ECOFERM! De kringloopboerderij Juni 2011
ECOFERM! De kringloopboerderij
Deze studie is in opdracht van InnovatieNetwerk uitgevoerd door: J. van Liere (Van Liere Management BV) G. Boosten (DOTank) L. van Dijk (Sustec BV) G. Hemke (Hemke Nutriconsult) A. Verschoor (Ingrepro BV) Tekst: J. van Kasteren (red.) (Tekst – Communicatie – Advies) Projectbegeleiding: Jan de Wilt (InnovatieNetwerk) Deze studie is opgesteld in het kader van het domein ‘Land- en tuinbouw en agribusiness’, concept ‘ECOFERM!’.
Postbus 19197 3501 DD Utrecht tel.: 070 378 56 53 www.innovatienetwerk.org Het ministerie van EL&I nam het initiatief tot en financiert InnovatieNetwerk. ISBN: 978 – 90 – 5059 – 432 – 5 Overname van tekstdelen is toegestaan, mits met bronvermelding. Rapportnr. 11.2.248, Utrecht, juni 2011.
Voorwoord
De Nederlandse varkenshouderij loopt wereldwijd voorop als het gaat om de efficiëntie waarmee voer wordt omgezet in vlees. Toch is hierin nog een flinke sprong mogelijk als we erin zouden slagen om afvalproducten uit deze omzetting (bijvoorbeeld CO2, warmte, mest) te benutten voor economisch interessante toepassingen zoals elektriciteit en de productie van groene grondstoffen (bijvoorbeeld via algen). En het zou helemaal mooi zijn als we daarmee dan ook nog de milieudruk zouden verminderen en de gezondheid en het welzijn van de dieren kunnen verbeteren. Dat was de ambitie waarmee enkele wetenschappers en bedrijven twee jaar geleden aan de slag gingen. Hun inspanningen zijn niet voor niets geweest. Via experimenten, berekeningen en creatief verbindingen leggen tussen uiteenlopende disciplines en mensen is het concept ECOFERM! ontstaan. Het is een creatieve combinatie van deels beproefde technieken (zoals mestvergisting), deels experimentele technieken (zoals algenkweek) en deels compleet nieuwe ideeën (zoals de combinatie van luchtwassers met algenkweek). Dit rapport beschrijft het concept ECOFERM!, de vraagstukken waarmee de bedenkers hebben geworsteld, de experimenten die hun ideeën onderbouwen en de technische en economische berekeningen die inzicht geven in de potenties van het concept. Hiermee hebben de auteurs niet alleen een solide basis gelegd voor een nieuw, ecologisch en economisch perspectiefvol concept; ze dagen hiermee ook ontwerpers, techneuten en ondernemers uit om met deze ideeën aan de slag te gaan. Op deze manier komt een duurzame varkenshouderij enkele grote stappen dichterbij! Dr. G. Vos, Directeur InnovatieNetwerk
Inhoudsopgave Voorwoord Samenvatting
1
1.
9
Inleiding
2. Raffineren van mest 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12
Mestscheiding Omgekeerde osmose Strippen Fysisch-chemisch ontsluiten Vergisten Terugwinnen fosfaat Systeemkeuze Dimensionering Nutriënten Warmte Kosten Conclusies
3. Kweken van algen 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12
Kweeksystemen Hybride systeem Potentiële opbrengst Experimentele opzet Configuraties Extrapolatie Eerste reeks experimenten Tweede reeks experimenten Opbrengsten Extrapoleren naar praktijkschaal Conclusie Praktijkschaal
13 15 17 19 21 23 25 27 28 31 31 31 33
35 35 36 36 37 39 41 41 47 49 51 52 54
4. Algen als veevoer 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
Risicoanalyse Voedingswaarde Basisnutriënten Gezondheidsbevorderende componenten Diersoorten Waardebepaling Veel belangstelling Conclusies
5. Bedrijfseconomische vergelijking 5.1 5.2
ECOFERM! op boerderijniveau ECOFERM! met mestraffinage
6. De integrale ECOFERM! 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
Varkenshouderij Mestverwerking Algenkwekerij Decentraal Energieproductie Integratie Andere routes Simpele variant Conclusies
57 58 60 60 63 65 68 69 69
71 71 76
83 83 87 92 93 95 96 97 98 99
7. Slotoverwegingen en vervolgstappen
101
Referenties
105
Summary
109
Samenvatting
Aanleiding De Nederlandse varkenshouderij staat onder druk. De maatschappelijke weerstand groeit en uit zich onder meer in het verzet tegen de bio-industrie in zijn algemeenheid en ‘megastallen’ in het bijzonder. Individuele burgers en maatschappelijke organisaties – met in hun kielzog bestuurders en politici – maken zich sterk voor waardigere leefomstandigheden voor de dieren. De gezondheid van de dieren en het veelvuldig gebruik van antibiotica roepen vragen op, mede vanwege de effecten op antibioticaresistentie en de gevolgen voor de menselijke gezondheid. Ook de effecten van mest en broeikasgassen op milieu en klimaat staan hoog op de agenda. De omvangrijke importen van soja als veevoer leiden in de landen van productie tot vernietiging van natuur en biodiversiteit, terwijl hierdoor in Nederland een hardnekkig mestoverschot is ontstaan. Door de samenhang tussen deze problemen zijn op vele fronten fundamentele veranderingen nodig. InnovatieNetwerk heeft een idee ontwikkeld om de varkenshouderij duurzamer te maken en de kringlopen te sluiten: ECOFERM!
ECOFERM! Centraal in het concept ECOFERM! staat het sluiten van kringlopen. De ‘afval’-producten van de varkenshouderij (mest, ammoniak, waterdamp, CO2 en restwarmte) worden gebruikt voor de productie van algen, biogas, elektriciteit en schoon water. Het begint met het dagelijks en gescheiden afvoeren van de mest uit de stal. Hierdoor komen minder ammoniak en andere schadelijke stoffen vrij, met een veel aangenamer stalklimaat voor de dieren en de boer als gevolg.
1
2
De door de dieren geproduceerde CO2 , waterdamp en lichaamswarmte worden samen met de ammoniak in de stallucht door een reactor gevoerd en benut voor de algenkweek. De afgevoerde, deels ontwaterde mest gaat naar een centrale vergister voor de productie van biogas en elektriciteit in een WKK. De dunne mestfractie en het verder geraffineerde digestaat leveren de mineralen (vooral stikstof en fosfor) voor de algenkweek. De voorkweek van de algen vindt plaats in een gesloten bioreactor; de verdere uitgroei in een open vijver (hybride teelt). De algen dienen als gedeeltelijke vervanging van sojaschroot en visolie in het voer, maar kunnen ook worden gebruikt als bron voor medicijnen of voedingssupplementen. De gezondheidsbevorderende stoffen (zoals de omega-3-vetzuren) in de algen en het gezondere stalklimaat verbeteren de algehele conditie en het welzijn van de dieren. Daardoor zijn minder antibiotica nodig. Het concept ECOFERM! betekent op essentiële punten een breuk met de huidige varkenshouderij. Het leidt tot een beter welzijn en gezondheid van de dieren, en tot vermindering van antibioticagebruik, tot vervanging van soja en visolie en tot het tegengaan van schadelijke emissies door het sluiten van kringlopen.
Benutting van afvalstromen Het varken gebruikt voer, water en zuurstof om vlees te maken. Dit gaat gepaard met enorme ‘verliezen’ in de vorm van mest, urine, warmte, waterdamp, ammoniak en CO2. Figuur 1: Een vleesvarken eet in zijn opfokperiode van 25 kg tot 115 kg gemiddeld 245 kilo voer (droge stof), drinkt daarbij 540 liter water en neemt ca. 192 kg zuurstof op uit de verbrandingslucht. In totaal gaat er dus 977 kg aan brandstof, water en zuurstof in voor verbranding. Het varken produceert in die periode 90 kg vlees, ruim 445 kg mest en urine, 210 kg CO2 , 230 kg H2 O, 2 kg NH3 en 505 kWh aan laagwaardige (lichaams)warmte.
Mest en urine worden tegen betaling (het is immers ‘afval’) uitgereden over akkers en weiden (soms na vergisting) en de waterdamp, ammoniak, CO2 en warmte verdwijnen met behulp van ventilatoren in de buitenlucht. Centraal in de ECOFERM! is het benutten van deze reststromen om vervolgens daarvan voer te maken dat geïmporteerd voer vervangt. Daarmee worden dichtbij het bedrijf de kringlopen zoveel mogelijk gesloten.
Vraagstukken ECOFERM! bestaat uit een nieuwe combinatie van deels bestaande technieken op het gebied van dagontmesting, luchtbehandeling, mestvergisting, mestraffinage en algenkweek. Voordat we met de integratie
van deze onderdelen kunnen starten, zijn enkele kritische punten in dit concept nader onderzocht. Het gaat daarbij om de volgende vragen: 1. Is het technisch mogelijk om mineralen in voldoende hoeveelheden uit de mest en urine vrij te maken voor algenkweek? 2. Is het technisch mogelijk om de algenproductie zodanig te verhogen dat de economische rentabiliteit drastisch toeneemt? 3. Is het wettelijk toegestaan om met grondstoffen uit mest algen te kweken en deze vervolgens aan varkens te voeren? Zo ja, wat is dan de waarde van algen als varkensvoer? 4. Is het te verwachten dat ECOFERM! economisch zal renderen? Met andere woorden: hoe ziet het businessmodel eruit en wat zijn daarin de kritische punten? Voor het beantwoorden van deze vragen zijn experimenten in kleinschalige proefopstellingen bij bedrijven uitgevoerd. Ook zijn enkele laboratoriumexperimenten gedaan. Voorts zijn er gesprekken gevoerd met bedrijven en wetgevende en controlerende instanties. Op basis van gegevens uit experimenten op laboratoriumschaal is een integraal concept ontwikkeld dat technisch en economisch is geëvalueerd. In het onderzoek is de benutting van ammoniak, warmte en CO2 uit stallucht slechts marginaal uitgewerkt. De proefnemingen op dit vlak moeten nog plaatsvinden.
Mestraffinage Er zijn verschillende technieken beschikbaar voor het raffineren van mest. Voor het concept ECOFERM! heeft Sustec Consulting & Contracting BV een proces onderzocht dat bestaat uit verschillende stappen. Globaal komt het erop neer dat de mest wordt gescheiden in een dikke en een dunne fractie. De dunne fractie wordt gestript met stoom, waardoor de meeste stikstof wordt verwijderd. Via omgekeerde osmose wordt vervolgens water afgescheiden uit de dunne fractie voor gebruik als schrob- of spoelwater. De dikke fractie en het restant van de dunne fractie worden samengevoegd, eerst thermisch-chemisch ontsloten en dan vergist tot biogas. Op zijn beurt wordt het biogas gezuiverd en gebruikt voor de productie van elektriciteit en warmte. Ten slotte wordt de door de ontsluiting en vergisting vrijgemaakte fosfor uit de dunne fractie gehaald. Dit gebeurt na scheiding van het digistaat door dit neer te slaan met kalkmelk. Door de mest niet alleen te vergisten maar ook te raffineren, komt het grootste deel van de aanwezige stikstof, fosfor en CO2 in relatief zuivere vorm beschikbaar als voedingsstoffen voor de algen. Daarmee wordt het risico voor overdracht van ziektekiemen van de mest naar de algen sterk gereduceerd. Vergisten zonder verdere raffinage is ook mogelijk. In dat geval wordt het digestaat rechtstreeks in de algenvijver gevoerd. De aldus geproduceerde algen mogen echter niet als veevoer worden gebruikt, maar bijvoorbeeld wel als biobrandstof. In dat geval is de prijs van de algen lager dan wanneer ze als veevoer worden gebruikt.
3
4
Mestraffinage maakt het mogelijk om kringlopen van mineralen, warmte, CO2 en water te sluiten in combinatie met een algenkwekerij. Technisch gezien is dit mogelijk met een combinatie van bestaande technieken. Nieuw is wel het ontsluiten van de dikke fractie alvorens deze te vergisten. Daardoor wordt relatief ongeveer vijftig procent meer biogas uit mest gehaald tegen betrekkelijk geringe kosten. De mestraffinage kan technisch en financieel gezien het beste plaatsvinden op een centrale locatie, waarbij meerdere bedrijven zorgen voor een jaarlijkse aanvoer van 30.000 ton mest of meer. Decentrale verwerking is voor onderdelen van het proces ook mogelijk; met name de voorscheiding van de mest en de omgekeerde osmose. Dat leidt echter tot hogere kosten en een langere terugverdientijd. Voor de reiniging van de stallucht door middel van voorkweek van algen is decentrale aanpak geen optie maar een absolute ‘must’.
Algenkweek De teelt van algen gebeurt vanouds in grote open vijvers van een kwart meter diepte. Water en algen worden in beweging gehouden door een schoepenrad. De opbrengst ligt in het Nederlandse klimaat op circa 25 ton droge stof per hectare per jaar. Voor ECOFERM! heeft algenkwekerij Ingrepro in Borculo een zogeheten hybride variant ontwikkeld. Daarbij worden de algen in eerste instantie opgekweekt in een gesloten fotobioreactor voordat ze als entstroom naar de open algenvijver worden gevoerd. Warme stallucht die CO2, waterdamp en ammoniak bevat, wordt decentraal gebruikt om de fotobioreactor te verwarmen en van nutriënten te voorzien, zodat de algen snel kunnen worden voorgekweekt. Het eventuele overschot aan warmte in de zomer kan worden gebruikt om een lokale open (of met transparante folie afgedekte) algenvijver te verwarmen. Daardoor neemt ook daar de productie nog iets toe. Op een centrale locatie (waar de vergister-WKK staat) zijn zowel nutriënten als warmte beschikbaar van de varkens en van de gasmotor. Hier kunnen de algen grootschalig worden uitgezet en gekweekt. Het voordeel van de hybride variant is dat de grote entstroom aan verse en zuivere algen verhindert dat de open vijver wordt verontreinigd met andere, ongewenste algensoorten. De experimenten laten zien dat het hybride systeem een buitengewoon aantrekkelijke manier is om de productie van algenvijvers te verhogen. De productiviteitsverhoging ligt in de orde van 55 tot 65% ten opzichte van algenvijvers met extra CO2-voorziening, al dan niet verwarmd. Ten opzichte van gangbare algenvijvers is de opbrengst per hectare zelfs verdubbeld. Het extrapoleren van de kleinschalige experimenten in een beperkte periode van het jaar naar een productie per hectare over een heel jaar is echter niet eenvoudig. De resultaten lijken erop te wijzen dat een opbrengst van 40-60 ton droge stof per hectare per jaar haalbaar zou kunnen zijn. Praktisch ligt de verwachte opbrengst tussen 42 en 53 ton/ha/jaar. Ter vergelijking: voor maïs ligt de opbrengst op circa 12 ton per hectare, en voor suikerbieten op 16 ton. De opbrengst aan
algen is dus een veelvoud van de opbrengst aan ‘klassieke’ akkerbouwgewassen.
Toelating van algen als veevoer Om hygiënische redenen is het verboden om mest direct te gebruiken voor de kweek van algen die vervolgens als diervoeder worden gebruikt. Op die manier zouden ziektekiemen terecht kunnen komen in het voer van de varkens – en mogelijk ook de consument van varkensvlees – besmetten. Vandaar dat in het ECOFERM!-concept is gekozen voor het raffineren van mest, en wel op zo’n manier dat we alleen de mineralen stikstof en fosfor gebruiken voor de kweek van algen. De organische fractie, die ziektekiemen kan bevatten, wordt grotendeels omgezet in biogas voor een warmtekrachtinstallatie. Uit ons onderzoek is gebleken dat niets toelating van algen voor gebruik in diervoeders in de weg staat. Voorwaarde is wel dat algenkwekers GMP zijn gecertificeerd (GMP = Good Manufacturing Practice). Ook op het gebruik van mineralen uit mest als voedingsbron voor algen rust niet langer een blokkade. Toelating kan echter pas verkregen worden nadat een risicoanalyse van het te realiseren proces is uitgevoerd, inclusief bijbehorende metingen.
Voederwaarde van algen Algen zijn gezond voor varkens en eventueel ook voor kippen en kweekvis. Afhankelijk van de soort bevatten ze een hoog gehalte aan eiwitten (tot meer dan 50 procent), veel ijzer en hoge gehaltes aan gezonde omega-3- en omega-6-vetzuren. Daarnaast bevatten ze antioxidanten, zoals bètacaroteen (een voorloper van vitamine A), sterolen en stoffen met een antibacteriële en ontstekingsremmende werking. Vanwege die laatste eigenschappen zou het gebruik van algen als veevoer een flinke bijdrage kunnen leveren aan het verminderen van het antibioticagebruik in de veehouderij. Er lijkt een voldoende grote markt te bestaan voor algen als ingrediënt in voer voor vissen en landbouwhuisdieren. De waarde op basis van nutriënten en vetzuren is bij de huidige prijsverhoudingen € 550-600 per ton algen bij toepassing in voeders voor vissen en jonge biggen en kuikens. Daarbovenop komt een potentiële meerwaarde van 100 tot 300 euro per ton algen vanwege de aanwezigheid van gezondheidsbevorderende componenten.
Technische en economische haalbaarheid De ECOFERM! is, zoals gezegd, een concept. Een uitdagend concept weliswaar, maar nog niet feitelijk gerealiseerd. Veel van de technieken − zoals mest scheiden, vergisten, strippen en het kweken van algen − worden al in de praktijk toegepast. De grote uitdaging is om ze te combineren tot een werkende ECOFERM! De technische evaluatie laat zien dat de kringlopen redelijk sluitend zijn te maken. Alleen het terugwinnen van voldoende stikstof blijft een probleem bij de gekozen route. Algen nemen stikstof en fosfor op in de verhouding 7:1. De N/P-verhouding uit de mestraffinage is echter 3 : 1. Een ander kritisch punt is het neerslaan van fosfor in de vorm van calciumfosfaat. Daarbij komt ook nogal wat organisch
5
6
materiaal terecht in het bezinksel, met een kleine kans op aanwezigheid van pathogenen. Als uitsluitend mest van vleesvarkens wordt vergist, is de productie van elektriciteit uit biogas onvoldoende om de eigen behoefte van de ECOFERM! te dekken. Dat betekent dat er elektriciteit moet worden ingekocht, waardoor het rendement daalt. Door ander materiaal bij te mengen (covergisting), kan de productie van biogas worden vergroot. Dan kan de ECOFERM! zelfs een leverancier van elektriciteit worden. Uit de bedrijfseconomische evaluatie blijkt dat het concept ECOFERM! in principe haalbaar is. Rekening houdend met variatie in tarieven en prijzen kan de variant met mestraffinage en covergisting bij de huidige marktverhoudingen een licht positief rendement opleveren.
Vervolgstappen De volgende stap is om het concept uit te werken op praktijkschaal. Dat hoeft niet meteen op volle schaal en in de vorm zoals hierboven geschetst; er zijn kleinschaligere en eenvoudigere varianten die minder investeringen vergen, maar die wel de ervaringen opleveren die relevant zijn voor verdere ontwikkeling. Een optie is het plaatsen van een (hybride) algenkwekerij bij een bestaande vergistingsinstallatie. De aldus geproduceerde algen mogen dan waarschijnlijk niet als veevoer worden gebruikt, maar kunnen wel worden verwerkt tot andere producten. Een andere optie is de aanleg van een algenvijver bij een bestaand varkensbedrijf. Daarbij wordt de mest op de boerderij zelf gescheiden, maar elders ontsloten en vergist. Het digestaat wordt gesteriliseerd en terug naar de boerderij getransporteerd, waar het als voer voor de algen wordt gebruikt. Op die manier kunnen ook de lichaamswarmte van de varkens en de ventilatielucht uit de stal worden gebruikt voor de teelt van algen in de bioreactor. In feite fungeert die dan als biologische zuiveringsinstallatie voor de stallucht. Waar het om gaat, is dat er een ontwikkeling in gang wordt gezet in de richting van een duurzame varkenshouderij, waarbij het concept ECOFERM! dient als inspiratiebron en leidraad voor het efficiënter benutten van het voer en het sluiten van kringlopen. Een wenkend perspectief voor een sector onder druk!
8
1. Inleiding
Het ECOFERM!-concept heeft als doel om de energie-inhoud en mineralen van veevoer optimaal te benutten, de gezondheid, het welzijn en de waardige leefbaarheid van dieren te verbeteren en de economische basis van de varkenshouderij te versterken. Het optimaal benutten van energie-inhoud en mineralen is meer dan de gebruikelijke voer-vlees-conversie waarmee in de dierhouderij wordt gerekend. Het omvat ook het tegengaan van verspilling en de bijbehorende vervuiling van het milieu en het sluiten van de kringlopen. Kortom, een duurzamer concept. Bevorderen van gezondheid en welzijn gebeurt door het verbeteren van het stalklimaat. In combinatie met het gebruik van algen in veevoer verbetert ook de weerstand van de dieren, zodat er in het ECOFERM!-concept naar verwachting minder antibiotica nodig zijn. De aandacht voor die aspecten is impliciet; de nadruk in het concept ligt op het tegengaan van verspilling door het optimaal benutten van biomassa en het sluiten van kringlopen. De ontwikkeling van het concept kent een lange voorgeschiedenis. Een hele lange zelfs als je kijkt naar de oorsprong ervan: de combinatie van varkenshouderij en visteelt zoals die al eeuwenlang plaatsvindt in China en andere Aziatische landen. De varkensstal staat bovenop een vijver, zodat de mest meteen in het water valt. De organische stoffen in de mest en de mineralen zorgen voor een uitbundige groei van algen en plankton, die op hun beurt weer dienen als voer voor de vissen die in de vijver rondzwemmen. Vanwege voedselveiligheid en (milieu)hygiëne is een dergelijk systeem ondenkbaar voor Nederland. Het vormde echter wel de inspiratiebron voor het beter benutten van de aangevoerde biomassa en het sluiten van kringlopen in de Nederlandse varkenshouderij. Het ontwikkelen
9
10
van een analoog systeem dat wel aan de eisen voldoet op het gebied van voedselveiligheid en (milieu)hygiëne begon bij het evalueren en combineren van bestaande kennis en technologie. Om de kringlopen te sluiten, worden de afvalproducten van de varkenshouderij (mest, ammoniak, CO2 en restwarmte) gebruikt voor de productie van algen, biogas, elektriciteit en schoon water. Het proces begint met het dagelijks en gescheiden afvoeren van de mest uit de stal. Hierdoor komen minder ammoniak en andere schadelijke stoffen vrij, met een veel aangenamer stalklimaat als gevolg. Ook de stallucht wordt afgevoerd, inclusief de door de dieren geproduceerde CO2, waterdamp, lichaamswarmte en de ammoniak die nog ontsnapt uit de mest. De stallucht wordt vervolgens benut voor de algenkweek. De afgevoerde, deels ontwaterde mest gaat naar de vergister voor de productie van biogas. De dunne mestfractie en het verder geraffineerde digestaat leveren de mineralen (vooral stikstof en fosfor) voor de algenkweek. De voorkweek van de algen vindt plaats in een gesloten bioreactor; de verdere uitgroei in een open vijver. De algen dienen als gedeeltelijke vervanging van sojaschroot en visolie in het voer. Eventueel kunnen ze worden gebruikt als bron voor medicijnen of voedingssupplementen. De gezondheidsbevorderende stoffen (zoals de omega-3-vetzuren) in de algen en het gezondere stalklimaat verbeteren de algehele conditie en het welzijn van de dieren. Daardoor zijn minder antibiotica nodig. Op basis van een eerste uitwerking van het concept zijn vier centrale vragen geformuleerd: • Is het technisch mogelijk om mineralen in voldoende hoeveelheden uit de mest en urine vrij te maken voor algenkweek? • Is het technisch mogelijk om de algenproductie zodanig te verhogen dat de economische rentabiliteit drastisch toeneemt? • Is het wettelijk toegestaan om met grondstoffen uit mest algen te kweken en deze vervolgens aan varkens te voeren? Zo ja, wat is dan de waarde van algen als varkensvoer? • Is het te verwachten dat ECOFERM! economisch kan renderen? Met andere woorden: hoe ziet het businessmodel eruit en wat zijn daarin de kritische punten? Voor een antwoord op deze vragen heeft InnovatieNetwerk een aantal deelonderzoeken uitgezet, waarvan in de volgende hoofdstukken verslag wordt gedaan. Hoofdstuk 1 beschrijft het onderzoek naar het combineren van bestaande en nieuwe technieken tot een geavanceerd procedé om mest te raffineren tot biogas, water, nutriënten en kunstmest. Hoofdstuk 2 doet verslag van het onderzoek naar de mogelijkheden van een nieuw hybridesysteem om algen te kweken met behulp van nutriënten uit mest. Hoofdstuk 3 beschrijft de wettelijke mogelijkheden om algen te gebruiken als veevoer en de voedingswaarde van algen. Hoofdstuk 4 bevat een bedrijfseconomische evaluatie van het concept ECOFERM!, terwijl in Hoofdstuk 5 het concept integraal wordt beoordeeld. Het uiteindelijke doel is te komen tot een demonstratieproject op praktijkschaal.
12
2. Raffineren van mest
In Europa worden hoge eisen gesteld aan de veiligheid van algen als ingrediënt voor veevoer. Die eisen worden niet gehaald als de varkensmest uit de opslag rechtstreeks in de algenvijvers wordt geleid. Alleen al om die reden moeten we de mest zo veel mogelijk ontleden in zijn samenstellende delen. Maar misschien belangrijker nog is dat raffineren van mest noodzakelijk is om maximaal gebruik te maken van de in de mest opgeslagen energie en van de nutriënten fosfor en stikstof. In het ECOFERM!-concept gaat het immers om het verduurzamen van de varkenshouderij. Om de mest in een reeks op elkaar afgestemde unit operations (processtappen) te ontleden, zijn technieken nodig, die voor een deel bewezen zijn – zoals het voorscheiden van mest – en die voor een deel al wel bekend zijn uit de procesindustrie maar nog niet of nauwelijks worden toegepast voor mestverwerking. Sustec Consulting & Contracting BV heeft in opdracht van InnovatieNetwerk een procesontwerp gemaakt en de verschillende stappen ervan op laboratoriumschaal onderzocht. Dat heeft geleid tot het vaststellen van kentallen voor de engineering van deelprocessen. Op basis van de kentallen is een full scale-projectie gemaakt van een systeem voor mestraffinage met een verwerkingcapaciteit van 30.000 ton varkensmest per jaar. Het uiteindelijk door Sustec aanbevolen stroomschema voor het raffineren van mest (zie figuur 2) omvat op een centrale locatie de volgende ‘unit operations’: • Het voorscheiden van de (waterige) mest in een dunne en een dikke fractie; • Het winnen van CO2 en ammoniak uit de dunne fractie via ‘strippen’;
13
Figuur 2: Aanvankelijk stroomschema volgens Sustec bij de start van het onderzoek.
• Het concentreren van de dunne fractie met omgekeerde osmose (RO, reversed osmosis). Naast schoon water (permeaat) levert dat een concentraat op dat wordt samengevoegd met de dikke fractie; • Het ontsluiten van de dikke fractie uit de voorscheiding (en eventueel het concentraat uit de omgekeerde osmose) door het toevoegen van kalkwater (pH-verhogen) en het verhogen van de temperatuur; • Het vergisten van de dikke fractie en het concentraat tot biogas en digestaat; • Het nascheiden van het digestaat in een vloeibare en een dikke fractie; • Terugwinnen van fosfaat uit de vloeibare fractie in de vorm van calciumfosfaat; • Het restant van zowel de dikke als de dunne fractie wordt ingedampt met warmte uit de gasmotor, en als kunstmest verkocht. Oorspronkelijk beoogde Sustec om de stikstof te winnen als ammoniumsulfaat, maar vanwege de benodigde chemicaliën is deze route verlaten en is het stoomstrippen ingevoerd. Zoals gezegd, gaat het voor een deel om bewezen technieken, terwijl andere nog in het ontwikkelingsstadium verkeren. Het onderzoek had vooral betrekking op die onderdelen van de mestraffinage die nieuw en innovatief zijn. In de vervolgstap is het een grote uitdaging om de verschillende technieken te combineren tot een optimaal werkende mestraffinaderij. In de nu volgende paragrafen wordt per processtap aangegeven wat de status van de techniek is, wat er in het kader van ECOFERM! is onderzocht en wat de resultaten zijn. De resultaten worden vervolgens omgezet in zogeheten ‘kentallen’, die de basis vormen voor het ontwerp van de full scale, geïntegreerde mestraffinaderij.
2.1 Mestscheiding
15
Scheiden van ruwe of vergiste mest gebeurt al op praktijkschaal. Daarbij wordt meestal gebruik gemaakt van een schroefpers. Een alternatief is de trilzeef, maar daarmee zijn de ervaringen beperkt. Op het VarkensInnovatieCentrum Sterksel (VIC Sterksel, Brabant) is de scheiding van ruwe mest met de combinatie van schroefpers en trilzeef onderzocht. Ook is gekeken naar de directe scheiding van varkensmest met een dubbeldekstrilzeef. Figuur 3: Schroefpers.
De schroefpers (zie figuur 3) bestaat uit een inlaatopening, een transport- en persschroef, een persgedeelte en een uitlaat. Bij nat afval, zoals mest, is de pers onder de schroef voorzien van een zeef om het water af te voeren. In dit geval bedroeg de maaswijdte van de zeef 100 micrometer. De toegevoerde mest komt door de draaiende transportschroef onder een steeds hoger wordende druk te staan, waardoor het volume van het afval afneemt. De uitlaatkleppen openen zich steeds verder als de ingestelde persdruk is bereikt, en de samengeperste dikke mest wordt langzaam naar buiten gedreven. Figuur 4: Trilzeerf.
Bij een trilzeef (zie figuur 4) staat het zeefdek op veren. Een onbalansmotor zorgt voor het vibreren van de zeef. Door die beweging wordt het gefiltreerde materiaal naar de buitenkant van de zeef getransporteerd, ingedikt en via een opening afgevoerd. De zeef kan meerdere zeefdekken boven elkaar bevatten, die verschillende maaswijdtes hebben, variërend van 35 tot 1000 micrometer.
16
De proeven met schroefpers en trilzeef zijn uitgevoerd op het VIC Sterksel op 24 en 25 oktober 2008. De grondstof bestond uit ruwe varkensmest (zie tabel 1), die voor circa 95% uit water bestaat. Uit de massabalans (zie figuur 5) blijkt dat na de scheiding de dikke fractie zeven procent van het totale volume omvat en een drogestofgehalte heeft van ruim veertig procent (zie tabel 2). In zowel de dunne als de dikke fracties zijn ook het totaalgehalte aan N (stikstof) en P (fosfor) gemeten (zie tabel 2).
Figuur 5: Massabalans over de mestscheiding.
Tabel 1: Samenstelling mest Sterksel.
Tabel 2: Concentraties DS, N en P in de verschillende fracties.
Parameter
Waarde
Droge stof (%)
5,4
Totaal stikstof (g N/l)
5,6
Ammoniumstikstof (g N/l)
2,9
Fosfaat (g P2O5/l)
2,2
Parameter
Mest
Dunne fractie
Dikke fractie
Drogestof (%)
5,4
3,9
40,4
Totaal stikstof (g N/l)
5,6
4,3
23,5
Totaal fosfaat (g P2O5) 2,2
1,4
14,7
Naast de combinatie van trilzeef en schroefpers is ook een proef uitgevoerd waarbij mest direct werd gescheiden in een trilzeef. Daarbij is gebruik gemaakt van de dubbeldekstrilzeef met een maaswijdte van respectievelijk 100 en 35 micrometer. Het drogestofgehalte in de vaste fractie bedroeg bij dit experiment ruim twintig procent, waarmee de vaste fractie een stuk vloeibaarder is dan bij gebruik van de combinatie schroefpers en trilzeef. De consistentie van de dikke fractie uit schroefpers en trilzeef is zodanig dat die niet te verpompen is. Daarmee is deze wat minder geschikt voor de volgende stap, het ontsluiten en vergisten. De dikke fractie uit de trilzeef is, met een drogestofgehalte van 22 procent, wel verpompbaar en makkelijker te behandelen. Op grond daarvan lijkt het beter om voor de eerste scheidingsstap van de ruwe mest een trilzeef te gebruiken in de dubbeldeksuitvoering met maaswijdtes van respectievelijk 100 en 35 micrometer. De combinatie van schroefpers en trilzeef (maaswijdte 35 micrometer) is wel bruikbaar verderop in het proces voor het ontwateren van vergiste mest.
