassing plaatsvinden.
20
4.2 Technisch In dit hoofdstuk worden de technische aspecten van vergassing bekeken, deze aspecten bestaan uit: -
Soorten afval Luchttoevoer Vergassingsproces Gaszuivering
4.2.1 Soorten afval Er zijn verschillende soorten afval waarmee vergassing plaats kan vinden. Deze soorten zijn: -
Huishoudelijk afval Biomassa Dierlijk afval Gemengd kunststofafval
De vergassing met biomassa is de meest voorkomende, omdat deze soort vergassing al vanaf het begin wordt toegepast is deze dus ook al het meest ontwikkeld. Vergassing met dierlijk en gemengd kunststofafval is op het moment in ontwikkeling omdat deze soorten afval steeds meer verwerkt moeten worden. Vergassing met huishoudelijk afval is op dit moment in ontwikkeling en is samen met biomassa ook een veel gebruikte.
4.2.2 Luchttoevoer Lucht kan op verschillende manieren in het proces worden toegevoerd. Er zijn hiervoor drie manieren: - Lucht - Zuivere zuurstof - Stoom Lucht heeft als voordeel dat het goedkoop is, het kan immers zo uit de buitenlucht gehaald worden. Het nadeel van lucht is ecter het lagere rendement. Het hoogste rendement heeft zuivere zuurstof, zuurstof is namelijk de enige andere stof die nodig is voor de vergassing. Door middel van pure zuurstof is de kans op een eindproduct met minder afvalstoffen ook groter. Stoom is in dit geval een soort middenkeus. Het rendement ligt hoger dan dat van lucht maar het is ook net weer iets duurder.
4.2.3 Vergassingsproces Het vergassingsproces zelf is niet ingewikkeld. Van groot belang is echter wel de hoge temperatuur die bereikt moet worden en de hoeveelheid zuurstof die gekozen moet worden voor de vergassing. Als er te veel zuurstof wordt toegevoegd zal er een volledige verbranding plaatsvinden en geen vergassing. Als er echter te weinig zuurstof wordt toegevoegd zal er een pyrolysereactie plaatsvinden. Tijdens het proces zelf zullen er bijproducten onstaan. Deze zijn onder andere as (zowel bodemas als vliegas) en er kunnen ook verschillende roet- en teerdeeltjes achterblijven. Deze deeltjes zullen verwijderd moeten worden.
4.2.4 Emissies Er zijn verschillende emissies die vrijkomen bij vergassing, in de volgende tabel zijn deze overzichtelijk weergegeven.[12]
21
Tabel 5, Emissies die vrijkomen bij vergassing
4.2.5 Gaszuivering Zoals in de vorige alinea bechreven is onstaan er bij het vergassingsproces verschillende afvalstoffen. Deze moeten nog verwijderd worden voordat het gas bruikbaar is in de industrie of als energiebron. Het as kan redelijk makkelijk verwijderd worden door het naar de bodem te laten dalen. Dit kan door de gastroom niet te hard te laten lopen waardoor deeltjes ‘bezinken’. Ook zullen er NOx deeltjes in het gas zitten, deze kunnen op twee manieren verwijderd worden. De eerste manier is door middel van een DeNOx-installatie. Deze haalt door middel van een ammoniakoplossing de NOx deeltjes eruit. De NOx kan er ook uit gehaald worden door middel van ‘low-NOx’ branders te gebruiken, deze soort branders zorgt er al voor dat er weinig NOx in het gas komt door het vrijkomen bij de bron te vermijden. Ook kan er afvalwater vrijkomen bij de verdere verwerking van het syngas. Dit afvalwater zal dan in de stroom komen om het gas te wassen met een gaswasser, ook wel wet scrubber genoemd. Deze wasser haalt stoffen zoals SO2 en fijnstof eruit die nog eventueel in het gas zitten. Het afvalwater dat gebruikt wordt voor dit proces moet ook weer als afvalwater worden geloosd.[13]
22
4.3 Financieel Financieel is het vergassen van afval een redelijk goede investering. Het vergassingsinstallatie is tot anderhalf keer duurder dan een vergelijkbare verbrandingscentrale. De totale verwerkingskosten voor de vergassing huishoudelijk afval wordt geschat op €50 – 100 / ton. Voor de andere afvalstoffen ligt dit tussen de 10230$ / ton afval.[11]
23
4.4 Ecologisch Er zijn verschillende ecologische aspecten waar rekening mee moet worden gehouden bij vergassing. Zo moet er rekening worden gehouden met ontploffings- en brandgevaar. Dit hangt uiteraard samen met de hoge temperaturen die er wordt gebruikt en de (droge) biomassa die makkelijk vlam kan vatten. Verder kan het syngas stoffen bevatten die toxisch zijn (zoals CO). Deze stoffen kunnen ook een gevaar opleveren als je er te lang aan blootgesteld wordt.[11]
24
4.5 Praktisch In deze paragraaf wordt bekeken of deze techniek goed is toe te passen en de hoeveelheid rendement.
4.5.1 Rendement Het rendement wordt door verschillende factoren bepaald, zo is de eerste factor hetgeen wat er wordt vergast. Hoe meer koolstof er namelijk in de te vergassen stof zit hoe hoger de opbrengst en het rendement worden. Het rendement hangt ook af van de soort lucht die gebruikt wordt, pure zuurstof zal een betere vergassing opleveren maar is ook duurder. Dit zijn de twee grootste factoren die het rendement bepalen.
