GrasKracht: procestechnisch overzicht
1
Inhoud 1
Waarom gras en het project GrasKracht? ....................................................................................4
2
Gras als substraat voor (co-)vergisting.........................................................................................4
3
Maaitechnieken ..........................................................................................................................5
4
5
6
3.1
Cirkelmaaier ........................................................................................................................5
3.2
Klepelmaaier .......................................................................................................................6
3.3
Trommelmaaier ...................................................................................................................7
3.4
Schijvenmaaier ....................................................................................................................7
3.5
Spiraalmulchmaaier .............................................................................................................8
3.6
Maaibalk .............................................................................................................................9
Verzamelen en ruimen van maaisel ........................................................................................... 10 4.1
Verzamelen en ruimen van klepel- en cirkelmaaisel ........................................................... 10
4.2
Verzamelen van maaisel voor andere maaitoestellen: cirkelschudders en wiersmachines.. 11
4.3
Ruimen van het maaisel voor andere maaitoestellen ......................................................... 11
Zuiveringstechnieken ................................................................................................................ 12 5.1
Uitzuivering ter plaatse alvorens te maaien ....................................................................... 12
5.2
Zeven ................................................................................................................................ 12
5.3
Windshifter ....................................................................................................................... 14
5.4
Ballistische scheider........................................................................................................... 14
Voorbehandelingstechnieken .................................................................................................... 15 6.1
7
Mechanische voorbehandeling .......................................................................................... 15
6.1.1
Hakselen .................................................................................................................... 15
6.1.2
Verkleinen ................................................................................................................. 16
6.2
Verpulpen.......................................................................................................................... 16
6.3
Verpletten en vermengen .................................................................................................. 18
6.4
Thermomechanische voorbehandeling .............................................................................. 18
6.4.1
Extruderen ................................................................................................................. 18
6.4.2
Hydrothermische voorbehandeling ............................................................................ 22
6.4.3
Ultrasone voorbehandeling........................................................................................ 23
6.4.4
Chemische voorbehandeling ...................................................................................... 23
6.4.5
Biologische voorbehandeling: Enzymatisch ................................................................ 24
Tussentijdse opslag ................................................................................................................... 24 7.1
Noodzaak .......................................................................................................................... 24
7.2
Bewaren van bermmaaisel in geperste balen ..................................................................... 24 2
7.3
8
Inkuilen ............................................................................................................................. 25
7.3.1
Inkuilproces ............................................................................................................... 25
7.3.2
Inkuilproces bevorderen ............................................................................................ 26
7.3.3
Inkuilmogelijkheden................................................................................................... 30
7.3.4
Uitkuilen .................................................................................................................... 34
7.3.5
Kansen en bedreigingen van inkuilen ......................................................................... 34
7.3.6
Inkuilen met co-stromen en additieven ...................................................................... 34
Vergisting .................................................................................................................................. 36 8.1
Principe anaërobe vergisting ............................................................................................. 36
8.2
Parameters van vergisting ................................................................................................. 37
8.2.1
Temperatuursgebied.................................................................................................. 38
8.2.2
Vochtigheidsgraad/ droge stofgehalte ....................................................................... 38
8.2.3
Voedingsregime ......................................................................................................... 38
8.2.4
Aantal fasen ............................................................................................................... 38
8.2.5
Karakterisatie van bermmaaisel voor vergisting. ........................................................ 39
8.3
9 10
Reactortypes al dan niet geschikt voor vergisting van bermmaaisel ................................... 39
8.3.1
Continue natte vergisting in een conventioneel geroerde tank ‘CSTR’ ........................ 39
8.3.2
Percolatie bed systeem verbonden met snelle vergisters ........................................... 40
8.3.3
Continue droge vergisting: Propstroomfermentor...................................................... 41
8.3.4
Batch droge vergisting: .............................................................................................. 43
Aanbevelingen en besluit .......................................................................................................... 45 Bronnen ................................................................................................................................ 46
3
1 Waarom gras en het project GrasKracht? Volgens het Bermbesluit (1984) dienen in Vlaanderen de bermen gemaaid te worden, rekening houdende met de toegelaten maaiperiodes: de eerste maaibeurt niet voor 15 juni en een eventuele tweede snede na 15 september. Het organisch materiaal moet volgens het Bermbesluit verzameld worden, maar dit gebeurt jammer genoeg nog niet overal in de praktijk. Het verwijderen van het maaisel kan op termijn voor een hogere biodiversiteit zorgen, want door de verschraling van de bodem gaan meer soorten in evenwicht voorkomen [4]. Het gemaaide materiaal veroorzaakt mogelijks een probleem waar een efficiënte verwerking niet altijd voor handen is. Ook mede door het feit dat het maaisel zich in pieken aanbiedt. In het kader van natuurbeheer in natuurgebieden wordt ook veel grasachtig maaisel geproduceerd, dat natuurmaaisel genoemd wordt. De afvoer en verwerking van bermmaaisel en natuurmaaisel brengt een hoge kost met zich mee. Momenteel is compostering bijna de enige techniek die wordt toegepast, indien het niet geschikt is voor dierlijke consumptie bijvoorbeeld. Anaerobe (co-)vergisting heeft het potentieel om de verwerking economisch interessanter te maken door het maaisel energetisch te valoriseren [37]. Het potentieel van de energie verborgen in grasmaaisel als bron voor biogasproductie wil het project Graskracht uitpluizen. Zo zou 1000 ton vergist gras ongeveer 100 gezinnen een jaar lang van groene stroom kunnen voorzien [1]. In dit document wordt een overzicht gegeven van technologieën die mogelijks geschikt kunnen zijn voor het vergisten van gras alsook praktijkvoorbeelden die dit staven.
2 Gras als substraat voor (co-)vergisting Enkele testen werden uitgevoerd waarbij gras als enig substraat werd gebruikt. Maar verschillende argumenten leiden ertoe om gras als cosubstraat te gebruiken naast andere inputstromen: • •
• •
De aanvoer van grasmaaisel in niet continu, maar komt voor in pieken naargelang de seizoenen. Het biogaspotentiaal kan gering zijn (zie tabel 2.1), en bemoeilijkt daardoor de economische haalbaarheid. Er worden waarden rond 500 L CH4/kg VS vermeld [41], maar effectief kan deze waarde binnen beperkte rententietijd praktisch niet gehaald worden Maaisel bevat soms veel houterige bestanddelen. Gras bevat een aanzienlijk gehalte eiwitten (rond 8 %) [9]. Bijgevolg wordt er bij anaërobe vergisting ammoniak gevormd dat een van de belangrijkste oorzaken is van de inhibitie van het complexe vergistingsproces.
tabel 2.1:Biogaspotentiaal grassen [34]
gras adelaarsvaren Gemengd gras bermmaaisel
Droge stof %
Organische stof %
/ 30 43 29
/ 27 38 25
Methaan potentiaal m3/kg OS toegevoegd 0.16-0.49 0.233 0.31 0.27
4
Bermmaaisel is niet hetzelfde als geteeld energiegras. De vergistbaarheid ervan hangt af van diverse factoren zoals het ligninegehalte, het maaimoment, of het nu de 1e of de 2e maaibeurt is van het jaar, enz. Hieronder zullen achtereenvolgens de verschillende technologische aspecten besproken worden betreffende de maaitechnieken, de stockagemogelijkheden en de vergistingsinstallaties.
3 Maaitechnieken Verschillend maaigereedschap kan gebruikt worden voor berm- en natuur beheer. Diverse machines zijn hiervoor inzetbaar (gazonbeheer wordt niet beschouwd). De diverse werktuigen kunnen op diverse manieren gecombineerd worden voor bijvoorbeeld het inzamelen van de biomassa. De keuze wordt onder meer bepaald door het reliëf, vegetatietype en vegetatiehoogte, het voorkomen van obstakels en het gewenste resultaat vanuit esthetisch en natuurtechnisch oogpunt [5].
3.1 Cirkelmaaier De cirkelmaaier heeft een of meerdere slagmessen, vergelijkbaar met de klassieke cirkelmaaiers voor gazon. Aan het uiteinde van de mesarm worden meestal vervangbare maaimesjes gemonteerd. De cirkelmaaier bestaat zowel als aanbouwwerktuig voor éénassers en twee-assige trekkers (voor- of achteraanbouw) als bij enkele merken in compacte uitvoering. Het gras wordt niet gesneden maar geslagen [38]. De messen raken het gewas en vervolgens nog enkele keren het maaisel, zodat dat in meer of mindere mate gekneusd en verkleind wordt. Het gemaaide materiaal blijft meestal achter op de grond in de werkgang van de machine. De maaihoogte is instelbaar door loopwielen, glijsloffen of een rol [5]. tabel 3.1: Voor- en nadelen cirkelmaaier voor het maaien van bermen en natuurgebieden[5]
Voordelen Mooi resultaatHoog rendement
Nadelen • Veel verstoring van de maailaag • Veel vermogen nodigMaaisel wordt in stukken geslagen • Niet geschikt voor hoge vegetaties
Figuur 3.1: Cirkelmaaier [5]
5
3.2 Klepelmaaier Het maai-element bij een klepelmaaier bestaat uit een horizontale as waaraan over de gehele lengte klepels zijn bevestigd. Net als bij de cirkelmaaier, wordt het gras geslagen en niet gesneden [38]. De as of buis waar de klepels aan bevestigd zijn bestaat in verschillende uitvoeringen. Enerzijds bestaan er modellen waar de as een beperkte diameter heeft, dan zijn één of meerdere schakels van een ketting aan de as gevestigd. Anderzijds kan de as een grotere diameter hebben of er kunnen op de as schijven geplaatst staan (kooirotor) waar de klepels op of tussen geplaatst staan. Deze laatste constructie zal doorgaans het materiaal meer verpulveren dan de klepels met kettingbevestiging. Er zijn verschillende uitvoeringsvormen van de klepelmaaier [5]: • •
•
•
Ruwterrein maaiers: Geschikt voor moeilijk bereikbare plaatsen of kleinere oppervlakten, de klepelmaaiers zijn ingebouwd in compacte systemen of aangebouwd aan eenassers. Standaard klepelmaaier ( vlakklepelmaaier ): Deze maaier is inzetbaar voor het eenvoudige werk en heeft een geringe bodemaanpassing. De ophangbevestiging bestaat uit een driepuntsysteem. Ook kan deze in de fronthef in combinatie met een zijklepelmaaier zorgen voor een grote werkbreedte. Sommige vlakmaaiers hebben een side-shift, of parallellogramverstek, waarmee de maaier zijdelings 40 tot 70 cm kan versteld worden. Zijklepelaar: Het maai-element is zijdelings naast de trekker getrokken. Dit is te vergelijken met de schijven- of trommelmaaier. Maar voor een grotere flexibiliteit van de machine kan ze op verschillende manieren verschuiven. Zo kan er dichter of verder van de trekker gemaaid worden. Voor het maaien van taluds kan de machine soms tot +90° en tot -60° boven of onder de horizontale werken. Om schade te vermijden meot deze uitvoering voorzien worden van een obstakelbeveiliging zodanig dat het maai-element kan uitzwenken (side-shift) als er gebotst wordt tegen een onvoorziene hindernis. Zwenkklepelaar: Dit is een combinatie van een vaste driepuntsmaaier en een zijklepelmaaier, ook wel multimaaier of parallelmaaier genoemd. Zwenkklepelmaaiers zijn bevestigd aan een hydraulische arm en kunnen zowel achter als naast de trekker klepelen zodat er een groot werkbereik mogelijk is. Afhankelijk van de constructie kan de klepelbak minstens 180° of meer verdraaien. Een telescopische arm die zowel links als rechts naast de trekker kan gebruikt worden kan ingezet worden wanneer zeer ontoegankelijke terreinen moeten gemaaid worden. Zwenkklepelmaaiers bieden nog veel meer mogelijkheden dan deze zijdelings getrokken aan de trekker terwijl de prijs lager is. Wel zijn de maaiers minder robuust dan een zijklepelmaaier. Voor groenloonwerkers heeft daarom de zijklepelmaaier de voorkeur.
Figuur 3.2: Schematische voorstelling klepelmaaier [5].
6
3.3 Trommelmaaier De trommelmaaier is een machine met de aandrijving bovenaan en is opgebouwd uit een balk waar twee, vier of zes trommels aan bevestigd zijn. De cilinder van de trommel wordt onderaan breder en krijgt de vorm van een schijf. Aan de rand van de schijf worden de maaimessen gemonteerd. De maaitrommels draaien paarsgewijs tegen elkaar in en voeren het maaisel naar achter af, waarbij het op één of twee zwaden wordt gelegd [42]. De werkbreedte varieert van 1 tot 3 meter, afhankelijk van de diameter van de schotel die onderaan de trommel bevestigd is en het aantal trommels. Afhankelijk van de trommeldiameter worden er twee, drie of vier mesjes per trommel gemonteerd. De mesjes kunnen na slijtage meestal gedraaid worden waardoor ze dubbel zo lang gebruikt worden. Daarbij moeten ze wel op de andere trommel geplaatst worden. Om de productiviteit te verhogen worden wegbermmaaiers voorzien van obstakelbeveiliging en verstekmogelijkheid [5].