Kentallen Op basis van de proeven komen we voor varkensdrijfmest tot de volgende kentallen voor het uiteindelijk ontwerp van de ‘unit’ mestscheiding: • Droge stof dikke fractie trilzeef: 22 % • Droge stof dunne fractie trilzeef: 3,9%
17
2.2 Omgekeerde osmose In eerste instantie was het de bedoeling om de dunne fractie uit de mestscheiding te onderwerpen aan omgekeerde osmose. Daarbij wordt een vloeistof met behulp van een drukverschil door een half doorlatend (semi-permeabel) membraan geperst. Het permeaat bestaat uit het zuivere oplosmiddel (meestal water). Wat resteert, is het concentraat. De techniek wordt onder meer gebruik voor het ontzouten van zeewater aan boord van schepen. In de jaren tachtig is onderzoek gedaan naar het gebruik van omgekeerde osmose (ééntraps) voor het zuiveren van percolatiewater van stortplaatsen. Ook voor de dunne fractie uit de mestscheiding wordt het incidenteel toegepast (Ormira-systeem). In dat geval wordt de omgekeerde osmose meestal voorafgegaan door een extra filtratiestap over een lagedruk-membraanfilter. Dat heeft te maken met het type membraan dat men gebruikt. Tot op heden wordt – ook bij mestverwerking – vooral gebruik gemaakt van een zogeheten spiraalgewonden (spiral wound) membraan (zie figuur 6). Dit type membranen is met name ontwikkeld voor het filteren van relatief schone stromen zoals zeewater. Ze hebben als nadeel dat ze snel verstopt raken als ze worden gebruikt voor het scheiden van de dunne mestfractie. Om dat te voorkomen, moet het colloïdale (zwevende) materiaal groter dan eenhonderdste micrometer, eerst worden verwijderd via membraanfiltratie (UF). Een extra stap die vrij veel energie vraagt. Die extra stap is volgens Sustec niet nodig bij gebruik van buisvormige (tubular) membranen (zie fguur 7). In dat geval kan de vloeistof uit de trilzeef direct over het membraan worden geleid, zonder voorbehandeling om het zwevend materiaal te verwijderen. Het principe van membraanfiltratie is er, zoals gezegd, op gebaseerd dat de te scheiden vloeistof met een zekere snelheid en druk door het membraan wordt geperst. Voor omgekeerde osmose met buisvormige membranen geldt een stroomsnelheid van ongeveer 2,5 meter per seconde, terwijl de druk over het membraan meestal rond de dertig à veertig bar wordt gehouden. Deze waarden zijn ook gehanteerd bij de proeven die in het kader van het ECOFERM!-concept zijn gedaan. Ze zijn uitgevoerd bij het Van Hall Instituut te Leeuwarden.
Figuur 6: Spiraalgewonden membranen.
Figuur 7: Buisvormige membranen. Voor de proeven is gebruik gemaakt van buisvormige membraanmodules, gemaakt van cellulose-acetaat. De buisdiameter bedroeg 12 millimeter en het membraanoppervlak 2,3 vierkante meter.
18
Een belangrijk kengetal voor het uiteindelijk ontwerp van de omgekeerde osmose is de membraanflux is, dat wil zeggen: de snelheid waarmee de vloeistof door het membraan heen stroomt in liter per vierkante meter per uur. De membraanflux is (mede) bepalend voor de mate van indikking (de concentratiefactor) en de zuiverheid van het permeaat. De experimenten in het Van Hall Instituut laten zien (zie figuur 8) dat bij een membraanflux van circa vijf liter per uur de dunne fractie met een factor 4 kan worden ingedikt. Bij deze concentratiefactor hoopt de stikstof in de dunne fractie zich voor het grootste deel op in het concentraat (zie tabel 3). Ook de geleidbaarheid – een maat voor het zoutgehalte – is veel hoger in het concentraat dan in het permeaat.
Figuur 8: Membraanflux vs concentratiefactor.
Tabel 3: Samenstelling mest, concentraat en permeaat RO.
Dunne mest
Concentraat
Permeaat
N-tot (mg/l)
4,3
11,8
2,2
Geleidbaarheid (µS/cm)
25.100
46.500
19.050
Hoewel het overgrote deel zich ophoopt in het concentraat, bevat het permeaat nog te veel stikstof om te kunnen worden geloosd of hergebruikt. Het heeft een lichtgele kleur en riekt enigszins naar ammoniak. Om het geschikt te maken, zal het nogmaals een omgekeerde osmose moeten ondergaan. Omdat het geen zwevende deeltjes meer bevat, kan dat in dit geval via een − klassiek – spiraalvormig membraan dat ook voor het ontzilten van zeewater wordt gebruikt. Om het water geschikt te maken als proceswater, moet het permeaat – dat met een pH van 8 tamelijk alkalisch is − worden aangezuurd tot pH 5 voor deze tweede omgekeerde osmose. Het concentraat is met een drogestofgehalte van elf procent tamelijk viskeus (stroperig). Volgens de leverancier van stripinstallaties zelfs te viskeus om te kunnen worden gestript voor het verwijderen van de ammoniak (de volgende processtap). Het is daarom noodzakelijk om de twee processtappen om te keren en de dunne fractie te strippen voorafgaand aan de omgekeerde osmose. Ook voor het permeaat biedt dat voordelen, omdat het dan minder gelig is en niet meer naar ammoniak ruikt. De tweede omgekeerde osmose stap is dan waarschijnlijk niet meer nodig.
Bij alle vormen van membraanfiltratie, dus ook bij omgekeerde osmose, treedt vervuiling op van het membraan. Zeker als de vloeistof nog zwevende (colloïdale) deeltjes bevat. Als gevolg van de vervuiling neemt de membraanflux af, en daarmee ook de mate van indikking. De standaardprocedure is reinigen van het membraan met een waterige oplossing van hypochloriet en reinigingsmiddel. Uit testen bleek dat deze methode effectief is: na de reiniging was de membraanflux weer terug op het oorspronkelijke niveau.
19
Kentallen Op basis van de experimenten komen we voor de omgekeerde osmose tot de volgende kentallen: • Concentratiefactor Cf 4 • Flux 5 l/m2/h • TMP (trans membrane pressure) 40 bar • DS-concentraat 11% • Aanzuring permeaat tot pH=5 0,0 5 mol H+/l
2.3 Strippen Strippen is op zich een bekende technologie, die zich in de praktijk heeft bewezen in de procesindustrie en ook in de mestverwerking. Bij het strippen wordt vloeistof bovenin een gepakte kolom gebracht, waar aan de onderzijde lucht of stoom wordt ingeblazen. In tegenstroom gaat het gas dat in de vloeistof is opgelost over naar de gasvormige bubbels die door de vloeistof omhoog borrelen. In deze studie is onderzoek gedaan naar een nieuw concept (zie figuur 9), waarbij het strippen van ammoniak wordt voorafgegaan door het uitdrijven van CO2 (decarbonisatie). Het gestripte ammoniakgas kan dan ’s zomers samen met het gas uit de decarbonisatie direct worden afgevoerd als voeding voor de algen. Met het Duitse bedrijf Envimac, dat over een testinstallatie beschikt, is contact geweest over de technische aspecten van de operatie. Figuur 9: Decarbonisatie en strippen van ammoniak met stoom.
20
Het vooraf strippen van CO2 met stoom (decarbonisatie) heeft tot gevolg dat de zuurgraad (pH) van de vloeistof stijgt tot bijna 10. Dat is gunstig voor de tweede stap: het strippen van ammoniak. Een hogere pH leidt er namelijk toe dat het evenwicht verschuift van ammonium (NH4+) naar gasvormig ammoniak (NH3). Omdat de pH door het verwijderen van CO2 al bijna op het gewenste niveau is, is er dus minder loog nodig voor het omzetten van ammonium in ammoniak: geen zeventig maar slechts twintig liter per uur. De jaarlijkse kosten voor chemicaliën vallen daardoor een heel stuk lager uit (circa 85.000 euro minder). Daarmee verdienen de extra investeringen voor het strippen van CO2 zich binnen een jaar terug. In het kader van het onderzoek zijn geen specifieke proeven uitgevoerd naar het strippen van CO2 en ammoniak. Wel is een monster van het concentraat uit de omgekeerde osmose met een drogestofgehalte van twaalf procent en uit de dunne mestfractie aangeboden aan het bedrijf Envimac uit Duitsland. Op basis daarvan kan Envimac berekenen hoe de stripinstallatie er op praktijkschaal uit zou moeten zien. Envimac bevestigde dat het concentraat uit de omgekeerde osmose te viskeus is om te strippen. Wel is het mogelijk om via strippen de ammoniak te verwijderen uit de dunne fractie van de voorscheiding (dus voordat deze de omgekeerde osmose heeft ondergaan). Deze fractie bevat volgens metingen van Envimac 3500 mg/liter aan stikstof in de vorm van ammonium, die vrijwel geheel kan worden gewonnen. Een nadeel is wel dat het strippen van een vloeistof normaal gesproken niet op boerderijschaal kan gebeuren. Dat betekent dat na de mestscheiding niet alleen de dikke fractie, maar ook de dunne fractie centraal verwerkt moet worden. Een alternatief is het inzetten van een mobiele stripinstallatie, die onder meer in Denemarken en België wordt ontwikkeld. Een andere optie is om het concentraat van de omgekeerde osmose 1 : 1 te mengen met de dunne fractie uit de voorscheiding. Deze vloeistof is aanzienlijk minder viskeus dan alleen het concentraat en heeft een stikstofgehalte van 6500 mg/liter. Testen moeten nog uitwijzen of dit mengsel zich leent voor het strippen van ammoniak. De ammoniak en de CO2 die vrijkomen bij het strippen kunnen rechtstreeks in de algenvijver worden ‘geborreld’. Dat geldt ook voor de CO2 die vrijkomt uit de warmtekrachtinstallatie. Alleen in de winter, als de algen minder stikstof gebruiken, zal het nodig zijn om de vrijkomende ammoniak te binden met zwavelzuur of salpeterzuur en later als ammoniumsulfaat of ammoniumnitraat in te brengen in de algenvijver.
Kentallen Op basis van de gegevens van Envimac komen we tot de volgende kengetallen voor het strippen van CO2 en ammoniak (tweetraps proces) met een capaciteit van 3 m3 mest per uur:
• • • •
Ammoniumverwijdering Energieverbruik Stoom Loog (50% NaOH)
circa 98% 7 kW/m3 0,4 ton/h (130oC) 21 l/h
21
2.4 Fysisch-chemisch ontsluiten Bij het anaeroob (zuurstofloos) vergisten van biomassa wordt maar een deel van de organische stof omgezet in biogas. Bij drijfmest bijvoorbeeld is dat rond de veertig procent. De reden voor die onvolledige omzetting is dat een groot deel van de organische stof niet toegankelijk is voor anaerobe bacteriën. Dat heeft te maken met de samenstelling van het onverteerde, plantaardige materiaal in mest. Plantaardig materiaal bevat ligno-cellulose, een complex van lignine, cellulose en hemicellulose. Cellulose en hemicellulose zijn afzonderlijk goed anaeroob afbreekbaar, maar in combinatie met lignine zijn ze slecht toegankelijk voor enzymen, en daarmee slecht afbreekbaar. Ontsluiten door chemische en thermische voorbehandeling maakt een groter deel van de organische stof bereikbaar voor anaerobe bacteriën, waardoor meer biogas kan worden geproduceerd. Tevens wordt een deel van de ingesloten fosfor losgeweekt, wat belangrijk is voor de latere winning. Het ligno-cellulose complex wordt bij de ontsluiting opengebroken, zodat cellulose en hemicellulose beter toegankelijk worden voor de bacteriële enzymen (zie figuur 10). Daarbij gaat het vooral om de eerste fase van de omzetting, de hydrolyse (zie volgende paragraaf). Figuur 10: Principe van biomassaontsluiting.
In het kader van het onderzoek is de dikke fractie van de varkensmest uit de scheidingstesten gebruikt voor ontsluitingsproeven. Deze fractie had een drogestofgehalte van ruim twintig procent. De voorbehandeling bestond uit het verhitten tot negentig graden in combinatie met het toedienen van kalkwater (Ca(OH)2) om de zuurgraad te verhogen tot pH 11. Om het effect van fysisch-chemische ontsluiting op het vergistingsproces in kaart te brengen, zijn verschillende monsters met elkaar vergele-
22
ken: een niet voorbehandeld (blanco) monster, een monster dat is voorbehandeld door te verhitten en een monster dat naast verhitten is voorbehandeld door het toevoegen van kalkwater. Tegelijkertijd is gekeken naar het effect van ontsluiten op al vergiste varkensdrijfmest. Die had een drogestofgehalte van zeven procent en was afkomstig van een vergistingsinstallatie uit de Achterhoek. Ten slotte is het effect van ontsluiting onderzocht op de dikke fractie uit de schroefpers, die een drogestofgehalte heeft van veertig procent. De hoeveelheid kalkwater die moet worden toegediend, blijkt sterk afhankelijk te zijn van de soort mest. Voor de dikke fractie uit de schroefpers bijvoorbeeld was een dosering nodig van ruim driehonderd milligram kalkwater per gram mest. Voor de minder dikke fractie uit de trilzeef was een dosering nodig die ruim tien keer lager was, ruim twintig milligram per gram mest (zie figuur 11). Voor vergiste mest uit de Achterhoek was een vergelijkbare dosering (zie figuur 12) voldoende om de mest te ontsluiten.
Figuren 11 en 12: Benodigde doseringen kalkmelk (Ca(OH)2) om de pH te verhogen bij verse dikke mest met 20% ds (links) en vergiste mest met 7% ds (rechts).
Figuur 13: Oxitop-flessen.
Na ontsluiten zijn de verschillende monsters gemengd met slib (een 50/50-mengsel van gistingsslib en korrelslib). Vervolgens zijn ze dertig dagen vergist bij circa 35 graden in zogeheten Oxitop-flessen (zie figuur 13). Het voordeel van deze flessen is dat je de toename van de druk als gevolg van de productie van biogas direct kunt meten.
Kentallen Op basis van de resultaten van de vergistingsproeven (zie hierna), komen we tot de volgende kentallen voor de fysisch-chemische ontsluiting: • DS mest 22% (na trilzeef) • Temperatuur 90 0C • pH 11 23 g/kg dikke mest • Ca(OH)2 • Verblijftijd 2 uur
2.5 Vergisten Vergisten van mest wordt al op grote schaal toegepast. Vaak op het niveau van één of meer boerderijen. Met name Duitsland telt – dankzij een gunstige subsidieregeling – een groot aantal boerderijinstallaties. Het vergistingsproces zelf is nog veel langer bekend. Het bestaat uit een viertal stappen (zie kader). Fasen in het vergistingsproces
Hydrolyse. Hierbij worden complexe, niet-opgeloste materialen omgezet in minder complexe, opgeloste stoffen door enzymen die door bacteriën worden uitgescheiden (exo-enzymen); Fermentatie of zuurvorming. Hierbij worden de opgeloste stoffen in de cellen van fermentatieve bacteriën omgezet in eenvoudiger verbindingen die weer worden uitgescheiden. Producten van deze fase zijn o.a. vluchtige vetzuren, alcoholen, melkzuur, CO2, H2, NH3 en H2S. Acetogenese (intermediaire zuurvorming). Hierbij worden de fermentatieproducten omgezet in azijnzuur, H2 en CO2, alsmede nieuw celmateriaal. Methanogenese. Hierbij worden azijnzuur, H2 en CO2 en mierenzuur omgezet in biogas (methaan, CO2) en nieuw celmateriaal. De grootte van de vergistingsinstallatie wordt bepaald door de verblijftijd van het te vergisten materiaal. Voor een deel wordt de verblijftijd bepaald door de eerste stap van het vergistingsproces, de hydrolyse. Voor een deel ook door de groeisnelheid (verdubbelingtijd) van de micro-organismen. Bij temperaturen rond 35 oC graden (mesofiel) is de verblijftijd 30 tot 35 dagen. Dat betekent dat er grote installaties nodig zijn voor relatief waterige slurries, zoals varkensmest. Een alternatief is het gebruik van zogeheten thermofiele reactoren met een bedrijfstemperatuur van circa 55 oC. De omzetsnelheid is dan groter, waardoor de installatie kleiner uitgevoerd kan worden. Nadeel is echter dat het thermofiele proces veel gevoeliger is voor storingen. Een andere mogelijkheid om de verblijftijd te verkorten, is het gebruik van een tweetrapsysteem, waarbij eerst hydrolyse en zuurvorming plaatsvindt en pas daarna acetogenese en methaanvorming. Het voordeel is dat voor de verschillende bacteriegroepen optimale omstandig-
23
24
heden worden gecreëerd. De hogere bouwkosten vormen voor de meeste toepassingen echter een onoverkomelijk nadeel. Dat laatste bezwaar geldt in veel mindere mate voor een installatie met twee nageschakelde fermentoren. In de eerste reactor wordt het goed afbreekbare organisch materiaal omgezet in biogas, en in de tweede het langzaam afbreekbare materiaal. Wegens de langere verblijftijd is de tweede reactor groter dan de eerste, maar de bouwkosten zijn niet veel hoger. De omzetting van varkensmest in biogas is maar een deel van het verhaal. Het geproduceerde biogas moet ook gezuiverd en gedroogd worden. Biogas uit de vergistingsinstallatie is verzadigd met water. Om het te kunnen gebruiken als brandstof voor een gasmotor, moet het biogas worden gedroogd. Daar is warmte voor nodig, bijvoorbeeld uit de met biogas gestookte warmtekrachtcentrale. Naast de hoofdcomponenten methaan en kooldioxide bevat biogas ook nog sporen van zwavelwaterstof (rotte-eierenlucht), ammoniak en waterstof (zie tabel 4). Met name zwavelwaterstof (H2S) moet verwijderd worden, omdat het sterk corrosief is en pijpen en vaten aantast. Verwijdering gebeurt meestal door bacteriële omzetting in elementaire zwavel (S) door het toevoegen van een klein beetje lucht (zuurstof).
Tabel 4: Gemiddelde samenstelling biogas.
CH4 (%)
CO2 (%)
O2 (%)
N2 (%)
60
35
4
1
Uit de vergistingsproeven blijkt (zie tabel 5) dat de biogasproductie uit de dikke fractie kan verdubbelen als deze wordt ontsloten door verhitting tot negentig graden en verhoging van de pH tot 11. Voor de combinatie van ontsloten dikke mest plus het RO-concentraat lijkt het redelijk om uit te gaan van een absolute stijging van de omzetting van organisch materiaal in biogas van veertig naar zestig procent. Grootschalige testen zullen dit echter nog moeten bevestigen. Tabel 5: Biogasproductie bij verschillende voorbehandelingen.
Monster
Voorbehandeling Biogasproductie Relatieve (l/kg droge stof) toename (%)
Gassamenstelling CO2/CH4
Dikke mest
Blanco
340
-
32%/68%
Dikke mest
o
90 C
317
-7%
-
Dikke mest
90oC + pH 11
726
+113%
33%/67% -
o
Dikke mest
120 C
356
+5%
Dikke mest
120oC pH 11
475
+40%
200
-
30%/70%
240
+ 20%
32%/68%
Vergiste mest Blanco o
Vergiste mest 120 C pH 11
Het aldus geproduceerde biogas bestaat voor bijna tweederde uit methaan en voor een derde uit CO2. Zulke hoge gehaltes aan methaan zijn niet uitzonderlijk. In een laboratoriumopstelling − met name bij batchprocessen − worden vaak hogere gehaltes gemeten dan in de praktijk (mondelinge mededeling WUR). Voor het ontwerpen van de installaties wordt daarom uitgegaan van een standaardsamenstelling van biogas van zestig procent methaan en veertig procent CO2.
Uit de proeven blijkt verder dat het ontsluiten van reeds vergiste mest minder effect heeft dan van verse mest. Opvallend is wel dat de productie van biogas uit vergiste mest nog vrij hoog is − een illustratie van het feit dat niet-ontsloten organisch materiaal maar voor een deel wordt vergist. In een flankerende test is ook de productie van biogas gemeten van de dunne fractie na scheiding. Die bedroeg 148 liter per kilogram droge stof. In combinatie met de biogasproductie van de dikke fractie (726 liter per kilo droge stof) levert dat een gemiddelde productie op van 545 liter biogas per kilogram droge stof. Dat is de helft meer (55%) dan wanneer de mest niet vooraf zou zijn ontsloten. Een kanttekening daarbij is wel dat het hierbij gaat om proeven op kleine schaal en batch-gewijze productie. Voor een reële schatting moeten ontsluiting en vergisting worden uitgevoerd op pilotschaal in een continuproces.
Kentallen Voor vergisting (met ontsluiting vooraf) gaan we uit van de volgende kentallen: • Invoer ontsloten mest en dunne fractie • Temperatuur 35 oC • Verblijftijd 35 dagen • Biogas 545 l biogas/kg DS • Samenstelling 60% CH4, 40% CO2
2.6 Terugwinnen fosfaat Het digestaat uit de vergisting bevat een behoorlijke hoeveelheid fosfaat, een belangrijk voedingsmiddel voor de algen. Om het te winnen, wordt het digestaat gescheiden in een dikke en een dunne fractie. Aan de dunne fractie voegen we kalkwater toe (Ca(OH)2), waardoor fosfor neerslaat (precipiteert) als calciumfosfaat , volgens de reactievergelijking: HPO42- + Ca 2+ -> CaHPO4 (S) Het kalkwater dat wordt toegevoegd, reageert echter niet alleen met fosfaat, maar ook met carbonaat, met als resultaat dat ook het onoplosbare calciumcarbonaat (CaCO3) neerslaat. Als gevolg van beide precipitatieprocessen zal ook een aanzienlijk deel van de droge stof in de mest worden meegesleept en terechtkomen in het bezinksel. Als het bezinksel aan de algen wordt gevoerd, levert dat een klein besmettingsrisico op. De proeven met fosfaatprecipitatie zijn uitgevoerd door kalkwater toe te voegen aan de dunne mestfractie. Omdat er geen gelegenheid was om het digestaat uit de proefvergisting te gebruiken, is voor de proeven gebruik gemaakt van de dunne fractie na de eerste mestscheiding. De varkensmest was afkomstig van het bedrijf De Kruif uit Woudenberg. Het fosfaatgehalte (P) bedroeg 900 milligram per liter.
25
26
Tabel 6: Fosfaat concentratie in vloeistoffractie van de ontsloten mest.
In eerste instantie is gekeken naar de concentratie fosfaat in de vloeibare fractie van ontsloten mest (zie tabel 6). Ontsluiten door verhitting blijkt een positief effect te hebben op het vrijmaken van fosfor uit mest. Uit de precipitatietesten blijkt dat bij een dosering van vijftien gram kalkwater per liter dunne mest, het grootste deel (90%) van het fosfaat neerslaat als calciumfosfaat (zie figuur 14). Ontsluiting
Blanco
Total P [mg/l] 365,3
90 C
90 C + PH=11
120 C
120 C + PH=11
563,2
505,7
265,7
454,1
Ongeveer de helft van het neerslag is na een half uur bezonken (zie figuur 15). Het bezinksel heeft een drogestofgehalte van negen procent, en daardoor ook nog steeds een vrij groot volume. Met een decanteercentrifuge is het prima te ontwateren tot een drogestofgehalte van dertig procent.
Figuur 14 (links): Fosfaatconcentratie in de vloeistof na precipitatie.
Figuur 15 (rechts): Bezinkvolume na een half uur met Ca(OH)2.
Het bezinksel bevat relatief weinig calciumfosfaat (6%) en bestaat vooral uit calciumcarbonaat (54%) en meegesleept ander materiaal (40%). Dat heeft te maken met de molaire massaverhouding. Om fosfaat te verwijderen met calcium is een molaire verhouding nodig van 1 : 1 calcium en fosfor. Theoretisch is er 2,5 gram kalkwater nodig voor het neerslaan van 1,0 gram fosfor. De overmaat calciumionen reageert voornamelijk met carbonaationen (CO32-) in de dunne fractie. Dat betekent dat per kilo fosfor ruim vier kilo calciumfosfaat wordt gevormd en achttien kilo calciumcarbonaat, dat eveneens aan de algen kan worden opgevoerd. Daarnaast wordt er nog eens ongeveer dertien kilo aan ander materiaal meegesleept in het bezinksel.
Kentallen De proeven met het terugwinnen van fosfaat leveren de volgende kentallen op: • Kalkwater 15 kg Ca(OH)2/m3 mest • Fosfaatverwijdering 90 % • Calciumfosfaat 4,3 kg/kg P • Calciumcarbonaat 18 kg/m3 mest • Meesleep 13 kg/m3 mest • Drogestof bezinksel 30%
2.7 Systeemkeuze Op basis van de uitgevoerde testen kunnen de volgende conclusies worden getrokken voor de uitvoering van de mestraffinaderij: • Het gebruik van een schroefpers voor de eerste mest scheiding geeft een te hoog drogestofgehalte voor de dikke fractie. Daardoor wordt verdere verwerking problematisch. Beter is het om de mest te scheiden met een dubbeldekstrilzeef, omdat de dikke fractie dan nog is te verpompen. • Het indikken van de dunne mest uit de voorscheiding via omgekeerde osmose leidt tot een concentraat dat te viskeus is om er, via strippen, ammoniak uit te winnen. Daarom moet de volgorde worden omgedraaid en moet er eerst worden gestript. Als decentraal op boerderijniveau de mest wordt gescheiden en ontwaterd, dan is dat een probleem. In dat geval kan echter op een centrale faciliteit de dunne fractie van die locatie toegevoegd worden aan het waterige deel (“ brijn”) van de decentrale locatie(s). Dat kan een mengsel opleveren dat voldoende vloeibaar is om te kunnen strippen. • Het permeaat uit de omgekeerde osmose is niet zuiver genoeg voor lozen of hergebruik, omdat het ammoniumgehalte nog te hoog is. Een tweede omgekeerde osmose is nodig om de kwaliteit te verbeteren. Als eerst ammoniak wordt verwijderd door strippen van de dunne fractie en pas daarna de omgekeerde osmose, dan zal het permeaat minder geel zijn en waarschijnlijk ook niet meer naar ammoniak ruiken. Volgens Envimac wordt immers 98 procent van de ammoniak verwijderd door strippen. • Voor de systeemkeuze is het goed om een optie uit te werken waarbij het hele proces centraal wordt uitgevoerd en een optie waarbij op de helft van de deelnemende bedrijven de voorscheiding en omgekeerde osmose op bedrijfsniveau wordt uitgevoerd. • Ammoniak uit de stripinstallatie wordt ’s zomers direct als gas afgevoerd naar de algenvijver. Omdat de stikstofbehoefte van de algen in de winter vrijwel nihil is, zal er voor die periode wel een adsorber nodig zijn in de vorm van zuur of water, als tussenopslag. • De scheiding van digestaat in een droge en natte fractie gebeurt met een combinatie van een trilzeef en schroefpers. Dat levert een dunne fractie op die het merendeel van het fosfaat bevat en weinig zwevend materiaal. • Via doseren van kalkmelk wordt het fosfaat neergeslagen en afgescheiden in een bezinktank. Verdere ontwatering van het neerslag gebeurt in een kleine decanteercentrifuge. • Om geen onverwerkbaar residu over te houden, worden de dikke fractie uit de schroefpers en de dunne fractie, die overblijft als het bezinksel is verwijderd, bij elkaar gevoegd en gedroogd op een banddroger. Dit product kan worden verkocht als kunstmest dan wel worden toegeleverd aan een kolenvergassingsinstallatie voor co-vergassing. Het gedroogde digestaat bevat namelijk nog een hoog gehalte organische stof. Nieuw in deze configuratie (zie figuur 16 voor het stroomschema) is het drogen van de dikke en de dunne fractie die overblijven na de
27
28
Figuur 16: Stroomschema centrale verwerkingsroute.
scheiding van het digestaat respectievelijk het verwijderen van het fosfaat. Op basis van informatie van leveranciers is berekend hoe het droogsysteem eruit moet zien.
Omdat er een grote hoeveelheid laagwaardige warmte vrijkomt uit de warmtekrachtinstallatie is gekozen voor een banddroger (zie figuur 17). In een banddroger wordt warme lucht over het digestaat geblazen. In een luchtwasser wordt vervolgens ammoniak teruggewonnen. Ongeveer een kwart van de in het digestaat aanwezige stikstof bestaat uit ammoniak.
2.8 Dimensionering Figuur 17: Voorbeeld van een banddroger.
Op basis van de kentallen van de verschillende unit operations en op basis van de overwegingen voor de keuze van een systeem kunnen we nu op papier een full scale mestraffinaderij ontwerpen. In Overzicht 1 zijn per processtap de gegevens vermeld. Overzicht 2 geeft de productie en het verbruik per ton mest en per jaar.
Overzicht 1: Gegevens per processtap. Ontvangstbuffer - Buffercapaciteit - Volume
5 dagen 410 m3
Voorscheiding - Apparaat - Maaswijdte - Dikke fractie . droge stof . flow - Dunne fractie . droge stof . flow
3,9% 2,46 m3/h
Stripper - Apparaat - loogverbruik (50%) - stoom - NH3 -rendement - NH3 -productie
tweetrapsstripper met decarbonisatie en rectificeerkolom 21 l/h 0,4 ton/h (130cC) 98% 11 kg N/h
dubbeldekstrilzeef 100 µm en 35 µm 22% 0,96 m3/h
Omgekeerde osmose - Apparaat - Cf - Flux - Membraanoppervlak - Permeaat . flow - Concentraat . flow
0,61 m3/h
Ontsluiting - Verblijftijd - pH - Temperatuur - Ca(OH)2 verbruik - Volume
2 uur 11 90oC 22 kg/h 1,93 m3
Vergisting Verblijftijd Volume Specifieke biogasproductie Totale biogasproductie Droge stofgehalte na vergisting
35 dagen 1327 m3 546 Nm3/ton DS 169 Nm3/h 8,8%
Gasmotor Methaangehalte biogas Energie-inhoud methaan Elektrisch rendement Elektrisch vermogen Thermisch vermogen
60% 10 kWh/Nm3 38% 384 kWe 526 kW
buisvormige RO-membranen 45 l/m2/h 369 m2 1,8 m3/h
29
30
Na-scheiding Apparaat - Maaswijdte schroefpers - Maaswijdte trilzeef - Dikke fractie . droge stof . flow - Dunne fractie . droge stof . flow
Schroefpers/trilzeef 100 µm 35 µm 40% 0,22 ton/h 3,9% 1,36 ton/h
P-verwijdering - Dosering Ca(OH)2 - Verblijftijd - Volume - afscheiding - Dikke fractie . droge stof . flow . CaHPO4
20 kg/h 0,5 uur 680 l decanteercentrifuge 30% 165 kg/h 7,4 kg/h
Droging - Flow - Droge stof - Droge stofgehalte na droging - Waterverdamping - Droog product . flow . droge stof . N-tot . P-tot Condensaat . NH4 -N . concentratie
1,41 m3/h 90 kg/h 80% 1,30 m3/h 0,11 ton/h 80% 90,1 kg/ton 12,8 kg/ton 1,30 m3/h 3,4 kg/h 2.617 mg N/l
Overzicht 2: Productie en verbruik per ton mest/jaar. Producties: - Water - NH3 -N damp - NH3 -N condensaat - Fosfaatmeststof . Droge stof . CaHPO4 - Droge mest stof . Droge stof . N-tot . P-tot - Elektriciteit - CO2-credits
Bij 30.000 ton/j 1,84 m3/h 11 kg/h 3,4 kg/h 166 kg/h 30% 11% van de droge stof 0,11 ton 80% 15% van de droge stof 1,6% van de droge stof 384 kWe 11.375 ton/j
per ton mest 0,53 m3 3,2 kg 1 kg 48,5 kg 0,03 ton
112 kWh 0,38 ton
2.9 Nutriënten Het uitgangspunt voor de berekeningen is een mestraffinaderij met een verwerkingscapaciteit van 30.000 ton varkensmest per jaar. Per uur levert zo’n raffinaderij volgens Sustec veertien kilo stikstof en bijna twee kilo fosfor. De verhouding stikstof/fosfor zou zeven op één zijn, en dat is een goede verhouding voor de algen. Kwaliteit fosfaat
Algenkweker Ingrepro heeft het fosfaatbezinksel, dat ook andere stoffen bevat, beoordeeld op de geschiktheid voor de algenteelt. Ingrepro concludeert dat niet alleen het calciumfosfaat, maar ook het calciumcarbonaat een welkome toevoegingen is. Het carbonaat zal bij een neutrale tot licht alkalische pH voor het grootste deel omgezet worden in bicarbonaat en koolzuur. Daardoor komt dus meer koolstof beschikbaar voor de algen. Veel algen kunnen naast CO2 bovendien ook HCO3 opnemen. De aanwezigheid van zwevend materiaal, dat meegekomen is met het bezinksel, is voor de algen geen enkel probleem, ook al omdat de concentratie sowieso laag is. Het zou effect kunnen hebben op de lichtdoorlating, maar de ervaring is dat het snel wordt afgebroken in de zuurstofrijke algenvijver. Daarbij komt nog eens extra CO2 vrij.