4.5.2 Subsidies Er zijn verschillende soorten subsidies die een vergassinginstallatie kan ontvangen, deze zijn hieronder weergegeven. Energie Onderzoek Subsidie (EOS) Deze subsidie heeft als doel een constante duurzame energievoorziening dichterbij te brengen. Onder EOS vallen vier subsidieregelingen: Nieuw Energie Onderzoek (NEO), Lange Termijn (LT), Energie en Samenwerkingsprojecten (ES) en Demonstratie (DEMO). Milieukwaliteit Energie Productie (MEP) Een subsidie die het opwekken van duurzame energie promoot. Energie Investerings Aftrek (EIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven investeren in duurzame energie en andere energiebesparingsopties. Milieu Investerings Aftrek (MIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven milieu gerelateerd investeren. Reductie Overige Broeikasgassen (ROB) Stimuleerd reductie van de uitstoot van methaan, lachgas en fluorverbindingen.
4.5.3 Vergassing m.b.v. het Fischer Tropsch (FT) procédé Een praktische toepassing van het vergassen van biomassa, is vergassing met behulp van zogenaamde Fischer Tropsch (FT) procédé. In deze paragraaf zal het principe van Fischer Tropsch procédé worden toegelicht. Bij de eerste stap van het proces, wordt de biomassa (die een watergehalte heeft van 15-20%) continu verkoold door middel van gedeeltelijke oxidatie met lucht of zuurstof bij temperaturen tussen de 400 en 500 °C. De biomassa wordt afgebroken tot een gas bestaande uit teer (vluchtige componenten) en vaste koolstofdeeltjes (kool). Dit proces heet lage temperatuur pyrolyse. Gedurende de tweede stap van het proces wordt de temperatuur opgevoerd in een ontbrandingskamer tot boven de 1400 °C, het gas wordt geoxideerd met zuurstof en stoom. Door deze verhoging in de temperatuur wordt het smeltpunt van de asdeeltjes bereikt en de lange keten koolwaterstoffen worden afgebroken. De lange keten koolstoffen worden omgezet in koolstofmono-oxide (CO) en waterstofgas (H2). Het resultaat is een teervrij gas. In de derde stap van het proces, wordt de kool verpulverd en wordt deze toegevoegd aan het hete vergassing medium. Het verpulverde kool en het vergassing medium gaan een
25
endothermische reactie aan en worden omgezet in een ruw synthese gas. Zodra de ruwe synthese gas is behandeld kan het gebruikt worden als ontbrandbaar gas voor het genereren van elektriciteit, stoom en hitte of het wordt gebruikt voor de productie van biodiesel. Nadeel van het Fischer Tropsch procédé is dat het nog niet op grote schaal wordt toegepast en de kosten van de installatie hierdoor hoog zijn. [14]
26
4.6 Toekomstig In het huidige Nederlandse beleid wordt een groot deel van de Nederlandse GFT afval gecomposteerd, in de toekomst lijkt het het meest rendabel om GFT te vergassen of bij te stoken om de GFT energetisch te kunnen benutten. In de toekomst zal vergassen dus meer worden ingezet om GFT afval nuttig te kunnen produceren. De volgende tabel geeft dit ook goed weer, dit zijn centrales die gebouwd zijn, in ontwikkeling zijn, of in aanbouw zijn. Tabel 6, Vergassingscentrales in aanbouw
Verder zullen de technieken verder moeten worden ontwikkeld. In de huidige vergassingsinstallaties gaat er nog veel energie verloren door de warmte die het syngas verliest. Deze warmte kan (net als in de voorbeelden) worden teruggekoppeld voor het opwekken van weer andere soorten energie.
27
4.7 Voorbeeld Hieronder worden twee voorbeelden van vergassingsinstallaties in Nederland gegeven.
4.7.1 Kippenmestvergassing Een van de voorbeelden waarbij vergassing wordt toegepast is het vergassen van kippenmest. Hiervoor staat een proefopstelling in Tzum (Friesland). Kippenmest die vrijkomt uit de stallen waar de slachtkuikens worden gehouden wordt naar deze vergasser gebracht om daar, samen met een kleine hoeveelheid hout, vergast te worden. Deze vergassing zorgt uiteindelijk voor verschillende eindproducten. Zo zal er warmte uit ontstaan die weer direct wordt teruggekoppeld naar de stallen, waardoor deze verwarmd worden. En er zal elektriciteit worden geleverd voor het centrale elektriciteitsnet. Deze vergasser levert ongeveer 1.9 miljoen kWh per jaar, dit staat gelijk aan ongeveer 630 huishoudens. Hieronder staat een figuur om de werking van de centrale toe te lichten. Zoals hier te zien is wordt er eerst kippenmest gedroogd, waarnaar het samen met het hout wordt opgeslagen. Hierna wordt het vergast en het gas wordt daarna gereinigd. Het gas zal uiteindelijk de stoomcyclus in werking zetten, waarbij er warmte en elektriciteit vrijkomt. De warmte wordt weer ingezet in de stallen en de elektriciteit wordt doorgekoppeld naar het centrale elektriciteitsnetwerk. Vervolgens worden ook de rookgassen in de lucht gebracht.