Tabel 3.2: Voor- en nadelen trommelmaaier voor het maaien van bermen [5]
Voordelen • Hoog rendement • Onderhoudsvriendelijk
Nadelen • Gemiddelde verstoring • Veel vermogen nodig • Maaisel passeert tussen de trommels, niet voor te hoge vegetaties
3.4 Schijvenmaaier De schijvenmaaier (Figuur 3.3) bestaat uit een balk waarop schijven gemonteerd staan. Het aantal schijven kan variëren van 2 tot 8. De werkbreedte per schijf is 40 tot 50 cm; de breedste maaiers zijn ongeveer 4 meter breed. De vorm van de schijven kan zowel rond, ovaal als driehoekig zijn. De buitenste schijven op de maaibalk kunnen voorzien zijn van strippen of zijn soms verhoogd om het gemaaide gras in iets vernauwde rijen te leggen – een zwad. Voor de bodembegeleiding is de balk onderaan voorzien van steun- of glijsloffen. De maaihoogte zelf wordt geregeld door de maaier meer naar voor of achterover te kantelen. Dit kantelen is echter beperkt. Bij zeer brede uitvoeringen van schijvenmaaiers – die geleverd worden in getrokken versie – kunnen de loopwielen dan eventueel zorgen voor de maaihoogte-instelling. De hoogte-instelling is bij oneffen terrein van groter belang dan bij een effen terrein; het maaibeeld zal er minder regelmatig zijn dan bij een vlak terrein omdat de afstelling van de hoogte gebaseerd is op een gemiddelde van de terreinsituatie. Deze afstelling is bij de trommelmaaier van nog groter belang daar de trommels een grotere diameter hebben dan de schijven. Door een obstakelbeveiliging kan de schijvenmaaier naar achteren uitwijken. Er zijn verschillende uitvoeringsvormen van de schijvenmaaier: • Achteraan getrokken aan het driepuntsysteem van de trekker. • In de fronthefinrichting van de trekker. • Als getrokken maaier met eigen steunwielen. • Als maaier aan een hydraulische arm. 7
Kleine schijvenmaaiers kunnen voor een eenassige trekker worden gemonteerd. Tabel 3.3: Voor- en nadelen schijvenmaaier voor het maaien van bermen en natuurgebieden[5]
Voordelen
Nadelen
Maaisel passeert boven de schijven • Minder gevoelig voor breuken dan de • maaibalk • Geschikt voor minder vlakke terreinen • Rendement ligt hoger dan bij maaibalken • •
Gemiddelde verstoring Veel vermogen nodig, dus zwaardere trekker
Figuur 3.3: Schijvenmaaier
3.5 Spiraalmulchmaaier De spiraalmulcher heeft een gelijkaardige werking als een klepelmaaier maar beschikt over een aantal voordelen door zijn concept. De machine beschikt over een centrale as waarop spiraalsgewijs kleine hardmetalen tanden zijn gemonteerd. Deze tanden zijn uit hardox (slijtvast staal) vervaardigd en extreem slijtsbestendig. De stalen schroef draait met een toerental van 5000 t/min. Door de tandenopstelling worden volgende voordelen verkregen t.o.v. een klassieke klepelmaaier met klepels [5]: • De motor wordt veel minder belast bij zwaar werk, men kan een hogere rijsnelheid aanhouden. • Er is geen kans op projectie van stenen, afgebroken klepels en voorwerpen. • De gemaaide vegetatie wordt fijner verkleind. • De mulchmassa wordt gelijkmatiger verdeeld over het terrein. • Het werkingsprincipe garandeert een veel kleinere schadegevoeligheid. • De loopwals garandeert een constante snijhoogte en een rustige werkgang van de mulchers.
8
Figuur 3.4: Spiraalmulchmaaier [5].
3.6 Maaibalk Met een maaibalk (Figuur 3.5) wordt de vegetatie geknipt, watdeze technologie eerder geschikt maakt voor vlakke terreinen. Maaibalken zijn inzetbaar in vegetaties met lang gras en zware, kruidachtige begroeiingen, ook licht houtige vegetaties zoals riet en struikheide zijn te maaien. Een net en goed maaibeeld kan bekomen worden met een maaibalk. In het bermbeheer, ook op hellingen, worden vooral eenassers met maaibalken toegepast. Zo zijn ook kleinere en vooral gevoelige terreinen bereikbaar. Een belangrijk nadeel van maaibalken is dat door hun knippende werking ze zeer gevoelig zijn voor harde verontreinigingen zoals stenen in de vegetatie. Het onderhoud en de afstelling moeten nauw opgevolgd worden en vragen tijd en kennis. De werkbreedte van een maaibalk kan liggen tussen 0,75 en 2,50 m. De uitvoeringen voor een eenasser gaan tot ongeveer 1,80m, de grotere maten zijn voor aanbouw aan twee-assige trekkers. De maaibalk bestaat uit een balk met onderdelen gemonteerd aan een frame. De vegetatie wordt afgeknipt door V-vormige messen op stilstaande vingers. Vingermaaibalken hebben een nadeel op de messenbalken bij gelegerde vegetatie: de vegetatie stroopt dan tussen de vingers. Zij hebben wel het voordeel dat de vingers de messen beter beschermen tegen beschadiging door verontreiniging. Bij een messenbalk zijn de vingers vervangen door ondermessen waardoor de kans op stropen van de vegetatie kleiner is. Bij enkelwerkende messenbalken bewegen de ondermessen niet. Bij dubbelwerkende messenbalken bewegen de onder- en bovenmessen tegen elkaar in waardoor men sneller kan werken met minder trillingen dan de enkele messenbalk of vingerbalk. Daarnaast zorgen dubbelwerkende messenbalken ook voor een fijner maaibeeld door de extra knippende werking, de grote maaisnelheid en de lagere vibratie [5]. Bij de keuze van een maaibalk is het belangrijk om op volgende aspecten te letten: • Het type maaibalk (vinger, enkel, dubbel) in verband met de capaciteit • De storingsgevoeligheid (opstroppen, verontreinigen) • De werkbreedte • De aandrijving en de aanbouw (een- of twee-asser, vast of arm) • De instelling van de maaihoogte en de druk op de messen
9
•
• •
Het onderhoud (gemakkelijk te verwisselen messen en onderdelen; reserve sets messen. Omdat messen en balk op elkaar inslijten, moeten de messensets bij een bepaalde balk blijven) De veiligheid (veiligheidsgas en een dodemansknop bij eenassers) De obstakelbeveiliging door een veermechanisme bij maaibalken die in verstek zijn gemonteerd
Tabel 3.4: : Voor- en nadelen maaibalk voor het maaien van bermen en natuurgebieden [5].
Voordelen • • • • •
Nadelen
Relatief weinig verstoring • Mooi resultaat, gras wordt afgesneden • en valt plat • Gunstig gewicht Weinig vermogen nodig Ideaal voor hoge vegetaties
Breukgevoelig door trillingen Niet voor oneffen terreinen Rijsnelheid eerder traag
Figuur 3.5: Maaibalk [5].
4 Verzamelen en ruimen van maaisel 4.1 Verzamelen en ruimen van klepel- en cirkelmaaisel Het maaisel bij klepelmaaiers is sterk versnipperd, daarom gebeurt het verzamelen het best in een werkgang met het klepelen. Het afvoeren gebeurt dan door een maai-ruimcombinatie. Er is in dit geval dus sprake van verzamelen en ruimen tegelijk. Het maaisel kan geruimd worden door een maai-zuigcombinatie waarbij het maaisel door een slang wordt weggezogen achter of boven de maaieenheid. Dit kan door indirecte afzuiging, waarbij het maaisel eerst op de grond valt en dan opgezogen wordt. Bij directe afzuiging wordt het maaisel vanuit de klepelbak opgezogen, dit prinicipe wordt bij de ‘eco-maaiers’ toegepast. Het maaisel wordt door het maaielement en luchtwervelingen rond de klepelas op een stalen plaat achter het maaigedeelte geworpen of omhooggewerveld en vervolgens daarvan weggezogen. Bij de recentere werktuigen passeert het maaisel langs een vijzelbak die het maaisel centraliseert; dit vergemakkelijkt de afzuiging. Directe afzuiging heeft als voordeel dat de kleine bodemfauna niet worden weggezogen 10
doordat de zuigmond niet in direct contact staat met de bodem. De meeste afzuigsystemen werken met een ventilator om een transportluchtstroom op te wekken. Sommige afzuigcombinaties werken enkel met een of meer vijzels, waarmee het maaisel gecompacteerd wordt en vochtig materiaal gemakkelijker ingezameld wordt. De maai-zuigcombinaties kunnen ook op een cirkelmaaier toegepast worden. Bij een maai-verzamelmachine wordt het maaisel opgeraapt door een veeg- of kneusrol direct achter de klepelbak. Bij dit getrokken werktuig bevindt de opvangbak zich na de klepelmaaier.
4.2 Verzamelen van maaisel voor andere maaitoestellen: cirkelschudders en wiersmachines Voor het verzamelen van het maaisel van andere beheerstechnieken kunnen twee types toestellen ingezet worden: cirkelschudders (Figuur 4.1) en wiersmachines. Beide hebben eigenlijk een tegengestelde en aanvullende werking. De cirkelschudder wordt ingezet tijdens het droogproces van het maaisel. Door het maaisel vanuit het zwad over het hele terrein te verdelen, waarbij het vochtige maaisel bovenop komt te liggen, wordt het droogproces versneld. De machines die in het bermbeheer kunnen worden ingezet zijn in het algemeen een in de driepuntshefinrichting van de trekker aangebouwde, aftakas aangedreven cirkelschudders. De werkbreedte van de cirkelschudder kan variëren van 2,50 m tot 11 m. Uitvoeringen met een grote werkbreedte zijn meestal getrokken. Sommige machines kunnen zowel schudden als harken (in een zwad leggen). Wiersmachines staan in voor het op een zwad leggen van verspreid maaisel. Men kan hierbij drie types wiersmachines onderscheiden: cirkelhark, bandhooier en wielhark. Bij een cirkelhark zijn de harktanden gemonteerd aan horizontaal draaiende harkelementen. De werkbreedte varieert van 3 tot 11 m. Naargelang het aantal harkschijven of hakborden heeft de wielhark een werkbreedte van 2,25 tot 5,50 m.
Figuur 4.1: Cirkelschudder
4.3
Ruimen van het maaisel voor andere maaitoestellen
Voor het eigenlijke wegruimen na het verzamelen in zwaden van het maaisel worden opraappersen, oprolpersen en opraapwagens ingezet. Op zeer steile taluds zijn deze machines niet in te zetten.
11
Bij opraappersen wordt het maaisel dat bij voorkeur op voorhand werd gedroogd van de zwads opgeraapt en in kubusvormige pakken geperst. Een vlak terrein is gewenst, evenals voorgedroogd materiaal en een niet-vervuild terrein (afwezigheid van grote stenen, zwerfvuil etc.). Oprolpersen of balenpersen. Ook hier ligt het maaisel voor de persen best in zwads en moet het materiaal vrij zijn van grote verontreigingen. Net als bij de opraappers is ook voor de inzet van een oprolpers een relatief vlak terrein nodig; de bodemvrijheid is immers gering. Beschikbaar als aanbouwwerktuig voor eenassers en twee-assige trekkers. Opraapwagens compacteren het maaisel niet, maar verwijderen het maaisel van het terrein in een (half-)gesloten bak. Dit kan eenvoudig zijn, zonder verdere verwerking (de gewone opraapwagen), maar in het invoerkanaal kunnen ook messen bevestigd zijn die het materiaal verder verkleinen of kunnen aanvullend op de messen achterop de machine loswalsen zitten voor het gedoseerd lossen van de lading (opraapdoseerwagen). Inzetbaar in bermbeheer als er voldoende ruimte is voor de trekker met oplaadwagen; is het meest omvangrijke ruimsysteem. Indien dit systeem kan ingezet worden, ondanks zijn omvang, kan het nuttig zijn indien het gras nadien wordt ingekuild en vergist. Het gras is immers liefst verhakseld om beide processen succesvol te laten doorgaan [5].
5 Zuiveringstechnieken Vervuilende of storende materialen zoals zand en zwerfvuil komen voor in (berm-)maaisel en veroorzaken problemen voor gebruikte maaimachines, de stockage van het gras, de vergister en de afzet van het digestaat. Verschillende methoden kunnen worden toegepast om zwerfvuil te verwijderen [5] en worden hierna besproken.
5.1 Uitzuivering ter plaatse alvorens te maaien De vervuilingsgraad van bermgras zal in de eerste plaats sterk afhankelijk zijn van de locatie waar de berm gemaaid is. Omdat dit handmatig moet gebeuren is dit arbeidsintensief en duur. Heel wat acties en campagnes hebben als doel om zwerfvuil tegen te gaan en zullen hopelijk de zwerfvuilproblematiek in het kader van bermbeheer verminderen [6].
Figuur 5.1: Indevuilbak-campagne van de Vlaamse Overheid tegen zwerfvuil [6]
5.2 Zeven In de compostering wordt zeeftechniek gebruikt in de voorbehandeling en in de nabehandeling. Hierbij wordt gebruik gemaakt van trommelzeven en sterrenzeven. Deze zeven filteren storende 12
materialen uit het organisch materiaal. In principe zouden deze technieken dus ook gebruikt kunnen worden bij een vergistingsinstallatie [5]. Komptech biedt alle soorten zeven aan die gebruikt worden binnen de composteringstrein [43].
Figuur 5.2: Schematische voorstelling van een trommelzeef [5].