2.10 Warmte De mestraffinaderij kent verschillende warmtevragende processtappen. Bij een juiste benutting van hoogwaardige (500 graden) en laagwaardige (100 graden) warmte, levert de warmtekrachtinstallatie voldoende vermogen (526 kW) om te voorzien in de warmtevraag. Voor de productie van stoom voor de stripper (0,4 ton/uur) is bijvoorbeeld 280 kW aan warmte van relatief hoge temperatuur nodig. Die warmte kan worden geoogst uit de hete afgassen van de motor van de warmtekrachtcentrale. Voor de ontsluiting van de dikke fractie is warmte nodig van negentig graden, die eveneens kan worden geoogst uit de WKK. De warmte uit de ontsluiting kan vervolgens worden teruggewonnen en hergebruikt, zowel voor de ontsluiting als voor het opwarmen van de vergister. Dan resteert nog voldoende warmte om het digestaat te drogen. Exergetisch is het natuurlijk geen optimale oplossing omdat warmte van 500 °C wordt toegepast op 100 °C zonder de arbeidspotentie tussen 500 en 100 °C eruit te halen. Hier moet toekomstig verder over worden nagedacht.
2.11 Kosten Op basis van het ontwerp voor een full scale mestraffinaderij is een schatting gemaakt van de investerings- (zie tabel 7) en exploitatiekos-
31
32
ten (zie tabel 8). Daarbij is gebruik gemaakt van offertes van leveranciers en interne begrotingen van Sustec BV.
Tabel 7: Investeringsbegroting.
Investeringsbegroting Ontvangstation
€
100.000,00
Voorscheiding
€
20.000,00
Stripper
€
380.000,00
RO
€
450.000,00
Ontsluiting
€
300.000,00
Vergisting
€
500.000,00
Gastechniek
€
100.000,00
WKK
€
450.000,00
Trafo
€
30.000,00
Na scheiding
€
40.000,00
P-verwijdering
€
80.000,00
Droger
€
250.000,00
M&R+E
€
150.000,00
Leidingwerk
€
100.000,00
Onvoozien (5%)
€
146.000,00
Startkosten (15%)
€
459.900,00
TOTAAL
€
3.562.125,00
Uit de exploitatiebegroting in tabel 8 blijkt dat een groot deel van de opbrengsten komt van de gate-fee voor de mest, dat wil zeggen: de kosten die de varkenshouder moet maken om zijn mest te kunnen afzetten. Deze liggen momenteel in de praktijk rond de vijfentwintig euro per ton mest, maar in het rekenmodel zijn we uitgegaan van twintig euro per ton − vijf euro minder − om rekening te houden met eventueel lagere afzettarieven. U?J43!\9! B]132-/?/-4J4,<2/-7,+! Tabel 8: Exploitatiebegroting.
(
"#!,-)D$#*!1.*!%&)5%&+b!#*!b+%b..&!G)66#*!+,!0#&$#Gb(#!*)1#.'!.G%!N)D!5'*%&>#%&9!<++-!(#!.b$#&!1.*! (#!6#(-++6(#!>#%&!)%!6##*!+,N-#*6%&!6#-#5#*(g!4#!$)D*!#-1.*!')&6#6..*!(.&!()&!5+%&#**#'&-..G! 5.*!6#N#'-#*9!"#!+,N-#*6%&!1.*!(#!1#->#(#*!KBdQ')&%&++&!;/-#()&%@!)%!>#&!&)#*!#'-+!,#-!&+*! -#G.&)#b!G..6!6#0+'(#*9!<++-!(#!#G#5&-)/)&#)&!()#!..*!0#&!*#&!4+-(&!6#G#1#-(S!)%!6#-#5#*(!>#&!##*!
De prijzen van stikstof en fosfaat liggen op hetzelfde niveau als bij kunstmest. Voor de afzet van de gedroogde mest is geen opbrengst gerekend; we zijn ervan uitgegaan dat dit kostenneutraal kan gebeuren. De opbrengst van de vermeden CO2-uitstoot (credits) is met tien euro per ton relatief laag gehouden. Voor de elektriciteit die aan het net wordt geleverd, is gerekend met een vergoeding volgens de subsidieregeling duurzame energie (SDE) van 15,8 cent per kWh.
2.12 Conclusies De mestraffinaderij maakt het mogelijk om kringlopen van mineralen, warmte, CO2 en water te sluiten in combinatie met een algenkwekerij. Technisch gezien is de mestraffinaderij een combinatie van bestaande technieken. Nieuw is wel het ontsluiten van de dikke fractie alvorens deze te vergisten. Daardoor wordt ongeveer vijftig procent meer biogas uit mest gehaald tegen betrekkelijk geringe kosten. De mestraffinage kan technisch en financieel gezien het beste plaatsvinden op centraal niveau, waarbij meerdere bedrijven zorgen voor een jaarlijkse aanvoer van ten minste 30.000 ton mest. Decentrale verwerking is voor onderdelen van het proces ook mogelijk; met name de voorscheiding van de mest en de omgekeerde osmose. Dat leidt echter tot hogere kosten en een langere terugverdientijd.
33
34
3. Kweken van algen
Algen zijn micro-organismen die – net als planten – het vermogen hebben om zonlicht en CO2 om te zetten in biomassa. Algen zelf en extracten ervan worden al decennia gebruikt in onder meer (dier) voedingsmiddelen en cosmetica, en als grondstof voor medicijnen en biologische bestrijdingsmiddelen. Recent zijn algen in de belangstelling gekomen als potentiële biobrandstof voor onder meer vliegtuigen.
3.1 Kweeksystemen Het kweken van algen op commerciële schaal gebeurt veelal in de buitenlucht, in open systemen. Veelgebruikt is de zogeheten high rate algal pond (HRAP), een ondiepe vijver (circa 25 centimeter diep) waarin een schoepenrad de algen in beweging houdt. De stroomsnelheid van het water is circa 30 centimeter per minuut. Het grote voordeel van dergelijke vijvers is de relatief lage investering (ongeveer twintig euro per vierkante meter). Een nadeel is echter dat het een open systeem is, waardoor de kans bestaat op contaminatie door andere algensoorten, bacteriën of eencelligen. In de praktijk kan de algenkweker een opbrengst halen van ongeveer 25 ton droge stof per hectare onder Nederlandse omstandigheden. Ter vergelijking: voor maïs ligt die opbrengst op twaalf ton en voor suikerbiet rond de zestien ton per hectare. De algen worden gewonnen in een continu oogstproces. De relatief lage dichtheid in de algenvijver – een paar honderd gram per kubieke meter − maakt echter dat het verwerken van de biomassa vrij kostbaar is en behoorlijk wat energie vraagt.
35
36
Een andere techniek is het kweken van algen in gesloten systemen, zogeheten fotobioreactoren (PBR). Meestal bestaan deze reactoren uit doorzichtige platen of buizen. Vrijwel elke algensoort kan in een fotobioreactor worden gekweekt, omdat je ze kunt ontsmetten. De fotobioreactor bestaat uit een geheel van lichtdoorlatende buizen, een zogeheten ‘biofence’, waarin algen zich snel vermenigvuldigen. De reactor staat in een kas, waardoor de temperatuur steeds enkele graden hoger is dan de buitentemperatuur. Vergeleken met open systemen is de dichtheid van de biomassa in gesloten systemen vele malen hoger, tot wel enkele kilogrammen per kubieke meter. Ook de productiviteit ligt aanzienlijk hoger. In de literatuur worden opbrengsten genoemd van zo’n honderd ton droge stof per hectare per jaar. Nadeel zijn de veel hogere kosten van gesloten systemen. In plaats van twintig euro per vierkante meter, gaat het hier om enkele honderden tot duizend euro per vierkante meter.
3.2 Hybride systeem Voor ECOFERM! heeft algenkwekerij Ingrepro in Borculo een hybride kweeksysteem ontwikkeld: een combinatie van een gesloten en een open systeem. Daarmee verenigt het het beste van twee werelden in termen van investeringskosten, robuustheid en productiviteit. De eerste stap van het hybride systeem is de fotobioreactor, die in deze combinatie fungeert als entreactor (zie foto). Dat wil zeggen dat de algen tot redelijke dichtheid worden voorgekweekt en continu uitstromen naar de tweede stap, de high rate algal pond (HRAP) waar ze verder doorgroeien. In een normale open vijver gebeurt de voorkweek in de vijver zelf. Het voordeel van de aparte entstroom is dat er continu zuivere algen in het systeem komen in een veel grotere dichtheid en met een veel grotere snelheid dan eventuele contaminanten. Hierdoor blijft de gewenste algensoort altijd dominant, zelfs in een open systeem met het risico van contaminatie. Een ander voordeel van dit systeem is de mogelijkheid om de kweekomstandigheden in de entreactor te optimaliseren en af te stemmen op de groeicyclus van de algen en/of te sturen op bepaalde eigenschappen. Zo kan de opname van nutriënten worden geoptimaliseerd door het aanbod van nutriënten in de entreactor te limiteren.
3.3 Potentiële opbrengst In het kader van de ontwikkeling van het ECOFERM!-concept heeft Ingrepro empirisch onderzoek gedaan naar de productiviteit van het hybride kweeksysteem. Bij optimale condities in de entreactor en de
algenvijver zou volgens Ingrepro een opbrengst van zestig ton droge stof per hectare per jaar haalbaar moeten zijn. Met name in de algenvijver – een open systeem – zijn die condities echter niet altijd optimaal als gevolg van weers- en seizoensinvloeden. In het onderzoek van Ingrepro is het hybride kweeksysteem vergeleken met een ‘klassieke’ open algenvijver (HRAP). Om de condities en abiotische omstandigheden − zoals het weer, nutriënten, waterniveau, hydrodynamica, lucht/water-uitwisseling − zoveel mogelijk identiek te houden, zijn drie kweeksystemen parallel getest in hetzelfde type HRAP. Op die manier zijn eventuele verschillen volledig toe te schrijven aan het gebruikte kweeksysteem.
3.4 Experimentele opzet De vergelijking tussen hybride en klassieke kweeksystemen vond plaats in twee series experimenten − één in het najaar en de andere in het voorjaar. Tijdens de eerste serie is gebruik gemaakt van de algensoort Chlorella vulgaris, stam 211/11c, afkomstig van de Sammlung von Algenkulturen der Universität Göttingen (SAG), Duitsland. Het gaat om een snelgroeiende algensoort, die veel wordt gebruikt in de commerciële algenkweek, ook voor voedingstoepassingen. Een bijkomende reden om voor deze soort te kiezen, is dat hij gevoelig is voor veranderingen in het milieu en voor contaminatie met andere algen. In theorie zou hij dus voordeel moeten hebben van het hybride kweeksysteem. Omdat deze soort morfologisch afwijkt van de andere algen die door Ingrepro worden gekweekt, is eventuele contaminatie ook tijdig te constateren. De alg werd gekweekt op kunstmatig groeimedium (Walne’s medium) dat alle mineralen en sporenelementen bevat die benodigd zijn voor de groei van Chlorella. Opkweken gebeurde in een aantal stappen in Erlenmeyers van respectievelijk 50 milliliter, 250 milliliter en 2 liter in de schudincubator naar 10 liter kweekvaten met magnetische roerders. Beluchting vond plaats met steriele lucht. Vanuit de 10 liter vaten zijn de fotobioreactor en de proefvijvers geënt. In de buitenopstelling is leidingwater gebruikt. Tijdens de tweede serie experimenten is gebruik gemaakt van de soort Chlorella fusca, de ‘huisalg’ van Ingrepro. Deze is ter plekke geïsoleerd en groeit in monocultuur onder de omstandigheden ter plaatse. In de onderzoeksperiode was de capaciteit van de mestraffinage niet voldoende om de benodigde hoeveelheden mineralen te kunnen leveren. Daarom is tijdens de eerste en de tweede reeks experimenten kunstmest gebruikt als bron van mineralen. Tijdens de eerste reeks experimenten zijn ammoniumsulfaat (zwavelzure ammoniak, (NH4)2SO4) en calciumfosfaat (tripelsuperfosfaat, Ca(H 2PO4)2) gebruikt als voornaamste bron van respectievelijk stikstof en fosfor.
37
38
De keuze voor deze stoffen is ingegeven door het feit dat volgens het oorspronkelijke Sustec-proces deze stoffen uit varkensmest zouden worden geraffineerd. Later is het raffinageproces aangepast en kwam stikstof vrij in de vorm van ammoniak. Tijdens de experimenten was het streven om de concentratie continu op minimaal 130 mg ammoniumstikstof (9,3 mM) per liter te houden (550 mg (NH4)2SO4 per liter) en op 11 mg per liter (0,36 mM; 55 mg Ca(H2PO4)2 voor het fosfaat-fosforgehalte. Tijdens de tweede reeks experimenten is voor de stikstofdosering gekozen voor huishoudammonia, een stikstofbron die overeenkomt met ammoniak afkomstig uit de stripinstallatie. De nagestreefde concentratie was 28 milligram ammoniumstikstof (2mM) per liter. De streefwaarde voor calciumfosfaat was 2 mg PO4- (65 μM) per liter (10 mg Ca(H2PO4)2 per liter. Omdat bij de terugwinning van fosfaat uit mest ook calciumcarbonaat wordt geproduceerd, is dat toegevoegd in een concentratie van 90 milligram per liter. Voor de buitenproeven is gebruik gemaakt van drie soorten algenvijvers (HRAPs), waarvan er één werd gekoppeld aan een fotobioreactor (zie figuur 18). De algenvijvers waren elk drie meter lang en anderhalve meter breed, dat wil zeggen 75 cm per ‘sloot’ (zie tekening). De bochtstraal is ook 75 cm. Het effectieve oppervlak (exclusief schoepenrad) was vier vierkante meter. Bij een waterdiepte van 25 cm levert dat een kweekvolume op van één kubieke meter per vijver.
Figuur 18: Schematische opzet van de proefopstelling.
De vijvers waren voorzien van schoepenraderen die dezelfde diameter hebben als de schoepenraderen in de grote kweekbassins van Ingrepro (1,20 m). De stroomsnelheid in de vijvers was 30 cm/s. Twee van de drie vijvers waren voorzien van extra verwarming en van pH-gestuurde CO2-toediening. Alle kweeksystemen, ook de fotobioreactor, gebruikten louter zonlicht. De gebruikte fotobioreactor is de middelste reactor in een opstelling van drie, waardoor het lichtklimaat optimaal (diffuus) is (zie figuur 19). CO2 en nutriënten worden automatisch toegediend (zie figuur 18). De gemiddelde verblijftijd van de algen in de fotobioreactor is drie dagen.
Figuur 19: Kasopstelling met fotobioreactoren.
3.5 Configuraties Voor de eerste serie experimenten is uitgegaan van de volgende configuratie (zie schema): A. Hybride systeem met verwarming (streeftemperatuur 30°C) en pH-gereguleerde CO2-toediening (streefwaarde pH 7). De instroom vanuit de fotobioreactor is honderd liter per dag; B. Algenvijver met verwarming en pH-gereguleerde CO2-toediening, maar zonder instroom; C. Algenvijver zonder verwarming of CO2-toediening. De experimenten zijn uitgevoerd in de periode september-oktober 2008. Voor de tweede reeks experimenten, die liep van eind mei tot medio juni 2009, is de proefopzet van het hybride experiment op een aantal punten gewijzigd op basis van de conclusies en aanbevelingen uit het eerste experiment en op basis van voortschrijdend inzicht. Tijdens het eerste experiment is gebleken dat de gewenste algensoort dominant bleef. Dat maakte het mogelijk om de systeemvreemde tropische alg Chlorella vulgaris zonder bezwaar te vervangen door de ‘huisalg’ van Ingrepro, Chlorella fusca. Omdat de huisalg groeit bij normale temperaturen, verviel daarmee ook de noodzaak voor het verwarmen van de algenvijvers. Ook de zuurgraad (pH) moest worden aangepast van 7 naar 8,5 omdat de huisalg daar beter bij gedijt. Een bedrijfseconomische evaluatie van de eerste reeks experimenten liet zien dat voor een economisch rendabel concept ECOFERM! de entstroom klein moet zijn in verhouding tot het totale volume van het systeem. Waar in de eerste reeks experimenten nog werd gewerkt met een entstroom van tien procent van het volume per dag, is die hoeveelheid in de tweede reeks experimenten dan ook verlaagd naar één procent. Extra voorzieningen werden getroffen om de fotobioreactor stabieler te maken, zoals het beter beheersen van de temperatuur (koeling- en
40
verwarmingssystemen) en het ontsmetten van het ingaande water (in-line desinfectie). De tweede serie experimenten was als volgt geconfigureerd: A. Hybride systeem met pH-gereguleerde CO2-toediening (pH 8,5). De instroom vanuit de fotobioreactor bedroeg 10 liter per dag; B. Algenvijver met pH-gereguleerde CO2-toediening (pH 8,5); C. Algenvijver zonder CO2-toediening. In beide series experimenten werden de volgende variabelen vrijwel dagelijks (zes dagen per week) gemeten om de algengroei in de vijver en de fotobioreactor te kunnen beoordelen: • Watertemperatuur; • Zuurstofconcentratie als indicator van de primaire productiviteit; • Zuurgraad (pH), als indicator van het zuur-base evenwicht, met name koolzuur; • Orthofosfaat (PO4 -P), een maat voor de hoeveelheid opgelost mineraal fosfor; • Nitraat (NO3 -N), een maat voor de hoeveelheid mineraal stikstof aanwezig als nitraat; • Ammonium (NH4 -N), een maat voor de hoeveelheid mineraal stikstof aanwezig als ammonium; • Optische dichtheid bij 750 nm (OD750) als indicator van de dichtheid van de algencultures. Bij deze golflengte absorbeert chlorofyl maximaal. Productiviteit per eenheid van oppervlak
Naast de (vrijwel) dagelijkse metingen is ook regelmatig het drooggewicht van de algen bepaald en gerelateerd aan de optische dichtheid. Op die manier kon de oppervlaktespecifieke productiviteit worden berekend. De specifieke productiviteit P is het verschil in drooggewichtconcentratie (in milligram per liter) tussen twee opeenvolgende dagen t en t+n, gedeeld door het aantal dagen n maal het oppervlak A volgens de formule:
DWt+n - DWt P = -----------------n.A
De drooggewichtconcentratie wordt bepaald uit de regressie tussen het drooggewicht en de optische dichtheid bij 750 nanometer, de OD750. In de eerste serie experimenten met Chlorella vulgaris was die relatie: DW (mg/l) = 280 x OD750 in de algenvijver en 198 x OD750 in de fotobioreactor. In de tweede serie experimenten met huisalg Chlorella fusca was de relatie DW (mg/l) = 238 x OD750 voor de vijver en 173 x OD750. De gemeten productiviteit is bij ieder experiment gecorrigeerd met een correctiefactor voor de beschaduwing van de algenvijver door de rand van het bassin en het schoepenrad (zie figuur 25 op blz. 46). Bij het eerste experiment was de correctiefactor 2; bij het tweede 1,2.
3.6 Extrapolatie Extrapolaties van de opbrengsten naar een heel jaar (met inbegrip van seizoenseffecten) en één hectare hangen sterk af van de aannames in de gebruikte modellen, zoals de verhouding tussen fotobioreactor en algenvijver, schaaleffecten en de uitvoering van de ECOFERM! wat betreft benutting van restwarmte en maatregelen om warmteverlies te voorkomen. Vanwege de onzekerheid over de uiteindelijke uitvoering heeft Ingrepro zich bij de extrapolaties beperkt tot eenvoudige, directe schattingsmethodes: • Directe extrapolatie, dat wil zeggen: omrekening van grammen per vierkante meter per dag naar tonnen per hectare per jaar; • Op basis van het aantal zonuren, waarbij het gemiddeld aantal zonuren per dag is omgerekend naar het landelijk gemiddelde aantal zonuren per jaar; • Op basis van temperatuur, waarbij is aangenomen dat er een rechtstreeks verband is tussen temperatuur en productiviteit. De gemiddelde luchttemperatuur tijdens de experimenten is omgerekend naar het landelijk gemiddelde; • Empirisch. De gangbare productie van een algenvijver in ons klimaat (20-30 ton per hectare) is vermenigvuldigd met de relatieve productiviteitsverhoging zoals gevonden in de verschillende behandelingen per experiment.
3.7 Eerste reeks experimenten 3.7.1 Weersomstandigheden De eerste reeks experimenten met de originele stam Chlorella vulgaris SAG211/11c vond plaats van begin september tot begin oktober 2008. In die periode lag de gemiddelde temperatuur in De Bilt met 13,6 °C en 10,1 °C iets beneden normaal (respectievelijk 14,2 °C en10,3 °C). In totaal telde De Bilt zeven warme dagen (20,0 °C of hoger) tegen 12 normaal. Zes van die zeven warme dagen vielen in de eerste helft van september. Op 11 september 2008 werd het in De Bilt zelfs zomers warm (25,0 °C of hoger). Oktober 2008 ging vrij koud van start (Klimatologische Dienst KNMI, 2008). De landelijke trends zijn duidelijk terug te zien in de temperaturen, zoals gemeten op vliegbasis Twente, het dichtstbijzijnde KNMImeetstation (zie figuur 20). Ze weerspiegelen zich ook in de gemeten watertemperatuur van de algenvijvers en de fotobioreactor. Opvallend is dat alle metingen van de watertemperatuur systematisch hoger uitvallen dan de luchttemperatuur in Twente, ook in de onverwarmde
41
42
algenvijver (C). De gemiddelde temperatuur in de onverwarmde algenvijver C was 14,9 °C bij een gemiddelde luchttemperatuur van 11,3 °C.
Figuur 20: Temperatuurverloop in de fotobioreactoren (PBR) en high rate algal pond (HRAP)
Het verschil vloeit waarschijnlijk voort uit het feit dat alle metingen overdag zijn gedaan, terwijl de metingen van het KNMI gemiddelden zijn over het hele etmaal. Een bijkomende factor is dat in de herfst water ’s nachts minder snel afkoelt dan de lucht. Een andere mogelijke verklaring is de algengroei. Tijdens de eerste warme dagen loopt de temperatuur van de onverwarmde algenvijver namelijk gelijk op met de luchttemperatuur. Daarna is de watertemperatuur steeds ongeveer vier graden warmer dan de lucht. Het geleidelijk dichtgroeien van de algenvijver zou effect kunnen hebben op absorptie en weerkaatsing, zodat er meer warmte wordt geabsorbeerd en/of minder warmte ontsnapt. Tijdens het experiment is de streeftemperatuur in de verwarmde vijvers A en B (30 °C) niet gehaald. De vraag is of die streefwaarde wel realistisch was. Via het wateroppervlak en via het schoepenrad worden immers grote hoeveelheden warmte uitgewisseld. In de eerste helft van september was het verschil in temperatuur tussen de verwarmde en niet-verwarmde algenvijvers 5,8 oC. In de tweede helft van september en begin oktober was het verschil 7,3 oC. De gemiddelde temperatuur van de verwarmde algenvijvers bedroeg 21,8 °C resp. 21,2 °C, ongeveer tien graden meer dan de luchttemperatuur. Het water in de fotobioreactor wordt niet verwarmd, maar de reactor zelf staat wel in een kas. De temperatuur was daardoor gemiddeld 1,6 oC hoger dan die in de verwarmde vijvers, 8,1 oC hoger dan in de onverwarmde algenvijver en 11,3 oC hoger dan de temperatuur van de buitenlucht.
3.7.2 Straling De zon liet zich tijdens de eerste reeks experimenten vaker zien dan normaal. De weerdienst van het vliegveld Twente registreerde in
september 156 zonuren en in oktober 131. Normaal is dat 128 en 103. De instraling was met 31.729 Joule per cm2 in september en 19032 Joule/cm2 in oktober ook hoger dan normaal (30.151 J/cm2 resp. 18.522 J/cm2 (Klimatologische Dienst KNMI, 2008). Op basis van de zonne-instraling kan een schatting worden gemaakt van de gemiddelde stralingsintensiteit (Watt per m2) en daarmee ook van de gemiddelde intensiteit van de fotosynthetisch actieve straling (PAR) en de dichtheid van de fotonenflux (PPFD).
43
Zonnestraling bestaat voor 46% uit fotosynthetisch actieve straling (PAR). Op basis van een omzettingsfactor van 4,6 micromol fotonen per Joule daglicht, komt de gemiddelde dichtheid van de fotonenflux in het PAR-gebied uit op een factor van 2,12 maal de gemiddelde stralingsintensiteit (W/m2). De gemiddelde dichtheid van de fotonenflux (PPDF) kan worden vergeleken met de daadwerkelijk gemeten PPFD (zie figuur 21). Opvallend is dat de berekende, gemiddelde intensiteit veel lager uitvalt dan de gemeten straling. De reden is dat de eigen metingen momentopnames zijn, die bovendien zijn uitgevoerd rond de middag, als de instraling het sterkst is. Figuur 21: Gemeten fotosynthetische lichtinstraling.
3.7.3 CO2-voorziening Zowel in de twee verwarmde algenvijvers als in de fotobioreactor wordt de CO2-voorziening gestuurd op basis van de pH. Als CO2 de limiterende factor is voor algengroei, stijgt de pH en wordt er extra CO2 toegediend. Los van de automatische pH-meting werd ook dagelijks de pH gemeten met een losse pH-meter. Opvallend is dat de pH-waarden in de vijvers met CO2-toediening veel grilliger verlopen in de tijd dan die in de algenvijver zonder CO2-toediening. Die blijft juist vrij constant (zie figuur 22), namelijk rond de 8. Die waarde geeft aan dat de gebruikte algensoort (Chlorella) een lichte koolstofbeperking ondervindt, maar dat andere factoren, zoals licht en temperatuur, meer beperkend zijn voor de groei.
Figuur 22: Verloop van de pH met de tijd in verschillende systemen (eerste experiment).
Wat verder opvalt, is dat de algenvijvers met CO2-toediening (A en B) in het begin een vrij hoge pH hebben. Dat duidt op CO2 als belangrijkste beperkende factor voor de groei. Verbeteren van het inbrengsysteem voor CO2 leidt tot een lagere pH-waarde, en daarmee tot meer groei. Als we het verloop van de pH-waarden in de twee algenvijvers vergelijken met het pH-verloop in de fotobioreactor (dikke lijn ‘PBR’ in figuur 22), vallen de vrij grote fluctuaties op in de open vijvers. Dat heeft waarschijnlijk een technische oorzaak. Bij de fotobioreactor kunnen een boven- en een ondergrens worden ingesteld voor de gewenste pH. In de algenvijvers daarentegen kan er maar één schakelpunt worden ingesteld. Het gevolg is dat, na overschrijden van de ingestelde pH-waarde, de toediening van CO2 doorschiet, waardoor de pH te sterk daalt. De grote fluctuaties in pH hebben vermoedelijk ook effect op de groeisnelheid van de algen.
3.7.4 Groeisnelheid Ook in de groeisnelheid deden zich grote fluctuaties voor. In de fotoreactor bijvoorbeeld verachtvoudigde de algendichtheid op de eerste dag. Deze bleef vervolgens een week lang redelijk hoog en stabiel. Daarna echter zakte de dichtheid door onbekende oorzaak volledig in (zie figuur 23). Noch de temperatuur, noch een te hoge concentratie aan zuurstof, noch de CO2-voorziening kon het inzakken van de dichtheid bevredigend verklaren. Ook de leverancier van het systeem stond voor een raadsel. Figuur 23: Dichtheid van de algen in de PBR (eerste experiment).
Besloten werd om de fotobioreactor versneld door te spoelen door het water dagelijks voor tweederde te verversen. Op die manier konden condities worden gerealiseerd die vergelijkbaar waren met het begin van de reeks experimenten. Aanvankelijk daalde de algendichtheid nog verder tot ongeveer tien procent van de waarden tijdens de eerste week. Toen daarna de snelheid van verversen weer werd ingesteld op de gewone waarde, groeiden de algen weer net zo snel als in het begin (zie figuur 23).
45
Ook nu bleek echter dat de hoge dichtheden maar een paar dagen gehandhaafd konden blijven. Bovendien was die dichtheid lager dan op grond van de literatuur mocht worden verwachten. Bij nader – microscopisch – onderzoek bleek dat de fotobioreactor was geïnfecteerd met algenetende ciliaten (eencellige diertjes). Dat is waarschijnlijk ook de oorzaak geweest van het inzakken van de groeisnelheid tijdens het eerste experiment. Ciliaten eten niet alleen algen, hun aanwezigheid leidt er ook toe dat de overblijvende algen samenklonteren, waardoor de dichtheid afneemt en ze minder snel groeien. Om besmetting te voorkomen, moet het systeem dus nog beter afgesloten worden, onder meer door mineralen, leidingwater en CO2 zoveel mogelijk vrij te houden van mogelijke contaminanten. Een andere mogelijkheid is het ‘in line’ systeem voor desinfectie, dat inmiddels is aangeschaft en de productiviteit en bedrijfszekerheid sterk heeft verbeterd. De algendichtheid in de vijvers vertoont in de tijd een zaagtandvormig verloop (zie figuur 24). De reden is dat de inhoud van de vijvers steeds werd verdund als de dichtheid een bepaalde waarde had bereikt. Die waarde werd vastgesteld door het meten van de optische dichtheid bij een golflengte van 750 nanometer (OD750). Zodra die boven de 0,4 uit kwam, werd de inhoud verdund tot een waarde tussen 0,3 en 0,4. Daarna werden ammoniumsulfaat en calciumfosfaat aangevuld tot de gewenste concentraties. Figuur 24: Verloop algenconcentratie in de HRAP (eerste experiment).
3.7.5 Samenstelling Tijdens het grootste deel van de onderzoeksperiode bevatten de algenvijvers een monocultuur van Chlorella vulgaris. Incidenteel werden
46
cellen aangetroffen van Chlorella fusca, de huisalg van Ingrepro, maar deze kreeg nooit de kans om te domineren. In het hybride systeem werd C. fusca overigens minder vaak aangetroffen. Gezien de continue entstroom met verse algen uit de fotobioreactor ligt dat ook wel voor de hand. De besmetting met ciliaten in de beide niet-hybride algenvijvers leidde tot een tijdelijke toename van C. fusca tot rond de tien procent.
3.7.6 Schaduwen Terugblikkend op de eerste reeks experimenten blijkt dat erg veel moeite is gedaan om de hydrologie en de vorm van het schoepenrad na te bootsen dat al jaren naar behoren functioneert in de productiebassins van Ingrepro. Wat we ons niet voldoende hebben gerealiseerd, is dat zo’n schoepenrad met een diameter van 1,20 meter wel heel erg groot is in verhouding tot de proefvijvers. Het oppervlak van de proefvijvers bedraagt immers maar een kwart procent van dat van het productiebassin (4 m2 vs. 1500 m2). Het gevolg is dat van de 4 m² al bijna 1 m² geen zonlicht vangt. Bovendien zorgt het schoepenrad voor een flinke schaduw, die rond het middaguur uur een groot deel van de vijvers (zie figuur 25). Het beschaduwde deel wordt nog groter door de rechte wanden van de algenvijvers die 25 centimeter boven het wateroppervlak uitsteken. Omdat de ‘sloten’ vrij smal zijn (75 centimeter breed) vindt er redelijk wat beschaduwing plaats door zijwanden en middenwand (zie figuur 26). Figuur 25: Visualisering van de beschaduwing in de test-HRAP.
Figuur 26: Visualisering beschaduwing van zij- en middenwand.
Alles bij elkaar leidt de beschaduwing door schoepenrad en wanden tot een halvering van de lichtinval, en daarmee van de productiviteit. Bij het extrapoleren van de productiviteit per vierkante meter naar een full scale algenvijver hebben we daarom een correctiefactor van twee toegepast.
3.8 Tweede reeks experimenten In mei 2009 is begonnen met de voorbereidingen voor de tweede serie experimenten, dit keer met de ‘huisalg’ van Ingrepro, Chlorella fusca. De fotobioreactor en proefvijvers werden gevuld met water en algen en bemest met de nieuwe voeding, bestaande uit ammonia, calciumfosfaat, calciumcarbonaat en – in twee van de drie vijvers – CO2. De fotobioreactor draaide als fed-batch systeem, dat wil zeggen: met een continue aanvoer van nutriënten. Op die manier zijn maximale dichtheden te realiseren. De experimenten begonnen op 27 mei en zijn op 12 juni beëindigd. Om problemen met schaduw te voorkomen, zijn de schoepenraderen verplaatst naar de andere kant van de vijvers (westnoordwest). Omdat in mei en juni de zon hoger aan de hemel staat, was de schaduw van de wanden minder dan bij de eerste reeks proeven in september en oktober. In plaats van een correctiefactor 2 is voor de tweede reeks experimenten daarom gerekend met een correctiefactor van 1,2.