Figuur 5, Werking kippenmestvergassing
28
5.
Verbranding
In dit hoofdstuk zullen alle aspecten met betrekking tot verbranding besproken worden.
5.1 Procesbeschrijving In een houtverbrandingsinstallatie wordt biologisch materiaal verbrand om energie op te wekken. Hout, snoeiafval en bermgras zijn voorbeelden van biomassa. Maar ook afvalhout zoals pallets, bewerkt hout en dergelijke. Het verbranden van deze componenten heeft echter wel het nadeel dat de emissie richtlijnen (NER) waarschijnlijk overtreden worden. Daarom is het bij die componenten noodzakelijk dat er rookgasreiniginginstallaties geplaatst worden. Hieronder wordt een globaal overzicht weergegeven.
Figuur 6, Procesbeschrijving van een biomassacentrale.
29
5.2 Technisch Onder technisch wordt globaal het proces weergegeven, inclusief de rookreiniging.
5.2.1 Aanvoer en opslag van grond- en hulpstoffen De biomassa wordt per vrachtwagen aangevoerd. Het hout wordt met kranen overgeladen. De biomassa is al voorbewerkt en versnipperd. Vervolgens wordt de biomassa getransporteerd naar de opslagsilo of naar dagsilo’s. De aanvoer van het ammonia en kalksteen, nodig voor de rookgasreiniging gebeurt per schip of vrachtwagen.
5.2.2 Stookproces Met behulp van de transportband wordt de biomassa getransporteerd naar de verbrandingskamer. Er wordt gebruik gemaakt van een wervelbed, die bestaat uit een laag zand met een temperatuur van 800 graden Celcius, die van onderaf in suspensie wordt gehouden. Samen met de houtsnippers wordt een beweeglijke massa gecreëerd die zich gedraagt als een vloeistof. Bij de verbranding komt er bodemas en vliegas vrij. Verder ontstaan er stikstofoxiden (NOx) en zwaveldioxide (SO2) bij de verbranding. De rookgasreiniginginstallaties verwijderen nagenoeg alle stikstofoxiden, as en zwaveldioxide uit de rookgassen (zie rookgasbehandeling). [2]
Figuur 7:Verbrandingskamer
5.2.3 Water- en stoomcyclus De warmte die vrijkomt bij de verbranding van de houtsnippers zorgt voor de opwarming van het water. De stoom die hierbij ontstaat wordt door de stoomturbine geleid. In de stoomturbine expandeert de stoom door de leischoepen. Hierdoor wordt de potentiele energie omgezet naar kinetische energie. Hierna wordt de stoom door de turbineschoepen geleid waardoor deze begint te draaien. Zo ontstaat er mechanische arbeid en kan er elektriciteit worden opgewekt. Er zijn meerdere rijen turbineschoepen, waardoor de energie optimaal wordt benut. Hierbij worden de afmetingen van de turbineschoepen groter naarmate je verder in de turbine komt. Hierdoor kan de stoom verder expanderen. Hierna zal de in de condensor komen waar het door de lage temperatuur weer wordt omgezet naar water. Hierna begint de cyclus weer opnieuw. De stoomturbine drijft daarna de generator aan. [15]
30
9. Turbine 10. Generator 11. Condensor Figuur 8: De cyclus van stroomopwekking
12. Elektriciteitsnet
5.2.4 Rookgasbehandeling De rookgassen die uit de schoorsteen komen zijn verontreinigd met SO2, NOx, Pb, As, Cd en Ni. De onbehandelde emissies zijn: Tabel 7, Onbehandelde emissies.
Emissie:
kg/s
µg/m³
CO2
4.975
195555529
SO2
0.006
229885.03
NOx
-
-
Fijn stof
0.140
5517240.6
Lood (Pb)
2.84E-07
1.11E+01
Arseen (As)
6.73E-08
2.64E+00
Cadmium (Cd)
3.22E-08
1.26E+00
Nikkel (Ni)
1.55E-07
6.09E+00
Alvorens de rookgassen de schoorsteen verlaten, worden ze gereinigd in drie stappen. Er is hierbij gekozen een Denox-installatie, elektrostatische vliegasfilters en een rookgasontzwavelingsinstallatie (ROI). In de genoemde volgorde. Met de Denoxinstallatie wordt de uitstoot van NOx met meer dan 80% gereduceerd. Daarna worden de rookgassen naar de elektrostatische vliegasfilters en de ROI geleid. Bijkomend voordeel hierbij is dat de natte reinigingsmethode van de ROI ook 90% van het fijn stof uitwast. Hierdoor worden het fijnstof en de metalen met meer dan 99,9% verwijderd. Met de ROI wordt 95% van de SO2 verwijderd. De maximale emissies na reiniging: [16] Tabel 8, Behandelde emissies.