Bij een trommelzeef (Figuur 5.3) beweegt het te filteren materiaal over een cilindervormige zeef die zich in een trommel bevindt. De fijne fractie valt door de zeef. De grove fractie wordt uit de zeef geleid doordat de trommelzeef onder een bepaalde helling wordt opgezet. Naast de trommelzeef wordt ook de sterrenzeef veel gebruikt in de voor- en nabehandeling bij compostering. De sterrenzeef bestaat uit een serie van parallel geplaatste assen. Op elke as bevinden zich sterren. Deze zijn zo bevestigd dat één ster tussen twee andere sterren van de naastliggende as draait. Alle assen en sterren draaien in dezelfde richting. Het te sorteren materiaal wordt op de assen en sterren gebracht. De fijne fractie valt tussen twee naastliggende sterren. De grove fractie wordt door de draaiende sterren naar het uiteinde van de zeef gevoerd [5].
13
Figuur 5.3: Schematische voorstelling sterrenzeef (Komptech®) [5].
5.3 Windshifter De windshifter of windzifter wordt gebruikt om lichtere vormen van zwerfvuil (plastiek) te verwijderen. De test uitgevoerd door IBOGEM-Indaver was echter niet bevredigend, tot 90 % van het maaisel belandde in de container die bestemd was voor de restfractie [5].
Figuur 5.4: Schematische voorstelling windshifter (Komptech®) [5].
5.4 Ballistische scheider Dit type scheider wordt toegepast in de compostindustrie, maar zou dus ook binnen het kader van vergisting kunnen toegepast worden. Deze scheider heeft als doelstelling om o.a. stenen, glas, keramiek (zware fractie) te verwijderen uit een compostfractie. De scheiding is gebaseerd op het verschil in gewicht en hardheid van de fractie. In de scheider is een speciale botsplaat gemonteerd, het substraat valt hier op en glijdt direct door de scheider naar beneden. De te scheiden harde fractie stuitert door de speciale botsplaat op en verlaat hierdoor de scheider via een ander afvoerkanaal. 14
Hierbij dient het nog opgemerkt te worden dat de scheider alleen optimaal functioneert wanneer de inputfractie goed gedoseerd en verdeeld wordt aangevoerd. De Ballistische scheider wordt ook wel harde delen scheider genoemd [40].
Figuur 5.5: Schematische voorstelling ballastishe scheider
6 Voorbehandelingstechnieken Hiermee worden behandelingen bedoeld die een invloed hebben op de structurele eigenschappen van het maaisel. Een verdere voorbehandeling van het gras kan noodzakelijk zijn voor de tussentijdse opslag en/ of de vergisting. In tegenstelling tot regelmatig gemaaid gras van een gazon, kan natuuren bermmaaisel veel vezeliger zijn. Dit is hoofdzakelijk het gevolg van het feit dat het beheersgras slechts twee maal per jaar wordt gemaaid en bijgevolg veel langer en ouder is. Wanneer geopteerd wordt voor een voorbehandeling, kan het beperkt blijven tot het verkleinen van het materiaal om in eerste instantie verstoppingen en schade te vermijden. Tegelijk zorgt de verkleining ervoor dat het maaisel makkelijker te stockeren en verteerbaar is. Andere technieken gaan verder, tot op celniveau om de ligno-cellulose structuur van het maaisel te verbreken en zo het contactoppervlak voor bacteriën te verbeteren [5].
6.1 Mechanische voorbehandeling 6.1.1
Hakselen
UNIHACKER / BIOCUT Vanuit het beleid en natuurtechnisch oogpunt wordt bij voorkeur een cirkelmaaier ingezet omdat op die manier het maaisel beter kan worden ingezameld en afgevoerd, waardoor het beter bijdraagt tot de verschraling van de berm. Bij gebruik van een knepelmaaier wordt doorgaans ook meer grond meegevoerd in het maaisel, wat eventuele daaropvolgende inkuiling en vergisting benadeelt. Dit is door inbreng van boterzuurbacteriën die aanwezig zijn in de bodem en de pH-daling minder efficiënt laten doorgaan. Na cirkelmaaien zou het gras onvoldoende verkleind zijn, dit kan verholpen worden door het nadien te verhakselen. De combinatie van cirkelmaaien en hakselen is financieel minder gunstig dan klepelen alleen. Het verkleinen van de materie wordt ook toegepast alvorens in te kuilen, zodat het maaisel beter samendrukbaar is, minder zuurstof aanwezig is en dus de slaagkansen voor de opslag verhogen [5]. Er is echter ook succesvol praktijkervaring opgedaan binnen het GrasKracht 15
project waarbij het gras bij het uitkuilen werd verhakseld. Hakselen met toestellen die doorgaans in de landbouw worden gebruikt voor de verwerking van ruwvoeders is hierbij geen optie daar ze stilvallen bij de minste detectie van metallisch zwerfvuil [5].
6.1.2 Verkleinen De Duitse firma Börger heeft verschillende technologieën ontwikkeld om biomassa te verkleinen alvorens het te vergisten. Zo is er de Unihacker en de Multichopper (figuren 6.1 en 6.2) voor wat eenvoudigere snijtoepassingen.
Figuur 6.1 en 6.2: Schematische voorstelling van Unihacker Börger (links) en de Multichopper Börger (rechts)
6.2 Verpulpen De Duitse firma Netzsch ontwikkelde een speciale pomp om inkomende substraten voor de vergister homogeen te vermengen door deze te verpulpen. De installatie heet NEMO® B.Max® Mixing Pump en zou onder meer droge kippenexcrementen, gehele planten, gras en maïssilage kunnen vermengen met gerecirculeerde fermentatieproducten. De Netzsch-installatie bestaat uit een mengschroef die gevuld word via een vultrechter, een compressiekamer en een progresserende cavitatiepomp die de pulp naar de vergister voert [17].
Figuur 6.3: Schematische voorstelling van de NEMO® B.Max® Mixing Pump van Netzsch [17].
Een installatie die kan opgenomen worden bij de verpulpers is de BioCut van Vogelslang. Deze technologie is een combinatie van een vleugelpomp en de RotaCut natte shredder die is ontworpen voor biogasinstallaties en slachthuizen. Hier ook is het de bedoeling om een gehomogeniseerde mix te bekomen. Een suspensie van energierijke biomassa zoals maïs, gras of koolzaden en mest kunnen vermengd worden waarbij de biogasproductie wordt verhoogd. Tegelijkertijd worden stenen en metalen delen gescheiden door een ‘zware objecten separator’, en zorgt ervoor dat de daaropvolgende pompen worden beschermd. De BioCut pompt het mengsel naar de vergister. Er is ook een extruder van het merk IKA® (macerator) die hierbij hoort. De extruder komt ook afzonderlijk aan bod in dit overzicht. 16
Figuur 6.4: BioCut® [22]
KompTech is een firma die zich in voorbehandelingstechnologieën in de composterings- en vergistingssector heeft gespecialiseerd. Verschillende voorbehandelingstreinen zijn mogelijk. Hieronder wordt een onderscheid gemaakt tussen: (i) voorbehandeling voor natte vergisting, (ii) voorbehandeling voor natte vergisting en compostering en (iii)voorbehandeling voor natte en droge vergisting. Deze systemen blijken ontwikkeld te zijn voor stromen met een droge stofgehalte rond 12 %. Dit betekent dat grasmaaisel met natte stromen dient aangeboden te worden om uiteindelijk een homogeen inputproduct voor de vergister te verkrijgen. In Figuur 6.5 is de voorbehandelingstrein voor geval (i) weergeven [46].
Figuur 6.5: Voorbehandelingstrein voor natte vergisting [46].
De voorbehandeling voor natte vergisting en compostering (Figuur 6.6) is een meng-/persproces waarbij de inputstromen vezelrijk en met weinig verpakking verwerkt worden. Het doel is de materie te splitsen in een vloeibare fractie die veel energie bevat (40 -50 % van de input) en een vaste fractie (50- 60%) die naar de composteringseenheid wordt gebracht.
17
Figuur 6.6: Voorbehandelingstrein voor natte vergisting en compostering [46].
Voor het derde gaval, namelijk de voorbehandeling voor natte en droge vergister is de behandelingstrein hieronder weergegeven (Figuur 6.7).
Figuur 6.7: Voorbehandelingstrein voor natte en droge vergisting [46].
6.3 Verpletten en vermengen Om substraten optimaal te pletten en te vermengen, ontwikkelde de Duitse firma Vogelslang de QuickMix. Volgens de fabrikant is deze technologie geschikt om problemen zoals vorming van drijvende lagen en verstoppen van pijpen op te lossen. De biomassa zou vervolgens sneller omgezet worden tot biogas en minder mengenergie wordt verbuikt in de vergister [47].
Figuur 6.8: QuickMix van Vogelslang [20]
6.4 Thermomechanische voorbehandeling 6.4.1 Extruderen Extruderen is een thermomechanische techniek. Een extruder is eigenlijk een machine die zijn toepassing al langer kent in de plasticverwerking om (gesmolten) plastic in een bepaalde vorm (matrijs) te duwen. Hetzelfde gebeurt eigenlijk in de aangeleverde grasextruder voor het ontsluiten 18
van de grascellen. Het gras wordt met twee draaiende spindels door een opening geduwd waardoor het materiaal samengeperst wordt tot een compactere massa met grotere dichtheid. De spindels en het persen zorgen ook voor een mechanische verkleining van de grasdeeltjes en verhogen dus zo het specifiek oppervlak van het materiaal. In 2002 werd een artikel gepubliceerd waarbij bermmaaisel als uitgangsproduct voor een biorefinery werd opgenomen. Het doel van het Nederlands project was om de methoden te onderzoeken om gras in een vezelfractie en een vloeibare fractie te scheiden. De vaste fractie zou dan thermisch omgezet worden en de vloeibare fractie zou dan een bron voor fermentatie of eiwitextractie zijn. De verschillende bewerkingen die werden uitgevoerd zijn versnijden in stukken van 5 cm, extractie met een extruder, spoelen met water (1:20) en als eindstap werd het water uitgeperst [12]. De resultaten van het onderzoek toonden aan dat de scheiding in een vaste biobrandstof met laagwaardig maaisel in Nederland mogelijk is. Verbeteringen in de oogst- en aanvoerketen alsook de extractieprocedure zouden het mogelijk maken om met minder water, hogere concentraties eiwit (N) en vrije suiker te bekomen in de vloeibare fractie. Dit zou ook de stikstof en mineraal gehalte van de vezelfractie reduceren [12]. Zo werd er een biorefinery concept op basis van gras ontworpen (Fout! Verwijzingsbron niet gevonden.).
Figuur 6.9: Biorefinery proces voor bermmaaisel [12]
Doordat het vezelig karakter van bermmaaisel alreeds voor problemen zorgde in biogasinstallaties is deze denkpiste best interessant. Het Europees PROGRASS-project had een gelijkaardige bedoeling: Met het concept van “Integrated Generation of Solid Fuel and Biogas from Biomass" (IFBB) afkomstig van seminatuurlijke graslanden kan op een efficiënte manier de biomassa in een vezelige fractie (press cake) en vloeibaar biologisch afbreekbare fractie omgezet worden. Deze vloeibare fractie wordt vergist. Warmte afkomstig van de WKK wordt gebruikt om de press cake te drogen [14]. 19
Figuur 6.10: Schematische voorstelling PROGRASS concept (IFBB)[14].
Het potentieel van het PROGRASS-concept in Vlaanderen werd grondig bestudeerd. Hierbij werden specifieke knelpunten aangehaald, namelijk dat graslanden met een extensief beheer een hoge lignine- en vezelinhoud hebben, een lage afbreekbaarheid voor AD (Anaerobic Digestion) en dat verbranding van biomassa afkomstig van grasland problematisch is om volgende redenen [15]: • Hoge emissies (N, S, Cl) • Hoog risico voor corrosie (Cl, K, S) • As-smelting, verstopping (K,Mg) Daarom heeft het IFBB generation of solid fuel and biogas from biomassals doel: • N, S, Cl inhoud van de biomassa verlagen (Emissies) • N, S, Cl inhoud van de biomassa verlagen (Corrosie) • Mg en K inhoud verlagen (as smeltingsgedrag) Na het process is het volgende bereikt : • N : verlaging bereikt, maar bijkomende technieken zijn nodig om NOx-emissies te vermijden • S : significante reductie tot onproblematische concentratie (richtwaarde 0,1 %) • K : siginificante verlaging • Cl : significante reductie tot onproblematische concentraties, gelijkaardig aan hout. Voor de verbrandingsproeven werd een tweefasen verbrander gebruikt. Meerdere conclusies konden uit de testresultaten getrokken worden: • Verder onderzoek naar compactie van IFBB-brandstoffen is noodzakelijk. • Het twee-fasen verbrandingssysteem laat een efficiënte verbranding toe wat betreft emissies van NO, SO2 en as smeltingsgedrag. 20
• • •
De uitstoot van fijn stof tonen de noodzaak voor een filter aan. De verbranding van PROGRASS pellets in gebruikelijke kleinschalige ovens is normaal gezien niet mogelijk. Gebaseerd op deze experimenten zou de markt moeten verkend worden om technologieën die aan deze eisen voldoen te identificeren.
Een ander project dat het vergistingspotentieel van gras (van weiden) onder de loep nam is Baltic Compass. De onderzoekers van Foulum, Arhus University in Denemarken gaan er van uit dat voorbehandeling noodzakelijk is. Het uitgangsproduct is gras dat in grasbalen werd bewaard en volgens losgemaakt. Hierbij werden ook proeven met extrusie uitgevoerd waarvan de energiebehoefte 10-100 kWh/ ton bedroeg [16].