3.8.1 Weersomstandigheden Mei en juni waren met gemiddeld 13,9 °C resp. 15,7 °C warmer dan normaal (12,7 °C resp. 15,2 °C). In mei werden in De Bilt twaalf warme dagen genoteerd (maximumtemperatuur 20 °C of hoger) tegen negen normaal (Klimatologische Dienst KNMI, 2009). Op 25 mei werd in De Bilt voor het eerst dat jaar de zomerse grens van 25 °C overschreden. Juni kende een warme start, maar al snel lag de temperatuur lange tijd onder of op het langjarige gemiddelde. In totaal telde juni in De Bilt veertien warme en vijf zomerse dagen, tegen twaalf respectievelijk vier normaal. De eerste helft van de maand kende enkele opvallend koele nachten. De laagste temperatuur (0,9°C) werd gemeten op 13 juni op de vliegbasis Twente. Aan de grond vroor het daar die nacht -2,6 °C. In het oosten van het land kwam het in juni lokaal op vijf dagen tot vorst aan de grond (Klimatologische Dienst KNMI, 2009). De temperatuur in de algenvijvers (12,7 oC) week niet veel af van de gemiddelde luchttemperatuur op vliegbasis Twente (zie figuur 27). De temperatuur in de fotobioreactor was (weer) zo’n tien graden warmer dan in de algenvijvers en in de buitenlucht.
47
Figuur 27: Temperatuurverloop in het water van de PBR en de HRAP’s.
3.8.2 Straling Het aantal zonuren bedroeg (landelijk) 248 tegen 209 normaal in mei, en 250 tegen 192 normaal in juni. In het binnenland was het minder zonnig dan aan de kust (Klimatologische Dienst KNMI, 2009).
3.8.3 CO2-voorziening De pH-controle in de algenvijvers met CO2-voorziening bleek, dankzij de nieuwe opzet, een stuk beter te functioneren dan tijdens de eerste reeks experimenten. De pH bleef keurig op de streefwaarde van 8,5 (vergelijk figuur 28 met figuur 22). Het ietwat schokkerige verloop in algenvijver A (het hybride systeem) wordt veroorzaakt door het inregelen van een nieuwe pH-controller. Ook de pH in de fotobio reactor blijft vrij constant rond de 8. Figuur 28: Verloop van de pH als functie van de tijd in PBR en HRAP’s.
3.8.4 Groeisnelheid De algendichtheid in de vijvers vertoont, net als tijdens de eerste reeks experimenten, een zaagtandvormig verloop als gevolg van het dagelijks verdunnen naar een optische dichtheid van 0,4. Vooral op de minder productieve dagen wordt in het hybride systeem C steeds een hogere concentratie opgebouwd dan in de andere systemen.
De fotobioreactor draait, zoals gezegd, als fed-batch systeem. Als gevolg daarvan neemt de optische dichtheid gestaag toe met 0,7 OD750 per dag, tot een maximale dichtheid met een OD750 van twaalf tot dertien (zie figuur 29). Dat is een orde van grootte hoger dan tijdens de eerste reeks experimenten en wijst erop dat de fotobioreactor ditmaal wel naar behoren functioneerde.
49
Figuur 29: Verloop van de algenconcentratie in PBR en HRAP’s.
3.9 Opbrengsten In de eerste reeks experimenten varieerde de productiviteit per vierkante meter tussen de nul en veertig gram droge stof na toepassen van de correctiefactor (zie figuur 30). De productiviteit in algenvijver C (geen verwarming, geen CO2-toediening) ligt – na correctie voor de schaduw – met ruim vijf gram droge stof per vierkante meter op een voor zo’n systeem gebruikelijk niveau. Bij rechtstreeks extrapoleren komt dat neer op circa twintig ton droge stof per hectare per jaar. Figuur 30: Productiviteit van de verschillende systemen tijdens het eerste experiment.
Voor algenvijver B (met verwarming en CO2-toediening) is dat ongeveer het dubbele; elf gram droge stof per vierkante meter per dag. Voor het hybride systeem (algenvijver A) zijn de opbrengsten nog iets hoger, dertien gram, maar dat verschil verdwijnt als we corrigeren voor het massa-effect van de fotobioreactor.
50
In feite lijkt het hybride systeem niet of nauwelijks beter dan het systeem zonder fotobioreactor (algenvijver B). De toename van de productiviteit is – ongecorrigeerd – slechts zeventien procent. Oorzaak is het minder goed functioneren van de fotobioreactor in de periode van 21 september tot 2 oktober door de vervuiling met ciliaten. Als we dat verdisconteren, komt de productiviteit van het hybride systeem uit op zeventien gram droge stof per vierkante meter per dag. Ofwel – bij rechtstreeks extrapoleren – ruim zestig ton droge stof per hectare per jaar. Daarmee is de productiviteit van het hybride systeem zeventig procent hoger dan het systeem zonder fotobioreactor. In de tweede reeks experimenten is, zoals gezegd, een factor 1,2 gehanteerd om te corrigeren voor de schaduw van schoepenrad en randen. De productiviteit in de controlevijver (C) was gemiddeld bijna negen gram droge stof per vierkante meter per dag (zie figuur 31). Toedienen van extra CO2 (algenvijver B) leidde gemiddeld tot een iets hogere productiviteit van elf gram droge stof per vierkante meter.
Figuur 31: Productiviteit van de verschillende systemen tijdens het tweede experiment.
De opbrengst van het hybride systeem lag in deze serie experimenten met zeventien gram droge stof per vierkante meter fors hoger. Daarbij zij aangetekend dat de opbrengst op sommige dagen ook negatief was. De waarschijnlijke oorzaak is verdunning van de algensoep door zware regenval. Opvallend is dat de maximale productiviteit van de verschillende systemen niet eens zo erg veel van elkaar verschilt. Dat wijst erop dat niet zozeer CO2 of verse algen de beperkende factor zijn, maar licht. De grote verschillen ontstaan op dagen waarop de productiviteit laag is. Onder die omstandigheden maakt zowel extra koolstof als een hybride opzet het verschil uit. De gemiddelde productiviteit van de fotobioreactor was met 23 gram droge stof per vierkante meter niet veel hoger dan die van het hybride systeem als geheel. Dat terwijl de productiviteit per eenheid volume, zoals bepaald door optische dichtheidsmeting, wel hoog was (0,7 x OD750 per dag). Daaruit blijkt dat het effectieve oppervlak van de fotobioreactor in de kas, de zogenoemde footprint, vrij groot is in verhouding tot het volume van het systeem. In de tweede reeks experimenten is Chlorella fusca gebruikt, een algensoort uit een gematigd klimaat. Desondanks blijkt dat tempera-
tuurverschillen een belangrijke verklarende variabele vormen voor de verschillen in productiviteit. Uit berekeningen blijkt dat ze in ongeveer de helft van de gevallen de variatie in opbrengst kunnen verklaren. Ter vergelijking: de variatie in opbrengst kon voor 20 tot 40 procent worden verklaard uit de dagelijkse hoeveelheid zonnestraling en voor 30 tot 40 procent uit het aantal zonuren.
51
Opmerkelijk is ten slotte dat de productiviteit van het hybride systeem in de tweede reeks experimenten ongeveer hetzelfde was als de productiviteit tijdens de eerste reeks experimenten als wordt gecorrigeerd voor de periode dat de fotobioreactor niet naar behoren werkte. Die overeenkomst bevestigt dat het hybride systeem een aantrekkelijke methode is om de productiviteit van de algenvijver fors te verhogen.
3.10 Extrapoleren naar praktijkschaal Om de gegevens uit de experimenten te extrapoleren naar praktijkschaal hebben we drie verschillende methodes gebruikt: rechtstreeks, op basis van het aantal zonuren en op basis van de temperatuur. Rechtstreeks extrapolatie laat zien dat de productie van een ongereguleerde en onverwarmde algenvijver – de controle – tussen de twintig en dertig ton droge stof per hectare per jaar oplevert. Extra CO2-voorziening en eventueel verwarming (algenvijver B) levert circa veertig ton per jaar op, terwijl het hybride systeem ruim zestig ton droge stof per hectare produceert (zie tabel 9). Tabel 9: Vergelijking van de geëxtrapoleerde waarden van beide experimenten.
! !
Extrapoleren we op basis van het aantal zonuren, dan levert de controlevijver 14 tot 18 ton droge stof per hectare op. Extra CO2 verhoogt de %&+b!,#-!0#/&.-#!+,9!Tf&-.!KB d!1#-0++6&!(#!+,N-#*6%&!&+&!dd!r!d_!&+*!,#-!0#/&.-#S!#*!0#&!0hN-)(#! opbrengst tot 22 à 28 ton per hectare, en het hybride systeem komt uit op 34 tot 46 ton per hectare. %h%&##>!5+>&!')&!+,![c!&+&!c`!&+*!,#-!0#/&.-#9!!
Tf&-.,+G#-#*!4#!+,!N.%)%!1.*!0#&!..*&.G!$+*'-#*S!(.*!G#1#-&!(#!/+*&-+G#1)D1#-!Xc!&+&!X_!&+*!(-+6#!
!
Bij extrapolatie op basis van temperatuur (de best verklarende variabele in de tweede reeks experimenten) ligt de opbrengst van het controlesys#f,#-)>#*&#*@!G)6&!(#!+,N-#*6%&!1.*!0#&!/+*&-+G#%h%&##>!+,!X`!&+&!d[!&+*!,#-!0#/&.-#9!Tf&-.!KB d! teem op 16 tot 23 ton per hectare. Extra CO2 geeft 29 tot 31 ton, terwijl 6##b&!dY!&+&![X!&+*S!&#-4)DG!0#&!0hN-)(#!%h%&##>!c\!&+&!\d!&+*!,#-!0#/&.-#!+,G#1#-&!;$)#!&.N#G!Y@9!! het hybride systeem 45 tot 52 ton per hectare oplevert (zie tabel 9). ?)D!#f&-.,+G.&)#!+,!N.%)%!1.*!&#>,#-.&''-!;(#!N#%&!1#-5G.-#*(#!1.-).N#G#!)*!(#!&4##(#!-##5%!
! T>,)-)%/0!6#$)#*!>+6#*!4#!1++-!##*!.G6#*1)D1#-!)*!##*!6#>.&)6(!5G)>..&!##*!+,N-#*6%&!
52
Empirisch gezien mogen we voor een algenvijver in een gematigd klimaat een opbrengst verwachten van 20 tot 30 ton per hectare. Als we uitgaan van 25 ton per hectare voor de controle, zou de algenvijver met extra CO2 41 tot 49 ton per hectare moeten opbrengen, en het hybride systeem 48 tot 80 ton per hectare (zie tabel 9). Al met al zou volgens Ingrepro een opbrengst van dertig tot tachtig ton per hectare per jaar haalbaar zijn voor het hybride systeem (zie tabel 9). Voor een deel wordt die uitkomst bepaald door de methode, waarmee we de uitkomsten van de experimenten extrapoleren naar praktijkschaal. Daarnaast is de productiviteit ook afhankelijk van andere – fysieke − factoren, zoals de gebruikte algensoort en de configuratie van het hybride systeem. Bij dat laatste gaat het onder meer om de verhouding tussen de inhoud van de fotobioreactor en de algenvijver, de beschikbaarheid van warmte en CO2 en de mogelijkheden om het warmteverlies vanuit de algenvijver naar de omgeving te voorkomen. Immers, een klein verschil in temperatuur betekent al een aanzienlijke verbetering van de productiviteit.
3.11 Conclusie De experimenten – vooral de tweede serie – laten zien dat het hybride systeem een buitengewoon aantrekkelijke manier is om de productie van algenvijvers te verhogen. De productiviteitsverhoging ligt in de orde van 55 tot 65% ten opzichte van algenvijvers met extra CO2-voorziening, al dan niet verwarmd. Ten opzichte van gangbare algenvijvers is de opbrengst per hectare zelfs twee tot drie keer zo hoog. Het lijkt er volgens Ingrepro op dat een opbrengst van 60 ton droge stof per hectare per jaar haalbaar zou moeten zijn. Een meer gedetailleerde extrapolatie toont dat 40-50 ton/ha realistischer is. Demonstratieproject
Om de productiviteitscijfers beter te onderbouwen zijn aanvullende proeven nodig. Daarom stellen we voor om een algenkwekerij op demonstratieschaal (één hectare) in te richten om een indruk te krijgen van de massa- en energiestromen. Centraal daarin staan de open algenvijvers (zie figuur 32), waarin de algen met schoepenraderen in circulatie worden gehouden. Via een bypass worden enerzijds de algen geoogst, anderzijds de grondstoffen (water, CO2, NH3, PO4) toegediend. De verwerking (downstream processing) van het algenwater omvat de bezinktank, waarin flocculant wordt gedoseerd. De bovenstaande vloeistof stroomt terug naar de algenvijver, terwijl de uitgevlokte algen worden ingedikt in een decanteercentrifuge. Centrifugeren levert helder water op dat, afhankelijk van de concentratie nutriënten, retour gaat naar de algenvijver of wordt geloosd. Het concentraat wordt opgeslagen in koeltanks voor verdere verwerking, of direct gebruikt voor vloeibare algenproducten.
In het ECOFERM!-concept wordt in de visie van Ingrepro het algenFiguur 32: Processchema van de algenkwekerij concentraat gedroogd met de warmte uit de rookgassen van de warmvan de Powerfarm. tekrachtinstallatie (WKK). Die warmte wordt via een warmtewisselaar naar de droger gebracht. Het afgekoelde rookgas dat CO2 en warmte van lage temperatuur bevat, wordt via een roerder toegevoegd aan het water in de algenvijver. Diezelfde roerder wordt gebruikt om het ammoniak uit de stripinstallatie op te lossen. Via dezelfde ‘bypass’ worden vervolgens water en calciumfosfaat (inclusief de meesleep van F#&!#*#-6)#1#-N-')5!1.*!0#&!&+&.G#!%h%&##>S!#f/G'%)#b!(-+6#-S!N#(-..6&!-')>!_]!=O0!;(#! calciumcarbonaat) ingebracht. Het laatste onderdeel is het enten van +,&#G%+>!1.*!(#!+*(#-%&#!-)D!1.*!&.N#G!X]@9!<++-!0#&!(-+6#*!1.*!`d!&+*!.G6#*!,#-!D..-S!.b5+>%&)6! de voedingsstroom met de verse algen uit de fotobioreactor (PBR). ')&!##*!&h,)%/0!.G6#*/+*/#*&-..&!;(-+6#%&+b6#0.G&#!Zl@S!)%!/)-/.!d[[[!A8!..*!4.->&#!*+()6S!4.&!
Het energieverbruik van het totale systeem, exclusief droger, bedraagt ruim 80 MWh (de optelsom van de onderste rij van tabel 10). Voor +,6#*+>#*S!+>(.&!()#!*)#&!-#*(.N#G!)%S!.G%!#-!*)#&!1+G(+#*(#!;6-.&)%@!-#%&4.->&#!)%9! het drogen van 62 ton algen per jaar, afkomstig uit een typisch algenconcentraat (drogestofgehalte 7%), is circa 2333 GJ aan warmte nodig, ! wat overeenkomt met nog eens 648 MWh (thermisch). De droger is U?J43!=K! expliciet niet in de energiebalans opgenomen, omdat die niet rendabel is, als er niet voldoende (gratis) restwarmte is.
+1#-##*5+>&!>#&!*+6!##*%!`c_!=O0!;&0#->)%/0@9!"#!(-+6#-!)%!#f,G)/)#&!*)#&!)*!(#!#*#-6)#N.G.*%!
Tabel 10: Indicatief energieverbruik voor een 1-hectare algenkwekerij. PCS = procescontrolesysteem. PBR = fotobioreactor.
( <++-!(#!>.%%.N.G.*%!;$)#!&.N#G!XX@!$)D*!4#!#-1.*!')&6#6..*!(.&!(#!.G6#*!)*!(#!1)D1#-!+*6#1##-!##*!
Voor de massabalans (zie tabel 11) zijn we ervan uitgegaan dat de 54.-&!1.*!(#!&+&..G!6#,-+('/##-(#!0+#1##G0#)(!KB d!N#*'&&#*9!"-)#54.-&!6..&!1#-G+-#*!(++-! algen in de vijver ongeveer een kwart van de totaal geproduceerde hoeveelheid CO2 benutten. Driekwart gaat verloren door vervlieging. 5.&)+*)%/0!,+Gh>##-S!(.&!)*!##*!1#-0+'()*6!1.*!X!7!X]]!1.*!0#&!(-+6#%&+b6#0.G&#!4+-(&! Om de algen neer te slaan, wordt een uitvlokkingsmiddel gebruikt. Het gaat om een kationisch polymeer, dat in een verhouding van 6#(+%##-(9! 1 : 100 van het drogestofgehalte wordt gedoseerd.
1#-1G)#6)*69!B>!(#!.G6#*!*##-!&#!%G..*S!4+-(&!##*!')&1G+55)*6%>)((#G!6#N-')5&9!F#&!6..&!+>!##*!
!
U?J43!==!
U?J43!==!
Tabel 11: Indicatieve massabalans voor een 1-hectare algenkwekerij.
(
3.12 GN?D R-=,B.6,
#%&..*1+#-!1.*![]9]]]!&+*S!()#!4+-(&!6#-.bb)*##-(!+,!
In de praktijk wordt uitgegaan van een mestaanvoer van 30.000 ton,
4)D$#!$+.G%!N#%/0-#1#*!)*!F++b(%&'5!X9!")&!E'%&#/Q,-+/#%!G#1#-&!N#,..G(#!0+#1##G0#(#*!5++G%&+b die wordt geraffineerd op wijze zoals beschreven in Hoofdstuk 1. Dit
Sustec-proces levert bepaalde hoeveelheden koolstof, stikstof, fosfor en %&)5%&+bS!b+%b+-!#*!,#->#..&!+,!;$)#!&.N#G!Xd@9!L#-!''-!6..&!0#&!(..-N)D!+>7!X\_!5)G+!KB d!;c[!56!K@g! permeaat op (zie tabel 12). Per uur gaat het daarbij om: 158 kilo CO2 XcSc!5)G+!%&)5%&+b!#*!XSZ!56!b+%b+-!)*!(#!1+->!1.*!ZSc!5)G+!/.G/)'>b+%b..&!;$)#!&.N#G!Xd@9!!
(43 kg#7D-*?/-484!G?55?J?3?75!822
calciumfosfaat (zie tabel 12).
!
de vorm van 7,4 kilo
HM(
Tabel 12: Indicatieve massabalans voor een full scale ECOFERM!
! ! "#!)(#.G#!1#-0+'()*6!1.*!(#!*'&-)e*&#*!KS3!#*!L!1++-!(#!54##5!1.*!.G6#*54##5!)%!X]`!7!X`!7!X9!2*! De ideale verhouding van de nutriënten C,N en P voor de kweek van
algenkweek is 106 : 16 : 1. In kilogrammen komt dat neer op 41 : 7 : 1. 5)G+6-.>>#*!5+>&!(.&!*##-!+,!cX!7!Z!7!X9!"#!>.%%.1#-0+'()*6!)*!0#&!,-+/#(q!)%!d\!7!_S\!7!X9!"#!
De massaverhouding in het procedé is 25 : 8,5 : 1. De verhouding 1#-0+'()*6!&'%%#*!%&)5%&+b!#*!b+%b+-!5+>&!('%!()/0&!N)D!(#!)(#.G#!1#-0+'()*6S!>..-!5++G%&+b!)%!(#! tussen stikstof N#,#-5#*(#!b./&+-9!! (
en fosfor komt dus dicht bij de ideale verhouding, maar koolstof is de beperkende factor.
B>!1+G(+#*(#!5++G%&+b!&#!5-)D6#*S!>+#&#*!4#!++5!5)D5#*!*..-!.*(#-#!,-+/#%%#*!()#!5++G%&+b!
Om voldoende koolstof te krijgen, moeten we ook kijken naar andere +,G#1#-#*9!?)D!0#&!*##-%G..*!1.*!b+%b..&!4+-(&!N)D1++-N##G(!++5!`Z!5)G+!/.G/)'>/.-N+*..&!,#-!''-!
processen die koolstof opleveren. Bij het neerslaan van fosfaat wordt bijvoorbeeld ook 67 kilo calciumcarbonaat per uur geproduceerd. Dat ')&!(#!('**#!b-./&)#!/9}9!0#&!,#->#..&!1.*!(#!+>6#5##-(#!+%>+%#9!( komt overeen met 8 kilo C. Ook bij het strippen van ammoniak komt ( CO2 vrij uit de dunne fractie c.q. het permeaat van de omgekeerde 3..%&!(#$#!)*!%)&#Q,-+/#%%#*!)%!0#&!++5!>+6#G)D5!+>!5++G%&+b!)*!&#!5+,#*S!N)D1++-N##G(!)*!(#!1+->! osmose. 6#,-+('/##-(9!".&!5+>&!+1#-##*!>#&!_!5)G+!K9!B+5!N)D!0#&!%&-),,#*!1.*!.>>+*).5!5+>&!KBd!1-)D!
1.*!N)/.-N+*..&9!<++-!(#!5++G%&+b1++-$)#*)*6!1.*!(#!b+&+N)+-#./&+-!)%!##*!+*.b0.*5#G)D5#! ..*1+#-!*+()6!+>!$+4#G!/+*&.>)*.&)#!.G%!)*%&.N)G)&#)&!1.*!0#&!%h%&##>!&#!1++-5+>#*9! !!
Naast deze in site-processen is het ook mogelijk om koolstof in te kopen, bijvoorbeeld in de vorm van bicarbonaat. Voor de koolstofvoorziening van de fotobioreactor is een onafhankelijke aanvoer nodig om zowel contaminatie als instabiliteit van het systeem te voorkomen. Bij een algenproductie van veertien gram per vierkante meter per dag, ofwel vijftig ton per hectare per jaar, is ruim achthonderd kilo koolstof per dag extra nodig. De groeisnelheid in de fotobioreactor wordt geschat op twintig gram per vierkante meter per dag. Dat komt overeen met een koolstofbehoefte van zeventig kilo per dag. CO2 uit stallucht benutten
In een bepaalde fase van het onderzoek was de aandacht vooral gericht op de levering van CO2 door de rookgassen van de gasmotor. In een latere fase kwam het besef dat de varkenslongen minstens evenveel CO2 leverden. Volgens een Excel-berekening komt uit de varkenslongen 15.331 ton/jaar CO2, en uit de WKK zonder covergisting komt 5447 ton/jaar CO2. Het tekort aan C vanwege de ‘geringe’ opbrengst van de WKK wordt dus door de CO2 uit de varkenslongen ruimschoots gecompenseerd. In Hoofdstuk 5 wordt hier nader op ingegaan. Een ander punt van aandacht is de watervoorziening. Bij een neerslagoverschot van nul, waarbij evenveel water uit de vijvers verdampt als er aan regen in valt, treden de grootste waterverliezen op bij het drogen van de algen. Bij een productie van 1500 ton droge stof per jaar, verdampt 20.000 tot 25.000 kubieke meter water. Als we het permeaat uit de omgekeerde osmose gebruiken voor het (bij)vullen van de algenvijvers, is er nog steeds een tekort van 5500 kubieke meter water per jaar. Dat komt overeen met 18 mm over het oppervlak van de vijvers. Terugwinning van water uit stallucht
Net als bij de CO2 leveren de varkens door de verbranding van het voer ook een grote hoeveelheid H2O. Als per varken gedurende de opfokperiode 230 kg water damp vrijkomt in 110 dagen, dan is dat per varkensplaats circa 760 kg H2O per jaar. Op 23.500 varkensplaatsen is dat 17.860.000 kg water ofwel 17.860 m³ per jaar. Als de stallucht (waarin die waterdamp zit) door een biologische reactor (de PBR) gevoerd wordt, dan condenseert daar een significant deel van de waterdamp tot massief water en wordt de wateraanvulling geleverd. Net als bij de CO2 komt ook dit product dus uit het voer via het varken.
55
56
4. Algen als veevoer
De waarde van algen als veevoer is onderzocht door Hemke Nutri Consult in Best (Noord-Brabant). Naast de voedingskundige waarde – waarover zometeen meer − is een belangrijk aspect daarvan veiligheid, omdat deze bepalend is voor de toelating van algen als diervoeder. Lange tijd bestond er veel onduidelijkheid over de toelating van algen als diervoeder. Aanvankelijk was de veronderstelling dat ze binnen de EU beschouwd werden als bioproteïnen. Voor de toelating daarvan kent de EU twee richtlijnen: EU-richtlijn 82/471 inzake eiwitten afkomstig van gekweekte bacteriën, gisten, algen en draadvormige schimmels en EU-richtlijn 1995 / 069 versie juni 2003, over voorwaarden, bepalingen en registratie van proteïnevervangers. Toelating volgens deze richtlijnen zou een uitgebreide veiligheidskeuring vergen, en dat zou het kostbaar en tijdrovend maken. In het kader van ECOFERM! is onderzocht welke andere mogelijkheden er zijn voor de toelating van algen in diervoeders. Daarbij is uitgegaan van algen zonder verdere bewerking. Uit contacten met Voedselen Waren Autoriteit (VWA) en het Productschap Diervoeder (PDV) is gebleken dat algen als alternatief voor vismeel zijn toegelaten als voedermiddel. Hetzij voor directe vervoedering, hetzij als ingrediënt in diervoeders. Algen (uit gecontroleerde teelt) zijn ook opgenomen in de Databank Risico Beoordeling (DRV) van het Productschap Diervoeder. Daarmee zijn algen niet alleen publiekrechtelijk geaccepteerd als voedermiddel, maar ook privaatrechtelijke via de GMP+ regeling van het Productschap Diervoeder. Voorwaarde is wel dat de algen afkomstig zijn uit gecontroleerde teelt. Dat wil formeel zeggen dat ze geteeld moeten zijn in een vijver gevuld met bronwater en gevoed met mineralen uit kunstmest.
57
In het concept ECOFERM! wordt gebruik gemaakt van mineralen van dierlijke oorsprong. De VWA heeft laten weten dat algen die gevoed zijn met mineralen afkomstig uit dierlijke mest, als voedermiddel mogen worden ingezet. Voorwaarde is wel dat het bedrijf de diervoeder- en voedselveiligheid kan aantonen via een gevaren- en risicoanalyse. Volgens de richtlijn voor GMP+ mogen er geen resten van fecaliën en urine voorkomen in diervoeders.
58
4.1 Risicoanalyse
Tabel 13: Risicoanalyse ammoniakstrippen. 1
2
3
Gevaren zijn onderverdeeld in drie bronnen: M=microbiële gevaren (bacteriën, virussen, gisten en schimmels), C=Chemische gevaren en F=Fysieke gevaren van vreemde bestanddelen die diren kunnen verwonden of in dit geval mestdeeltjes. De kans dat een gevaar optreedt is 0 = nihil, 1 = klein, 2 = middel matig en 3 = vaak. De ernst van een gevaar is 1 = klein, alleen ongemak, 2 = matige ziekte zonder nadelige langdurige effecten, 3 = groot ernstige aandoeningen met eventuele dood tot gevolg voor mens en dier.
Gevaar
Virussen, ziekteverwekkend
Voor het beoordelen van de risico’s beschikt het Productschap Diervoeders over een bepaalde systematiek, waarbij risico wordt gezien als het product van kans en ernst. Hoewel ontwikkeld voor algen die met kunstmest zijn gevoed, heeft Thielen Consult BV in het kader van dit onderzoek de risico’s beoordeeld van het gebruik van nutriënten afkomstig van de raffinage van dierlijke mest. Daarbij is vooral gekeken naar de verschillende stappen van het raffinageproces: • Bij het strippen van ammoniak (zie tabel 13) is er een kleine kans op overdracht van virussen. Die kans kan worden verminderd door alleen mest af te nemen van bekende leveranciers. Verder moeten hulpstoffen die gebruikt worden goed gecontroleerd worden op sporen van zware metalen.
Risico ranking K E Ri C A R si A T1 N N co S2 S T3 M 1 3 3
DV-wetgeving / GMP verwijzing voor normen
CCP en PVA Suggestie Processchema voor beheersmaatregel
Zoönose
PVA
NH3 Stripping
Database/motivatie
• Ontrekken N via strippen NH3 gas beperkt overdracht virussen • A lleen gekende leverancier(s) van mest. N.v.t. Prionen-overdracht alleen via bloedtransfusie of consumeren van dierlijke producten. Mest niet gezien als route bij BSE n.v.t. N.v.t. Stripping is geen route die bacteriën kunnen overleven.
Prionen (BSE)
M
0
3
0
Zoönose
-
NH3 Stripping
Bacteriën, ziekteverwekkend Hormonen (van dier en extern) Chemische (zware metalen, diergeneesmiddelen, etc.)
M
0
3
0
Salmonella afwezig in 25 g
-
NH3 Stripping
C
0
3
0
Geen normen
-
N.v.t.
-
C
1
3
3
Richtlijn GMP bijlage 1 en Richtlijn 2002/32/EG afgekondigd inzake ongewenste stoffen in diervoeding
3
NH3 Stripping NH3 Stripping
• Beheersen van hulpstoffen voor NH3 stripping
Zware metalen en chemische contaminanten gaan niet mee met stripping. Kunnen wel ingebracht worden door hulpstoffen voor stripping.
Organisch M restmateriaal dat terugherleid kan worden tot mest
0
3
NH3 Stripping
N.v.t.
Fysische contaminanten gaan niet mee met stripping.
Gevaar
Risico ranking Ri C K E si A A R T1 N N co S2 S T3 M 1 3 3
CCP en PVA DV-wetgeving / Processchema GMP ver wijzing voor normen
Suggestie voor beheersmaatregel
Database/motivatie
Zoönose
Prionen (BSE)
M
0
3
0
Bacteriën, ziekteverwekkend
M
1
3
Hormonen (van dier en extern) Chemische (zware metalen, diergeneesmiddelen, etc.)
C
0
C
Organisch restmateriaal dat terugherleid kan worden tot mest
M
Virussen, ziekteverwekkend
PVA
Ontsluiting / P-precipitatie
Monitoring ontsluiting
Zoönose
-
P-precipitatie
N.v.t.
3
Salmonella afwezig in 25 g
PVA
Ontsluiting/ P-precipitatie
Monitoring ontsluiting
Verhitting boven > ±70°C gedurende 1 uur is voldoende volgens verordening (1774/2002). Dit geschiedt door ontsluiting bij > ±90°C Prionen overdracht alleen via bloedtransfusie of consumenren van dierlijke producten. Mest niet gezien als route bij BSE n.v.t. Afdoding door ontsluiting bij > +90°C
3
0
Geen normen
-
P-precipitatie
N.v.t.
-
1
3
3
3
P-precipitatie
2
2
0
P-precipitatie
• A lleen gekende levera ncier(s) van mest. • Beheersen van hulpstoffen voor precipitatie Onderhoud precipitatie stap
Zware metalen en chemische contaminanten kunnen mee gaan met precipitatie. Kunnen wel ingebracht worden door hulpstoffen voor precipitatie Antibiotica breken af bij vergisting
1
Richtlijn GMP bijlage 1 en Richtlijn 2002/32/EG afgekondigd inzake ongewenste stoffen in diervoeding Geen fecaliën
• Bij het produceren van fosfaat (zie tabel 14) kunnen eveneens ziekteverwekkers (bacteriën en virussen) worden overgedragen. De kans is klein en wordt nog kleiner doordat voorafgaand aan de fosfaatwinning de mest wordt ontsloten en blootgesteld aan een temperatuur van 90 oC of meer. • De dunne fractie is eveneens een potentiële bron van microbiële besmetting. De kans op besmetting is klein en wordt nog kleiner in een gesloten systeem, waarbij de algen op hetzelfde bedrijf worden gekweekt en aan de varkens gevoerd. Een alternatief is desinfecteren van de algen. In het kader van de voedselveiligheid – die zich ook uitstrekt tot diervoeders – is er veel aandacht voor zware metalen en pathogenen in de grondstoffen voor veevoer. In het kader van ECOFERM! zijn de gehaltes aan deze stoffen geanalyseerd in drie relevante algen (Chlorella, Scenedesmus en Nanochloris). Het ging hierbij om gedroogde algen die eerder waren gevoed met mineralen afkomstig uit kunstmest. Uit de analyses blijkt (zie tabel 15) dat de gehaltes aan zware metalen ruimschoots onder de norm blijven. Hetzelfde geldt voor Entero-bacteriën als maat voor ziekteverwekkers. Alleen bij Nanochloris komt het gehalte in de buurt van de norm. Dit vraagt dus enige aandacht.
Bewerkte mest wordt niet meer gezien als mest.