Emissies na reiniging CO2 SO2 NOx Fijn stof Lood (Pb)
µg/m³ 11494.25 5517.241 0.011149
31
Arseen (As) Cadmium (Cd) Nikkel (Ni)
0.002644 0.001264 0.006092
DeNOx Voor stikstof (N) bestaan meerdere oxiden. De bekendste zijn stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2). Stikstofmonoxide is niet zo zeer toxisch, stikstofdioxide is daarentegen zeer toxisch. Wanneer NO in de atmosfeer komt reageert deze met ozon (O3) tot NO2. Een ander stikstofoxide is distikstofoxide (N2O) ofwel lachgas. Dit is een broeikasgas en reageert in de atmosfeer tot salpeterzuur (HNO3).[3] Electrostatic Precipitator Er zijn verschillende rookgasreinigingen om het fijn stof en de zware metalen cadmium, lood, nikkel en arseen te verwijderen. Er is gekozen voor en elektrostatische filter, ook wel electrostatic precipitator (ESP) genoemd. Een ESP heeft een aantal grote voordelen tegenover andere reinigingsmethodes, namelijk: - Een grote efficiëntie, ESP’s kunnen met gemak meer dan 98% van de van de deeltjes verwijderen. Zelf percentages hoger dan 99,9% zijn realiseerbaar. - Ze kunnen een hoog debiet aan, zonder veel luchtdruk te verliezen. - Makkelijk in onderhoud. - Relatief lage draai- en onderhoudskosten. De nadelen van ESP’s zijn de grote investering om ze aan te schaffen en de grote hoeveelheid ruimte die ze innemen.[5] Rookgasontzwavelingsinstallatie (ROI) Om de zwaveldioxide (SO2) te verwijderen is gekozen voor een natte rookgas ontzwavelingsinstallatie, andere namen voor deze techniek zijn ‘wet scrubbers’ of FSD. In de gaszuiveraar, wordt een kalksteenslurrie gecreëerd door fijn verpulverd kalksteen te mengen water. In het wasvat wordt deze slurrie in fijne druppels over de rookgassen heen gesproeid. Zo lost de aanwezige SO2 op en ontstaat een mengsel van calciumsulfiet (SO3) en calciumsulfaat (SO4). [8]
5.2.5 Reststoffenverwerking Bij de productie komen de volgende stoffen vrij: - Vlieg- en bodemas. - Rookgasontzwavelingsgips. - Slib (afvalwaterbehandelingsinstallatie). Van de assen kan 80% (vliegas) worden gebruikt in de cement- en betonwarenindustrie. Het overige as is bodemas wat nuttig is als stabilisatielaag in de wegenbouw. Het SO2 wordt omgezet in gips. Dit SO4 (oftwel gipskristallen) kan worden verkocht aan de gipsverwerkende industrie. Na de behandeling gaat het afvalwater naar een afvalwaterbehandelinginstallatie. Deze reinigt het afvalwater in zo’n mate dat lozing op het oppervlakte water binnen de normen kan plaats vinden. Het hierbij vrijkomende afvalwaterinstallatie slib wordt mee verbrand in de biomassacentrale.[17]
32
5.3 Financieel De investeringskosten voor een houtverbrandingsinstallatie staan hieronder beschreven. Ook worden de besparingen kort beschreven.
5.3.1 Investering - Installaties met handmatige brandstoftoevoer: EUR 4.500,- (20 kW) tot EUR 12.000,(120 kW); - Installaties met automatische brandstoftoevoer: EUR 16.000,- (30 kW) tot EUR 275.000,- (5.000 kW); - Alleen regelsysteem: EUR 12.000,- tot EUR 18.000,-; - Multicycloonfilter: EUR 2.500,- tot EUR 15.000,-; - Elektrostatisch filter: EUR 45.000,- tot EUR 115.000,-.
5.3.2 Besparing - Geen verwijderingskosten voor resthout (gemiddeld EUR 90,- per ton voor containerhuur, transport en verwerking); - Minder energiekosten (besparing op aardgas ongeveer EUR 45,- (grootverbruiktarief) tot EUR 90,- (klein-verbruiktarief), bij nuttige toepassing van de verbrandingswarmte van 1 ton resthout).[18]