Figuur 6.11: Gras uit grasbaal (links) en na extrusie (rechts) [16].
De extrusie vraagt zware machinerie en veel energie, maar volgens de onderzoekers binnen het Baltic Compass project is dit verantwoord, omdat de vergisting sneller en vollediger plaatsvindt binnen een aanvaardbare retentietijd voor een CSTR (completely mixed tank reactor)[16]. In het bedrijf Jansen Wijhe in Nederland presenteerde in het kader van GrasKracht resultaten van extrusie-en vergistingsproeven met ingekuild en vers gras. resultaten die duiden op nagenoeg een verdubbeling in biogasproductie voor geëxtrudeerd gras t.o.v. onbehandeld gras, nl. 3 m3 ruw biogas/ton/ % DS tegenover 1,8 m3 ruw biogas/ ton/ % DS [26]. In opdracht van het GrasKracht project, onderzocht het VITO (samen met Innolab) het effect van een extruder op de vergistingskarakteristieken van verscheidene grasmaterialen zoals vers bermmaaisel, gehakseld gras en ingekuild gras. De extruder werd gemaakt door het Duits bedrijf Lehmann en werd gehuurd van de firma Bioliquid [10]. Het Duits bedrijf Lehman heeft daarvoor alreeds gedurende 3 jaar proeven uitgevoerd om Bio-extrusie technologie te ontwikkelen [12]. De Bio-extruder maakt gebruik van een prodecure die gepatenteerd is door Lehman. De biologische beschikbaarheid van de cellulose en hemicelullose wordt verhoogd door celdisruptie en de hydrothermische afbraak die plaatsvindt in de dubbelvijzel extruder. Dit gebeurt door de wisselende druken temperatuurpieken. Hierdoor verhoogt de afbreekbaarheid van het materiaal en kan de retentietijd van het gras, stro, enz. verkleind worden en/of de voeding van de vergistingsinstallatie verhoogd worden [11]. Deze experimenten gingen door op de site van de biogasinstallatie Goemare te Diksmuide (Ecoprojects) [10]. In tegenstelling tot de voorgaande Nederlandse experimenten, was 21
het hier niet de bedoeling om een scheiding in twee fracties te bekomen. De extrusie van de verschillende soorten schoon grasmaaisel verliep zonder problemen. De resultaten van de batchproeven zullen in een ander document van het GrasKracht project terug te vinden zijn.
Figuur 6.12: BioExtruder van Lehman [12].
Figure 6.1: Toename methaanopbrengst na het extruden van ingekuild gras [12].
6.4.2 Hydrothermische voorbehandeling De verbindingen van cellulose en hemicellulose met lignine worden verbroken door stoombehandeling, ook stoomexplosie of warmwaterbehandeling genoemd. Een optimale temperatuur en druk zijn hierbij van belang om neveneffecten te vermijden. Zo kan bij temperaturen groter dan 160 °C lignine in oplossing gaan en bestaat het risico dat er componenten (fenolen,...) gevormd worden die een remmende werking uitoefen of micro-organismen. Ook kan er door
22
recondensatie lignine neerslaan op de biomassa waardoor deze opnieuw ‘beschermd’ is tegen bacteriële afbraak [5].
6.4.3 Ultrasone voorbehandeling De ultrasone (microwave) behandeling is een alternatief voor conventionele warmtebehandelingen. Wanneer deze techniek wordt toegepast op slib wordt een makkelijker te ontwateren materiaal verkregen, daarom wordt deze technologie in de anaërobe waterzuivering gebruikt. Door de trillingen wordt de structuur verbroken en ontstaat radicaalvorming waardoor depolimerisatie plaatsvindt [20]. Voor grasmaaisel bleek dat de conventionele warmtebehandeling een gunstiger effect heeft op de daaropvolgende vergisting dan de ultrasone voorbehandeling [5].
6.4.4 Chemische voorbehandeling Chemische voorbehandeling met basen of zuren kan bij kamertemperatuur plaatsvinden. De oplossingen kunnen geconcentreerd (30-70 %) of verdund (0.5-2 %) zijn [5]. Voor zure voorbehandeling worden voornamelijk zwavelzuur, zoutzuur, salpeterzuur en fosforzuur gebruikt. Er moet opgepast worden voor vorming van H2S en NH3 wanneer zwavelzuur en salpeterzuur gebruikt worden [5]. Tabel 6.1: : Voor- en nadelen van zuren als voorbehandeling [5].
Zuren Geconcentreerd
Voordelen -Lage temperaturen -Hoge suikeropbrengsten
verdund
-laag zuurverbruik
Nadelen -Hoog zuurverbruik -Corrosie -Moeilijke terugwinning -Toxisch -Condensatie en precipitatie lignine -Ongewenste bijproducten -Neutralisatie achteraf -Corrosie -Hoge temperaturen -Adaptatie voor bijproducten
Voor een alkalische voorbehandeling wordt voornamelijk calcium-, kalium- en natrium- of ammoniumhydroxide. Het effect van basen is het verhogen van de oplosbaarheid van organisch materiaal en het optreden van verzeping (ester wordt gehydrolyseerd met behulp van water met alkali als katalysator). Hierdoor zwelt de biomassa en treedt hydrolyse en degradatie op. Een pluspunt van het gebruik van basen is het neutralisered effect gedurende de anaërobe vergisting. Natriumhydroxide (NaOH) heeft een hoger oplossend effect dan caliumhydroxide (Ca(OH)2), maar de kostprijs ligt beduidend hoger. De efficiëntie van de voorbehandeling is niet enkel afhankelijk van de gekozen base maar ook van de concentratie en de behandelingsduur. Ook hier kunnen ongewenste complexe, onoplosbare nevenproducten ontstaan [5]. Een derde mogelijkheid die bij de groep van chemische voorbehandelingen hoort is oxidatie. Typische oxidanten die worden toegediend zijn waterstofperoxide (H2O2) en perazijnzuur (C2H4O3). Deze methode is minder geschikt omdat het naast lignine ook cellulose oplost, waardoor meer verliezen kunnen plaatsvinden dan bij zure en alkalische voorbehandeling. Maar bij elk van de drie 23
groepen treedt verlies op door het uitspoelen van afbreekbare koolstof en is er een verhoogd waterverbruik [20].
6.4.5 Biologische voorbehandeling: Enzymatisch Het bedrijf OWS (Organic Waste Systems) voerde voor het GrasKracht project verscheidene vergistingsproeven uit. Hierbij werd het effect van het toevoegen van enzymen onder de vorm van MethaPlus® van DSM onderzocht [18]. Hierbij dient vermeld te worden dat nog andere enzymenpreparaten die de biogasproductie verbeteren op de markt bestaan. Voorbeelden hiervan zijn producten van Schauman en Novozymes [49, 50]. Deze techniek is afkomstig van de ethanolproductie uit lignocellulose biomassa, waarbij specifieke enzymen worden ingezet. Er werden door OWS positieve effecten op de viscositeit en restered droge stof gehalte waargenomen bij covergisting met maaisel. De verlaagde viscositeit liet een uniformere verdere afbraak toe en de verlaagde DS-gehalte duidt erop dat de omzetting tot biogas vollediger verliep. Voor de biogassector werd MethaPlus® door het bedrijf DSM ontwikkeld om de hydrolyse van vezelige substraten te bevorderen. Inagro is van mening dat er meer onderzoek nodig is naar de impact van de omgevingsfactoren op de effectiviteit van de enzymbehandeling [5].
7 Tussentijdse opslag 7.1 Noodzaak Tussentijdse oplsag is vaak noodzakelijk omdat grasmaaisel in pieken (juni en september) voorkomt en dat bestaande vergisters die gras kunnen verwerken gras slechts in beperkte hoeveelheden aanvaarden. Er wordt door Biogas-E gesproken van 10 - 15 %, als maximaal aandeel gras in het aangevoerd substratenmengsel [5]. De stockage kan bij de verwerkingsplaats of op een strategische locatie zijn. Ongecontroleerde tussentijdse opslag is te vermijden, met uitzondering van voordrogen op terrein bij drogend weer [5]. Verschillende bewaarmethodes zullen hieronder aan bod komen.
7.2 Bewaren van bermmaaisel in geperste balen Bij deze bewaarmethode wordt het maaisel met een pers samengedrukt in ronde of vierkante balen. Enkel gras dat gemaaid werd met een cirkelmaaier komt in aanmerking. Geklepeld gras is in te kleine delen versneden. Indien het gras te nat werd verwerkt, is er een groter risico op zelfontbranding. Het gras wordt steeds even te drogen gelegd. Dit mag maximaal 10 dagen op de berm blijven liggen overeenkomstig met het bermbesluit, maar ook om potentiaalverliezen te beperken. Balen worden met touwen gebonden of met plastiek omwikkeld. Voor vergisting komen geperste balen minder in aanmerking gezien het doorgaans vaak lage vochtgehalte. Dit laatste speelt dan weer in het voordeel voor verbranding (met energierecuperatie). Voor vergisting dient het lange gras bovendien verkleind te worden, wat gezien de mogelijke aanwezigheid van vooral metalen zwerfvuil geen evidentie is [5]. De grootste nadelen van bewaren in strobalen is dat door de compactie, het losmaken energie en/of arbeidsintensief is en dat het gras nadien nog verhakseld dient te worden.
24
Figuur 7.1: Geperste grasbalen.
7.3 Inkuilen 7.3.1 Inkuilproces Het inkuilen is een bewaartechniek die tegelijk een voorbehandeling is. Tijdens het inkuilproces ondergaat het ingekuilde gras een aantal biochemische processen. Een ademhalingsproces neemt plaats zolang er zuurstof aanwezig is. Het aandrukken van de kuil zorgt ervoor dat er zoveel mogelijk zuurstof wordt verdreven uit de biomassa, zodat de afbraak beperkt blijft. Tijdens het inkuilproces worden koolhydraten omgezet tot organische zuren zoals mierenzuur, azijnzuur, boterzuur, CO2, alcohol en melkzuur. De reacties zijn exoterm en de temperatuur stijgt. Daarnaast is er enige productie van broeikasgassen zoals methaan en lachgas. Naast de suikers worden ook eiwitten afgebroken waarbij ammoniak en toxische aminen worden gevormd. Deze bacteriën groeien het best tussen 20 °C en 40 °C, terwijl hun ontwikkeling wordt afgeremd bij hogere temperaturen. Ook de verzuring remt hun activiteit en bij een pH lager dan 4.5 sterven ze af.
Figuur 7.2: Verloop pH gedurende het inkuilproces en ontwikkeling van micro-organismen
Twee fasen kunnen onderscheiden worden. Gedurende de verzuringsfase treedt fermentatie op door (facultatieve) anaërobe micro-organismen. Hierbij is de rol van additieven een snelle
25
melkzuurproductie op hang te brengen waardoor de pH snel daalt. De verliezen door afbraak van drogestof worden beperkt door een inhiberende werking op andere micro-organismen. De uitkuilingsfase is een aërobe fase waarbij schimmels en gisten zich kunnen ontwikkelen. De rol van de additieven is deze ontwikkeling (broei) te inhiberen door bijvoorbeeld de productie van azijnzuur zodat droge stof verliezen beperkt blijven. Het hierboven geschetste facultatief anaeroob proces is echter meestal van korte duur: de belangrijkste groep bacteriën, in het bijzonder de melkzuurbacteriën, zorgt voor een verzuring van de kuil en remt de ontwikkeling van de andere bacteriën. De snelheid van hun ontwikkeling en de gisting bepaalt het slagen of mislukken van het inkuilproces [5]. Een aantal belangrijke voorwaarden hiervoor zijn: • Voldoende te fermenteren suikers, waarbij het streefniveau op 60 g/kg droge stof ligt • Laag eiwitgehalte. Eiwitten dragen bij tot de buffercapaciteit en vertragen de verlaging van de pH. een suiker/eiwitverhouding lager dan 0.4 zou de daling van de zuurtegraad zeer bemoeilijken; • Voldoende melkzuurbacteriën en de afwezigheid van zuurstof. Voor bermgras is niet zeker of het voldoende melkzuurbacteriën bevat. Ook is het niet duidelijk in welke mate een tussentijdse stockage een invloed heeft op de populatie melkzuurbacteriën. Wanneer echter de voorwaarden niet vervuld zijn voor een snelle melkzuurfermentatie en de pH aldus boven de kritische waarde blijft, dan vinden er schadelijke afbraakprocessen plaats. Boterzuuren rottingsbacteriën gaan zich ontwikkelen en deze zetten suikers om tot boterzuur, azijnzuur, CO2 en waterstof, maar ook het gevormde melkzuur wordt afgebroken. De kuil wordt met andere woorden minder zuur. Daarnaast worden de proteïnen afgebroken tot aminozuren en worden de aminozuren afgebroken tot vluchtige vetzuren, ammoniak en aminen. Op die manier kunnen er droge stofverliezen optreden van 30 % tot 50 %. Er bestaan een aantal maatregelen die gunstig zijn voor het bewaarproces omwille van hun invloed op de microbiële activiteit in de kuil: • Voordrogen van het gras • Maaikneuzen en hakselen van het gras • Creëren van anaerobe omstandigheden • Beperking van de verontreiniging met grond • Toedienen van inkuiladditieven Het toepassen van deze maatregelen is vooral gekend vanuit de landbouw. In hetgeen volgt wordt aangegeven in welke mate het inkuilproces van bermmaaisel in positieve zin kan gestuurd worden.