Tabel 14: Risicoanalyse fosfaatprecipitatie. 1
2
3
Gevaren zijn onderverdeeld in drie bronnen: M=microbiële gevaren (bacteriën, virussen, gisten en schimmels), C=Chemische gevaren en F=Fysieke gevaren van vreemde bestanddelen die diren kunnen verwonden of in dit geval mestdeeltjes. De kans dat een gevaar optreedt is 0 = nihil, 1 = klein, 2 = middelmatig en 3 = vaak. De ernst van een gevaar is 1 = klein, alleen ongemak, 2 = matige ziekte zonder nadelige langdurige effecten, 3 = groot ernstige aandoeningen met eventuele dood tot gevolg voor mens en dier.
Tabel 15: Resultaten analyses zware metalen en entero-bacteriën.
! !
Naast de risicoanalyse volgens de systematiek van het Productschap Diervoeders is het proces ook voorgelegd aan externe deskundigen op ++5!1++-6#G#6(!..*!#f&#-*#!(#%5'*()6#*!+,!0#&!6#N)#(!1.*!-)%)/+N#++-(#G)*69!k)D!%'66#-##-(#*! het gebied van risicobeoordeling. Zij suggereerden om in de aanloop +>!)*!(#!..*G++,!*..-!(#!TKBUTV=W!++5!&#!5)D5#*!*..-7!(#!5.*%!+,!0#&!+*&%&..*!1.*! naar de ECOFERM! ook te kijken naar: de kans op het ontstaan van &+f)*#,-+('/#-#*(#!NG.'4.G6#*g!&#!/+*&-+G#-#*!+,!0#&!1++-5+>#*!1.*!%,++-&D#%!()+f)*#!)*!(#! toxineproducerende blauwalgen; te controleren op het voorkomen van spoortjes dioxine in de kalkmelk en de toegediende mineralen te 5.G5>#G5!#*!(#!&+#6#()#*(#!>)*#-.G#*!&#!/+*&-+G#-#*!+,!-#%&#*!1.*!()#-6#*##%>)((#G#*9!F#&!)%! controleren op resten van diergeneesmiddelen. Het is nog onduidelijk *+6!+*(')(#G)D5!+b!N)D!(#!0)&&#N#0.*(#G)*6!N)D!Y]!K!++5!,.&0+6#*#*!()#!-#%)%&#*&!$)D*!#*! of bij de hittebehandeling bij 90 °C ook pathogenen die resistent zijn 0+6#-#!&#>,#-.&'-#*S!$+.G%!>)G&1''-S!1+G(+#*(#!4+-(#*!6#(++(9! tegen hogere temperaturen, zoals miltvuur, voldoende worden gedood. 3..%&!(#!-)%)/+.*.Gh%#!1+G6#*%!(#!%h%&#>.&)#5!1.*!0#&!L-+('/&%/0.,!")#-1+#(#-%!)%!0#&!,-+/#%!
4.27 2 + 5 . / 0 < 8 = = - 5 + ( ")#!4..-(#!4+-(&!N#,..G(!(++-!(#!N#%/0)5N.-#!N.%)%*'&-)e*&#*S!>#&!*.>#!.>)*+$'-#*!J!(#! Voedingswaarde HND
N+'4%&#*#*!1.*!#)4)&&#*!p!(#!#*#-6)#Q)*0+'(!#*!(#!1#-&##-N..-0#)(9!"..-*..%&!$)D*!b'*/&)+*#G#!
Die waarde wordt bepaald door de beschikbare basisnutriënten, met name /+>,+*#*&#*!1.*!N#G.*6S!$+.G%!+>#6.Q[Q1#&$'-#*S!1)&.>)*#*!#*!N#,..G(#!5++G0h(-.&#*9!HG6#*! aminozuren – de bouwstenen van eiwitten − de energie-inhoud en de verteerbaarheid. Daarnaast zijn functionele componenten van belang, %h*&0#&)%#-#*9!".&!G#1#-&!*)#&!.GG##*!6#$+*(#-#!1.-5#*%S!>..-!4..-%/0)D*G)D5!++5!1.-5#*%1G##%! zoals omega-3-vetzuren, vitaminen en bepaalde koolhydraten. Algen zijn >#&!+>#6.Q[Q1#&$'-#*!+,9!! vooral interessant vanwege hun vermogen om essentiële vetzuren zoals omega-3-vetten te synthetiseren. Dat levert niet alleen gezondere varkens, maar waarschijnlijk ook varkensvlees met omega-3-vetzuren op.
$)D*!1++-.G!)*&#-#%%.*&!1.*4#6#!0'*!1#->+6#*!+>!#%%#*&)eG#!1#&$'-#*!$+.G%!+>#6.Q[Q1#&&#*!&#!
HNG
E=<.
4.3 1#-&#-)*6!1.*!#)4)&&#*!)*!.G6#*!$)D*!#-!..*4)D$)*6#*!)*!(#!G)&#-.&''-!&#!1)*(#*!;$)#!&.N#G!X`@!(.&! Basisnutriënten (#$#!1.-)##-&!1.*!1)Db&)6!&+&!*#6#*&)6!,-+/#*&S!.b0.*5#G)D5!1.*!(#!.G6#*%++-&!#*!(#!4)D$#!4..-+,! B1#-!(#!1#-&##-N..-0#)(!1.*!.G6#*!1++-!1.-5#*%!#*!,G')>1##!)%!4#)*)6!N#5#*(9!HGG##*!1++-!(#!
(#$#!)%!6#(-++6(9!"..->##!)%!(#!1#-&##-N..-0#)(!1#-6#G)D5N..-!>#&!()#!1.*!(#!#)4)&&#*!)*! Over de verteerbaarheid van algen voor varkens en pluimvee is weinig 1)%>##G9! bekend.
Alleen voor de vertering van eiwitten in algen zijn er aanwijzingen in de literatuur te vinden (zie tabel 16) dat deze varieert van ! vijftig totBL-/84
Tabel 16: Ewitvertering (%) van algen (Wiseman, 1986, E. Becker, 2007, P. Becker, 2007 en Lipstein, 1980).
?-+*!
Diersoort Bron
! Varken faecaal
E Becker
L-+/#%!
K0G+-#GG.!
E/#*#(#%>'%!
Chlorella Spirulina Scenedesmus Vismeel
Luchtdroog
60
Zongedroogd Wiseman
?
P Becker
?
Lipstein
?
* ontleend aan de Veevoedertabel 2007
JG(
84
Trommeldroog 88 Varken faecaal Varkens ileaal Pluimvee faecaal
E,)-'G)*.!
Proces
76
76
88 50
67 -84 81
72 87* 83* 88*
<)%>##G!
Algen hebben het vermogen om essentiële vetzuren te synthetiseren, maar het gehalte aan deze omega-3-vetzuren is variabel. Er lijkt een verschil te zijn tussen zoetwater- en zoutwateralgen. Bij zoetwateralgen ligt het gehalte aan omega-3-vetzuren tussen de 25 en 40 procent; bij zoutwateralgen ligt het gemiddeld genomen iets hoger. Overigens speelt ook de lichtintensiteit een rol (zie tabel 17). Mariene algen (Hotimchenko, 2001)
Zoetwater algen (Lee, 2009)
Ulva fenestra
Grateloupia turuturu
Chlorella
Scenedesmus
Schaduw Licht
Schaduw Licht
9,4
2,5
16:0
24
36
16:1
2
4
18:0
1
2
18:1
24
26
18:2
48
31
25
38
Vet % in product
3,7
0,7
Vetzuur % vetz
Verzadigd vetz
22
30
41
34
Omega 3 vetz.
46
39
23
31
ALA
16,9
16,8
0,1
0,2
EPA
1,5
1,4
23
30
DHA
1,6
3,4
0
0
De grote variatie in samenstelling en verteerbaarheid was aanleiding om een drietal gedroogde algenproducten nader te analyseren. De monsters waren afkomstig van Ingrepro (Chlorella en Scenedesmus) en LGem (Nanochloris). Onderzocht zijn de chemische samenstelling, aminozuren, vetzuren, mineralen en de in vitro verteerbaarheid. Ter vergelijking zijn ook de samenstelling en verteerbaarheid van vismeel bepaald – een veelgebruikt ingrediënt in varkensvoer. De vergelijking laat zien (zie tabel 18) dat het eiwitgehalte van de onderzochte Chlorella hoger is dan in de literatuur wordt aangegeven. Ook bevat de onderzochte Scenedesmus veel meer as dan vermeld wordt in andere onderzoeken. Opvallend is verder het grote verschil in gehaltes van de verschillende mineralen. Zo bevat de zoutwateralg Nanochloris nauwelijks calcium en weinig ijzer. Hij bevat daarentegen wel veel meer natrium en chloor dan Chlorella en Scenedesmus. De twee laatstgenoemden bevatten juist wel een hoog gehalte aan ijzer. Dat maakt ze ongeschikt voor gebruik als voer voor witvleeskalveren. Uit de analyse blijkt verder dat in alle drie preparaten het aandeel verzadigde vetzuren rond 20% ligt. Het totaal vetgehalte in Nanochloris is met net geen zeven procent vrij laag. De vetzuren van Chlorella daarentegen bestaan voor een kwart uit de waardevolle omega-3-vetzuren.
61
Tabel 17: Variatie in vetgehalte en vetzuren patroon tussen algen (Hotimchenko, 2001 en Lee, 2009).
Tabel 18: Resultaten Weende analyse en mineralen in verschillende algensoorten.
eenheid
Nanochloris
Scenedesmus
Chlorella Vismeel
DS
g/kg
977
954
925
909
As
g/kg
76
186
77
159
Eiwit
g/kg
409
438
566
655
Vet *
g/kg
26
119
77
n.a.
Verzadigde vetzuren **
%vetzuur
21,4
20,8
21,5
n.a.
Onverzadigde vetzuren **
%vetzuur
78,6
79,2
78,5
n.a.
Omega 3 vetzuren **
%vetzuur
6,7
51,2
24,5
n.a.
Omega 6 vetzuren **
%vetzuur
47,2
5,6
47,8
n.a.
Ca
g/kg
0,4
56,4
9,1
()#!1.*!1)%>##G9! P g/kg ! Na g/kg
8,2
9,7
14,4
14
5,4
1,9
%&+b!N)D$+*(#-!0++6g!$#Gb%!0+6#-!(.*!()#!1.*!1)%>##G9!"#!1#-&##-N..-0#)(!1.*!#)4)&&#*!)%!G.6#-!(.*!
Cl g/kg 15,9 0,45 U?J43!=M9!! &45;3/?/47!-7!8-/<2!84
2,4
K
g/kg
10,1
10,6
7,7
Se
mg/kg
0,1
< 0,1
< 0,1
Fe mg/kg 52 1780 1510 %&+b!N)D$+*(#-!0++6g!$#Gb%!0+6#-!(.*!()#!1.*!1)%>##G9!"#!1#-&##-N..-0#)(!1.*!#)4)&&#*!)%!G.6#-!(.*
()#!1.*!1)%>##G9! * als som vetzuren gelijk is aan 0,82, want er wordt verondersteld dat vet voor 82% uit !
vetzuren betsaat ** extractie methanol chloroform
!
!U?J43!=M9!! &45;3/?/47!-7!8-/<2!84)*+$''-%.>#*%&#GG)*6!;$)#!&.N#G!d]@!G..&!$)#*!(.&!0#&!Gh%)*#6#0.G&#S!')&6#(-'5&! Tabel 19: Resultaten in vitro verteringsonderzoek.
)*!6-.>>#*!,#-!X]]!6-.>!#)4)&S!1++-!K0G+-#GG.!#*!E/#*#(#%>'%!G.6#-!)%!(.*!)*!(#!G)&#-.&''-! 4+-(&!1#->#G(9!".&!N##*&!(.&!(#!#)4)&54.G)&#)&!(')(#G)D5!G.6#-!)%!(.*!()#!1.*!1)%>##G9!"#!.G6#*! $)D*!4#G!##*!6+#(#!N-+*!1++-!(#!.>)*+$'-#*!&0-#+*)*#!#*!1.G)*#9!!
! ! ! U?J43!EK9!! &45;3/?/47!?G-72C;;<1?/<2747+! H*.Gh%#!1.*!(#!.>)*+$''-%.>#*%&#GG)*6!;$)#!&.N#G!d]@!G..&!$)#*!(.&!0#&!Gh%)*#6#0.G&#S!')&6#(-'5&! Tabel 20: Resultaten aminozuurpatronen.
)*!6-.>>#*!,#-!X]]!6-.>!#)4)&S!1++-!K0G+-#GG.!#*!E/#*#(#%>'%!G.6#-!)%!(.*!)*!(#!G)&#-.&''-! 4+-(&!1#->#G(9!".&!N##*&!(.&!(#!#)4)&54.G)&#)&!(')(#G)D5!G.6#-!)%!(.*!()#!1.*!1)%>##G9!"#!.G6#* $)D*!4#G!##*!6+#(#!N-+*!1++-!(#!.>)*+$'-#*!&0-#+*)*#!#*!1.G)*#9!! ! U?J43!EK9!! &45;3/?/47!?G-72C;;<1?/<2747+!
! !
HNH
Z+b2/5:+.5<4+>2-5+-+/5+(K2A32/+/B+/((
"#!4..-(#!1.*!.G6#*!.G%!1##1+#-!4+-(&!++5!N#,..G(!(++-!b'*/&)+*#G#!/+>,+*#*&#*!()#!(#! ! 6#$+*(0#)(!J!#*!(..->##!++5!0#&!4#G$)D*!p!1.*!0#&!()#-!N#1+-(#-#*9!"#!G)&#-.&''-!6##b&!%&#-5#! ! ..*4)D$)*6#*!(.&!.G6#*!$'G5#!%&+bb#*!N#1.&&#*9!"..-N)D!6..&!0#&!*)#&!.GG##*!+>!(#!.G!6#*+#>(#! +>#6.Q[Q1#&$'-#*S!>..-!++5!+>!&#-,#*#*S!.*&)Q+f)(.*&#*S!.*&)N)+&)%/0#!%&+bb#*S!G#/&)*#%S!
Om de verteerbaarheid te bepalen, zijn de drie algensoorten behandeld met pepsine, zoutzuur en pancreatine om de vertering in het maagdarmkanaal te simuleren. Uit de resultaten (zie tabel 19) blijkt dat de in vitro vertering van organische stof (OS) en eiwit (RE) in Scenedesmus sterk achterblijft bij de andere twee algen. Waarschijnlijk hebben we hier te maken met een kiezelalg. Ook het hoge mineralengehalte wijst daarop. Dat maakt deze alg minder geschikt voor toepassing als veevoer. Voor Nanochloris en Chlorella is de verteringscoëfficiënt van organische stof bijzonder hoog; zelfs hoger dan die van vismeel. De verteerbaarheid van eiwitten is lager dan die van vismeel.
63
Analyse van de aminozuursamenstelling (zie tabel 20) laat zien dat het lysinegehalte, uitgedrukt in grammen per 100 gram eiwit, voor Chlorella en Scenedesmus lager is dan in de literatuur wordt vermeld. Dat betekent dat de eiwitkwaliteit duidelijk lager is dan die van vismeel. De algen zijn wel een goede bron voor de aminozuren threonine en valine.
4.4 Gezondheidsbevorderende componenten De waarde van algen als veevoer wordt ook bepaald door functionele componenten die de gezondheid – en daarmee ook het welzijn − van het dier bevorderen. De literatuur geeft sterke aanwijzingen dat algen ! zulke stoffen bevatten. Daarbij gaat het niet alleen om de al genoemde omega-3-vetzuren, maar ook om terpenen, anti-oxidanten, antibioti?n&./.-+&##*!6#G(&!.G%!.*&)Q+f)(.*&!#*!)%!##*!1++-G+,#-!1.*!1)&.>)*#!H9!T-!$)D*!..*4)D$)*6#*!(.&! sche stoffen, lectines, sterolen en polysacchariden (Cardozo, 2007). Nn&./.-+&##*!##*!,+%)&)#b!#bb#/&!0##b&!+,!(#!1-'/0&N..-0#)(!N)D!$#'6#*!#*!>#G51##9!H.*! 3#(#-G.*(%#!>#*61+#(#-%!1++-!$#'6#*!#*!>#G51##!4+-(&!0#&!#/0&#-!*)#&!+b!*.'4#G)D5%!
Bètacaroteen geldt als anti-oxidant en is een voorloper van vitamine
&+#6#1+#6(S!+>(.&!6-.%!#*!G'$#-*#!1+G(+#*(#!Nn&./.-+&##*!N#1.&&#*!+>!..*!(#$#!N#0+#b&#!&#! A. Er zijn aanwijzingen dat bètacaroteen een positief effect heeft op de 1+G(+#*9!! vruchtbaarheid
bij zeugen en melkvee. Aan Nederlandse mengvoeders voor zeugen en melkvee wordt het echter niet of nauwelijks toegevoegd, omdat gras en luzerne voldoende bètacaroteen bevatten om aan U)&)q!;d]]_@!N#-#5#*(#!(.&!##*!5)G+6-.>!.G6#*!-')>!X!6-.>!Nn&./.-+&##*!N#1.&9!HG%!)*6-#()e*&!)*! deze behoefte te voldoen. !
$#'6#*1+#-!$+'!(.&!##*!#f&-.!#/+*+>)%/0#!4..-(#!+,G#1#-#*!1.*!o!cd]!,#-!&+*!.G6#*9!"#!&+&.G#!
4..-(#!1.*!.G6#*!.G%!$#'6#*1+#-!4+-(&!(++-!U)&)q!6#%/0.&!+,!o!YcX!,#-!&+*9!^)&!+*$#!.*.Gh%#!;$)#! Fitié (2008) berekende dat een kilogram algen ruim 1 gram bètacaro&.N#G!dX@!NG)D5&!#/0&#-!(.&!0#&!6#0.G&#!..*!Nn&./.-+&##*!)*!(#!+*(#-$+/0&#!.G6#*%++-&#*!##*!%&'5! teen bevat. Als ingrediënt in zeugenvoer zou dat een extra economi-
sche waarde opleveren van € 420 per ton algen. De totale G.6#-!G)6&S!4..-(++-!(#!&+#6#1+#6(#!4..-(#!G.6#-!$.G!')&1.GG#*9!!
waarde van ! algen als zeugenvoer wordt door Fitié geschat op € 941 per ton. Uit onze analyse (zie tabel 21) blijkt echter dat het gehalte aan bètacaroU?J43!E=9! T7?3a54<45;3/?/47!*?<2/447I!A34;<5/2))47!47!8-/?G-74!B!"-7!G,.A,6+! teen in de onderzochte algensoorten een stuk lager ligt, waardoor de toegevoegde waarde lager zal uitvallen.
Tabel 21: Analyseresultaten caroteen, kleurstoffen en vitamine E (in mg/kg).
! ! Y1+;-(.&!$#!(#!5G#'-!1.*!-#%,#/&)#1#G)D5!#)#-(++)#-!#*!1)%!
Kleurstoffen. Het gehalte aan specifieke kleurstoffen in algen is van belang als ze worden gebruikt als voer voor legkippen en vissen, omdat ze de kleur van respectievelijk eierdooier en vis beïnvloeden. Voor vissen zijn vooral capsanthine en astaxanthine belangrijk, en voor legkippen canthaxanthine en luteïne. De resultaten van analyses aan caroteen, xantofyl en vitamine E zijn weergegeven in tabel 20. Ontstekingsremmers. Alle landbouwhuisdieren hebben in de eerste levensfase te kampen met een afweersysteem dat nog niet is uitontwikkeld. De onvermijdelijke blootstelling aan infecties leidt daarom altijd tot meer of minder ernstige ontstekingsreacties. Het effect hiervan is een lagere voeropname, lagere groei en een toename van het gebruik van lysine voor het immuunapparaat. Ook is het aanleiding tot gebruik van antibiotica.
64
Van omega-3-vetzuren en glucanen uit celwanden van eencelligen is bekend dat ze ontstekingsremmend werken. Het effect van deze stoffen op de ontwikkeling van het immuunapparaat is ook te meten via een zogeheten ‘Oxygen Burst Assay’, waarbij gekeken wordt naar de productie van zuurstofradicalen. Samen met de vakgroep Celbiologie en Immunologie van de WUR is onderzocht wat het <++-!(#!.*.Gh%#!4+-(#*!b.6+/h&#*!6#N-')5&!')&!(#!5+,*)#-!1.*!5.-,#-%9!L=H!;L0+-N+G!=h-)%&..&! effect van algen is op het immuunapparaat. H/#&..&@!)%!6#N-')5&!+>!(#!/#G(#G)*6!&#!%&)>'G#-#*9!=./-+6.-(!)%!6#N-')5&!.G%!,+%)&)#1#!-#b#-#*&)#9!
Voor de analyse worden fagocyten gebruikt uit de kopnier van karpers. "#$#!%&+b!)%!.b5+>%&)6!')&!/#G4.*(#*!1.*!6)%&!#*!4+-(&!$+4#G!N)D!1)%%#*!.G%!G.*(N+'40')%()#-#*! PMA (Phorbol Myristaat Acetaat) is gebruikt om de celdeling te stimuleren. Macrogard is gebruikt als positieve referentie. Deze stof is afkom! stig uit celwanden van gist en wordt zowel bij vissen als landbouwhuis^)&!(#!-#%'G&.&#*!;$)#!&.N#G!dd@!NG)D5&!(.&!3.*+/0G+-)%!(#!4#-5)*6!1.*!0#&!)>>''*%h%&##>!*)#&! dieren gebruikt om de werking van het immuunsysteem te bevorderen. 6#N-')5&!+>!(#!4#-5)*6!1.*!0#&!)>>''*%h%&##>!&#!N#1+-(#-#*9!!
N#1+-(#-&9!K0G+-#GG.!(..-#*#*!%&)>'G##-&!N)D!G.6#!(+%#-)*6!0#&!)>>''*%h%&##>!*+6!%&#-5#-!
Uit de resultaten (zie tabel 22) blijkt dat Nanochloris de werking van (.*!=./-+6.-(9!B,>#-5#G)D5!)%!4#G!(#!0+6#-#!%,-#)()*6!)*!(#!-#%,+*%9!"#%+*(.*5%!N#1#%&)6#*!(#! het immuunsysteem niet bevordert. Chlorella daarentegen stimuleert bij lage dosering het immuunsysteem nog sterker dan Macrogard. ! Opmerkelijk is wel de hogere spreiding in de respons. Desondanks U?J43!EE9! &45;3/?/47!-GG;72G2D;3?/-4!,4G4/47!-7!D4!Q]-,47!(;<5/!T55?a+! bevestigen de resultaten dat Chlorella een rol kan spelen bij het stimuleren van het immuunsysteem.
-#%'G&.&#*!(.&!K0G+-#GG.!##*!-+G!5.*!%,#G#*!N)D!0#&!%&)>'G#-#*!1.*!0#&!)>>''*%h%&##>9!!
Tabel 22: Resultaten immunomodulatie gemeten in de Oxigen Burst Assay.
! !
E.coli-remmers. Bij gespeende biggen komt vaak speendiarree voor, !NK21.)-+AA+-&!1..5!%,##*().--##!1++-S!##*!..*(+#*)*6!()#!
een aandoening die meestal wordt veroorzaakt door pathogene E.-colibacteriën. Een manier om de aandoening te voorkomen, is het 1++-5+>#*S!)%!0#&!-#>>#*!1.*!(#!..*0#/0&)*6!1.*!(#$#!N./&#-)#!..*!(#!/#GG#*!1.*!(#! remmen van de aanhechting van deze bacterie aan de cellen van de (.->4.*(9!"#!H*)>.G!E/)#*/#!A-+',!1.*!O^V!0##b&!##*!&#%&!+*&4)55#G(!4..->##!D#!5'*&! darmwand. De Animal Science Group van WUR heeft een test ontwikkeld waarmee je kunt voorspellen of, en zo ja in welke mate, 1++-%,#GG#*!+bS!#*!$+!D.!)*!4#G5#!>.&#S!N#,..G(#!%&+bb#*!()#!..*0#/0&)*6!-#>>#*!;L9!?#/5#-S! bepaalde stoffen die aanhechting remmen (P. Becker, 2007, 2008). d]]ZS!d]]_@9!!
>##%&.G!4+-(&!1#-++-$..5&!(++-!,.&0+6#*#!T9Q/+G)QN./&#-)e*9!T#*!>.*)#-!+>!(#!..*(+#*)*6!&#!
! "#!&#%&!N#%&..&!#-')&!(.&!(#!N#&-#bb#*(#!%&+b!4+-(&!&+#6#1+#6(!..*!##*!1+#()*6%>#()'>S!(.&!
De test bestaat eruit dat de betreffende stof wordt toegevoegd aan een voedingsmedium, dat vervolgens wordt geënt met E.coli K88. Deze bacterie veroorzaakt veel problemen bij gespeende biggen. Na 30 minuten worden de platen gespoeld. Is er geen aanhechting, dan spoelt de bacterie weg. Is er wel hechting, dan kan de groei van de bacterie worden gevolgd met een fotometrische methode.
65
In de test wordt BSA (Bovine Serum Albumine) gebruikt als negatieve referentie. De positieve referentie is BioMoss, een product van Alltech -#%'G&.&#*!;$)#!&.N#G!d[@!G.&#*!$)#*!(.&!K0G+-#GG.!##*!%)6*)b)/.*&#!1#->)*(#-)*6!6##b&!1.*!(#!T9/+G)Q Inc. dat wordt gebruikt om speendiarree bij biggen te voorkomen. Hoe lager de respons, hoe meer bacteriën zijn gehecht aan het ..*0#/0&)*69!"#!-#%,+*%!)%!$#Gb%!*+6!N#&#-!(.*!0#&!/+>>#-/)##G!&+#6#,.%&#!?)+=+%%Q,-#,.-..&9!! !substraat. De resultaten (zie tabel 23) laten zien dat Chlorella een significante vermindering geeft van de E.coli-aanhechting. De respons U?J43!ER9!&45;3/?/47!??7@4*@/-7,!B[*23-!^\\!??7!?3,47+! is zelfs nog beter dan het commercieel toegepaste BioMoss-preparaat. Tabel 23: Resultaten aanhechting E-coli K88 aan algen.
!
4.5* . + - < 2 2 - B + / ( Diersoorten HG%!1#-1.*6#-!1.*!1)%>##G!+b!%+D.!$)D*!.G6#*!6#%/0)5&!.G%!1+#()*6%)*6-#()e*&!1++-!1#-%/0)GG#*(#! HNJ
()#-%++-&#*9!=#&!*.>#!(#!6#$+*(0#)(%N#1+-(#-#*(#!/+>,+*#*&#*!N#,.G#*!,#-!()#-%++-&!(#!
Als vervanger van vismeel of soja zijn algen geschikt als voedings-
#/+*+>)%/0#!>##-4..-(#9!"..-*..%&!6#G(&!0#&!6#N-')5!1.*!1)%>##G!#*!%+D.!.G%!*)#&Q(''-$..>S! ingrediënt voor verschillende diersoorten. Met name de gezondheids4..-(++-!.G6#*!++5!')&!#/+G+6)%/0!++6,'*&!##*!>##-4..-(#!0#NN#*9!! bevorderende componenten bepalen per diersoort de economische !meerwaarde.
Daarnaast geldt het gebruik van vismeel en soja als niet-duurzaam, waardoor algen ook uit ecologisch oogpunt een 7.<<+/N!HG6#*!G)D5#*!##*!6#%/0)5&!.G&#-*.&)#b!1++-!1)%>##G!#*!1)%+G)#!()#!)*!1)%1+#-!4+-(#*! meerwaarde hebben.
&+#6#,.%&9!8..-G)D5%!4+-(&!4#-#G(4)D(!`!>)GD+#*!&+*!1)%>##G!6#,-+('/##-(9!"..-1.*!6..&!>##-! (.*!Z]!,-+/#*&!)*!1)%1+#(#-%9!2*!1+#(#-%!1++-!0#-N)1+-#!1)%%#*!;&)G.,).S!5.-,#-S!$##4+GbS!>#G51)%@!)%! Vissen. Algen lijken een geschikt alternatief voor vismeel en visolie die 0#&!..*(##G!1)%>##G!#*!1)%+G)#!*'!6#>)((#G(!X]!l!-#%,#/&)#1#G)D5!XSZ!l9!2*!1+#(#-%!1++-!>.-)#*#! in visvoer worden toegepast. Jaarlijks wordt wereldwijd 6 miljoen ton
vismeel geproduceerd. Daarvan gaat meer dan 70 procent in visvoeders. 1)%%#*!;$.G>S!b+-#GS!6.-*..GS!,.G)*6@!$)D*!(#!6#0.G&#%!..*!1)%>##G!#*!1)%+G)#!1##G!0+6#-!
In voeders voor herbivore vissen (tilapia, karper, zeewolf, melkvis) is het ;-#%,#/&)#1#G)D5!d]Q\\l!#*!_Qd]l@9!"++-!(#!%*#G!%&)D6#*(#!,-+('/&)#!1.*!1+#(#-%!1++-!
aandeel vismeel en visolie nu gemiddeld 10 % respectievelijk 1,7 %. In voeders voor mariene vissen (zalm, forel, garnaal, paling) zijn de gehal$+#5!*..-!.G&#-*.&)#1#*g!##*!$+#5&+/0&!()#!>#(#!4+-(&!)*6#6#1#*!(++-!(#!N#0+#b&#!..*!+>#6.Q tes aan vismeel en visolie veel hoger (respectievelijk 20-55% en 8-20%). [Q1#&$'-#*!N)D!>#*%#*9!! Door de snel stijgende productie van voeders voor kweekvissen wordt !de beschikbaarheid van vismeel een probleem. Daarom is men naarstig op zoek naar alternatieven; een zoektocht die mede wordt ingege<++-!(#!1+#(#-4..-(#!1.*!.G6#*!#*!(#!6#%/0)5&0#)(!.G%!6-+*(%&+b!)*!1)%1+#(#-%!)%!0#&!1+G6#*(#! ven door de behoefte aan omega-3-vetzuren bij mensen. 54##51)%%#*!4+-(&!(#!N#%/0)5N..-0#)(!1.*!1)%>##G!##*!,-+NG##>9!"..-+>!)%!>#*!*..-%&)6!+,!
1.*!N#G.*67!!
•Voor F#&!6#0.G&#!..*!()+f)*#!)*!.G6#*!)%!*..-!1#-4./0&)*6!G..6!)*!1#-6#G)D5)*6!>#&!(.&!)*!%+>>)6#! de voederwaarde van algen en de geschiktheid als grondstof in %++-&#*!1)%>##G!;C#-,%&-.S!d]]Y@9! visvoeders is het volgende van belang: Het gehalte aan dioxine in algen is naar verwachting laag in verge•• <)%%#*!5'**#*!>)*(#-!6+#(!+1#-4#6!>#&!5++G0h(-.&#*9!".&!N#,#-5&!(#!)*$#&N..-0#)(!1.*! lijking met dat in sommige soorten vismeel (Terpstra, 2009). .G6#*!)*!1)%1+#-9!! • Vissen kunnen minder goed overweg met koolhydraten. Dat • F#&!.>)*+$'-#*,.&-++*!1.*!.G6#*!5+>&!6+#(!+1#-##*!>#&!(#!N#0+#b&#!1.*!D+*6#!1)%%#*! beperkt de inzetbaarheid van algen in visvoer. ;3VKSXYY[@9!
!
JP(
66
• Het aminozurenpatroon van algen komt goed overeen met de behoefte van jonge vissen (NRC,1993). • Algen blijken onmisbaar voor de productie van raderdiertjes, die op hun beurt een belangrijke bron zijn voor vissenlarven van onder meer tarbot en heilbot. Algen worden ook direct door de larven opgenomen. Het resulteert in hogere opname en groei, minder uitval en betere bacteriële flora (Reitan, 1997). • Voor de kleuring van siervissen wordt nu gebruik gemaakt van Spirulina, vanwege de kleurstoffen. • Algen bevatten alginaten, die een positieve invloed kunnen hebben op de technologische eigenschappen van visvoeders en een goede hulpstof kunnen zijn bij het extrusieproces. • De verteerbaarheid van het eiwit van verse algen bij tilapia bleek 81 % en bij karpers 75 % (Ekpo 1989). De verteerbaarheid van gedroogde algen was voor beide soorten substantieel lager. Pluimvee. Voor jonge kuikens is de nutritionele waarde van vismeel voor omzetbare energie (OE), aminozuren en verteerbaar fosfor € 450-500 per ton. Hoewel vismeel circa € 700 per ton kost, wordt toch vaak 1-3 % vismeel toegepast in voeders voor jonge kuikens. Dat gebeurt op basis van een verondersteld positief effect op de gezondheid als gevolg van de aanwezigheid van omega-3-vetzuren in vismeel. Er zijn ook aanwijzingen dat toepassen van omega-3-vetzuren in pluimveevoer resulteert in een betere gezondheid, groei en vruchtbaarheid (Halle, 1999 en Allen, 1998). Voor algen geldt een vergelijkbaar effect. Proeven van Fitié (2008) en Lipstein (1980) geven aan dat het vervangen van vismeel en soja in voeders voor legkippen en vleeskuikens door algen zelfs resulteert in betere resultaten. Voor het kwantificeren van de effecten van algen op de gezondheid van pluimvee is meer onderzoek gewenst. Nadere analyse is ook gewenst om de veronderstelling te bevestigen dat kleurstoffen in algen een bijdrage kunnen leveren aan de gewenste geel- en roodkleuring van consumptie-eieren (Lipstein, 1980). Algen in het voer kunnen leiden tot een verandering in de vetzuur samenstelling van kippenvlees en eieren, die resulteert in een betere gezondheid van de consument. Een mogelijk probleem is de ongewenste geelkleuring van het karkas als kuikens veel algen in hun rantsoen hebben gehad. Varkens. Ook bij varkens resulteert de aanwezigheid van omega-3vetzuren in het voeder in verbetering van de gezondheid en de vruchtbaarheid (Schellingerhout, 2002). Uit een overzicht van Becker (2003) blijkt dat het vervangen van duurdere grondstoffen als vismeel en zuivel (melkeiwit en lactose) door algen in biggenvoeders resulteerde in gelijkblijvende groei en gezondheid. Algen bieden bovendien uitzicht op het verbeteren van de vetzuursamenstelling van varkensvlees door een verschuiving in de richting van meer onverzadigde vetzuren en een verbetering van de verhouding tussen omega-6- en omega-3-vetzuren.