33
5.4 Ecologisch In dit paragraaf worden de ecologische aspecten die met verbranding te maken hebben aan het woord.
5.4.1 Emissies Bij het verbrandingsproces komen verschillende emissies vrij, deze staan hieronder beschreven. Afvalwater Afvalwater kan ontstaan bij de zuivering van de rookgassen. De hoeveelheid en de kwaliteit van het water hangt af van de gebruikte zuiveringstechnieken. Vaak is het mogelijk het afvalwater te hergebruiken in het zuiveringsproces, waardoor de installatie lozingsvrij kan functioneren. Afval De verbranding genereert residu’s zoals vliegas, bodemas en residu van de rookgasreiniging. Deze kunnen voor andere doeleinden gebruikt worden, denk hierbij aan beton, bodemlaag voor asfalt of afdekking van een stortplaats. Luchtemissies Deze worden teruggedrongen tot de toegestane hoeveelheid door de rookgasreiniging.[18]
34
5.5 Praktisch In deze paragraaf wordt bekeken of deze techniek goed is toe te passen en de hoeveelheid rendement.
5.5.1 Rendement Het gemiddelde rendement bij een biomassacentrale is 80%. Uiteraard is het rendement afhankelijk van verschillende factoren. Hieronder vallen de deeltjesgrootte, het vochtigheidspercentage van de brandstof, de warmte van de oven/installatie etc. Door gebruik van biomassa met hoog vochtgehalte treedt energieverlies op en vindt gemakkelijk onvolledige verbranding plaats. Energieverliezen door transport, hoge vochtgehaltes in biomassa vragen meer transport dan gedroogd materiaal. Lokaal gebruik van hout kan tot 70 % transport kilometers en CO2 besparen.
5.5.2 Subsidies Bij een verbrandingsinstallatie is subsidie mogelijk op verschillende gebieden. Hieronder worden de subsidieregelingen genoemd met betrekking tot duurzame energie. Energie Onderzoek Subsidie (EOS) Deze subsidie heeft als doel een constante duurzame energievoorziening dichterbij te brengen. Onder EOS vallen vier subsidieregelingen: Nieuw Energie Onderzoek (NEO), Lange Termijn (LT), Energie en Samenwerkingsprojecten (ES) en Demonstratie (DEMO). Milieukwaliteit Energie Productie (MEP) Een subsidie die het opwekken van duurzame energie promoot. Energie Investerings Aftrek (EIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven investeren in duurzame energie en andere energiebesparingsopties. Milieu Investerings Aftrek (MIA) Een subsidie die verstrekt wordt als bedrijven milieu gerelateerd investeren. Reductie Overige Broeikasgassen (ROB) Stimuleerd reductie van de uitstoot van methaan, lachgas en fluorverbindingen.
35
5.6 Toekomstig In Nederland verschijnen steeds meer biomassacentrales. Op den duur zullen de koolcentrales vervangen worden door biomassacentrales. Een mooi voorbeeld hiervan is de Amercentrale in Geertruidenberg. In deze centrale worden kolen gestookt, maar er wordt biomassa bijgevoegd. Dit is een begin van de biomassacentrales. In de figuur hieronder is te zien dat de ontwikkeling van biomassacentrales niet stilstaat.
Figuur 9, ontwikkeling van biomassacentrales
Ook het energieverbruik van de energie afkomstig uit biomassa is de laatste jaren toegenomen. Dit geeft aan dat er zeker toekomst zit in de biomassacentrales. Het nadeel hiervan is dat er op den duur een “tekort” aan biomassa kan zijn.
Figuur 10, Energieverbruik van biomassacentrales
36
5.7 Voorbeeld 5.7.1 Biomassacentrale in Cuijk In de gemeente Cuijk in Noord-Brabant heeft Essent voor de productie van Groene Stroom een bio-energiecentrale gebouwd. Deze centrale is in oktober 2000 in gebruik genomen en levert aan 60.000 huishoudens Groene Stroom. In deze centrale verwerkt Essent schoon en onbehandeld hout tot Groene Stroom. Het hout dat Essent daarvoor gebruikt, is dunnings- en snoeihout uit bossen en plantsoenen.
Figuur 11, Biomassacentrale in Cuijk.
5.7.2 Biomassacentrale in Lelystad In het jaar 2000 heeft Nuon de biomassacentrale in Lelystad in gebruik genomen. De brandstof van deze centrale bestaat alleen uit schone biomassa. Deze brandstof bestaat voor circa 50% uit dunningshout uit bossen in Flevoland en het noorden van Gelderland. De andere helft is snoeihout uit plantsoenen en schoon resthout van zagerijen en timmerfabrieken. De verbranding van deze brandstof zorgt voor de warmte voor de stadsverwarming en voor elektriciteit. In totaal voorzien we op deze manier zo’n 3.000 huishoudens van elektriciteit en warmte. Het vermogen van de biomassacentrale is 6,5 megawatt warmte en 1,3 megawatt elektriciteit.
Figuur 12, biomassacentrale in Lelystad
37
6.
Consequenties
In dit hoofdstuk worden de consequenties beschreven per techniek. Hierbij moet gedacht worden aan inzameling en de benodigde vergunningen.
6.1 Inzameling Bij het verzamelen van het hout- en snoeiafval zijn verschillende knelpunten. Hieronder zullen de algemene knelpunten worden opgesomd.