7.3.2 Inkuilproces bevorderen 7.3.2.1 Voordrogen In de landbouw wordt het gras eerst voorgedroogd alvorens het wordt ingekuild. Met het voordrogen beoogt men om het droge stofgehalte te verhogen tot ongeveer 40 %. Het voordrogen voorkomt sapverliezen uit de kuil. Een hoger droge stofgehalte impliceert ook dat er minder melkzuur gevormd moet worden om een stabiele kuil te bekomen. Maar te sterk voorgedroogd gras heeft ook nadelen. Het wordt daardoor elastischer en is bijgevolg minder gemakkelijk 26
samendrukbaar. Dit verhoogt de kans dat zuurstof intreedt, met rotting tot gevolg. Het welslagen van het voordroogproces wordt beïnvloed door de weersomstandigheden. Omwille van deze twee beperkingen streeft men in de landbouw naar gras met een droge stofgehalte van maximaal 35 % tot 40 % en beperkt men de veldperiode tot maximum twee dagen [5]. In de praktijk is voordrogen geen haalbare optie doordat het enkel onder gunstige weersomstandigheden zou moeten worden gemaaid en gekeerd. Ook de hakselmachines uit de landbouwsector kunnen niet worden toegepast doordat ze zouden stilvallen door de onzuiverheden (zwerfvuil, stenen,..). Een aantal kuilen bermmaaisel bij enkele verwerkingsinstallaties die in het verleden werden aangelegd tonen bovendien ook aan dat het voordrogen geen noodzakelijke voorwaarde is voor het inkuilproces. Wel kan het een belangrijk hulpmiddel zijn [5]. 7.3.2.2 Maaikneuzen en hakselen van het gras Voor gras met een droge stofgehalte lager dan 35 % heeft het hakselen een positief effect op de conservering. Hakselen heeft geen zin meer wanneer het droge stofgehalte hoger ligt dan 40 %. Door het verkorten en kneuzen komen de celsappen en suikers gemakkelijker vrij voor de melkzuurbacteriën. De betere vermenging en homogene verdeling van de vochtigheid zorgt ervoor dat de boterzuurbacteriën zich beter en gelijkmatiger kunnen ontwikkelen. Daarnaast laat korter materiaal zich gemakkelijker samendrukken. Door het gras te hakselen kan bijgevolg een grotere massa ingekuild worden per volume-eenheid wat tevens de bewaarbaarheid ten goede komt. Laboproeven hebben aangetoond dat van kort gehakseld gras (gewaslengte van 20 mm) per m³ tot 250 kg DS kan worden ingekuild terwijl dat van niet gehakseld gras maar rond de 150 kg DS per m³ lag. 7.3.2.3 Creëren van anaerobe omstandigheden Zoals alreeds vermeld wordt zuurstof verdreven door de kuil aan te drukken. Bij een rijkuil of sleufsilo gebeurt dit door over de silo te rijden. Twee maal over de kuil rijden blijkt het meest efficiënt te zijn, omdat meer over de kuil rijden slechts een beperkte bijkomende samendrukking oplevert. Een andere belangrijke factor die een invloed heeft op de samendrukbaarheid is de ouderdom en de versheid van het gras: jong en vers gras, dat een hoger gehalte hemicellulose heeft, laat zich gemakkelijker samendrukken dan droog of afgerijpt gras. Nadat de kuil is samengedrukt, moet de nodige zorg worden besteed aan het afdekken ervan. Ook wanneer het inkuilen stilligt, is het aangewezen de graskuil tijdelijk af te dekken. 7.3.2.4 Beperken van een verontreiniging met grond De aanwezigheid van grond in het maaisel verhoogt het risico op een minder geslaagde bewaring. Met de grond zouden extra boterzuurbacteriën in de kuil worden gebracht hetgeen nadelig is voor het gewenste inkuilproces. Ook vanuit het oogpunt van de verdere verwerking is het belangrijk dat er zo weinig mogelijk grond in de kuil terecht komt. Bij een ruwe as gehalte dat hoger ligt dan 120 g/kg DS is er zelfs sprake van 'verontreiniging' met grond [5]. 7.3.2.5 Toedienen van inkuiladditieven Wanneer bepaalde voorwaarden niet optimaal zijn voor het bekomen van een goede kuil, kan een kuiladditief overwogen worden. Wel is het belangrijk dat bij gebruik ervan de volgende zaken in het achterhoofd worden gehouden [5]: • Kuiladditieven zijn nutteloos wanneer het gras een hoger droge stofgehalte heeft dan 35 %.
27
Additieven bieden geen absolute zekerheid op het slagen van de kuil, maar zijn slechts een hulpmiddel. • Alle andere voorzorgsmaatregelen voor het bekomen van een goede kuil, zoals vermeld onder de drie voorgaande paragrafen, moeten nog steeds maximaal in acht worden genomen. • Voor gewassen met een suiker/eiwit verhouding kleiner dan 0,4 is een bewaarmiddel onontbeerlijk. Zeker voor kuilen die veel klaver bevatten is een inkuiladditief aangewezen, daar voor klaver de suiker/eiwit verhouding slechts 0,3 bedraagt. Voor gewassen met een verhouding tussen 0,4 en 0,8 kan een kuiladditief achterwege worden gelaten, maar dan moet het gewas wel voldoende worden gekneusd. •
De keuze voor een bepaald additief hangt af van de te verwachten meerwaarde ten aanzien van het inkuilproces. Voor een optimale keuze van het juiste additief is het belangrijk om een idee te hebben op welk vlak er niet aan de optimale kuilcondities is voldaan. De eventuele invloed op de verdere verwerking zal ook meespelen. Additieven zijn over het algemeen vrij duur; de verbeterende werking door het toedienen van het additief moet dan ook financieel en/of milieutechnisch een meerwaarde betekenen (minder droge stof- en minder kwaliteitsverliezen, minder geurhinder, een positieve impact op de verdere verwerking). Voor zover bekend zijn er tot op heden nog geen testen met inkuiladditieven gerapporteerd op kuilen bermmaaisel, wel met grasmaaisel in het algemeen en met positieve resultaten [23], [25]. Door Inagro en HOWEST (hogeschool West-Vlaanderen) werd onderzoek verricht rond kuiladditieven voor andere biomassa’s. Volgende thesisstudenten voerden hieromtrent onderzoek uit: Jeroen Bral (2008), Kenneth Hostyn (2009) en Mathieu Bossuwé (2010). Sillage additieven kunnen onderverdeeld worden in drie groepen: • • •
Bacteriostatica: dit zijn zuren of bewaarmiddelen die de fermentatie inhiberen. Additie van nutriënten bijvoorbeeld onder de vorm van ammoniak of ureum. Fermentatie-stimulerende additieven zoals innoculatie van micro-organsismen, enzymen en substarten voor fermentatie: melasse, enz.
Hieronder volgt gedetailleerde uitleg [5]. • Bacteriostatica. Deze worden aan de kuil toegediend om de ontwikkeling van bacteriën die schadelijke gistingen veroorzaken tegen te werken. Formol is een zeer doeltreffend bacteriostaticum en wordt toegediend aan een dosis van 6 l tot 7 l per ton. Het bindt zich aan de proteïnen van het ingekuilde materiaal en beschermt ze op die manier tegen proteolyse. Ook natriumchloride wordt soms toegediend met een dosis van 30 kg per ton. Het verhoogt de osmotische druk en remt op die manier de boterzuur- en rottingsbacteriën. Naast bewaarmiddelen zijn minerale en organische zuren ook bacteriostatica. Deze doen de pH van de kuil dalen en helpen op die manier het eerste stadium in de fermentatie overbruggen. Aanzuren alleen is onvoldoende, er is nog steeds een melkzuurfermentatie nodig om een stabiele kuil te bereiken. In de praktijk zijn het voornamelijk organische zuren die worden toegediend, in dalende verzuringsgraad: mierenzuur (3 à 4 l/ton), azijnzuur (3 à 4 l/ton) en propionzuur (1 l /ton). Propionzuur is een sterk fungicide en wordt vooral toegepast bij voordroogkuilen met meer dan 40 % droge stof om de schimmelvorming tegen te gaan op de oppervlaktelaag. Zuren zijn slechts werkzaam bij kuilen met minder dan 30 % droge stofgehalte. 28
• Fermentatie stimulerende additieven: inenting van melkzuurbacteriën (MZB). Dit zijn inoculanten en kunnen nuttig zijn om de fermentatie snel op gang te brengen indien er niet voldoende melkzuurbacteriën op het gras aanwezig zijn of de bacteriën niet van het geschikte type zijn. Voor een efficiënte werking moeten minstens 105 melkzuurbacteriën per gram vers gras toegediend worden. Op de markt zijn er verschillende types beschikbaar: homofermentatieve inoculanten die op zeer efficiënte manier suikers omzetten tot melkzuur en heterofermentatieve inoculanten die, weliswaar met lagere efficiëntie dan de homofermentatieve, melkzuur vormen en daarnaast ook propionzuur, waardoor broei wordt teruggedrongen. Daarnaast zijn er producten die bestaan uit een combinatie van melkzuurbacteriën en enzymen (cellulasen, amylasen, ...) waardoor extra suikers uit het plantenmateriaal worden vrijgezet die dan als voedingsbron dienen voor de bacteriën. Om een langere enzymatische werking te garanderen is er momenteel volop onderzoek bezig naar bacteriën die enzymes uit de planten helpen vrijzetten en op hun beurt suikers losmaken.
• Fermentatie stimulerende additieven: voedingsbron voor MZB. Substraten die een tekort aan aanwezige oplosbare suikers op het gras helpen compenseren en op die manier een extra voedingsbron vormen voor de (aanwezige of toegediende) melkzuurbacteriën. Vooral bij een lange veldperiode, regenachtig of bewolkt weer kan het suikergehalte te laag liggen. Het meest voor de hand liggend zijn de suikerhoudende producten¸ in de vorm van melasse (40 kg/ton), melassestro (80 kg/ton) of melassepulp (80 kg/ton). Het omzettingsrendement van de suikers is ongeveer 75 %. Anderzijds zijn er producten op basis van zetmeel. Gemalen gerst kan ook worden toegevoegd, door de aanwezige amylasen in het plantensap wordt de zetmeel vrijgezet. Door extra mout of zelfs industriële amylasen toe te voegen, stijgt het omzettingsrendement van de toegediende gerst. Eventueel kunnen cellulasen worden toegediend die op de celwanden van de planten gaan inwerken en de aanwezige suikers op die manier helpen vrijzetten. De enzymen zijn slechts werkzaam voor kuilen met 18 % tot 20 % droge stof. Het is van belang om de juiste dosering te hanteren en het inkuiladditief goed te verdelen om zijn werking ten volle te benutten waardoor tevens wordt vermeden dat het product een invloed heeft op de kwaliteit van het uit te kuilen gras. Voor suikers bijvoorbeeld zal de niet gefermenteerde fractie meer kans op broei geven tijdens het openen. Zeker voor kuilen bermmaaisel is het niet evident om een eventueel additief homogeen te verdelen. De beste manier om het additief te mengen is gebruik maken van een voedermengwagen. In onderstaande tabel zijn de resultaten van batchtesten met maïs weergegeven. De meeroprengst aan biogas door het toevoegen van additieven ligt in de grootte-orde van 10- 15 % bij de batch proeven en 20 % bij de semi continue proeven [27]. Belangrijk is te onthouden dat het inzetten van een (type) inkuiladditief voor veevoeding afhangt van de (conditie) van het substraat. Bij gras is vrije koolhydraten beperkt en bestaat het risico dat verzuring slecht verloopt en kan geopteerd worden voor een additief met enzymen. Voor anaerobe vergisting zijn de voorwaarden niet dezelfde dan indien het materiaal als veevoeder bestemd is. Tabel 7.1: Invloed inkuiladditief op methaanopbrengst [5].
Additief
samenstelling
getest
EM silage
Micro-organismen (o.a. bacteriën en gisten) Micro-organismen (geen kuiladditief)
2008
Microferm
Meeropbrengts biogas t.o.v. onbehandeld + 0 % in batch
2008, 2009, + 10.88 % in batch 2010 29
+ 32.05±10.93 % (± 15% DS verlies) in semi-continu
Bonsilage maïs
Silasil Energy
Sil All 4x4
Lalsil Dry
Enzymenpreparaat
homo- en heterofermentatieve melkzuurbacteriën (speciaal voor snijmaïs) homo- en heterofermentatieve melkzuurbacteriën (specifiek voor vergisting)
2009
- 9.18 % in batch
2009
+ 11.2 ± 0.7 % in batch
homo- en heterofermentatieve melkzuurbacteriën + enzymen (cellulase, hemicellulase, pentosanase, amylase)
2009, 2010
homo- en heterofermentatieve melkzuurbacteriën + enzymen (cellulase, hemicellulase) Samenstelling niet gekend
2010
16.9 ± 1.3 % in batch
2010
-
+ 23.80±6.62 % (±4 % DS verlies) in semi-continu
+ 7.82 % (2009) in batch + 13.4 ± 1.3 % (2010) in batch 18.02±5.24 % in semicontinu (± 4 % DS verlies)
3.04 % in batch
Om bovenstaande tabel beter te begrijpen kan het nuttig te zijn om te weten wat de vermelde bacteriën en enzymen doen. Homofermentatieve melkzuurbacteriën zetten koolhydraten om tot melkzuur waardoor de vergisting sneller zou kunnen verlopen, de vraag is of dit zich vertaald in een meeropbrengst van biogas. Heterofermentatieve melkzuurbacteriën vormen significante hoeveelheden azijnzuur ten koste van melkzuur, maar azijnzuur kan rechtsreeks omgezet worden tot methaan wat resulteert in een snellere vergisting. Er kan opgemerkt worden dat azijnzuurvorming normaal ongewenst is omdat het de smakelijkheid voor veevoeiding verlaagt, wat niet van belang is bij vergisting. De enzymen staan in voor een gedeeltelijke vertering van vezels en zetmeel wat leidt tot een snellere en betere vergisting. De effectiviteit hangt af van het enzymencomplex [27].