Rundvee. Gebruik van algen bij melkvee kan de vetzuursamenstelling van melk beïnvloeden (Franklin, 1999 en Boeckaert, 2008), de uitstoot van methaan verminderen (Fievez, 2007) en de weerstand van het dier verbeteren (Green-Johnson, 2009). Wat de vetzuursamenstelling van melk betreft, gebruikte Franklin een alg (Schizochitrium) met een hoog aandeel DHA (docosahexaeenzuur), een van de omega-3-vetzuren. Algen die niet waren behandeld tegen pensafbraak deden het DHA-gehalte in melk stijgen van 0 naar 0,5% van de vetzuren. Algen die wel beschermd waren tegen afbraak van DHA in de pens, zorgden voor een verdere stijging van het DHA-gehalte in de melk. Wel daalde de voeropname van de koe bij een rantsoen met algen. Het is niet uit te sluiten dat antibacteriële stoffen in algen de pensfermentatie (tijdelijk) remmen, waardoor de opname minder wordt. Wat de methaanuitstoot betreft concludeert Fievez dat toepassing van (mariene) algen in het voer de methaanuitstoot in vitro reduceert met 30 procent. In het licht van de hoeveelheid broeikasgassen die door de rundveehouderij worden uitgestoten, is dat een aantrekkelijk perspectief dat het verdient om nader onderzocht te worden. Wat de weerstand van de koe betreft, constateerde Green-Johnson dat het toepassen van algen resulteert in een significante verhoging van het gehalte IgG-antilichamen in de melk. In een praktijkproef van het bedrijf Bio-Algae Concentrates (BAC) bleken algen in het rantsoen de productiviteit te verhogen en het celgetal te verlagen (BAC report V1.0). Gezelschapsdieren. Spirulina en Chlorella worden nu al gebruikt als voedingssupplement of als voedingsingrediënt in honden- en kattenvoer (Aldrich, 2009). De droogvoeders voor honden onder de merknaam Zoowiera bevatten Chlorella en zijn volgens de leverancier uniek in Europa (Doggiesparadize). Het volledige blikvoeder voor honden, ‘Organic Chicken Wellness-Pate’ van Yarrah, bevat Spirulina (elvabo). De algen zouden onder meer een gezonde huid, een glanzende vacht en frisse adem bevorderen, en de weerstand vergroten. De aanprijzingen zijn niet wetenschappelijk onderbouwd. De kennis van de kwalitatieve en kwantitatieve aspecten van polysacchariden en anti-oxidanten in de diverse algensoorten is beperkt. Ervan uitgaande dat algen als ingrediënt voor petfoods veilig zijn, roept eventuele toepassing nog een aantal vragen op met betrekking tot acceptatie van het voer, ontlasting en flatulentie (winderigheid). Ook de invloed op de eigenschappen van het product (brokken) en op de verteerbaarheid moet worden onderzocht.
67
.b!1.*!0#&!,-+('/&!4..-)*!>#*!(#!.G6#*!6..&!&+#,.%%#*9!! !
E.00+/)(+/(,;.,+/>2+-N!B,!N.%)%!1.*!%.>#*%&#GG)*6!#*!1#-&##-N..-0#)(!)%!+*(#-$+/0&!4. 4.6 68
4..-(#!)%!1.*!K0G+-#GG.!.G%!)*6-#()e*&!)*!N)66#*Q!#*!5')5#*1+#-!;$)#!&.N#G!dc@9!"#!,-)D$#*!1 Waardebepaling
.G6#*!$)D*!%&##(%!N#-#5#*(!)*!-#G.&)#!&+&!0'*!1+#()*6%4..-(#!#*!(#!,-)D%!1.*!1)%>##G9!B,!N Voor de economische haalbaarheid van het concept ECOFERM! is
het van belang om een goede schatting te maken van de waarde van 1.*!*'&-)e*&#*S!#*#-6)#S!.>)*+$'-#*!#*!b+%b+-!)%!()#!4..-(#![Z\!#'-+!,#-!&+*!;,-)D%!D'G)!d]]
de geproduceerde algen. Die waarde hangt in hoge mate af van het product waarin men de algen gaat toepassen. >.-5&,-)D%!1++-!1)%>##G!G)6&!1##G!0+6#-!#*!1.-)##-(#!1.*!ZY\!#'-+!)*!b#N-'.-)!d]]Y!&+&!_\]! Biggen- en kuikenvoer. Op basis van samenstelling en verteerbaarD'G)!d]]Y9!"#!++-$..5!)%!0#&!1#-+*(#-%&#G(#!6'*%&)6#!#bb#/&!1.*!+>#6.Q[Q1#&$'-#*!+,!(#! heid is onderzocht wat de waarde is van Chlorella als ingrediënt in
6#$+*(0#)(!1.*!N)66#*!#*!5')5#*%9!! biggen- en kuikenvoer (zie tabel 24). De prijzen voor algen zijn steeds ! U?J43!EH9!!
berekend in relatie tot hun voedingswaarde en de prijs van vismeel. Op basis van nutriënten, energie, aminozuren en fosfor is die waarde 375 euro per ton (prijs juli 2009). De marktprijs voor vismeel ligt veel g-/,?7,51;7/47!822
! Tabel 24: Als we de waarde van Chlorella in voeders voor biggen en kuikens HG%!4#!(#!4..-(#!1.*!K0G+-#GG.!)*!1+#(#-%!1++-!N)66#*!#*!5')5#*%!%/0.&&#*!+,!$#1#*&)6!&+ Uitgangspunten voor nutriëntenschatten op zeventig tot tachtig procent van die van vismeel op basis bereking van Chlorella voor varkens
van energie, aminozuren, fosfor en vetzuursamenstelling, dan zou de en vleeskuikens. &./0&)6!,-+/#*&!1.*!()#!1.*!1)%>##G!+,!N.%)%!1.*!#*#-6)#S!.>)*+$'-#*S!b+%b+-!#*!
prijs uitkomen op maximaal 600 euro per ton (eerste helft 2009). De waarde van Chlorella voor oudere dieren is waarschijnlijk lager. 1#&$''-%.>#*%&#GG)*6S!(.*!$+'!(#!,-)D%!')&5+>#*!+,!>.f)>..G!`]]!#'-+!,#-!&+*!;##-%&#!0# Bovenop de basisnutriënten en vetzuren kunnen we echter ook waarde toekennen aan het effect van Chlorella op het immuunsysteem en op d]]Y@9!"#!4..-(#!1.*!K0G+-#GG.!1++-!+'(#-#!()#-#*!)%!4..-%/0)D*G)D5!G.6#-9!?+1#*+,!(#! de aanhechting van pathogene E.coli aan de darmwand. Momenteel N.%)%*'&-)e*&#*!#*!1#&$'-#*!5'**#*!4#!#/0&#-!++5!4..-(#!&+#5#**#*!..*!0#&!#bb#/&!1.*! worden daartoe glucanen en/of mannan-oligosacchariden toegevoegd, waardoor de kostprijs van het voer stijgt met 2 tot 5 euro per ton. Als K0G+-#GG.!+,!0#&!)>>''*%h%&##>!#*!+,!(#!..*0#/0&)*6!1.*!,.&0+6#*#!T9/+G)!..*!(#!(.-> deze producten effectief vervangen kunnen worden, neemt de waarde van algen toe met ten minste 100 euro per ton.
=+>#*&##G!4+-(#*!(..-&+#!6G'/.*#*!#*M+b!>.**.*Q+G)6+%.//0.-)(#*!&+#6#1+#6(S!4..-
Visvoer. Uit het voorgaande blijkt dat op basis van de hoeveelheden 5+%&,-)D%!1.*!0#&!1+#-!%&)D6&!>#&!d!&+&!\!#'-+!,#-!&+*9!HG%!(#$#!,-+('/&#*!#bb#/&)#b!1#-1.*6 energie, eiwit, aminozuren en omega-3-vetzuren, Chlorella circa 25 % minder waard is dan vismeel. Dat komt overeen met circa 550 tot 600 5'**#*!4+-(#*S!*##>&!(#!4..-(#!1.*!.G6#*!&+#!>#&!&#*!>)*%&#!X]]!#'-+!,#-!&+*9!!
euro per ton. Als Chlorella minstens evenveel kleurstof bevat als Spirulina, mag je bij toepassing in voer voor siervissen 150 à 200 euro ! per ton algen extra rekenen. Als vervanger van het gezondheidsbevorderende glucaan in het voer van jonge vissen, mag je ongeveer 300 7.<>2+-N!^)&!0#&!1++-6..*(#!NG)D5&!(.&!+,!N.%)%!1.*!(#!0+#1##G0#(#*!#*#-6)#S!#)4)&S!.>)* euro per ton algen extra rekenen.
#*!+>#6.Q[Q1#&$'-#*S!K0G+-#GG.!/)-/.!d\!l!>)*(#-!4..-(!)%!(.*!1)%>##G9!".&!5+>&!+1#-##
/)-/.!\\]!&+&!`]]!#'-+!,#-!&+*9!HG%!K0G+-#GG.!>)*%&#*%!#1#*1##G!5G#'-%&+b!N#1.&!.G%!E,)-'G)*
4.7 Veel belangstelling Uit gesprekken met vertegenwoordigers van producenten van mengvoer, additieven en visvoeders, en met vertegenwoordigers van zuivelfabrieken en veehouders blijkt dat er veel belangstelling is voor het gebruik van algen in voeders voor landbouwhuisdieren en vissen. Met name de positieve effecten op de gezondheid van de dieren maken algen aantrekkelijk als vervanger van vismeel. Wel vindt men dat er meer onderzoek moet komen bij dieren naar de positieve effecten op het immuunsysteem en naar vermindering van de aanhechting van pathogenen. Geen van de benaderde partijen is vooralsnog bereid om te investeren in de dierproeven. Er is wel belangstelling om dat te doen in consortiumverband. De producenten hechten groot belang aan constante kwaliteit en leverbaarheid van het product. Daarbij verdient de invloed van het droogproces op de vertering ook de nodige aandacht. Voor vissen en petfood is het effect op technologische kenmerken en acceptatie nog onvoldoende bekend.
4.8 Conclusies Uit het onderzoek is gebleken dat niets de toelating van algen voor gebruik in diervoeders in de weg staat. Voorwaarde is wel dat algenkwekers GMP zijn gecertificeerd. Ook op het gebruik van mineralen uit mest als voedingsbron voor algen rust niet langer een blokkade. Toelating kan echter pas verkregen worden nadat een risicoanalyse van het te realiseren proces is uitgevoerd, inclusief bijbehorende metingen. Er lijkt een voldoende grote markt te bestaan voor algen als ingrediënt in voer voor vissen en landbouwhuisdieren. De waarde op basis van nutriënten en vetzuren is bij de huidige prijsverhoudingen € 550-600 per ton algen bij toepassing in voeders voor vissen en jonge biggen en kuikens. Daarbovenop komt een potentiële meerwaarde van 100 tot 300 euro per ton algen vanwege de aanwezigheid van gezondheidsbevorderende componenten.
69
70
5. Bedrijfseconomische vergelijking
71
Wat is het rendement op de investeringen in ECOFERM? Wat zijn opbrengsten en kosten? Wat is de invloed van schaaleffecten (boerderijniveau of grootschalig centraal) en/of het gebruik van covergistingsmaterialen op de bedrijfseconomische uitkomsten van ECOFERM? En tenslotte wat is de gevoeligheid van de bedrijfseconomische uitkomsten voor schommelingen in de prijzen energie en algen of in de kosten van mestafzet, covergistingsmaterialen, arbeid of kapitaal?
5.1 ECOFERM! op boerderijniveau De berekeningen voor ECOFERM! op boerderijniveau zijn gebaseerd op een situatie van een bedrijf met 2800 vleesvarkens en 3000 ton mestproductie per jaar. Het bedrijfseconomisch model gaat ervan uit dat alle mest op de boerderij wordt vergist en alle digestaat gebruikt wordt voor de productie van algen. Er vindt geen mestraffinage plaats. De doorrekening van ECOFERM op boerderijniveau beschrijft de ‘state of the art’ situatie zonder mestontsluiting; de mestontsluiting is vanwege de benodigde installaties alleen uitgewerkt voor grootschalige verwerking van 30.000 ton mest. De berekening laat zien wat op boerderijniveau mogelijk is. De elektriciteit en warmte die nodig is voor de algenproductie is afkomstig van de eigen WKK installatie1. De verwachte opbrengst van algenkweek met een hybride kweeksysteem (combinatie van open vijver met en fotobioreactor) is geschat op 40 ton per ds per ha/jaar. De geproduceerde hoeveelheid biogas en daarmee de geproduceerde hoeveelheid
1
Doordat hier geen raffinage plaatsvindt, kunnen de geproduceerde algen niet als varkensvoer gebruikt worden, maar moeten andere toepassingen gezocht worden.
72
Tabel 25: Overzicht kerngegevens drie varianten vergisting, elektriciteit en warmteproductie en algenkweek zonder raffinage.
2
Er is gebruik gemaakt van bekende inzichten en prijsniveaus en de uitgangspunten zijn getoetst met de praktijk; daar waar inschattingen gemaakt moesten worden, bijvoorbeeld over het opschalen van operaties, is dit terughoudend gedaan.
elektriciteit is te beïnvloeden door toevoeging van covergistingsmaterialen. Dit vergroot de hoeveelheid te verwerken digestaat waardoor meer algenvijvers nodig zijn. Om te verkennen of een installatie op boerderijniveau het meest interessant is of dat samenwerking met varkenshouders in de omgeving een beter rendement geeft is een variant uitgewerkt waarbij drie bedrijven van soortgelijke omvang samenwerken. Tabel 25 geeft een overzicht van de drie doorgerekende varianten. OMSCHRIJVING
ECOFERM 3000
ECOFERM 3000+
ECOFERM 9000+
Aantal dieren (stuks)
2800
2800
8400
Hoeveelheid mest (ton)
3000
3000
9000
Covergisting
0
3000
9000
Oppervlakte algenvijver (ha) 1
2
6
Algen (ton) per ha
40
40
40
Bij de uitwerking van de varianten is uitgegaan van de volgende aannames2: • De energie-inhoud van een ton mest is 1 GJ, die van een ton covergistingsmateriaal 5 GJ • De vermeden mestkosten ad € 15 per ton worden toegerekend aan de algenkweek omdat in deze stap de mineralen daadwerkelijk verwerkt worden • De WKK heeft een beschikbaarheid van 85%, dus 7446 draaiuren op jaarbasis. De efficiency van de totale installatie voor de omzetting van de energie inhoud van de mest en covergistingsmateriaal naar kWh is 25%, waardoor uiteindelijk de effectieve energieopbrengst per ton mest 69,375 kWh bedraagt • De capaciteit van de WKK installatie is in de base case 27 kWh, deze neemt bij covergisting toe tot 189 kWh en bij schaalvergroting tot 567 kWh. De investering in de vergister en WKK-installatie per kWh is in de base case € 7.000. Deze daalt in geval van covergisting (variant 3000+) naar € 3.650 en bij schaalvergroting (variant 9000+) naar € 2.500 per kWh • De subsidie op de investering in de vergister bedraagt 15%; de onvoorziene kosten van de gehele investering bedragen 5% • De prijs van de geproduceerde elektriciteit (€ 0,15) is afgeleid van basis SDE regeling zonder nuttige aanwending van warmte • De kosten arbeid zijn voor 75% toegerekend aan de vergister en WKK-installatie en voor 25% aan productie van algen. De begrote inzet voor één algenvijver is 400 uur à € 25 per uur inclusief het oogsten van de algen De investeringen voor de algenproductie omvatten de installaties voor het oogsten van de algen (centrifuges), de leidingen en de installaties om het water in beweging te houden en de kosten voor ontwerp en engineering. De totale investering voor een vijver van één ha bedraagt € 99.750 • De geproduceerde warmte wordt om niet ingezet voor het verwarmen van de algenvijvers en het drogen van de algen bij de oogst. Er wordt verondersteld dat er verder geen nuttige aanwending van de warmte is en de warmte dus niet bijdraagt aan de omzet; hetzelfde geldt voor de lozing van het schone water. Deze twee variabelen zijn als PM post meegenomen
• De door de algen opgenomen CO2 kan in de toekomst bij het doorvoeren van de carbon credits een toegevoegde waarde hebben. De huidige prijs per ton CO2 schommelt tussen € 10 en € 15 in de berekeningen is de vastgelegde CO2 als een PM post meegenomen. • De opbrengst van de algen is gesteld op € 500 per ton. De algen kunnen vanwege het productieproces zonder mestraffinage niet als veevoer gebruikt worden maar moeten in andere kanalen afgezet worden.
73
Tabel 26 geeft de waarde van de overige variabelen weer en de gedetailleerde uitkomsten van de bedrijfseconomische doorrekening van ECOFERM 3000+. De andere twee varianten zijn op dezelfde wijze doorgerekend. De vergelijking van de drie varianten op hoofdpunten wordt weergegeven in tabel 27.
!
! !
Tabel 26: De doorrekening van ECOFERM op boerderijniveau geeft inzicht in de productie, investeringen, opbrengsten en kosten van het concept. doorrekening van de variant 3000+ +,N-#*6%&#*!#*!5+%&#*!1.*!0#&!/+*/#,&9!T#*!6#(#&.)GG##-(#!(++--#5#*)*6!1.*!TKBUTV=![]]]s! Een gedetailleerde doorrekening van ECOFERM 3000+ laat een posi- (base case met covergisting). tief rendement zien op het geïnvesteerde vermogen. Belangrijk is dat G..&!##*!,+%)&)#b!-#*(#>#*&!$)#*!+,!0#&!6#i*1#%&##-(#!1#->+6#*9!?#G.*6-)D5!)%!(.&!$+4#G!(#! zowel de algenkweek als de productie van elektriciteit ook na toereke.G6#*54##5!.G%!(#!,-+('/&)#!1.*!#G#5&-)/)&#)&!++5!*.!&+#-#5#*)*6!1.*!.b%/0-)D1)*6#*!#*! ning van afschrijvingen en rentekosten positief bijdragen aan het -#*+%&#*!,+%)&)#b!N)D(-.6#*!..*!0#&!-#%'G&..&9!"#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!>.5#*!##*!6-++&!(##G! resultaat. De vermeden mestkosten maken een groot deel uit van het resultaat, te weten € 40.500 en zijn in deze variant de belangrijkste ')&!1.*!0#&!-#%'G&..&S!&#!4#&#*!o!c]9\]]!#*!$)D*!)*!(#$#!1.-).*&!(#!N#G.*6-)D5%&#!(-.6#-!1.*!(#! drager van de investering; de verkoop van elektriciteit draagt € 4.856 )*1#%&#-)*6g!(#!1#-5++,!1.*!#G#5&-)/)&#)&!(-..6&!o!c9_\`!N)Dg!(#!.G6#*54##5!$#Gb!0##b&!##*! bij; de algenkweek zelf heeft een negatieve bijdrage van € 14.274. Het *#6.&)#1#!N)D(-.6#!1.*!o!Xc9dZc9!F#&!G..&!$)#*!(.&!D')%&!(#!/+>N)*.&)#!1.*!#*#-6)#+,4#55)*6!q*! laat zien dat juist de combinatie van energieopwekking én verwerking van digestaat door algenkweek het resultaat maakt. 1#-4#-5)*6!1.*!()6#%&..&!(++-!.G6#*54##5!0#&!-#%'G&..&!>..5&9!
"#!(++--#5#*)*6!1.*!TKBUTV=!+,!N+#-(#-)D*)1#.'!6##b&!)*$)/0&!)*!(#!,-+('/&)#S!)*1#%&#-)*6#*S! Resultaten bedrijfseconomische
! "++--#5#*)*6!1.*!.GG#!(-)#!TKBUTV=!+,!N+#-(#-)D*)1#.'!1.-).*&#*!6##b&!+,!0++b(G)D*#*!(#! 1+G6#*(#!-#%'G&.&#*!.G%!+,6#*+>#*!)*!&.N#G!dZ9!
74
Doorrekening van alle drie ECOFERM op boerderijniveau varianten geeft op hoofdlijnen de volgende resultaten als opgenomen in tabel 27.
Tabel 27: Overzicht omzet, resultaat, investering en rendement van drie varianten op de base case.
! !
De drie varianten geven allen een positief resultaat. Door de sterk toegenomen productie van biogas door de toevoeging van covergistingsmateN)+6.%!(++-!(#!&+#1+#6)*6!1.*!/+1#-6)%&)*6%>.&#-)..G!)*!(#!TKBUTV=s!1.-).*&#*!%&)D6&!$+4#G!( riaal in de ECOFERM+ varianten stijgt zowel de elektriciteitsproductie #G#5&-)/)&#)&%,-+('/&)#!%&#-5!.G%!0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!1.*!(#!1#-6)%&)*6!#*! sterk als het operationeel resultaat van de vergisting en elektriciteitproductie. Het effect van de afnemende investeringen per kWh bij een #G#5&-)/)&#)&,-+('/&)#9!F#&!#bb#/&!1.*!(#!.b*#>#*(#!)*1#%&#-)*6#*!,#-!5O0!N)D!##*!6-+&#-! groter gasvolume wordt vooral zichtbaar bij de variant ECOFERM 6.%1+G'>#!4+-(&!1++-.G!$)/0&N..-!N)D!(#!1.-).*&!TKBUTV=!Y]]]s9!C#-4)DG!(#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(# 9000+. Terwijl de investeringen in de algenproductie proportioneel .G6#*,-+('/&)#!,-+,+-&)+*##G!>##%&)D6#*!>#&!0#&!1)D1#-+,,#-1G.5S!%&)D6#*!(#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(# meestijgen met het vijveroppervlak, stijgen de investeringen in de vergis1#-6)%&#-!#*!OIIQ)*%&.GG.&)#!D')%&!>)*(#-!0.-(9!"#!%&)D6)*6!1.*!0#&!-#*(#>#*&!)*!TKBUTV=!Y]]] ter en WKK-installatie juist minder hard. De stijging van het rendement in ECOFERM 9000+ ten opzicht van ECOFERM 3000+is dan &#*!+,$)/0&!1.*!TKBUTV=![]]]s)%!(.*!++5!6#0##G!&+#!&#!-#5#*#*!..*!(#!#bb)/)#*/h!1.*!(#! ook geheel toe te rekenen aan de efficiency van de vergister en 1#-6)%&#-!#*!OIIQ)*%&.GG.&)#9!F#&!-#%'G&..&!1.*!(#!.G6#*,-+('/&)#!.(!o!X_[9d_Y!N)D!TKBUTV=! WKK-installatie. Het resultaat van de algenproductie ad € 183.289 bij Y]]]s!N#%&..&!')&!##*!+,N-#*6%&!1.*!o!XdX9\]]!1++-!(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!#*!0#&!-#%'G&..&!+ ECOFERM 9000+ bestaat uit een opbrengst van € 121.500 voor de (#!1#-5++,!1.*!(#!.G6#*!$#Gb!;+,N-#*6%&!>)*'%!()-#/&#!5+%&#*@!1.*!o!`X9Z_Y9!=#&!o![\\9dYc! vermeden mestkosten en het resultaat op de verkoop van de algen zelf (opbrengst minus directe kosten) van € 61.789. Met € 355.294 draagt de (-..6&!(#!#G#5&-)/)&#)&%,-+('/&)#!0#&!>##%&#!N)D!..*!0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&9!! elektriciteitsproductie het meeste bij aan het operationeel resultaat. ! "#!(-)#!1.-).*&#*!6#1#*!.GG#*!##*!,+%)&)#b!-#%'G&..&9!"++-!(#!%&#-5!&+#6#*+>#*!,-+('/&)#!1.*!
B,!N.%)%!1.*!(#!+>1.*6!1.*!(#!)*1#%&#-)*6#*!#*!0#&!N#0..G(#!-#*(#>#*&!)%!TKBUTV=[]]]!##* Op basis van de omvang van de investeringen en het behaalde rende,-)>.!)*%&.,>+(#G!+,!N+#-(#-)D*)1#.'9!F#&!0##b&!0#&!1++-(##G!1.*!##*!;-#G.&)#b@!N#,#-5&#! ment is ECOFERM3000 een prima instapmodel op boerderijniveau.
Het heeft het voordeel van een (relatief) beperkte investering met een )*1#%&#-)*6!>#&!##*!,-+('/&)#,-+/#%!(.&!6#0##G!)*!#)6#*!N#0##-!5.*!4+-(#*!')&6#1+#-(!#*!##*! productieproces dat geheel in eigen beheer kan worden uitgevoerd en een goed rendement op het geïnvesteerd vermogen.
6+#(!-#*(#>#*&!+,!0#&!6#i*1#%&##-(!1#->+6#*9!! !
LP(
Gevoeligheidsanalyse De gevoeligheid van het concept voor ontwikkelingen met betrekking tot prijzen, kosten en efficiency van de installaties is met behulp van enkele scenario’s getoetst.
75
Het worst case scenario is een combinatie van lage prijzen voor elektriciteit en algen van respectievelijk € 0,12 per kWh en € 250 per ton, lage kosten voor mestverwijdering (€ 10 per ton), hoge kosten voor covergistingsmateriaal van € 35 per ton met lagere efficiency in zowel de productie van biogas als de omzetting in elektriciteit en warmte; de effectieve energieomzetting per ton mest daalt hierdoor tot 55,5 kWh. De beschikbaarheid van de WKK-installatie daalt naar 80%. De algenproductie per ha daalt tot 38 ton. Tot slot is ook de post onvoorzien verhoogd tot 15% en tenslotte ontbreken investeringssubsidies. In het optimale scenario stijgt de opbrengt van de algen en elektriciteit tot respectievelijk € 1.000 per ton en € 0,18 per kWh. De vermeden mestkosten blijven gelijk en alle mest kan verwerkt worden. De beschikbaarheid van de WKK installatie stijgt tot 90% bij een gelijkblijvende efficiency. De algenproductie is beter beheersbaar en stijgt daardoor tot 45 ton per ha. De post onvoorzien wordt nihil omdat risico’s goed in te schatten zijn en zijn investeringssubsidies beschikbaar.
Tabel 28: Uitkomsten doorrekening worst case en optimaal scenario voor ECOFERM! op boerderijniveauvarianten. De verschillen in investeringen worden veroorzaakt door de post onvoorzien, wel of geen subsidies en benodigde capaciteit van de WKK installatie in relatie tot bereikte efficiency en hoeveelheid effectief te verwerken mest.
! ! "#!(-)#!1.-).*&#*!$)D*!)*!0#&!4+-%&!/.%#!%/#*.-)+!1#-G)#%G.&#*(S!&#-4)DG!(#!')&5+>%&#*!)*!0#&! +,&)>.G#!%/#*.-)+!D')%&!$##-!,+%)&)#b!$)D*9!F#&!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!>+(#G!-#.6##-&!%&#-5!+,!(#! 6#5+$#*!%/#*.-)+1.-).N#G#*!>.-5&,-)D%!1++-!>#%&S!+,N-#*6%&,-)D$#*!1.*!#*#-6)#!#*!.G6#*!#*! #bb)/)#*/h!1.*!(#!)*%&.GG.&)#9!F#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!1.*!(#!1#-6)%&#-!#*!OIIQ)*%&.GG.&)#!6##b&! )*!()&!%/#*.-)+!0#&!6-++&%&#!1#-G)#%S!&#-4)DG!(#!.G6#*54##5!(.*5$)D!(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!*+6!
76
De drie varianten zijn in het worst case scenario verlieslatend, terwijl de uitkomsten in het optimale scenario juist zeer positief zijn. Het bedrijfseconomische model reageert sterk op de gekozen scenariovariabelen marktprijs voor mest, opbrengstprijzen van energie en algen en efficiency van de installatie. Het operationeel resultaat van de vergister en WKK-installatie geeft in dit scenario het grootste verlies, terwijl de algenkweek dankzij de vermeden mestkosten nog beperkt positief is. Een stijging van de mestprijs naar het normale niveau van € 15 is onvoldoende om het verlies te compenseren. Het optimale scenario versterkt het effect van schaalvergroting. De IRR van ECOFERM 9000+ stijgt daardoor naar 53%, terwijl in ditzelfde scenario ECOFERM 3000+ een IRR van 37% laat zien. ECOFERM 3000 blijkt een relatief veilige variant te zijn voor de veehouder die op boerderijniveau dit concept wil realiseren. Het neerwaartse risico in het worst case scenario is beperkt terwijl het optimale scenario een zeer goede IRR geeft.
5.2 ECOFERM! met mestraffinage In de vorige paragraaf is gekeken naar ECOFERM op boerderijniveau met een eenvoudig productieproces voor de verwerking van de mest. Door de introductie van mest-ontsluitingstechnieken waardoor de opbrengst van het vergistingsproces aanmerkelijk toeneemt, ontstaat &+#*##>&S!+*&%&..&!##*!6#0##G!*)#'4#!%)&'.&)#9!<.*4#6#!(#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(#!)*%&.GG.&)#%!)%! &+#*##>&S!+*&%&..&!##*!6#0##G!*)#'4#!%)&'.&)#9!<.*4#6#!(#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(#!)*%&.GG.&)#%!)%! een geheel nieuwe situatie. Vanwege de investeringen in de installaties ##*!6-++&%/0.G)6#!+,$#&!1#-#)%&9!")&!)%!TKBUTV=![]9]]]!>#&!b'GG!%/.G#!>#%&-.bb)*.6#!)*%&.GG.&)#%! is een grootschalige opzet vereist. Dit is ECOFERM 30.000 met full ##*!6-++&%/0.G)6#!+,$#&!1#-#)%&9!")&!)%!TKBUTV=![]9]]]!>#&!b'GG!%/.G#!>#%&-.bb)*.6#!)*%&.GG.&)#%! #*!+*&%G')&)*6!1.*!(#!>#%&S!6#-)/0&!+,!(#!1#-4#-5)*6!1.*![]9]]]!&+*!>#%&9!"#!%/0..G!#*! scale mestraffinage installaties en ontsluiting van de mest, gericht op #*!+*&%G')&)*6!1.*!(#!>#%&S!6#-)/0&!+,!(#!1#-4#-5)*6!1.*![]9]]]!&+*!>#%&9!"#!%/0..G!#*! ,-+('/&)#&#/0*)#5!1#-#)%#*!#f&-.!)*1#%&#-)*6#*!#*!6#1#*!.*(#-#!1#-0+'()*6#*!)*!(#!+,N-#*6%&#*! de verwerking van 30.000 ton mest. De schaal en productietechniek ,-+('/&)#&#/0*)#5!1#-#)%#*!#f&-.!)*1#%&#-)*6#*!#*!6#1#*!.*(#-#!1#-0+'()*6#*!)*!(#!+,N-#*6%&#*! N)+6.%S!#G#5&-)/)&#)&S!#*!.G6#*9!=#%&+*&%G')&)*6!>..5&!/+1#-6)%&)*6!>)*(#-!*++($.5#G)D5!1++-!##*! vereisen extra investeringen en geven andere verhoudingen in de N)+6.%S!#G#5&-)/)&#)&S!#*!.G6#*9!=#%&+*&%G')&)*6!>..5&!/+1#-6)%&)*6!>)*(#-!*++($.5#G)D5!1++-!##*! opbrengsten biogas, elektriciteit, en algen. Mestontsluiting maakt 6+#(#!N)+6.%,-+('/&)#9!")&!1-..6&!+>!##*!.,.-&#!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!.*.Gh%#9!! 6+#(#!N)+6.%,-+('/&)#9!")&!1-..6&!+>!##*!.,.-&#!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!.*.Gh%#9!! !!covergisting minder noodzakelijk voor een goede biogasproductie. Dit vraagt om een aparte bedrijfseconomische analyse. "#!&#/0*)%/0#!6#6#1#*%!1++-!0#&!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!>+(#G!$)D*!.b5+>%&)6!')&!(#! "#!&#/0*)%/0#!6#6#1#*%!1++-!0#&!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!>+(#G!$)D*!.b5+>%&)6!')&!(#! ,-+/#%N#%/0-)D1)*6#*!1.*!E'%&#/S!2*6-#,-+!..*6#1'G(!>#&!(#!.*.Gh%#%!1.*!F#>5#!3'&-)/+*%'G&9! ,-+/#%N#%/0-)D1)*6#*!1.*!E'%&#/S!2*6-#,-+!..*6#1'G(!>#&!(#!.*.Gh%#%!1.*!F#>5#!3'&-)/+*%'G&9!