6.1.1 Knelpunten Voor het ophalen van hout- en snoeiafval zijn verschillende knelpunten die voor problemen kunnen zorgen. Hierbij is niet alleen te denken hoe al dat hout- en snoeiafval moet worden opgehaald, maar ook organisatorische factoren spelen een rol. Samenwerking tussen meerdere gemeenten ligt voor de hand. Deze gemeenten hebben vaak verschillende ambities, de ene gemeente wil bijvoorbeeld kostenneutraliteit terwijl een andere gemeente voor het duurzame aspect kiest. Hierdoor is het maken van afspraken zeer moeilijk. Het is daarom belangrijk dat er vooraf niet alleen de afspraken worden besproken maar dat er ook een gezamenlijke ambitie ontstaat. Maar niet alleen samenwerking tussen gemeenten is van belang, ook de samenwerking binnen de gemeente is een knelpunt. Er moet een duidelijke projectorganisatie ontwikkelt worden zodat er duidelijk is wie waarvoor verantwoordelijk is. Ook wanneer er iemand wegvalt moeten de activiteiten door worden gezet. Ook de samenwerking van gemeenten met marktpartijen kan voor knelpunten zorgen. Marktpartijen willen vaak langdurige contracten afsluiten zodat zij maximale zekerheid hebben. Dit is voor gemeenten vaak minder aantrekkelijk. Dit komt omdat de biomassamarkt volop in ontwikkeling is. Daarom is het belangrijk om in een vroeg stadium een inkoopdeskundige erbij te betrekken, deze kan dan advies geven over een eventueel contract. Een ander knelpunt is het gebrek aan capaciteit. Doordat bio-energieprojecten maar een klein gedeelte van het klimaatsbeleid is wordt hier vaak te weinig energie in gestoken. Vooral in de beginfase van het project kan dit desastreuze gevolgen hebben. Daarom is het belangrijk dat de noodzakelijk tijd niet onderschat wordt. Hierbij komt dat er in veel gemeenten een gebrek aan kennis is op het vlak van bioenergie. Hierdoor kunnen de betrokken medewerkers een verkeerd beeld krijgen en minder enthousiast mee willen werken. Daarom is het van groot belang dat er zoveel mogelijk informatie verkregen wordt ten aanzien van bio-energie. Verstandig is om een netwerk te creëren met gemeenten die er ervaring mee hebben. Ook de wet- en regelgeving is vaak een knelpunt bij de verzameling van hout- en snoeiafval. Daarom is het ook hierbij van groot belang dat er al in een vroeg stadium een inkoopdeskundige wordt ingeschakeld. Deze zorgt er voor dat alle stappen inkooptechnisch gerealiseerd kunnen worden. Bio-energieprojecten kosten geld. Ook de verwerking van al het hout- en snoeiafval kost geld. Hierdoor zitten er grote financiële risico’s aan. Doordat de tarieven en kosten vaak alleen theoretisch zijn is het moeilijk in de schatten voor een gemeente. Daarom moet een gemeente gaan kijken naar praktijkvoorbeelden, hierdoor wordt een beter inzicht verkregen in de kosten.
38
Doordat de huidige situatie al jarenlang hetzelfde is, is het voor betrokken medewerkers vaak moeilijk om dit te veranderen. Daarom is het van groot belang dat iedere betrokken medewerker goed worden voorgelicht over de verandering.
6.2 Benodigde vergunningen Per techniek worden hieronder globaal de benodigde vergunningen weergegeven. De manier waarop verschilt, per techniek.
6.2.1 Vergisting Voor een vergunningaanvraag van een vergistingsinstallatie wijzen wij u door naar onderstaande site. Op deze staat wordt de hele vergunningsaanvraag doorlopen. http://www.groenportaal.nl/nieuws/200708/nieuw_handboek_vergunningverlening_cove rgistingsinstallatie_3200.shtml
6.2.2 Vergassing Voor het aanvragen van een vergunning voor het vergassen van biomassa is in onderstaande link een handboek gemaakt. http://www.senternovem.nl/duurzameenergie/Aan_de_slag/Aan_de_slag_Bioenergie/Vergunningverlening/Vergunningverlening_biomassa/index.asp
6.2.3 Verbranding De tabel hieronder geeft een overzicht van de regelgeving voor de verschillende processen, stookinstallaties en biomassa. Daarbij geldt steeds dat alle biomassastromen ook afvalstromen zijn en de provincie het bevoegd gezag is, tenzij de biomassa afkomstig is uit de eigen inrichting.
39
7.
Afwegingskader
Op de twee volgende pagina’s zijn het afwegingskader en de toelichting hiervan weergegeven in tabelvorm.