7.3.3 Inkuilmogelijkheden Er zijn verschillende inkuilmethoden mogelijk. Hieronder zullen vier technieken besproken worden: • • • •
Rijkuil: eenvoudig, goedkoop, veel ruimte, afwerking belangrijk Sleufsilo: grotere investering, minder plaats, betere compactie, grote hoeveelheden Gewikkelde balen: voordroging, binnen 3 dagen na maaien, maar manipulatie, afval, houdbaarheid lager, kost hoger, kleine hoeveelheden Slurfsilo: persvijzel in gesloten zak, grote hoeveelheden, directe afsluiting, gassen 30
Om het slagen van het bewaarproces na te gaan wordt de kuil geëvalueerd op geur, pH, temperatuur, concentraties azijnzuur, boterzuur, melkzuur, NH3-N/tot.-N [5]. 7.3.3.1
Rijkuil
Figuur 7.3: Schematische voorstemming rijkuil [5].
Zeker bij nat inkuilen (< 25 % DS) is de kans groot dat er perssappen uittreden. Dergelijke sappen zijn erg zuur (pH 3.8 - 4) en mogen niet rechtstreeks geloosd worden in het oppervlaktewater. De perssappen worden afgevoerd naar een opvangput voor verdere verwerking, bijvoorbeeld in een waterzuiveringsinstallatie of door toediening op het land gemengd met drijfmest. Omwille van hun zure eigenschappen kunnen ze betonplaten van lage kwaliteit aantasten. Het is daarom van belang om voor dergelijke natte kuilen het pas aangelegde beton na te behandelen met een zogenaamde 'curing compound'. Een andere mogelijkheid is een plastiekfolie aan te brengen. Deze voorwaarde geldt ook voor de sleufsilo die wordt toegelicht in de volgende paragraaf. Voor bermmaaisel is het te verwachten dat het materiaal vaak stapsgewijs en met tussenpozen zal worden ingekuild. Dit noemt men bijkuilen. Dit kan enerzijds gebeuren door partijen in horizontale lagen op elkaar te plaatsen, anderzijds door partijen achter elkaar in te kuilen. Bij het horizontaal bijkuilen binnen de 2 weken kan de temperatuur flink oplopen en wordt het bijkuilen best beperkt tot 2 keer. De voorkeur wordt echter gegeven aan het verticaal bijkuilen. Hier moet slechts een klein gedeelte van de kuil worden geopend waardoor de kans op broei verkleint. Om verliezen door rotting ter hoogte van het scheidingsvlak te voorkomen bestaan er op de markt specifieke conserveringsmiddelen (bijv. Topform). 7.3.3.2 Sleufsilo In tegenstelling tot de rijkuil is de sleufsilo voorzien van verticale wanden aan weerszijden van de silo. Sleufsilo’s kunnen bijgevolg veiliger tot een grotere hoogte worden opgezet. De verticale wanden laten toe om ook de zijkanten van de kuil beter samen te drukken. Hierdoor bevat een rijkuil gemiddeld zelfs 5 % minder droge stof per volume-eenheid dan een sleufsilo. Volgens de rijkuil zou de dichtheid ter hoogte van de zijkanten hoger zijn dan het midden van de kuil, omdat hier ook dwars over de kuil kan worden gereden. Voor een uniforme dichtheid is het zeker voor een sleufsilo aangewezen een goede materiaalverdeling tijdens het inkuilen te realiseren [5].
31
Figuur 7.4: Schematische voorstelling Sleufsilo [5].
De wanden van sleufsilo’s worden gemaakt van gewapende betonblokken, betonelementen of in het werk gestort beton. Belangrijk is dat de wanden voldoende weerstand kunnen bieden tegen de druk van het ingekuilde materiaal en in het bijzonder de druk die tijdens het inkuilen wordt uitgeoefend. Het spreekt voor zich dat de wanden water- en luchtdicht moeten zijn. De vloer bestaat best uit in het werk gestort gewapend beton. Een grote plaat wordt net zoals bij de rijkuil met een afhelling van 1 - 1.5 cm per meter aangelegd in de lengterichting naar het voorterrein. Afzonderlijke platen hellen in de dwarsrichting af van de zijkanten naar het midden, waar een waterafvoergoot aanwezig is. Er kan ongeveer anderhalve keer meer materiaal ingekuild worden in een sleufkuil t.o.v. een rijkuil voor eenzelfde beschikbare oppervlakte. Dankzij de zijwanden kunnen sleufsilo’s namelijk veiliger tot een grotere hoogte worden opgezet in vergelijking met rijkuilen. Voor gebruik bij vergisters kunnen andere afmetingen dan in de landbouw worden gehanteerd in functie van de specifieke vereisten van het bedrijf. Bij voorkeur wordt de silo met een holle ligging gevuld en wordt de bovenkant rond afgewerkt. Finaal is het hoogste punt van de kuil best 30 à 50 cm hoger dan de wandhoogte. Het tussentijds bijkuilen in sleufsilo’s is moeilijker dan in rijkuilen, omdat de wanden steil zijn en het verwijderen en terug aanbrengen van de afdekking veel tijd in beslag neemt. Eventueel kan verticaal worden bijgekuild [5]. 7.3.3.3 Gewikkelde balen Een derde mogelijke inkuilmethode is het persen en wikkelen van balen gras dat alreeds voorgedroogd is. Volgens een groenaannemer die in het verleden bermmaaisel geperst en gewikkeld heeft, mag het gras maximaal 2 tot 3 dagen oud zijn. Er kunnen eventueel bewaarmiddelen toegevoegd worden via een doseerapparaat bevestigd ter hoogte van de pers. Het inkuilen in balen heeft een aantal nadelen vergeleken met de rijkuil of sleufsilo: • •
•
De gewikkelde pakken kunnen gemakkelijk worden beschadigd, zeker bij het laden en het lossen. Het uitkuilen van de balen is erg arbeidsintensief en een baal geeft voor eenzelfde hoeveelheid maaisel bovendien aanleiding tot minstens het dubbele aan plastiek afval dan een rijkuil of een sleufsilo. De kostprijs ligt, relatief hoog, zeker voor grote hoeveelheden gras 32
• •
De houdbaarheid van de balen is eerder beperkt: 5 tot 7 maanden voor balen omwikkeld met vier lagen en 10 tot 12 maanden wanneer zes lagen folie worden gebruikt. Balen zijn het meest interessant wanneer kleine hoeveelheden (berm)gras worden ingekuild.
De opslag dient te gebeuren op een droge en vlakke plaats waarbij de balen maximaal 3 niveaus hoog worden gestapeld. Scheuren en gaten moeten afgedicht worden met kleefband. Gevormde stapels worden best met een plastiekzeil luchtdicht afgesloten [5]. 7.3.3.4 Slurfsilo’s Een vierde en laatste inkuilmogelijkheid is het gebruik van de zogenaamde slurfsilo of worstkuil. Deze techniek is redelijk nieuw en bestaat erin dat met behulp van een persvijzel, die achter een trekker of vrachtwagen bevestigd is, het in te kuilen product in een 'zak' wordt geperst. Met behulp van een verreiker kan de toevoerbak met de persvijzel worden gevuld. De sterkte van het samenpersen hangt af van het type product dat wordt ingekuild en van de snelheid waarmee de trekker of vrachtwagen tijdens het persen verder rijdt.
Figuur 7.5: Langs de toevoerbak met persvijzel wordt het materiaal in de slurfsilo geperst [5].
Voor de vergisting van bermmaaisel lijkt deze inkuilmethode een meerwaarde te hebben t.o.v. de andere kuilmethoden op voorwaarde dat er rekening wordt gehouden met verschillende aspecten die hierna worden besproken. Wanneer beroep wordt gedaan op een loonwerker moet het gras bij voorkeur continu en binnen een korte periode aangevoerd worden om de kosten van het loonwerk te beperken. Wanneer daarentegen de nodige werktuigen permanent beschikbaar zijn, is deze kuilmethode wel erg geschikt voor een discontinue aanvoer. Het product in de kuil is namelijk voortdurend luchtdicht afgesloten en bestaande slurfsilo's kunnen gemakkelijk worden geopend en verlengd zonder dat er belangrijke verliezen optreden ter hoogte van het snijvlak tussen twee partijen gras. De vulvijzel heeft een maximale capaciteit van 35 ton product per uur. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van tunnels met een diameter 1,20 m, 1,50 m, 2 m, 2,40 m. In de grootste uitvoeringsvorm (Ø 2,40 m) kan zelfs tot 4 ton bermmaaisel per lopende meter worden ingekuild. Net als bij de andere inkuilmethoden moet er opnieuw op worden toegezien dat er zich geen scherpe voorwerpen (zwerfvuil) bevinden aan het oppervlak van de kuil, dit om schade aan de plastiek te voorkomen. In principe zal zwerfvuil ter hoogte van de toevoerbak met de persvijzel geen probleem vormen. Het is wel mogelijk dat bepaalde stukken zwerfvuil uit de toevoerbak worden geslingerd. 33
Voortdurend een veilige afstand houden is dan ook absoluut noodzakelijk [5]. Tijdens eender welk inkuilproces (ook in rijkuilen of sleufsilo’s) kan silogas worden gevormd dat giftig is. Zeer waarschijnlijk zijn dit nitreuze gassen met een bepaalde fractie CO2, zo blijkt althans uit Nederlands onderzoek naar gasvorming in kuilen. Omdat slurfkuilen volledig hermetisch afgesloten zijn, kan ten gevolge van deze gasvorming na een aantal uren de plastiek bol komen te staan met mogelijk zelfs ontploffingsgevaar. Om die reden is het aangewezen op minstens 2 plaatsen in de plastiek een insnijding van 2 tot 3 cm te maken waarlangs de overdruk kan ontsnappen. Na 2 tot 3 dagen worden deze dan opnieuw dichtgeplakt [5].
7.3.4 Uitkuilen Tijdens het uitkuilen treedt zuurstof in de kuil en is er een risico dat een rottingsproces op hang komt. Het is belangrijk om de dimensies af te stemmen op de verwerkingssnelheid in de betreffende vergistingsinstallatie. Vanuit de landbouw is een uitkuilsnelheid van minstens 2 m per week vooropgesteld voor kuilen zonder gronddek en 1,5 m per week voor kuilen met gronddek. Ook wanneer wordt uitgekuild met een kraan is een minimale uitkuilsnelheid van 2 m per week aangewezen. Het is niet wenselijk om langer dan twee maanden uit dezelfde kuil uit te kuilen, eveneens om broei in belangrijke mate te voorkomen. Ook voor kuilen met bermmaaisel kunnen deze richtwaarden worden aangehouden, onder meer om op die manier geurhinder te beperken. Zodra het inkuilproces beëindigd is kan het ingekuilde bermmaaisel worden uitgekuild. Dit gebeurt best met een kuilvoedersnijder. Op die manier wordt een verticaal en schoon snijvlak bekomen en is er de minste kans op broei. Ingekuild gras is doorgaans veel sterker aaneengeklit dan vers gras. Tijdens de verdere verwerking moet bijgevolg voorzien worden dat het materiaal mechanisch wordt verbrokkeld vooraleer het verder wordt verwerkt. Het bermmaaisel afkomstig van een stabiele kuil verschilt qua samenstelling niet sterk van vers niet ingekuild maaisel. Indien de sapverliezen worden vermeden blijft de samenstelling (vochtgehalte, C/N-verhouding, nutriëntengehalte) behouden. Op het vergistingsproces heeft het inkuilen een meer uitgesproken effect dan bij compostering. Na een geslaagde inkuiling ligt de gasproductie hoger [5].
7.3.5 Kansen en bedreigingen van inkuilen Inkuilen vormt een praktisch haalbare opslagmethode wanneer de verdere verwerking bestaat uit vergisting. Indien op termijn het bermmaaisel meer en meer zijn weg moet vinden naar de biogasinstallatie, is het wenselijk dat de maaimethoden hierop worden afgestemd zodat de kuilfermentatie - en de verdere vergisting - gunstig kunnen verlopen. In het maaibeheer wordt vanuit een natuurtechnisch oogpunt vaak de voorkeur gegeven aan de cirkelmaaier. Dit is zowel technisch als financieel minder gunstig wanneer het materiaal wordt ingekuild. Om de kuil voldoende te kunnen samendrukken moeten de afmetingen van het maaisel voldoende klein zijn. Het hakselen van bermmaaisel na maaien is financieel oninteressant en de berm wordt dan ook best gemaaid met een klepelmaaier. Vanuit het beleid wordt echter aangemoedigd om met een cirkelmaaier te maaien omdat op die manier het maaisel beter kan worden ingezameld en afgevoerd, waardoor het beter bijdraagt tot de verschraling van de berm. Bovendien wordt er met cirkelmaaien minder grond afgevoerd naar de verwerkingsinstallatie.