De technische gegevens voor het bedrijfseconomische model zijn
?#-#5#*(!)%!0#&!-#*(#>#*&!+,!(#!)*1#%&#-)*6S!(#!N)D(-.6#!1.*!(#!N#)(#!,-+('/&)#,-+/#%%#*!..*! ?#-#5#*(!)%!0#&!-#*(#>#*&!+,!(#!)*1#%&#-)*6S!(#!N)D(-.6#!1.*!(#!N#)(#!,-+('/&)#,-+/#%%#*!..*! afkomstig uit de procesbeschrijvingen van Sustec, Ingrepro aangevuld 0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!#*!(#!6#1+#G)60#)(!0#&!N#(-)Db%-#%'G&..&!1.*!TKBUTV=![]9]]]!1++-! 0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!#*!(#!6#1+#G)60#)(!0#&!N#(-)Db%-#%'G&..&!1.*!TKBUTV=![]9]]]!1++-!
met de analyses van Hemke Nutriconsult. Berekend is het rendement
1#-.*(#-)*6#*!1.*!+,N-#*6%&#*!#*!5+%&#*9!! 1#-.*(#-)*6#*!1.*!+,N-#*6%&#*!#*!5+%&#*9!! op de investering, de bijdrage van de beide productieprocessen aan !!het operationeel resultaat en de gevoeligheid het bedrijfsresultaat van B*(#-%&..*(#!&.N#G!;&.N#G!dY@!6##b&!5+-&!(#!')&6.*6%,'*&#*!4##-9! ECOFERM 30.000 voor veranderingen van opbrengsten B*(#-%&..*(#!&.N#G!;&.N#G!dY@!6##b&!5+-&!(#!')&6.*6%,'*&#*!4##-9! !!
en kosten.
Onderstaande tabel (tabel 29) geeft kort de uitgangspunten U?J43!EM9! U?J43!EM9! Q84
weer.
Tabel 29: Overzicht doorgerekende ECOFERM!-varianten.
!! !! F#&!N#(-)Db%#/+*+>)%/0!>+(#G!N+'4&!1++-&!+,!0#&!##-%&#!>+(#G9!"#!N#G.*6-)D5%&#! F#&!N#(-)Db%#/+*+>)%/0!>+(#G!N+'4&!1++-&!+,!0#&!##-%&#!>+(#G9!"#!N#G.*6-)D5%&#! ')&6.*6%,'*&#*!1++-!()&!>+(#G!$)D*7! ')&6.*6%,'*&#*!1++-!()&!>+(#G!$)D*7! •• "#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(#!.G6#*1)D1#-%!$)D*!,#-!0.!1-)D4#G!6#G)D5!6#NG#1#*9!"#$#!$)D*!o!Y\9]]]!,#-! "#!)*1#%&#-)*6#*!)*!(#!.G6#*1)D1#-%!$)D*!,#-!0.!1-)D4#G!6#G)D5!6#NG#1#*9!"#$#!$)D*!o!Y\9]]]!,#-! 0.9!=#&!.*(#-#!4++-(#*7!%/0..G1++-(##G!N)D!(#!..*G#6!6-+&#!+,,#-1G.5&#*!)%!*)#&!>+6#G)D5S! 0.9!=#&!.*(#-#!4++-(#*7!%/0..G1++-(##G!N)D!(#!..*G#6!6-+&#!+,,#-1G.5&#*!)%!*)#&!>+6#G)D5S!
Het bedrijfseconomisch model bouwt voort op het eerste model. De belangrijkste uitgangspunten voor dit model zijn: • De investeringen in de algenvijvers zijn per ha vrijwel gelijk gebleven. Deze zijn € 95.000 per ha. Met andere woorden: schaalvoordeel bij de aanleg grote oppervlakten is niet mogelijk, Het model houdt bovendienrekening met aanvullende investeringen van circa 33% om de vijvers te kunnen afschermen en verbinden. De post onvoorzien is groter omdat onduidelijk is welke technische vraagstukken bij productie op die schaal naar voren komen. De referentiedata zijn afkomstig van productie op kleine schaal. • De investeringen in de WKK installaties per kWh variëren van € 1.500 in de variant zonder covergisting tot € 1.000 in de variant met beperkte covergisting en € 800 bij maximale covergisting zonder mestraffinage; dit is exclusief de investering in de installaties voor mestraffinage zelf ten bedrage van € 1,27 miljoen. Verondersteld wordt een beschikbaarheid van de WWK-installatie van 85%, dus 7446 draaiuren op jaarbasis. • De energie inhoud van de mest is 1 GJ per ton en van covergistingsmateriaal is 5 GJ per ton. Mestontsluiting zorgt ervoor dat een groter deel van de energie inhoud benut wordt. • De prijs per kWh volgt de SDE tarieven, te weten € 0,165 per kWh zonder nuttige aanwending van warmte en € 0,193 per kWh bij nuttige aanwending van de warmte van warmte. Het verwarmen van de algenvijvers en het drogen van de algen na de oogst wordt beschouwd als een nuttige aanwending van de warmte buiten het bedrijf van energieopwekking3. Het hoge tarief wordt gehanteerd. In het model wordt het verschil van € 0,028 tussen het standaard SDE-tarief en het hoge tarief toegerekend aan de algenproductie. Immers zonder deze productie was deze opbrengst niet gerealiseerd. • De opbrengst algen in ton droge stof per ha is op basis van de gegevens van Ingrepro gesteld om 40 ton. De marktprijs van een ton algen als veevoeder is € 600. • In beide mestraffinage varianten wordt een tarief van € 2,5 per GJ geproduceerde warmte meegenomen. De opbrengst van een ton vastgelegde CO2 is € 10. De geproduceerde hoeveelheid schoon water is als een PM post meegenomen. • Het model houdt rekening met interne leveringen tussen de productieprocessen. In het model is meegenomen het interne verbruik van elektriciteit voor de mestraffinage en algenproductie, de levering van warmte voor raffinage en algenproductie en de doorlevering van de mineralen uit het digistaat. Voor de mineralen zijn de volgende waarden per ton meegenomen stiksof in (NH4) SO4 € 200 en in NH3 € 750 en fosfaat € 1.000. • Afschrijvingstermijn en rekenrente voor het vermogen zijn gelijk gehouden op respectievelijk 10 jaar en 6%.
77
3
Onderzocht moet worden of dit formeel moet leiden tot een splitsing van ECOFERM in een energie productie en een algenproductie entiteit.
78
Tabel 30 geeft de overige uitgangspunten en uitgebreid overzicht van de operationele en bedrijfseconomische resultaten van ECOFERM 30.000+. Tabel 31 geeft een vergelijking op hoofdpunten van beide varianten.
! "#!.*.Gh%#!G..&!$)#*!(.&!(#!TKBUTV=W!##*!,+%)&)#b!-#%'G&..&!0##b&!#*!>#&!##*!2VV!1.*!X[l9!"#! Tabel 30: )*1#%&#-)*6#*!$)D*!+>1.*6-)D5!4.&!N)D!(#!6#0.*&##-(#!.b%/0-)D1)*6%&#->)D*!1.*!X]!D..-!G#)(&!&+&! Resultaten doorrekening ECOFERM! base case mestraffinage met beperkte 0+6#!.b%/0-)D1)*6%5+%&#*9!F#&!,-+/#%!1.*!>#%&+*&%G')&)*6!#*!#*#-6)#,-+('/&)#!(-..6&!0#&!>##%&#! covergisting en algenproductie.
N)D!..*!0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&S!#/0&#-!(++-!(#!0+6#!)*1#%&#-)*6#*!;#*!('%!.b%/0-)D1)*6#*!#*! -#*+%&#*@!)*!(#$#!,-+('/&)#%&.,!)%!0#&!N#(-)Db%-#%'G&..&!1++-!N#G.%&)*6!6#-)*69!"#! .G6#*,-+('/&)#!G..&!##*!N#1-#()6#*(!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!$)#*S!.G!)%!()&!6#0##G!&#!(.*5#*!..*!(#! &+#6#-#5#*(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!#*!(#!>##-+,N-#*6%&!1.*!(#!*'&&)6#!..*4#*()*6!1.*! 4.->&#!')&!0#&!0+6#!E"TQ&.-)#b9!"#!.G6#*,-+('/&)#!$+*(#-!(#$#!&4##!+,N-#*6%&#*!)%!N)D!0#&! 6#0.*&##-(#!&.-)#b!1.*!o!`]]!*)#&!5+%&#*(#55#*(g!()&!*)1#.'!4+-(&!,.%!N#-#)5&!N)D!##*!,-)D%!1.*!o!
De analyse laat zien dat de ECOFERM! een positief resultaat heeft en met een IRR van 13%. De investeringen zijn omvangrijk wat bij de gehanteerde afschrijvingstermijn van 10 jaar leidt tot hoge afschrijvingskosten. Het proces van mestontsluiting en energieproductie draagt het meeste bij aan het operationeel resultaat, echter door de hoge investeringen (en dus afschrijvingen en rentekosten) in deze productiestap is het bedrijfsresultaat voor belasting gering. De algenproductie laat een bevredigend operationeel resultaat zien, al is dit geheel te danken aan de toegerekende vermeden mestkosten en de meeropbrengst van de nuttige aanwending van warmte uit het hoge SDE-tarief. De algenproductie zonder deze twee opbrengsten is bij het Z]]!,#-!&+*9!"#!5-./0&!1.*!TKBUTV=W![]9]]]s!)%!(.&!D')%&!(++-!(#!,-+('/&)#!1.*!.G6#*!(#!4..-(#! gehanteerde tarief van € 600 niet kostendekkend; dit niveau wordt pas 1.*!(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!#*!.(()&)+*#G#!4.->&#!+,%G.6!+,!0#&!E"TQ&.-)#b!4+-(&! bereikt bij een prijs van € 700 per ton. De kracht van ECOFERM! 6#-#.G)%##-(9!F#&!6#,-#%#*&##-(#!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!,#-!,-+('/&)#,-+/#%!6##b&!##*!-#e#G! 30.000+ is dat juist door de productie van algen de waarde van de vermeden mestkosten en additionele warmte opslag op het SDE-tarief N##G(!+>(.&!.GG#!)*&#-*#!(++-1#--#5#*)*6#*!#*!(#!#f&#-*#!&.-)#1#*!0#NN#*!,G..&%6#1+*(#*9!! wordt gerealiseerd. Het gepresenteerde operationeel resultaat per T#*!$#Gb(#!(++--#5#*)*6!1.*!N#)(#!1.-).*&#*!6##b&!+,!0++b(G)D*#*!0#&!N##G(!.G%!6#6#1#*!)*!&.N#G! productieproces geeft een reëel beeld omdat alle interne doorverreke[X9! ningen tegen de externe tarieven hebben plaatsgevonden. Een zelfde doorrekening van beide varianten geeft op hoofdlijnen het ! beeld als gegeven in tabel 31. U?J43!R=9!! &45;3/?/47!D22<<4A47-7-,!D<-4!8?<-?7/47!BPQ:B&V`!
Tabel 31: Resultaten doorrekeninig drie varianten ECOFERM!
! !
De ECOFERM 30.000 is verlieslatend doordat het raffinage en "#!TKBUTV=![]9]]]!)%!1#-G)#%G.&#*(!(++-(.&!0#&!-.bb)*.6#!#*!OII!J,-+/#%!+*1+G(+#*(#!+>$#&! WKK-proces onvoldoende omzet genereert. Hierbij moet opgemerkt 6#*#-##-&9!F)#-N)D!>+#&!+,6#>#-5&!4+-(#*!(.&!*#&!.G%!)*!(#!.*(#-#!1.-).*&#*!0#&!+,#-.&)+*##G! worden dat net als in de andere varianten het operationeel resultaat -#%'G&..&!6#/+--)6##-(!)%!1++-!0#&!0+6#-#!E"TQ&.-)#bg!(#!4.->&#N+*'%!1.*!o!]S]]d_!,#-!5O0!)%! gecorrigeerd is voor het hogere SDE-tarief; de warmtebonus van €&+#6#-#5#*(!..*!0#&!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!1.*!(#!.G6#*,-+('/&)#9!B+5!0)#-!6#G(&!(.&!(#! 0,0028 per kWh is toegerekend aan het operationeel resultaat van de algenproductie. Ook hier geldt dat de algenproductie positief is ten .G6#*,-+('/&)#!,+%)&)#b!)%!&#*!6#1+G6#!1.*!(#!&+#6#-#5#*(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!#*!!!(#! 4.->&#N+*'%9!K+*/G'%)#!)%!(.&!##*!TKBUTV=![]9]]]s!##*!-#*(.N#G#!+,&)#!)%!4..-N)D!(#!
79
80
S2-..5&!4..-N)D!(#!,-)D%!1.*!#G#5&-)/)&#)&!)%!6#$ gevolge van de toegerekende vermeden mestkosten en de warmteG..6!E"TQ&.-)#b!1.*!o!]SX\!$+*(#-!>+6#G)D50#(#*!1++-!4.->&#N+*'%S!(#!,-)D%!1.*!(#!.G6 bonus. Conclusie is dat een ECOFERM 30.000+ een rendabele optie is waarbij de geproduceerde algen weer als veevoer dienen. \]]S!(#!1#->#(#*!>#%&5+%&#*!+,!o!X]S!N#%/0)5N..-0#)(!1.*!(#!OII!)*%&.GG.&)#!+,!_]l!#
/+1#-6)%&)*6%>.&#-).G#*!+,!o![]!,#-!&+*!G..&!$)#*!(.&!0#&!>+(#G!$##-!6#1+#G)6!)%!1++-!(#$ Gevoeligheidsanalyse Worst case: Een gevoeligheidsanalyse is gemaakt waarbij de prijs 1.-).N#G#*9!! van elektriciteit is gezet op een laag SDE-tarief van € 0,15 zonder ! mogelijkheden voor warmtebonus, de prijs van de algen op € 500, de U?J43!RE9!! mestkosten '48243-,@4-D5?7?3a54!BPQ:B&V`!RK+KKK!47!BPQ:B&V`!RK+KKKh!-7!,48?3!8?7! vermeden op € 10, beschikbaarheid van de WKK installatie op 80%84<534*@/4<-7,!8?7!G?
Tabel 32: Gevoeligheidsanalyse ECOFERM! 30.000 en ECOFERM! 30.000+ in geval van verslechtering van marktomstandigheden met lagere opbrengsten en hogere inkoopkosten.
! !
ECOFERM 30.000 wordt sterker negatief; ECOFERM 30.000+ laat TKBUTV=![]9]]]!4+-(&!%&#-5#-!*#6.&)#bg!TKBUTV=![]9]]]s!G..&!*+6!##*!>.6#-#!2VV!$ nog een magere IRR zien van 2%. De algenproductie heeft een positief operationeel resultaat door de toerekening van de vermeden mestkosten; dl9!"#!.G6#*,-+('/&)#!0##b&!##*!,+%)&)#b!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!(++-!(#!&+#-#5#*)*6!1. de warmtebonus is weggevallen. De elektriciteitsproductie is alleen met 1#->#(#*!>#%&5+%&#*g!(#!4.->&#N+*'%!)%!4#66#1.GG#*9!"#!#G#5&-)/)&#)&%,-+('/&)#!)%!.GG een beperkte covergisting in staat een positief operationeel resultaat te ##*!N#,#-5&#!/+1#-6)%&)*6!)*!%&..&!##*!,+%)&)#b!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!&#!N#0.G#*9!I)D5#* behalen. Kijkend naar de uitkomsten van de bedrijfseconomische doorrekening van ECOFERM met full scale mestontsluiting is duidelijk dat ')&5+>%&#*!1.*!(#!N#(-)Db%#/+*+>)%/0#!(++--#5#*)*6!1.*!TKBUTV=!>#&!b'GG!%/.G#! beperkte toevoeging van covergistingsmaterialen het model robuuster >#%&+*&%G')&)*6!)%!(')(#G)D5!(.&!N#,#-5&#!&+#1+#6)*6!1.*!/+1#-6)%&)*6%>.&#-).G#*!0#&!> maakt. Ook in geval van een beperking van de SDE-bijdrage is het mogelijk een positief operationeel resultaat te behalen. Echter de keuze -+N''%&#-!>..5&9!B+5!)*!6#1.G!1.*!##*!N#,#-5)*6!1.*!(#!E"TQN)D(-.6#!)%!0#&!>+6#G)D5!## voor covergisting vraagt wel een grote additionele investering (bijna ,+%)&)#b!+,#-.&)+*##G!-#%'G&..&!&#!N#0.G#*9!T/0&#-!(#!5#'$#!1++-!/+1#-6)%&)*6!1-..6&!4#G twee maal zoveel) en deze heeft daardoor een groter risico.
6-+&#!.(()&)+*#G#!)*1#%&#-)*6!;N)D*.!&4##!>..G!$+1##G@!#*!(#$#!0##b&!(..-(++-!##*!6-+&#
Gevoeligheid voor algenproductie: Worden de bedrijfseconomische ML( ! resultaten van ECOFERM robuuster als de algenproductie verhoogd
>#&!X]!&+*!(%!,#-!D..-9!! ! U?J43!RR9! '48243-,@4-D5?7?3a54!BPQ:B&V`!RK+KKK!47!BPQ:B&V`!RK+KKKh!822
wordt? Onderstaande tabel (tabel 33) geeft dezelfde berekening als in 8?7!D4!?3,47AL44A!G4/!=K!/27!D5!14
81
Tabel 33: Gevoeligheidsanalyse ECOFERM! 30.000 en ECOFERM! 30.000+ voor hogere productie van de algenkweek met 10 ton ds per ha per jaar.
! !
Een stijging van 10 ton per ha per jaar geeft zoals te verwachten een verbetering van het rendement, maar onvoldoende om in ECOFERM -#*(#>#*&S!>..-!+*1+G(+#*(#!+>!)*!TKBUTV=![]9]]]!##*!,+%)&)#b!-#*(#>#*&!&#!N#0.G#*9!"#! 30.000 een positief rendement te behalen. De uitkomsten van ECOFERM 30.000+ zijn in dit geval meer robuust. Het versterkt de ')&5+>%&#*!1.*!TKBUTV=![]9]]]s!$)D*!)*!()&!6#1.G!>##-!-+N''%&9!F#&!1#-%&#-5&!(#!/+*/G'%)#!(.&! conclusie dat beperkte covergisting de ECOFERM bedrijfseconoN#,#-5&#!/+1#-6)%&)*6!(#!TKBUTV=!N#(-)Db%#/+*+>)%/0!6#$)#*!##*!N#&#-#!)*1#%&#-)*6!>..5&9!! misch gezien een betere investering maakt. T#*!%&)D6)*6!1.*!X]!&+*!,#-!0.!,#-!D..-!6##b&!$+.G%!&#!1#-4./0&#*!##*!1#-N#&#-)*6!1.*!0#&!
!
MM(
82
6. De integrale ECOFERM!
Het integrale ECOFERM!-concept bestaat uit vier onderdelen, waarvan er twee in de voorgaande hoofdstukken aan bod zijn gekomen: de mestraffinaderij en de algenkwekerij. Daarnaast omvat het ECOFERM!-concept een varkenshouderij, die niet alleen vlees en mest levert, maar ook CO2, water(damp), ammoniak en (lichaams) warmte. En een warmtekrachtcentrale (WKK) die elektriciteit levert, hoogwaardige en laagwaardige warmte, NOx, waterdamp en ook weer CO2. De kunst is om de energie- en massastromen binnen en tussen de vier onderdelen zodanig op elkaar af te stemmen dat de met het voer aangevoerde biomassa energetisch optimaal wordt benut. In onderstaande spreadsheetberekeningen is op hoofdlijnen de integrale ECOFERM! doorgerekend. De resultaten van de uiteindelijk te bouwen ECOFERM! kunnen nog sterk afhangen van diverse deel oplossingen, maar voor het begrijpen van de hoofdlijn is dit niet essentieel. Fabrikanten of aanbieders van een ECOFERM! zullen uiteraard de concrete detailberekeningen met gecertificeerde en gevalideerde computerprogramma’s moeten doorvoeren voor de door hen gekozen lay-out.
6.1 Varkenshouderij Startpunt is het varken. Zonder het dier tekort te willen doen in zijn intrinsieke waarde, beschouwen we hem in dit verband vooral als een bioreactor die voer, water en zuurstof omzet in vlees, mest, warmte, waterdamp en CO2. Voor de energie- en materiaalstromen in het ECOFERM!-concept gaan we uit van een netwerk van varkenshoude-
83
84
rijen; in de praktijk betekent dat bijvoorbeeld zes bedrijven van 3000 varkensplaatsen en één centrale varkenshouderij met 5500 varkensplaatsen. Bij elkaar gaat het dan om 23.500 bioreactoren die in totaal ruim 30.000 ton/jaar mest produceren. Gemakshalve is voor de berekeningen echter één bedrijf van 23.500 varkensplaatsen genomen. Het varken als bioreactor
Een vleesvarken vreet in zijn opfokperiode van 25 kg tot 115 kg in 117 dagen gemiddeld 245 kilo voer (droge stof ), drinkt daarbij 540 liter water en neemt circa 192 kilo zuurstof op uit de lucht. In totaal gaat er dus 977 kilo aan brandstof, water en zuurstof in voor verbranding. Het varken produceert in die periode 90 kilo vlees, ruim 445 kilo mest en urine, 210 kilo CO2, 230 kilo water(damp), 2 kilo ammoniak en 505 kWh aan laagwaardige (lichaams)warmte. De gangbare praktijk is dat de vleesvarkens als big van ongeveer 25 kilo worden aangevoerd, soms van hetzelfde bedrijf, vaak ook van elders. Voor deze spreadsheetberekening zijn de varkens ingedeeld in vijf gewichtsklassen (tabel 34). Ongeveer vier maanden na binnenkomst verlaat het dier het bedrijf om te worden geslacht. Dan is het negentig kilo zwaarder geworden. Gemiddeld over de hele periode is dat ruim anderhalf pond per dag (770 gram/dag); de totale aanwas van de gehele stal is 6598 ton per jaar terwijl er jaarlijks 8430 ton aan varkens wordt afgevoerd. Tabel 34: Voer en drinken per varken (in kg per dag) en totaal voor 23.500 varkensplaatsen (in ton per jaar) in 5 gewichtsklassen tussen 25 en 115 kg.
varkens
voer
voer
drinken
drinken
klasse
aantal
kg/dag
ton/jaar
liter/dag
ton/jaar
25-43
4700
1,09
1866
2,7
4666
43-61
4700
1,60
2751
3,8
6601
61-79
4700
2,07
3550
4,8
8166
79-97
4700
2,64
4529
5,5
9511
97-115
4700
3,18
5455
6,4
10911
23500
2,12
18152
4,6
39854
In die vier maanden vreet het dier gemiddeld ruim twee kilo voer per dag en drinkt het 4,6 liter water per dag. Naast de extra kilo’s (de aanwas) is het voer is ook nodig voor een aantal vitale functies, zeg maar het aan de U?J43!RF9! (472D-,D4!474<,-4!-7!Vi.D!822
Tabel 35: Benodigde energie in MJ/d voor een varken per dag om zich warm te houden, te groeien, het voer en drinken op te warmen tot lichaamstemperatuur, en de spierarbeid. Een gemiddeld varken van 70 kg verbruikt 26,3 MJ/d.
! ! 2*!0#&!TKBUTV=WQ/+*/#,&!G#1#-&!0#&!*#&4#-5!1.*!1.-5#*%0+'(#-)D#*!>#&!d[9\]]!1.-5#*%,G..&%#*! In het ECOFERM!-concept levert het netwerk van varkenshouderijen +1#-!##*!0##G!D..-!-')>!Z[9]]]!1.-5#*%!.b9!<++-!0#&!1+#-#*!1.*!()#!1.-5#*%!)%!D..-G)D5%!X_9]]]!&+*! met 23.500 varkensplaatsen over een heel jaar ruim 73.000 varkens af. Voor het voeren van die varkens is jaarlijks 18.000 ton voer nodig, 1+#-!*+()6S!4..-1.*!-')>!X]9]]]!&+*!4+-(&!6#N-')5&!1++-!(#!1)&.G#!b'*/&)#%!#*!##*!5G#)*#![Z]]! waarvan ruim 10.000 ton wordt gebruikt voor de vitale functies en &+*!&+&!4+-(&!6#N-')5&!1++-!0#&!1G##%!;$)#!&.N#G![`@9!"..-*..%&!(-)*5#*!.GG#!1.-5#*%!%.>#*!N)D*.! een kleine 3700 ton tot wordt gebruikt voor het vlees (zie tabel 36). c]9]]]!&+*!4.&#-9!T#*!(##G!1.*!0#&!1+#-!#*!4.&#-!4+-(&!+>6#$#&!)*!'-)*#!#*!>#%&!;$)#!&.N#G![Z@S! ##*!.*(#-!(##G!%.>#*!>#&!0#&!1+#-!)*!0#&!,-+('/&!P1.-5#*R!;-')>!`]]]!&+*!..*4.%@9!?)D!(#! >#&.N+G#!+>$#&&)*6!1.*!1+#-!)*!1G##%!5+>#*!++5!KBd!#*!4.&#-(.>,!1-)D!;$)#!&.N#G![_@9!!
1-6-11 11:09
Opmerking: 89!1.*!:)#-#![XQX !
+1#-!##*!0##G!D..-!-')>!Z[9]]]!1.-5#*%!.b9!<++-!0#&!1+#-#*!1.*!()#!1.-5#*%!)%!D..-G)D5%!X_9]]]!&+*! >#&.N+G#!+>$#&&)*6!1.*!1+#-!)*!1G##%!5+>#*!++5!KB !#*!4.&#-(.>,!1-)D!;$)#!&.N#G![_@9!!
Opmerking: 89!1.*!:)#-#![XQXdQYY!]]7]] !
d
1+#-!*+()6S!4..-1.*!-')>!X]9]]]!&+*!4+-(&!6#N-')5&!1++-!(#!1)&.G#!b'*/&)#%!#*!##*!5G#)*#![Z]]!
!
&+*!&+&!4+-(&!6#N-')5&!1++-!0#&!1G##%!;$)#!&.N#G![`@9!"..-*..%&!(-)*5#*!.GG#!1.-5#*%!%.>#*!N)D*.!
U?J43!RY9!! (4<4A47-7,!8?7!D4!@248443@4-D!2<,?7-5*@!G?/4<-??3!-7!@4/!824
c]9]]]!&+*!4.&#-9!T#*!(##G!1.*!0#&!1+#-!#*!4.&#-!4+-(&!+>6#$#&!)*!'-)*#!#*!>#%&!;$)#!&.N#G![Z@S!
Daarnaast@4/!8?#*!>#&!0#&!1+#-!)*!0#&!,-+('/&!P1.-5#*R!;-')>!`]]]!&+*!..*4.%@9!?)D!(#! deel van het voer en water wordt omgezet in urine en mest (zie tabel >#&.N+G#!+>$#&&)*6!1.*!1+#-!)*!1G##%!5+>#*!++5!KB !#*!4.&#-(.>,!1-)D!;$)#!&.N#G![_@9!! 37), een ander deel samen met het voer din het product ‘varken’ (ruim ! 6000 ton aanwas). Bij de metabole omzetting van voer in vlees komen U?J43!RY9!! (4<4A47-7,!8?7!D4!@248443@4-D!2<,?7-5*@!G?/4<-??3!-7!@4/!824
85
@4/!8?
Tabel 36: Berekening van de hoeveelheid organisch materiaal in het voer die wordt verbrand door het varken voor de ! diverse functies.
! U?J43!RN9!! Q84<5*@2/!8?7!D<-7A47!47!824
! !
Tabel 37: Overschot van drinken en voer dat resulteert in bruto 31.675 ton/a mest.
U?J43!RN9!! Q84<5*@2/!8?7!D<-7A47!47!824
U?J43!R\9! O248443@4-D!-7,??7D!824
47!D<-7A47!47!51-4
C;;<5/2)!;-/!D4!3;*@/+! C;;<5/2)!;-/!D4!3;*@/+! C;;<5/2)!;-/!D4!3;*@/+!
!
!
!
!
! !
O?( O?(
! ! F#&!1.-5#*!$#&!(#!..*6#1+#-(#!#*#-6)#!1++-.G!+>!)*!;G)/0..>%@4.-> !B1#-&+GG)6#!4.->&#!
!
! ! 4+-(&!.b6#1+#-(!(++-!&-.*%,)-.&)#S!%&-.G)*6!#*!/+*1#/&)#9!"#!4.->&#+*&4)55#G)*6!)*!(#!%&.G!)%! Het varken zet de aangevoerde energie vooral om in (lichaams)warmte. Tabel 38: 6-++&!;$)#!&.N#G![Y@9!! Hoeveelheid ingaand voer dat F#&!1.-5#*!$#&!(#!..*6#1+#-(#!#*#-6)#!1++-.G!+>!)*!;G)/0..>%@4.-> !B1#-&+GG)6#!4.->&#! Overtollige warmte wordt afgevoerd door transpiratie, straling en F#&!1.-5#*!$#&!(#!..*6#1+#-(#!#*#-6)#!1++-.G!+>!)*!;G)/0..>%@4.-> !B1#-&+GG)6#!4.->&#! ! verbrand wordt voor metabole convectie. De warmteontwikkeling in de stal is groot (zie tabel 39). warmte, opwarming voer en drinken U?J43!RM9! (4<4A47D4!@248443@4-D!3;*@/!-7!447!5/?3!8?7!ER+FKK!8?&#+*&4)55#G)*6!)*!(#!%&.G!)%! 4+-(&!.b6#1+#-(!(++-!&-.*%,)-.&)#S!%&-.G)*6!#*!/+*1#/&)#9!"#!4.->&#+*&4)55#G)*6!)*!(#!%&.G!)%! en spierarbeid. Het organische deel (80%) wordt verbrand tot CO2 en 6-++&!;$)#!&.N#G![Y@9!! 6-++&!;$)#!&.N#G![Y@9!! H2 O met zuurstof uit de lucht. !
!
Tabel 39: U?J43!RM9! (4<4A47D4!@248443@4-D!3;*@/!-7!447!5/?3!8?7!ER+FKK!8?
! ! "#!%&.G!>+#&!('%!6+#(!4+-(#*!N#G'/0&S!4.*&!.*(#-%!5-)D6#*!(#!()#-#*!0#&!1##G!&#!0##&!#*!5'**#*! De stal moet dus goed worden belucht, want anders krijgen de dieren het $#!$#Gb%!%&)55#*9!T-!)%!##*!G'/0&(#N)#&!*+()6!1.*!+*6#1##-!XSd!>)GD+#*!5'N)#5#!>#&#-!,#-!''-S!#*! veel te heet en kunnen ze zelfs stikken. Er is een luchtdebiet nodig van ,#-!D..-!>+#&!#-!N)D*.!X[Sc!>)GD+#*!&+*!G'/0&!(#!%&.G!)*!4+-(#*!6#NG.$#*9!"..-1.*!)%!%G#/0&%!`Z9]]]! ongeveer 1,2 miljoen kubieke meter per uur, en per jaar moet er bijna 13,4 miljoen ton lucht de stal in worden geblazen. Daarvan is slechts 67.000 &+*!*+()6!.G%!1#-N-.*()*6%G'/0&9!k+>#-!+b!4)*&#-!>..5&!+1#-)6#*%!0##G!1##G!1#-%/0)G9!"#! G'/0&%*#G0#)(!+*(#-!6#>)((#G(#!/+*()&)#%!)%!XSc!/>!,#-!%#/+*(#9!"#!1#*&)G.&)#!,#-!,G..&%!)%!-')>! \]!5'N)#5#!>#&#-!,#-!''-9!
!
86
ton nodig als verbrandingslucht. Zomer of winter maakt overigens heel veel verschil. De luchtsnelheid onder gemiddelde condities is 1,4 cm per seconde. De ventilatie per plaats is ruim 50 kubieke meter per uur.