40
Opties Vergisting
Financieel Totale kosten: € 9.000.000,Terugverdientijd: Circa 10 jaar Totale elektriciteitsopbrengst: 2.070.000 kWh per jaar
Technisch Ecologisch Apparatuur: Materialen: Vooropslag en invoersysteem GFT Vergister Huishoudelijk afval Nacompostering Bermgras Luchtbehandeling WKK Milieuaspecten: Beperking broeikaseffect Hernieuwbare energie Totale schaal: Vooropslag: 1.000 m³ Terugdringen mestoverschot Vergister: 3.600 m³ Geurhinder Nacompostering: 1.000 m³ Transport Gasopslag: 6.000 m³ Veiligheid
Praktisch Rendement: Elektrisch rendement: 34% Themisch rendement: 52%
Toekomstig Hoger rendament
Voorbeeld Groningen: Vergisting huishoudelijk afval
Lagere kosten Lelystad:
Subsidies: Komt in aanmerking tot subsidie-regelingen
Vergisting GFT
Verwachte ontwikkelingen: Enzymen Mechanische/thermische voorbehandeling Genetische modificatie biomassa Thermofiele vergisting KC en ORC cycli Procesoptimalisatie
Voordeel: Goedkoper dan verbranding en vergassing. Nadeel:
Vergassing Totale kosten: €54.780.000,Terugverdientijd: Circa 20 jaar Totale elekticiteitsopbrengst: 2.250.000 kWh per jaar
Apparatuur: Opslag Vergasser Gaskoeler Scrubber Filters Gasmotor Totale schaal: Totale terrein: 20.000 m³
Materialen: Bermgras GFT Huishoudelijk afval Dierlijk afval Gemengd kunststofafval
Kan niet voor alle afvalstromen gebruikt worden. Rendement: Op zijn vroegst over vijf jaar operationeel Elektrisch rendement: 28% Thermisch rendement: Niet uitontwikkeld
Tzum: Vergassingsinstallatie
Subsidies: Milieuaspecten: Het evt. vrijkomen van syngas schone verwijdering van huisvuil transport hernieuwbare energie
Komt in aanmerking tot subsidie-regelingen Voordeel: Kan voor alle afvalstromen gebruikt worden. Nadeel:
Verbranding Totale kosten: €44.000.000,Terugverdientijd: Circa 8 jaar
Apparatuur: Stortplaats Voorraadsilo's Ketel Turbine Generator Condensor
Totale elektriciteitsopbrengst: 10.000.000 kWh per jaar (voor een kleine installatie Totale schaal: zoals Lelystad) Totale terrein: 30.000 m³ Installatie: 5.000 m³ 190.000.000 kWh per jaar (voor een installatie zoals Cuijk)
Materialen: Hout Bermgras GFT Huishoudelijk afval Milieuaspecten: Beperking broeikaseffect Hernieuwbare energie Transport Veiligheid
Hoge kosten, strenge EU milieueisen, alleen bruikbaar voor droge afvalstromen. Rendement: Elektrisch rendement: 22% Thermisch rendement: 35%
Hoger rendement
Cuijk: Verbrandingsinstallatie
Lagere kosten Lelystad:
Subsidies: Komt in aanmerking tot subsidie-regelingen Voordeel: Kan voor alle afvalstromen gebruikt worden. Nadeel: Rookgasreiniging en waterzuivering nodig.
Verwachte ontwikkelingen: Meer biomassacentrales in Nederland Probleem met de toevoer van biomassa Onderzoek naar 'streekbiomassa'
Verbrandingsinstallatie
Toelichting bij afwegingskader Opties Vergisting
Financieel Vergisting is prijzig, maar vergisting is wel het meest rendabel Het kan met veel brandstoffen toegepast worden. Echter draait vergisting voor een groot deel op subsidies, veranderingen daarin veranderen het financiele plaatje aanzienlijk.
Technisch De ontwikkeling van vergisting is een gevorderd stadium. Het is een eenvoudig proces wat in een betrekkelijk kleine schaal uitgevoerd kan worden. Het kan niet voor alle afvalstromen toegepast worden.
Ecologisch Praktisch Toekomstig Het levert reducties op van de Vergisting heeft een gemiddeld In de toekomst wordt bij vergisting een nog hoger emissies van geur en broeikasgassen rendement. Maar veel hoger dan vergassingrendement verwacht. Ook worden lagere kosten Invergelijking tot vergassing zijn er of verbranding. Vergisting komt net zoals verwacht. Ook worden er een aantal belangrijke minder mogelijkheden, alleen GFT verbranding en vergassing in aanmerking ontwikkelingen verwacht waardoor de totale kosten bermgras en voorbewerkt huishoudelijk voor subsidieregelingen. Het kan echter nog lager komen te liggen. afval zijn geschikt. Het is wel een goedeniet met alle biobrandstoffen toegepast methode om het mestoverschot terug worden. te dringen door bovengenoemde reducties. Verder is het een veilig proces.
Voorbeeld Er staan een aantal vergisting installaties in Nederland. Als voorbeeld worden hier Groningen en Lelystad genoemd aangezien deze installaties het grootst en meest rendabel zijn. De waarden zijn opgenomen in het rapport.
Vergassing Vergassing is erg prijzig in vergelijking tot vergisting. Ook de terugverdientijd is niet rendabel. Echter draait vergassing voor een groot deel op subsidies. Veranderingen daarin veranderen het financiele plaatje aanzienlijk.
Vergassing is nog niet uitontwikkeld. Het is een moeilijk proces doordat het tussen verbranding en vergisting inzit.