7.3.6 Inkuilen met co-stromen en additieven Een succesvolle inkuiling legt eisen op voor de kwaliteit van het aanvankelijk substraat. Er dienen voldoende melkzuurbacteriën en omzetbare suikers aanwezig te zijn, een beperkt gehalte eiwitten en materiaal dat klein genoeg is om zuurstof te beperken. Indien aan deze voorwaarden niet wordt 34
voldaan, kunnen er bepaalde additieven zoals alreeds besproken toegevoegd worden. Een andere mogelijkheid is om (tevens) co-substraten te mengen in de kuil. Er werden diverse proeven uitgevoerd in slurfsilo’waarbij geklepeld bermmaaisel vermengd met melkslib, fruitpulp en mest werden uitgetest. Het effect van de additie van melkzuurbacteriën werd ook onderzocht. De proefopzet die door OVAM werd gepubliceerd was samengesteld uit volgende onderdelen: 1. Kuil met enkel bermmaaisel (monokuil). 2. Kuil van bermmaaisel en melkzuurbacteriën (MZB). MZB toegevoegd onder de vorm van het product Pioneer 1188, in de landbouw toegepast omwille van zijn fermentatieverbeterende werking en omdat het de kuilverliezen vermindert. Toediening aan een dosis van 10 mol per ton product. 3. Kuil van bermmaaisel en melkslib. Verhouding melkslib/bermmaaisel 1:9. 4. Kuil van bermmaaisel en fruitpulp. Fruitpulp bijgemengd in verhouding 1:2. Fruitpulp met een droge stofgehalte van 20 % aanzienlijk lager dan verwacht (40 %). 5. Kuil van bermmaaisel, fruitpulp en MZB. 6. Kuil van bermmaaisel en kalverdrijfmest. Verhouding kalverdrijfmest/bermmaaisel 3:20. 7. Kuil van bermmaaisel, kalverdrijfmest en MZB. Tabel 7.2: Verschillende substraatmengsel en additieven, bereikte en gewenste pH voor stabieke kuil [5]
Behandeling Bereikte pH DS (1) pH nodig voor stabiele kuil Gras 5.5 35.6 4.6 Gras & MZB 4.9 38.6 4.7 -4.8 Gras & slib 5.2 31.7 4.4 Gras & pulp 4.4 31.3 4.4 Gras & pulp & MZB 4.6 31.8 4.4 Gras & KDM 5.1 33.1 4.5 Gras & KDM & MZB 5.5 37.5 4.7 (1) Dit betreft het finale droge stofgehalte. Voor de behandelingen met fruitpulp en met kalverdrijfmest ligt dit droge stofgehalte duidelijk hoger dan het initiële gehalte, dit gezien de sapverliezen die zijn opgetreden. Enkel in de kuil met fruitpulp lag de pH voldoende laag (4.4) om een goede stabiliteit te garanderen. De suikers die toegediend werden onder de vorm van fruitpulp compenseerden de lage suikergehalten van het bermgras. De pH in de kuil met pulp en MZB was niet hoger dan deze zonder MZB, wat een indicatie is dat van nature genoeg MZB aanwezig zijn in de kuil om de suikers om te zetten. Inkuilen met fruitpulp zorgde voor de grootste toename in biogaspotentieel. Het totale potentieel nam met 22 % toe en met 19 % na 45 dagen reactortijd. Daarnaast werd eveneens een toename in biogaspotentieel gesimuleerd door het toedienen van melkslib (16 %). Het toedienen van melkzuurbacteriën bleek geen beduidend positief effect te hebben op het biogaspotentieel bij beide mengsels. De toediening van kalverdrijfmest gaf de minst goede resultaten in de simulatie. Melkzuurbacteriën konden het biogaspotentieel wel lichtjes verhogen bij het inkuilen met kalverdrijfmest. Toediening van melkzuurbacteriën in deze proef verbeterde de fermentatie enkel in 35
de monokuil (‘controle-kuil’), en niet in de inkuiling met coproducten. Op basis van de daling van de pH zou een stabiele kuil enkel bereikt zijn in de kuil met gras en fruitpulp zonder MZB. Alle andere kuilen haalden niet voldoende stabiliteit na 10 weken. Toediening van zuur melkslib aan een dosis van 10 massaprocent had geen voldoende verzurend effect om de eerste fase van de melkzuurgisting te versnellen. Het hoge eiwitgehalte van het slib werkte de verzurende melkzuurfermentatie mogelijk tegen. De toediening van kalverdrijfmest had de kuilfermentatie niet verbeterd. De toevoeging van extra melkzuurbacteriën leverde ook hier geen meerwaarde. Fruitpulp had als enige van de drie co-materialen het fermentatieproces van het bermmaaisel gevoelig verbeterd. Bermmaaisel vereiste een verblijftijd van 45 dagen in een reactor voor vergisting wat lang is vergeleken met concurrerende producten. Inkuilen van bermgras bood een oplossing om het bermgras geleidelijk aan in de vergister te brengen. Inkuilen veroorzaakte een daling van 18 % in het biogaspotentieel na 10 dagen inkuiling en van 10 % tot 15 % in het totale biogaspotentieel. Deze daling kon opgevangen worden door het bermmaaisel in te kuilen samen met de andere producten. Co-vergisting met fruitpulp gaf een toename van het biogaspotentieel met 20 %, zuur melkslib met 15 %, beiden vergeleken t.o.v. de vergisting van bermgras alleen. Het inkuilen van bermgras met kalverdrijfmest gaf geen significante verbetering van het biogaspotentieel, zelfs niet wanneer melkzuurbacteriën werden toegevoegd. De financiële opbrengst van de bermgrasverwerking wordt grotendeels bepaald door de ‘gate fee’ die de verwerker ontvangt wanneer het bermgras geleverd wordt en de opbrengtsten t.g.v. de geproduceerde elektriciteit. In de eindbalans bleek de vergisting van vers bermgras financieel het meest rendabel: geen kosten voor inkuilen en een maximale energieopbrengst bij vergisten. Indien het bermgras ingekuild dient te worden blijft de monokuil economisch het meest rendabel, omdat de meerwaarde die in energieopbrengst gecreëerd wordt, door het co-vergisten met fruitpulp of melkslib, niet de meerkost in opslag en innameprijs dekt. Het toedienen van melkzuurbacteriën bleek in geen enkele combinatie financiëel rendabel net zoals de co-opslag of co-vergisting met kalverdrijfmest.
8 Vergisting 8.1 Principe anaërobe vergisting Bij de vergisting wordt organisch materiaal onder gecontroleerde omstandigheden en onder anaerobe condities, d.i. in afwezigheid van zuurstof, door micro-organismen omgezet en afgebroken. Praktisch wordt biomassa gevoed in een grote gasdichte container die een fermentor wordt genoemd.Het vergistingsproces gaat gepaard met productie van energierijk biogas en digestaat. Dit biogas bestaat uit CH4 (50 % tot 70 %), CO2 (25 % tot 50 %) en restgassen (maximaal enkele percenten H2S, NH3, N2 en H2). Bij de anaerobe vergisting staat de productie van biogas (en dus energie) centraal, naast de productie van bodemverbeteraar of digestaat. In de gasproductie is het aandeel CH4 bepalend voor de energie-inhoud van het gas (Biogas-E 2012).In vergelijking met het composteringsproces komt er bij de vergisting minder warmte en minder CO2 vrij. In plaats daarvan wordt CH4 vrijgesteld [5].
36
Figuur 8.1: Schematisch model van een anaeroob vergistingsproces, type mesofiele CSTR (naar IEA Bioenergie (2008)).
Figuur 8.2: Schematische voorstelling vergistingsproces [28]
8.2 Parameters van vergisting Het vergistingsproces kan in de praktijk onder verschillende omstandigheden en hiervoor zijn dan diverse technologiën ontworpen. Zo kan de biomassa onder verschillende temperaturen worden afgebroken, met een verschillende vochtigheidsgraad, continuïteit van de voeding, enz. Het 37
anaerobe vergistingsproces kan tevens in één fase of in twee fasen verlopen. Hieronder volgt wat uitleg hieromtrent.
8.2.1 Temperatuursgebied Op basis van het temperatuursgebied kan het vergistingsproces worden opgedeeld in een thermofiele en een mesofiele uitvoeringsvorm. Het psychrofiele (5 - 30 °C) temperatuursgebied is niet van toepassing in onze streken. Het optimale temperatuursgebied voor mesofiele afbraak ligt tussen 32 °C en 38 °C, voor thermofiele afbraak tussen 50 °C en 55 °C. Thermofiele vergisting heeft als voordeel dat het afbraakproces sneller verloopt en dat er meer biogas wordt geproduceerd. Tevens kan een hygiënisatie-effect worden bereikt tijdens de vergisting. Mesofiele processen daarentegen zijn robuuster en minder gevoelig voor allerlei inhibities of storingen. Bovendien is minder warmte nodig. De hygiënisering vindt plaats tijdens de aerobe narijping, droging of indamping (pasteurisatie). Zowel voor thermofiele als voor mesofiele procesvoering geldt dat voor een optimale ontwikkeling van de populatie micro-organismen het temperatuursniveau zo constant mogelijk moet blijven [5].
8.2.2 Vochtigheidsgraad/ droge stofgehalte Op basis van het droge stofgehalte kan een onderscheid gemaakt worden tussen een droge (15-40% DS) en een natte (<15% DS) vergisting. Bij de droge vergisting vindt in de fermentor doorgaans geen verdere menging plaats. Mechanische onderdelen in de reactor komen dan ook niet voor. Het inputmateriaal dat telkens wordt geënt met uitgegist materiaal doorstroomt de reactor onder de vorm van een prop. Het hoge droge stofgehalte verhindert dat zwaardere deeltjes gaan bezinken of lichtere deeltjes gaan bovendrijven. Wel moet de anorganische fractie nadien worden gescheiden. De gemiddelde verblijftijd bedraagt 15 à 30 dagen. Na ontwatering met een schroefpers is het digestaat gemakkelijk aeroob te verwerken met compost als eindproduct. Bij de natte vergisting wordt het materiaal in de fermentor voortdurend gemengd en de vloeibare massa wordt doorgaans continu door de fermentor geleid. Het geheel wordt gemengd door te roeren, door de vloeistof rond te pompen of door biogas te injecteren. Bovendien vergt de natte vergisting een hogere energiebehoefte dan de droge vergisting omdat het water dient te worden opgewarmd. De natte vergister komt het meeste voor, ten gevolge van de beschikbaarheid van vloeibare mest. De gemiddelde verblijftijd kan variëren van enkele dagen tot enkele tientallen dagen. Het vergiste materiaal, dat een hoog vochtgehalte bevat, dient verder te worden verwerkt of afgezet [5].
8.2.3 Voedingsregime Op basis van het voedingsregime kan de fermentor continu, semi-continu of in batch (discontinu) gestuurd worden. Bij een continu voedingsregime wordt regelmatig vers materiaal toegevoegd en treden de verschillende stappen van het vergistingsproces simultaan op. Bij een continu proces wordt een constante biogasproductie gerealiseerd. Continu voeden bevordert de stabiliteit van het proces. Bij een batch-proces wordt al het substraat in één keer in de reactor gebracht waarna de verschillende degradatiestappen elkaar opvolgen met een discontinue biogasproductie tot gevolg. Het inputmateriaal moet voldoende geënt worden met uitgegist materiaal om een stabiel proces te bekomen.
8.2.4 Aantal fasen Wat het aantal fasen betreft, bestaan er bij de natte vergisting één- en meertrapsprocessen. Bij een twee- of meertrapssyteem wordt getracht de verschillende fasen tijdens het omzettingsproces 38
ruimtelijk van elkaar te scheiden. Een meertrapssyteem is vooral interessant wanneer gewerkt wordt met verschillende substraten met een erg verschillende biodegradeerbaarheid, waardoor de verschillende reactoren afzonderlijk kunnen worden gevoed. Procesparameters kunnen hierdoor worden geoptimaliseerd. Dit stabiliseert het proces en verhoogt de afbraak en hierdoor de biogasopbrengst. Bovendien verkleint het vereiste reactorvolume. Voor een droge vergisting is enkel een ééntrapsproces aangewezen [5].