8?##-!%,#/)b)#5!5)D5#*!*..-!%&)5%&+b!;3@!#*!b+%b+-!;L@!.G%!N#G.*6-)D5#!*'&-)e*&#*!1++-!(#! .G6#*!;$)#!&.N#G!c]@S!$)#*!4#!(.&!#-!D..-G)D5%!-')>!\]]!&+*!%&)5%&+b!..*!(#!1.-5#*%!4+-(&!6#1+#-(!)*! Figuur 33: Als we wat meer specifiek kijken naar stikstof (N) en fosfor (P) als (#!1+->!1.*!#)4)&9!T#*!(##G!#-1.*!;X`Y!&+*@!5+>&!&#-#/0&!)*!0#&!1G##%S!(#!-#%&!;[\c!&+*@!4+-(&! Alles bij elkaar opgeteld, gaan er belangrijke nutriënten voor de algen (zie tabel 40), zien we dat er jaarjaarlijks 73.000 biggen, 18.000 ton ')&6#%/0#)(#*!)*!(#!%&.GG'/0&!#*!)*!(#!>#%&9!2*!(#!>#%&-.bb)*.(#-)D!4+-(&!##*!(##G!1.*!(#!%&)5%&+b! lijks ruim 500 ton stikstof aan de varkens wordt gevoerd in de vorm voer, 40.000 ton water en 13 miljoen ton lucht de varkensstal in. Dat levert )*!(#!>#%&!&#-'66#4+**#*9!! van eiwit. Een deel ervan (169 ton) komt terecht in het vlees, de rest ruim 8000 ton gemeste varkens op, (354 ton) wordt uitgescheiden in de stallucht en in de mest. In de ruim 17.000 ton waterdamp, bijna !15.000 ton CO2 en ruim 30.000 ton mestraffinaderij wordt een deel van de stikstof in de mest terugmest met een drogestofgehalte van gewonnen. U?J43!HK9!! Z24<217?G4!47!4]*<4/-4!8?7!$!47!X+! circa tien procent.
! !
Tabel 40: Stikstofwinning volgens het Sustec-procedé leidt in het ECOFERM!Voeropname en excretie van N en P. E&)5%&+b4)**)*6!1+G6#*%!0#&!E'%&#/Q,-+/#(q!G#)(&!)*!0#&!TKBUTV=WQ/+*/#,&!&+&!##*!+-&!..*! concept tot een tekort aan stikstof. Dit komt omdat de stikstof uit de
mest voor 30% in de dikke fractie zit en voor 70% in de dunne %&)5%&+b9!")&!5+>&!+>(.&!(#!%&)5%&+b!')&!(#!>#%&!1++-![]l!)*!(#!()55#!b-./&)#!$)&!#*!1++-!Z]l!)*!(#! fractie. Daarvan is slechts een deel ammoniumstikstof die in ammoni('**#!b-./&)#9!"..-1.*!)%!%G#/0&%!##*!(##G!.>>+*)'>%&)5%&+b!()#!)*!.>>+*).5!5.*!4+-(#*! ak kan worden omgezet en vervolgens gestript. Als bovendien alleen is er ook een tekort aan de CO2 uit de WKK zou wordendgebruikt, +>6#$#&!#*!1#-1+G6#*%!6#%&-),&9!HG%!N+1#*()#*!.GG##*!(#!KB !')&!(#!OII!$+'!4+-(#*!6#N-')5&S!)%! #-!++5!##*!+-&!..*!KBd9!T#*!1)&.G#!+,&)#!1++-!0#&!/+*/#,&!)%!(.*!++5!0#&!4.%%#*!1.*!(#!
CO2. Een vitale optie voor het concept is dan ook het wassen van de stallucht met water uit de algenkwekerij in een fotobioreactor. Op die manier kun je extra stikstof oogsten in de vorm van ammoniak, evenals de aanzienlijke hoeveelheid CO2 uit de stallucht. Beide zijn een belangrijke voedingsbron voor de algen. Het concept sluit bovendien aan op toekomstige milieu-eisen om stallucht vergaand te reinigen. Een bijkomend voordeel is dat het kweekwater voor de algen wordt voorverwarmd, terwijl tegelijkertijd de stal wordt gekoeld. Voor fosfor is er geen tekort. Het wordt als fosfaat (PO4-) aan het voer toegevoegd. Omgerekend gaat het om 85 ton fosfor (P) per jaar. Daarvan wordt een derde gebruikt voor de aanwas van het varken en komt tweederde in de mest terecht. Het kan worden geoogst door het neer te slaan.
6.2 Mestverwerking Voor de praktijksituatie zijn de volgende stappen voorzien voor de mestraffinaderij (zie Hoofdstuk 1): Decentraal: Scheiden van de mest in een dikke en dunne fractie, gevolgd door omgekeerde osmose voor de afscheiding van water. Dit water blijkt een gelige kleur te hebben en riekt enigszins naar ammoniak. Aansluitend moet daarom een tweede omgekeerde osmose-stap plaatsvinden om er drinkwater van te maken. Een andere mogelijkheid is om het afgescheiden water in de fotobioreactor te gebruiken om de algen te kweken. De brijn en de dikke fractie worden naar de centrale locatie gestuurd voor mestraffinage en vergisting. Centraal: Scheiden van lokale mest in een dikke en dunne fractie; samenvoegen en mengen van de decentraal aangevoerde brijn met de lokaal geproduceerde dunne fractie en strippen van dit mengsel voor winnen van stikstof. Aansluitend water afscheiden via omgekeerde osmose; ontsluiten van de aangevoerde en lokaal geproduceerde dikke fracties door verhogen van de temperatuur en toevoegen van kalkmelk. Vergisten van de ontsloten mest, gevolgd door het scheiden van het digistaat in een dikke en dunne fractie. Behandelen dunne fractie voor het afscheiden van fosfor door precipitatie. De berekeningen voor de integrale ECOFERM! zijn uitgevoerd als ware het netwerk van varkenshouderijen één groot bedrijf met 23.500 varkens, dat jaarlijks ruim 30.000 ton vleesvarkensmest levert (zie tabel 41). Scheiden van die mest is in de spreadsheet gedaan met een schroefpers, en dat levert een dikke fractie op van ruim 3000 ton met een drogestofgehalte van 37 procent. De dunne fractie heeft een drogestofgehalte van vijf procent en heeft een gewicht van 27.000 ton (zie tabel 42). Aan de dunne fractie wordt natronloog toegevoegd, waardoor de pH stijgt. Dat maakt het mogelijk om CO2 en een deel van de stikstof (N) in de vorm van ammoniak eruit te ‘strippen’. Dat gebeurt met stoom. Op die manier kan op jaarbasis ruim honderd ton stikstof worden geoogst; bijna de helft van de stikstof die in de mest aanwezig is (zie tabel 43).
87
88
Via omgekeerde osmose wordt de dunne fractie vervolgens gescheiden in redelijk zuiver water en een concentraat (brijn) met een drogestofgehalte van een kleine twintig procent (zie tabel 44). De brijn wordt samengevoegd met de dikke fractie uit de mestscheiding. Afhankelijk van de kleur en geur (ammoniak) moet het water (permeaat) mogelijk nog een tweede maal gezuiverd worden via omgekeerde osmose. Een alternatief is om het te gebruiken als proceswater voor de algenteelt.
Tabel 41: Berekende samenstelling vleesvarkensmest voor een stal met 23.500 varkens. ! ! U?J43!HE9! (4<4A47D!<45;3/??/!8?7!D4!D-A[D;7[5*@4-D-7,!G+J+8+!447!5*@<24)14<5+!O4/!D5[,4@?3/4!-7!D4! D;774!)
!
!
Tabel 42: Berekend resultaat van de dik-dunscheiding m.b.v. een schroefpers. Het ds-gehalte in de dunne fractie wordt 5,64%, in de dikke fractie 37,15%. In totaal gaat 3331 ton in de dikke fractie en 26.954 ton in de dunne fractie.
U?J43!HE9! (4<4A47D!<45;3/??/!8?7!D4!D-A[D;7[5*@4-D-7,!G+J+8+!447!5*@<24)14<5+!O4/!D5[,4@?3/4!-7!D4! D;774!)
! !
Tabel 43: Stoomstrippen van de dunne fractie voor NH4 -N winning waarbij 107 ton/a N wordt gewonnen.
U?J43!HR9! >/22G5/<-1147!8?7!D4!D;774!)/22G5/<-1147!8?7!D4!D;774!)
! !
!
!
OJ(
U?J43!HH9! >*@227!L?/4
OJ(
! !
!
!
U?J43!HH9! U?J43!HH9! >*@227!L?/4*@227!L?/4
Tabel 44: Schoon water (23.124 ton/jaar) en zoutconcentraat (7607 ton/jaar) uit de RO.
!
! !
!
!
!
U?J43!HF9! U?J43!HF9! V45/27/53;-/-7,!G4/!L?
!
Tabel 45: Mestontsluiting met warmte uit de gasmotor en kalkmelktoevoeging.
OL( OL(
! !
Dikke fractie (en eventueel brijn) wordt ontsloten door het toevoegen ")55#!b-./&)#!;#*!#1#*&'##G!N-)D*@!4+-(&!+*&%G+&#*!(++-!0#&!&+#1+#6#*!1.*!5.G5>#G5!#*!0#&! van kalkmelk en het verwarmen tot 90 graden (zie tabel 45). Daarna 1#-4.->#*!&+&!Y]!6-.(#*!;$)#!&.N#G!c\@9!"..-*.!4+-(&!0#&!>#*6%#G!1#-6)%&S!4..-N)D!4#!#-1.*! wordt het mengsel vergist, waarbij we ervan uitgaan dat door de ')&6..*!(.&!(++-!(#!+*&%G')&)*6!)*!&+&..G!+*6#1##-!`]l!1.*!(#!+-6.*)%/0#!b-./&)#!4+-(&!+>6#$#&! ontsluiting in totaal ongeveer 60% van de organische fractie wordt )*!N)+6.%!)*!,G..&%!1.*!(#!6.*6N.-#!c]l9!2*!(#!4.->-./0&/#*&-.G#!4+-(&!0#&!N)+6.%! omgezet in biogas in plaats van de gangbare 40%. In de warmte1#-1+G6#*%!+>6#$#&!)*!#G#5&-)/)&#)&S!0++64..-()6#!4.->&#!;\]]!6-.(#*@S!G..64..-()6#!4.->&#! krachtcentrale wordt het biogas vervolgens omgezet in elektriciteit, ;X]]!6-.(#*@!#*!%&-.G)*6%4.->&#!;$)#!b)6''-![c@9!"#!-++56.%%#*!N#1.&&#*!4.&#-(.>,S!KBd!#*! hoogwaardige warmte (500 graden), laagwaardige warmte (100 %&)5%&+b+f)(#*S!#*!1+->#*!(..->##!##*!N#G.*6-)D5#!N-+*!1.*!*'&-)e*&#*!1++-!(#!.G6#*9! graden) en stralingswarmte (zie figuur 34). De rookgassen bevatten ! waterdamp, CO2 en stikstofoxiden, en vormen daarmee een belangrij#7824,47!:-,;;![9]]]9]]]!5O0M.9!B>! ruim 3.000.000 kWh/a. Om de productie van biogas, en daarmee van (#!,-+('/&)#!1.*!N)+6.%S!#*!(..->##!1.*!#G#5&-)/)&#)&!#*!4.->&#S!&#!1#-6-+&#*S!)%!++5!6#5#5#*! elektriciteit en warmte, te vergroten, is ook gekeken naar covergisting *..-!/+1#-6)%&)*6!(++-!&+#1+#6#*!1.*!Y]]]!&+*!N#->6-.%S!5')5#*>#%&S!AUCQ.b1.G!+b!##*!>#*6%#G! door toevoegen van 9000 ton bermgras, kuikenmest, GFT-afval of 1.*!()#!(-)#!%&+bb#*!;$)#!&.N#G!c`@9!?)D!/+1#-6)%&)*6!1.*!5')5#*>#%&!G#)(&!(.&!&+&!##*! een mengsel van die drie stoffen (zie tabel 46). Bij covergisting van kuikenmest leidt dat tot een verdrievoudiging van de elektriciteitspro1#-(-)#1+'()6)*6!1.*!(#!#G#5&-)/)&#)&%,-+('/&)#!#*!N)D!6#N-')5!1.*!N#->6-.%!&+&!>##-!(.*!##*! ductie en bij gebruik van bermgras tot meer dan een verdubbeling. 1#-('NN#G)*69!! ! U?J43!HY9! (4<4A47D4!-78324D!8?7!MKKK!/27.?!*284<,-5/-7,!8?7!J4
")55#!b-./&)#!;#*!#1#*&'##G!N-)D*@!4+-(&!+*&%G+&#*!(++-!0#&!&+#1+#6#*!1.*!5.G5>#G5!#*!0#&! 1#-4.->#*!&+&!Y]!6-.(#*!;$)#!&.N#G!c\@9!"..-*.!4+-(&!0#&!>#*6%#G!1#-6)%&S!4..-N)D!4#!#-1.*! ')&6..*!(.&!(++-!(#!+*&%G')&)*6!)*!&+&..G!+*6#1##-!`]l!1.*!(#!+-6.*)%/0#!b-./&)#!4+-(&!+>6#$#&! Figuur 34: Vergisting van de organische fractie tot CH4 en CO2 .
)*!N)+6.%!)*!,G..&%!1.*!(#!6.*6N.-#!c]l9!2*!(#!4.->-./0&/#*&-.G#!4+-(&!0#&!N)+6.%! 1#-1+G6#*%!+>6#$#&!)*!#G#5&-)/)&#)&S!0++64..-()6#!4.->&#!;\]]!6-.(#*@S!G..64..-()6#!4.->&#! ;X]]!6-.(#*@!#*!%&-.G)*6%4.->&#!;$)#!b)6''-![c@9!"#!-++56.%%#*!N#1.&&#*!4.&#-(.>,S!KBd!#*! %&)5%&+b+f)(#*S!#*!1+->#*!(..->##!##*!N#G.*6-)D5#!N-+*!1.*!*'&-)e*&#*!1++-!(#!.G6#*9! ! #7824,47!:-,;;![9]]]9]]]!5O0M.9!B>! (#!,-+('/&)#!1.*!N)+6.%S!#*!(..->##!1.*!#G#5&-)/)&#)&!#*!4.->&#S!&#!1#-6-+&#*S!)%!++5!6#5#5#*! *..-!/+1#-6)%&)*6!(++-!&+#1+#6#*!1.*!Y]]]!&+*!N#->6-.%S!5')5#*>#%&S!AUCQ.b1.G!+b!##*!>#*6%#G! 1.*!()#!(-)#!%&+bb#*!;$)#!&.N#G!c`@9!?)D!/+1#-6)%&)*6!1.*!5')5#*>#%&!G#)(&!(.&!&+&!##*! 1#-(-)#1+'()6)*6!1.*!(#!#G#5&-)/)&#)&%,-+('/&)#!#*!N)D!6#N-')5!1.*!N#->6-.%!&+&!>##-!(.*!##*! 1#-('NN#G)*69!! ! U?J43!HY9! (4<4A47D4!-78324D!8?7!MKKK!/27.?!*284<,-5/-7,!8?7!J4
Tabel 46: Berekende invloed van 9000 ton/a covergisting van bermgras, kuikenmest en GFT op de elektriciteitsproductie van een ECOFERM! met circa 30.000 ton/a ontsloten vleesvarkensmest.
! !
Na vergisten wordt de massa opnieuw gescheiden in een dikke en een dunne fractie. Aannemende dat er bij de vergisting nogmaals stikstof OM( ! vastgelegd in de vorm van ammonium, is kan het zinnig zijn om ook deze dunne fractie te strippen met stoom mits de viscositeit dit toelaat. Strippen kan ook worden overwogen na de fosfaatprecipitatie, want dan is het ds-gehale, en daarmee de viscositeit, aanzienlijk gedaald. Berekend is dat dit op jaarbasis nog eens ruim vijftig ton N op kan leveren (zie tabel 47). Aan de dunne fractie wordt kalkmelk toegevoegd, waardoor fosfor neerslaat als calciumfosfaat. Het bezinksel bevat bovendien calciumcarbonaat en organische stof (zie tabel 48). Na 145 t/a Ca(OH)2 toevoeging wordt 1278 ton/a bezinksel afgescheiden met 639 t/a H2O, 311 t/a CaCO3, 224 t/a meesleep (org + as) en 103 t/a CaHPO4. Na decanteren kan het bezinksel in principe als voedsel naar de algenvijvers, waarbij wel moet worden overwogen dat de meesleep bacteriën kan bevatten. De dikke en de dunne fractie worden samengevoegd, ingedampt en verkocht als kunstmest (zie tabel 49). Er kan ook worden overwogen om het toe te leveren aan een kolenvergasser voor co-vergassing. Eventueel zou je het mengsel van dikke en dunne fractie kunnen navergisten om nog wat meer elektriciteit en warmte te produceren. Nader onderzoek moet uitwijzen of dat de moeite loont.
-')>!1)Db&)6!&+*!3!+,!5.*!G#1#-#*!;$)#!&.N#G!cZ@9!! ! U?J43!HN9! >*@4-D-7,!D-A[D;7!8?7!kk7G??3!84<,-5/4!834458?
Tabel 47: Scheiding dik-dun van éénmaal vergiste vleesvarkensmest.
( (
( ! H.*!(#!('**#!b-./&)#!4+-(&!5.G5>#G5!&+#6#1+#6(S!4..-(++-!b+%b+-!*##-%G..&!.G%!/.G/)'>b+%b..&9! F#&!N#$)*5%#G!N#1.&!N+1#*()#*!/.G/)'>/.-N+*..&!#*!+-6.*)%/0#!%&+b!;$)#!&.N#G!c_@9!3.!Xc\!&M.! K.;BF@d!&+#1+#6)*6!4+-(&!XdZ_!&+*M.!N#$)*5%#G!.b6#%/0#)(#*!>#&!`[Y!&M.!FdBS![XX!&M.!K.KB[S! ddc!&M.!>##%G##,!;+-6!s!.%@!#*!X][!&M.!K.FLBc9! ! U?J43!H\9! ^?3AG43A/24824,-7,!47!J4C-7A-7,!8?7!447!G47,543!8?7!P?PQRI!2<,?7-5*@4!5/2)h?5!47! P?OXQHI!L??<7?!NNEM!/27!D;774!)
OO(
( !
Tabel 48: Kalkmelktoevoeging en bezinking van 3.!(#/.*&#-#*!5.*!0#&!N#$)*5%#G!)*!,-)*/),#!.G%!1+#(%#G!*..-!(#!.G6#*1)D1#-%S!4..-N)D!4#G!>+#&! een mengsel van CaCO3 , organische stof+as en CaHPO4 , waarna 7729 4+-(#*!+1#-4+6#*!(.&!(#!>##%G##,!N./&#-)e*!5.*!N#1.&&#*9!"#!()55#!#*!(#!('**#!b-./&)#! ton dunne fractie resteert.
4+-(#*!%.>#*6#1+#6(S!)*6#(.>,&!#*!1#-5+/0&!.G%!5'*%&>#%&!;$)#!&.N#G!cY@9!T-!5.*!++5!4+-(#*! +1#-4+6#*!+>!0#&!&+#!&#!G#1#-#*!..*!##*!5+G#*1#-6.%%#-!1++-!/+Q1#-6.%%)*69!T1#*&'##G!$+'!D#! 0#&!>#*6%#G!1.*!()55#!#*!('**#!b-./&)#!5'**#*!*.1#-6)%&#*!+>!*+6!4.&!>##-!#G#5&-)/)&#)&!#*! 4.->&#!&#!,-+('/#-#*9!3.(#-!+*(#-$+#5!>+#&!')&4)D$#*!+b!(.&!(#!>+#)&#!G++*&9! ! U?J43!HM9! !O248443@4-D!47!5?G475/433-7,!8?7!D<2,4!<45/G45/+!
Tabel 49: Hoeveelheid en samenstelling van de natte fractie (a) en de droge restmest (b).
(a)
(b) Tabel 49: Hoeveelheid en samenstelling van de natte fractie (a) en de droge restmest (b).
6.3 Algenkwekerij Zoals beschreven in Hoofdstuk 2 is onderzoek gedaan naar een hybride algenkwekerij als onderdeel van het ECOFERM!-concept. De opbrengst wordt door Ingrepro geschat op 40 tot 60 ton per hectare per jaar, afhankelijk van de verhouding tussen fotobioreactor en open vijver (HRAP). De omega-3-vetzuren in algen zullen naar verwachting leiden tot een betere kwaliteit varkensvlees. In het ECOFERM!-concept worden de voedingsstoffen voor de algen (CO2, stikstof en fosfor) geleverd door de varkens − hetzij via de stallucht, hetzij via de mestraffinaderij (zie tabel 50). Daarnaast komen nog CO2 en stikstof (NOx) vrij bij het omzetten van biogas in elektriciteit en warmte. In totaal is er ruim voldoende CO2, zeker bij covergisting (zie tabel 51) en voldoende fosfor (P). De beperkende factor voor de algenproductie is, zoals eerder opgemerkt, stikstof (N). Dat moet eventueel worden bijgekocht.
! U?J43!FK9!! (45*@-AJ??<@4-D!8?7!PQEI!$!47!X!;-/!D4!5/?3!47!D4!G45/84
! ! U?J43!F=9! (45*@-AJ??<@4-D!8?7!PQEI!$!47!X!;-/!D4!5/?3!47!D4!G45/84
Beschikbaarheid van CO2 , N en P uit de stal en de mestverwerking met 9000 ton covergisting.
*284<,-5/-7,+!
!
6.4* + K + / B - = = 1 ( ( ! Decentraal B>(.&!##*!6-++&!(##G!1.*!KB S!4.&#-;(.>,@!#*!4.->&#!4+-(&!6#G#1#-(!(++-!(#!1.-5#*%!)*!(#! LNH
LNH
*+K+/B-==1((
d
%&.GS!)%!#-!++5!6#5#5#*!*..-!0#&!(#/#*&-..G!54#5#*!1.*!.G6#*!(++-!b+&+N)+-#./&+-#*!&#!5+,,#G#*! Omdat een groot deel van CO , water(damp) en warmte wordt gele2
..*!N#%&..*(#!1.-5#*%0+'(#-)D#*9!^)&6.*6%,'*&!)%!##*!1.-5#*%0+'(#-)D!>#&![]]]!()#-#*9!"#! verd door de varkens in de stal, is er ook gekeken naar het decentraal B>(.&!##*!6-++&!(##G!1.*!KBdS!4.&#-;(.>,@!#*!4.->&#!4+-(&!6#G#1#-(!(++-!(#!1.-5#*%!)*!(#! kweken van algen door fotobioreactoren te koppelen aan bestaande &+&.G#!*'&&)6#!4.->&#%&-++>!1.*!(#!5+#GQ!#*!1#-N-.*()*6%G'/0&!1.*!(#!1.-5#*%G)D1#*!4+-(&! %&.GS!)%!#-!++5!6#5#5#*!*..-!0#&!(#/#*&-..G!54#5#*!1.*!.G6#*!(++-!b+&+N)+-#./&+-#*!&#!5+,,#G#*! varkenshouderijen. Uitgangspunt is een varkenshouderij met 3000 %.>#*!>#&!(#!*'&-)e*&#*!KB dS!.>>+*).5!#*!4.&#-(.>,!1).!##*!/+>,-#%%+-!)*!##*! ..*!N#%&..*(#!1.-5#*%0+'(#-)D#*9!^)&6.*6%,'*&!)%!##*!1.-5#*%0+'(#-)D!>#&![]]]!()#-#*9!"#! dieren. De totale nuttige warmtestroom van de koel- en verbrandingsb+&+N)+-#./&+-!6#G#)(9!"#$#!N#%&..&!')&!##*!..*&.G!0+-)$+*&..G!6#,G..&%&#S!&-.*%,.-.*&#!N')$#*!)*! lucht van de varkenslijven wordt samen met de nutriënten CO2, &+&.G#!*'&&)6#!4.->&#%&-++>!1.*!(#!5+#GQ!#*!1#-N-.*()*6%G'/0&!1.*!(#!1.-5#*%G)D1#*!4+-(&! ##*!5.%S!()#!4.&#-!>#&!.G6#*!N#1.&&#*9!"++-!(#!%&.GG'/0&!#-(++-0##*!&#!N+--#G#*S!4+-(&!0#&! ammoniak en waterdampdS!.>>+*).5!#*!4.&#-(.>,!1).!##*!/+>,-#%%+-!)*!##*! via een compressor in een fotobioreactor %.>#*!>#&!(#!*'&-)e*&#*!KB 4.&#-!+,!&#>,#-.&''-!6#0+'(#*!#*!G+%%#*!(#!*'&-)e*&#*!+,S!$+(.&!$#!N#%/0)5N..-!5+>#*!1++-! geleid. Deze bestaat uit een aantal horizontaal geplaatste, transparante b+&+N)+-#./&+-!6#G#)(9!"#$#!N#%&..&!')&!##*!..*&.G!0+-)$+*&..G!6#,G..&%&#S!&-.*%,.-.*&#!N')$#*!)*! buizen in een kas, die water met algen bevatten. Door de stallucht (#!.G6#*!;$)#!b)6''-![\@9! ##*!5.%S!()#!4.&#-!>#&!.G6#*!N#1.&&#*9!"++-!(#!%&.GG'/0&!#-(++-0##*!&#!N+--#G#*S!4+-(&!0#&! erdoorheen te borrelen, wordt het water op temperatuur gehouden en PQ( !4.&#-!+,!&#>,#-.&''-!6#0+'(#*!#*!G+%%#*!(#!*'&-)e*&#*!+,S!$+(.&!$#!N#%/0)5N..-!5+>#*!1++-!
lossen de nutriënten op, zodat ze beschikbaar komen voor de algen (zie figuur 35). (#!.G6#*!;$)#!b)6''-![\@9! !
PQ(
Figuur 35: Voeding van algen met CO2 , warmte, ammoniak en waterdamp uit de stal.
Om enig gevoel te krijgen voor de grootte van zo’n fotobioreactor is een globale berekening uitgevoerd. Bij een definitief ontwerp zal dit uiteraard veel nauwkeuriger moeten gebeuren, maar voor deze analyse is vooral de beeldvorming van belang. Het gaat hierbij om de bewustwording dat de fotobioreactor een significante afmeting heeft, en dat het niet een paar buizen zijn aan de kopse kant van de stal. Onderstaande spreadsheetberekening geeft enig gevoel voor deze afmetingen.
Tabel 52: Afschaffing ….. varkens. Tabel 52: Afschatting van de afmetingen van een fotobioreactor voor een stal van 3000 varkens.
De gegevens in tabel 52 zijn gebaseerd op jaarrond berekeningen. Er is echter een groot verschil tussen zomer en winter. In de zomer moet er zeer veel ventilatielucht in de stal worden geblazen om de temperatuur op 23 oC te houden. Dat betekent dat er ook een enorme hoeveelheid lucht uit de stal komt, zo’n 150.000 kubieke meter per uur. Als dat debiet door de buizen van de fotobioreactor moet worden geborreld, dan geeft dat problemen. Afblazen van het overschot aan stallucht (met warmte en nutriënten) is niet erg duurzaam; beter is het om het extra volume te gebruiken voor het doorborrelen van een open algenvijver, die in dezelfde kas kan worden aangelegd. De afmetingen van de kas zouden zodanig moeten zijn dat de temperatuur jaarrond op gemiddeld 17 oC kan worden gehouden door de lichaamswarmte van de varkens, als de stal geïsoleerd is. Ook de ECOFERM! ontkomt echter niet aan de wisseling der seizoenen. Uitgaande van een dubbeldeks geïsoleerde kas, gemaakt van de kunststof Lexan, kan deze in een gemiddeld winterseizoen slechts een
Tabel 53: Luchtdebiet 2in de winter.
oppervlak van 8000 m hebben om hem op 17 oC te kunnen houden (zie tabel 53). In het voor- en najaar zou hij 20.000 m2 oppervlak kunnen hebben. Zelfs bij dat oppervlak kan de temperatuur oplopen tot 35 oC als gevolg van de variatie in zonne-instraling.
Tabel 53: Luchtdebiet in de winter.
Desondanks lijkt het mogelijk om zelfs een decentrale varkenshouderij met 3000 dieren (oppervlak 3200 m 2) te combineren met een aanliggende kas van circa 10.000 m 2, die zowel een buizenstelsel bevat, de fotobioreactor als twee vijvers: een hybride fotobioreactor als invoer voor een hybride algenkwekerij (artist impression; zie figuren 36 en 37). Figuur 36: Impressie van de varkensstal met kas voor de PBR en overkapping voor de HRAP.
Figuur 37: Artist’s impression van een decentrale ECOFERM! met aanliggende kas waarin een PBR en een algenvijver zijn geprojecteerd.
6.5 Energieproductie Bij de huidige opzet – zonder covergisting – is de productie van elektriciteit uit biogas onvoldoende om de behoefte van de
96
Tabel 54: Opwekking en eigen verbruik van een ECOFERM! met circa 30.000 ton/a vleesvarkensmest, een mestverwerkingunit, een vergister met 430 kW gasmotor en een algenkwekerij van 39 ha voor 2066 ton/a Chlorella. (excl. eigenverbruik varkenshouderij).
ECOFERM! te dekken (zie tabel 54). Covergisting met bermgras, kuikenmest en/of GFT-afval leidt tot een overschot aan elektriciteit dat teruggeleverd kan worden aan het net. Covergisting kan ook helpen om het tekort aan stikstof te verkleinen door te kiezen voor stikstofrijk organisch afval. Hoewel dat tot vier keer zoveel stikstof (N) kan bevatten als drijfmest van vleesvarkens, valt de opbrengst tegen. De extra elektriciteit die het oplevert en die van ECOFERM! een netto energieleverancier maakt, maakt covergisting toch de moeite waard.
!
6.6 LNL 9/B+0-=B.+( Integratie
Op basis van de energie- en massastromen in en tussen de vier B,!N.%)%!1.*!(#!#*#-6)#Q!#*!>.%%.%&-+>#*!)*!#*!&'%%#*!(#!1)#-!+*(#-(#G#*!5.*!# onderdelen kan er – op papier − een geïntegreerde opzet van het ##*!6#i*-##-(#!+,$#&!1.*!0#&!TKBUTV=WQ/+*/#,&!4+-(#*!6#>..5&9!A#N-')5 ECOFERM!-concept worden gemaakt. Gebruik van CO2 uit de stal%&.GG'/0&!#*!')&!1#-6)%&#-!.**#f!4.->-./0&/#*&-.G#!$+-6&!(.&!#-!>##-!(.*!1+G( lucht en uit vergister annex warmtekrachtcentrale zorgt dat er meer dan voldoende koolstof beschikbaar is. Zonder covergisting kan er N#%/0)5N..-!)%9!k+*(#-!/+1#-6)%&)*6!5.*!#-!-')>!d]]]!&+*!.G6#*!,#-!D..-!4+-(#*!6 ruim 2000 ton algen per jaar worden geproduceerd. De hoeveelheid "#!0+#1##G0#)(!b+%b+-!')&!(#!>#%&-.bb)*.(#-)D!)%!++5!-')>!1+G(+#*(#9!F+#4#G!++5 fosfor uit de mestraffinaderij is ook ruim voldoende. Hoewel ook de stikstof uit de stallucht wordt benut, is er nog steeds een tekort aan (#!%&.GG'/0&!4+-(&!N#*'&S!)%!#-!*+6!%&##(%!##*!+-&!..*!%&)5%&+b!1.*!/)-/.!d\]!&+ stikstof van circa 250 ton op jaarbasis. k+*(#-!/+1#-6)%&)*6!)%!#-!##*!+-&!..*!#G#5&-)/)&#)&!1.*!/)-/.!Z]]9]]]!5O0!,#-!D.
[_@9!<)*(&!#-!/+1#-6)%&)*6!,G..&%!;Y]]]!&+*!+,!D..-N.%)%@S!(.*!4+-(&!#-!4#G!-')>!1+
#G#5&-)/)&#)&!6#,-+('/##-(9!T-!)%!$#Gb%!##*!+1#-%/0+&!1.*!d!>)GD+#*!5O09!"#!#f&-.
6.%>+&+-!)%!1+G(+#*(#!+>!0#&!.-#..G!.G6#*!&#!1#-6-+&#*!1.*![Y!&+&!c\!0#/&.-#!>
,-+('/&)#!1.*!dc]]!&+*9!k#Gb%!1++-!()#!0+#1##G0#)(!N#1.&!(#!>#%&!1+G(+#*(#!b+% %&)5%&+b+-&!G++,&!#/0&#-!1#-(#-!+,!;$)#!b)6''-