Bij vergassing zijn er meer mogelijkheden dan bij vergisting. Zo kunnen dierlijk afval en gemengd kunstof afval ook vergast worden. Nadeel bij vergassing is dat er syngas kan vrijkomen. Verder is het wel een schone manier om huisvuil te verwijderen.
Vergassing heeft een lager rendement Op zijn vroegst over vijf jaar operationeel dan vergisting. Net als bij vergisting is er subsidie op. De kosten van de installatie Niet uitontwikkeld zijn duurder dan vergisting. Het kan voor alle afvalstromen gebruikt worden voorwaarde is wel dat het afval droog is. De milieueisen van de EU zijn erg streng voor vergassing dit kan een belemering vormen.
In in het dorpje Tzum in Friesland staat de eerste vergassingscentrale op boerderijschaal ter wereld. De centrale draait op kippenmest en produceert elektriciteit. Het is nog een proefopstelling, maar er worden goede toekomst mogelijkheden gezien voor dit soort kleinschalige projecten.
Verbranding Verbranding heeft de kortste terug verdien tijd. En is daardoor economische gezien erg rendabel. De bouwkosten zijn echter hoog, stukken hoger dan vergisting, maar dit kan binnen 8 jaar terugverdient worden. Echter draait het verbranden van biomassa voor een groot deel op subsidies, veranderingen daarin veranderen het finaciele plaatje aanzienlijk.
Verbranding gebeurd van gft gebeurd over Bij verbranding worden vooral schoon algemeen via een roosteroven. Dit omdat hout, GFT en bermgras gebruikt. Dit een roosteroven weinig eisen stelt aan omdat hier geen gevaarlijke stoffen in het afval, er is daardoor dus weinig voor zitten zodat er weinig rookgasreiniging bewerking nodig.Verder is het een nodig is. In verhouding tot relatief eenvoudig en veelgebruikt proces kolencentrales is er een beperkte CO2 waar al heel veel ervaring mee is. Naast uitstoot. verbranding dienen een rookgasreiniging en waterzuivering gebouwd te worden. Nieuwere centrales gebruiken echter vaak het wervelbed principe, hiermee is een hoger rendement te halen (tot 43%) en er is door een effectiver verbranding minder NOx uitstoot.
Verbranding heeft een laag rendement, maar daar stat tegenover dat het een eenvoudige en goedkope techniek is. Nadeel is dat er een rookgasreiniging nodig is. De kosten hiervan, zowel bouw als onderhjoudskosten, zijn hoog.
Zowel in Cuijk als Lelystad staan biomassacentrales met als brandstof hout. In Cuijk staat de grootste met een vermogen van 25 MW. Dit is nog betrekkelijk klein voor een energiecentrale. Wat dat betreft lopen we achter met biomassa in Nederland. Grotere biomassa centrales zijn mogelijk. Zo levert in een centrale die in Finland staat 240 MW aan vermogen.
42
Voor het grootste gedeelte uitontwikkeld. Er zijn al meerdere centrales in bedrijf. Verder wordt er steeds meer gebruik gemaakt van de combinatie kolen en biomassa. Ook wordt er volop geëxperimenteerd met nieuwe soorten biomassa zoals peulenschillen. Of biomassa toekomst heeft hangt onder andere af van de overheid die de subsidies hierop verstrekt.
Literatuurlijst
[1]https://www.senter.nl/mmfiles/Bioenergie%20van%20eigen%20bodem%20%202DEN05.14_tcm24-199609.pdf [2]http://www.vagron.nl/html/nl/vergist.htm [3]http://www.vagron.nl/html/nl/wasinstal.htm [4]http://www.omrin.nl/downloadfiles/sbi-folder2006_per-pagina.pdf [5]http://www.clm.nl/publicaties/data/621.pdf [6]http://www.clm.nl/publicaties/data/621.pdf [7]https://www.senter.nl/duurzameenergie/Aan_de_slag/Aan_de_slag_Bioenergie/Vergunningverlening/Vergunningverlening_mestvergisting/i_inleiding.asp [8]http://www.senternovem.nl/mmfiles/Rentabiliteit%20biomassa%20WKK_tcm24226085.pdf [9]http://www.vagron.nl/html/nl/vergist.htm [10]http://www.vagron.nl/html/nl/wasinstal.htm [11]http://www.projectburodelaat.nl/vergassing.html [12]http://www.biogas.nl/voordelen-van-een-biogas%11-%10bio%11ethanolinstallatie/ [13]http://www.cea.nl/sa_files/11KW50152_definitief_%20eindrapport_%2028-062006_nw.pdf?PHPSESSID=594f6dee3a5627538f54fc31b071845c [14]www.choren.com/en/biomass_to_energy/carbo-v_technology/ [15] http://www.ivoo.be/n_eigenverwerking/ verbranding/werking/rookgaszuivering/rookgaszuivering.htm [16] http://www.essent.nl/essent/bin/Cuijck_tcm26-32387.pdf [17] www.emis.vito.be/Luss/techniekbladen/techniekblad_22_gaswassing_algemeen.pdf [18] www.infomil.nl/biomassa/hout