8.2.5 Karakterisatie van bermmaaisel voor vergisting. Bermmaaisel vertoont knelpunten om verwerkt te worden in een fermentor. De aard van dit substraat is bepalend voor het type vergister dat beter geschikt is en welke aanpassingen ervoor zouden kunnen zorgen dat minder geschikte vergisters dit materiaal toch kunnen verwerken. Er zijn twee typische knelpunten gebonden aan bermmaaisel, namelijk de aanwezigheid van zwerfvuil en de vezeligheid van de biomassa. Zwerfvuil is al problematisch bij het maaien en stockeren van het materiaal. Opdat het substraat in een vergister zou verwerkt mogen worden, moet aan voorwaarden voldaan worden. Zoals dit ook het geval is voor composteringsinstallaties moeten vergistinginstallaties die bermmaaisel verwerken beschikken over een keuringsattest van VLACO vzw die de kwaliteit van het eindproduct garanderen. Dit keuringsattest impliceert onder andere dat de afvalstromen en dus ook het bermmaaisel bij aanlevering visueel door de verwerker moeten worden gecontroleerd. Materiaal met teveel onzuiverheden (grond, plastic) moet worden geweigerd. Hierbij geldt dat de inputstromen maximaal 3 % (w/w) visuele verontreiniging mogen bevatten. Toch kan resterend zwerfvuil en zand problematisch zijn en zullen bepaalde technologieën beter geschikt zijn [5]. Een ander knelpunt is de vezeligheid van maaisel. Pulpers, die kunnen ingezet worden voor het ontvezelen van biomassa, zouden niet geschikt zijn omdat gras een te hoog vezelgehalte heeft. De vezeligheid heeft een impact op de afbreekbaarheid en dus ook op de biogasvorming. Het gras kan proppen vormen waardoor verstoppingen en schade kunnen veroorzaakt worden. Ook kunnen zinken drijflagen gevormd worden. Een korst bovenop natte massa in de fermentor kan zorgen voor vervuiling van gaspijpen, schuimvorming, thermale stratificatie en bovendien belet het dat gassen kunnen ontsnappen. Praktisch zou dit voorkomen kunnen worden door het percentage aan gras als co-substraat onder de 10 % DS te behouden, het gras heel fijn te verhakselen en voldoende te roeren [5]. Uit deze knelpunten kan alreeds afgeleid worden dat droge procédés beter geschikt zijn dan natte procédés omdat het zwerfvuil en zand minder problematisch zijn in droge vergsiters en dat geen zink- of drijflagen kunnen gevormd worden.
8.3 Reactortypes al dan niet geschikt voor vergisting van bermmaaisel 8.3.1 Continue natte vergisting in een conventioneel geroerde tank ‘CSTR’ Op de afbeelding is een biogasinstallatie van het type natte vergisting te zien. De CSTR (completely stirred tank reactor) is het meest voorkomende type wegens de eenvoudige constructie en de beschikbaarheid van mest. Met nat wordt bedoeld dat het droge stofgehalte van de biomassa in de reactor niet hoger is dan 15 %, dan is de inhoud van de reactor nog gemakkelijk te roeren en te verpompen. Om het probleem van korstvorming door gras te voorkomen kan een peddelwerk toegevoegd worden die aan de oppervlakte verticaal roert [41]. 39
Bij een CSTR wordt de verse biomassa gedeeltelijk vermengd met digestaat om het inkomende materiaal met bacteriën, te inoculeren [41]. Alhoewel natte vergisting aanvankelijk minder geschikt is voor grasvergisting is het interessant om die piste toch te verkennen, aangezien er meer natte dan droge vergistingsinstallaties zijn. In Gemünden (Duitsland) bijvoorbeeld wordt op een landbouwbedrijf dagelijks 9 ton gras (gehakseld, 5 cm), 5 ton vaste en 9 ton vloeibare mest vergist [44]. In Kielwindeweer (Nederland) wordt dagelijks 20 ton natuurmaaisel (20 % van totale voeding) gevoed in een natte vergister [31].
8.3.2 Percolatie bed systeem verbonden met snelle vergisters
Figuur 8.3: Sequencing fed leach bed digesters coupled with UASB.
In dit systeem zijn één of meerdere reactoren (percolatiebedden) verbonden met een snelle vergister zoals een UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) of een anaerobe filter. Deze percolatiebedden worden sequentieel gevoed en vloeibaar digestaat wordt gerecirculeerd zodanig dat een meer continue biogasproductie kan plaatsvinden [41].
40
8.3.3 Continue droge vergisting: Propstroomfermentor Bij droge continue vergisting is het drogestofgehalte in de reactor hoger: > 20 – 30 %. Wanneer deze viskeuzere biomassa in een cilindervormige reactor, bij een continue proces, hetzij horizontaal via een paddelroerwerk, hetzij vertikaal via stijgbuizen (DRANCO-systeem firma OWS) , in één front wordt voortbewogen, spreken we van een propstroom. Er zijn twee categorieën droge propstroomvergisters: horizontale (Kompogas) en verticale (Valorga en DRANCO). De Valorga is operationeel bij mesofiele temperatuur, de DRANCO en Kompogas kunnen beiden thermofiel werken. In de horizontale Kompogas worden er traagdraaiende schoepen gebruikt om de densere massa de homogeniseren en partikels opnieuw in suspensie te brengen. Het Valorga-systeem gebruikt biogas injectie voor een mixend effect. Technische nadelen van de Valorga is het verstoppen van de gasinjectiepoorten en moeilijk onderhoud.
Figuur 8.4: Continue droge vergisters (DRANCO, Kompogas en Valorga) [41].
Het DRANCO systeem wordt ook een silovergister genoemd. Het Dranco-systeem gebeurt de vergisting bij een temperatuur van 50-55°C in een vertikale cilindervormige vergistingstoren. In deze gesloten staaltank met een hoogte van ca 24,7m wordt het bioafval door bacteriën omgezet en ontstaat er daarbij biogas. Het vers substraat (1 deel) wordt buiten de vergister met digestaat uit de reactor (6 delen) vermengd. Dit mengsel wordt met behulp van een hydraulische toevoerpomp met een bedrijfsdruk van ca. 25 bar van bovenaan over 6 verschillende inlaten in de vergister gepompt (installatie Leonberg) of wordt van onderuit via stijgbuizen naar boven gepompt (zie schets). (via uitwendige van boven of inwendige stijgbuizen tot bovenaan in de reactor) Deze toevoerwijze maakt een zeer goede controle over de menging mogelijk en maakt een menging in de vergister overbodig. De vergister kan zonder mechanische bewegende delen en is daardoor weinig storingsgevoelig. Het materiaal doorstroomt de vergister enkel via zwaartekracht van boven naar beneden. De mengverhouding zorgt door de gelijkblijvende stabiele bacteriëncultuur voor een vlugge en gecontroleerde afbraak van substraat met hoge biogasproductie. De vergisting begint dadelijk na het vullen van de reactor. De gemiddelde verblijftijd van het materiaal in de vergister bedraagt ca. 3 weken (Leonberg). Min. 12 dagen is mogelijk (Igean). Het ontstane biogas beweegt wegens de geringe dichtheid naar boven, verzamelt zich bovenaan de biomassa en stroomt uit de tank bij lage druk.
41
Deze technologie tolereert zeer grote schommelingen in droge stofgehalte van het ingebracht materiaal. Het vergistingsproces loopt tot een DS gehalte van 40% in de reactor stabiel. De substraatverwarming gebeurt indirect via de verwarmde manteloppervlakte van de vergister (Leonberg) of enkel door externe opwarming van het digestaat in combinatie met een zeer goede isolatie van de reactor. Voor deze verwarming wordt de restwarmte van de WKK(‘s) benut. Voordelen van het DRANCO-proces [32]: • • • • • • • • • • • • •
Eénfasig Verticale reactor met conische uitgang: simpel design Geen mengers of schroeven in de reactor Extern gecontroleerde inoculatie Geringe plaatsinname Thermofiel (48 - 57 °C) of mesofiel (35 °C) proces Tot 40 % DS in de reactor Nicheproducten Geen korstvorming of sedimentatie Hoge flexibiliteit tegenover het substraat Verhoogde biogasproductie Intensieve en betrouwbare vergisting Vermijdt of minimaliseert afvalwaterproductie
Het substraat wordt via interne voedingsbuizen tot bovenaan in de reactor gepompt.
Figuur 8.5: Verticale continue droge vergister (DRANCO)
In de mengeenheid buiten de vergister worden 6 delen digestaat met 1 deel vers bioafval vermengd. Dit mengsel wordt in de vergister gepompt.
42
Continue droge vergisting met een DRANCO-vergister wordt in verschillende Europese landen toegepast, waaronder Belgïe, Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk. In België zijn er 2 installaties in Brecht en 1 in Tenneville. Ze functioneren onder thermofiele omstandigheden (50 -58 °C) in 1 fase. In Brecht, Nüstedt en Kaiserslauter is de temperatuur 50°C. De voordelen van het DRANCO-proces voor grasvergisting zijn dat het een droog systeem is, er geen drijf-of bezinkingslaag van gras of onzuiverheden gevormd wordt door het hoge DS gehalte in de reactor, er geen toevoeging van water noodzakelijk is en een relatief hoog percentage gras in de input is mogelijk. OWS voedde voor GrasKracht continue mesofiele (37 °C) vergistingsproeven uit. Hiervoor werd gras met 10 % tot 20 % DS en maïs toegevoegd aan mest en nevenstromen zoals onderstaande figuur aangeeft. De blanco bevatte 30 % maïs. Aan de voeding werd de invloed van de enzymenmix MethaPlus onderzocht. Wanneer 10 % gras werd toevoegd was er geen belangrijk verschil met de blanco betreffende resterende DS, in tegenstelling met de reactoren waaraan initieel 20 % gras werd gevoed. Het toevoegen van MethaPlus had een positief effect op het afbreken van de organische materie en verminderen van de viscositeit (dat hoger was bij 20 %). De viscositeit bleef wel hoger dan in de blanco. Bij het verhogen van het grasgehalte werd meer H2S geproduceerd. Door toevoegen van FeCl2 kon dit neerslaan en de emissie voorkomen worden [30].
Figuur 8.6: Substratenmix voor continue vergistingstesten met gras [30]
8.3.4 Batch droge vergisting: Droge batch vergisting zoals zolas het BEKON-proces wordt in Europa gebruikt voor biomassa met een droge stof gehalte tot 50 %. In dit type vergisters wordt het digestaat hercirculeerd/verspoten over verse biomassa. Als de vergisting is vervolledigd, wordt de installatie geopend en half geledigd. De andere helft blijft als inoculum achter en nieuw substraat wordt aangevoerd. Naast het BEKONtype zijn ook de garageboxfermentor, bag (zak) type fermentor, ‘immersion liquid storage vat’-type
43
en de nat-droge combinatie commercieel verkrijgbaar [41]. Hierna volgt meer informatie over de garageboxvergister.
Figuur 8.7: Droge batch vergister: BEKON-proces
Figuur 8.8: Schematische voorstelling geragebox vergister met percolatie systeem
De garageboxvergister is een discontinue of batch systeem zoals eerder aangehaald. Het stapelbaar materiaal wordt in de box gebracht, de deur wordt gasdicht afgesloten en door bevochtiging met opgewarmd percolaat wordt het vergistingsproces op gang gebracht. De biogasproductie zal eerst stijgen en vervolgens terug afnemen. Om toch een continue gasproductie te krijgen gebruikt men een aantal boxen na elkaar. Tabel 8.1: Sterktes en zwaktes van garagebox vergister voor berm- en natuurmaaisel [35]
Sterktes • Eenvoudig en robuuste technologie, hoge proces stabiliteit • Op- en ontladen mogelijk met alreeds beschikbare machines
Zwaktes • Het kan tot een jaar duren vooraleer een optimum gasopbrengst wordt bereikt. • Laden en uitladen neemt bijna een volledige dag in beslag 44
• • • • • • •
Hoge flexibiliteit in substraten Constante biogasopbrengst Lage input onderhouds-en operatie en Laag energieverbruik voor het proces Geen beweegbare delen in de vergister Lage eisen naar ruimte Goede hygiënitie Geen problemen door korst-of schuimvorming
•
•
•
Emissiecontrolesystemen om geurhinder en methaan emissies te vermijden wanneer de vergisters worden geopend. Enkel stapelbaar materiaal kan worden vergist, de structuur van het substraat moet doorlatend zijn voor de percolatievloeistof Inoculum moet vermengd worden met vers materiaal
Figuur 8.9: Schematische voorstelling garagebox vergister
In Allendorf (Duitsland) is er een vergistingsinstallatie van het type garagebox in werking waarin maaisel vanuit natuurbegieden wordt vergist [33]. Onderzoek werd verricht om de droog-natte vergisting voor grasachtige biomassa te ontwikkelen. Hieruit bleek dat de droge vergisting betere resultaten leverde wat betreft biogasproductie vergeleken met de sequentieel droog-natte vergisting [36].
9 Aanbevelingen en besluit GrasKracht is een project dat o.a. van de bermmaaiselproblematiek een opportuniteit wilt maken. Diverse onderzoeken werden alreeds in Vlaanderen, maar ook in andere Europese landen en daarbuiten verricht om maaisel optimaal te verwerken en idealiter er energie uit halen via anaerobe vergisting. In dit procestechnisch overzicht kwamen diverse aspecten aan bod die gerelateerd zijn aan bermmaaisel als substraat voor vergisting, gaande van het juridische kader, namelijk het bermbesluit, tot maaitechnieken, zuiveringstechnieken, voorbehandelingen, bewaartechnieken, en de eigenlijke vergisting [5]. Volgens een Iers review is het moeilijk om resultaten van grasvergisting te vergelijken doordat verschillende grassoorten onder verschillende opslagomstandigheden een verschillend biogaspotentieel en vergistbaarheid hebben. Naast het maaimoment in het jaar heeft zelfs het 45
maaitijdstip in de dag een invloed, zo zou het gehalte wateroplosbare koolhydraten in de namiddag hoger zijn dan in de morgen wat leidt tot een hoger biogaspotentieel [41]. Uit de informatie die alreeds door OVAM werd gerapporteerd bleek dat geklepeld bermgras minder geschikt is voor de natte vergister vergeleken met gecirkelmaaid bermmaaisel omdat het een hoger asgehalte heeft. De asrest die in de natte vergister sedimenteert zorgt ervoor dat deze geregeld dient te worden stilgelegd. In een droge vergister stelt dit probleem zich niet. Cirkelgemaaid bermgras levert meer biogas op dan geklepeld bermgras. De financiële meerwaarde die voortvloeit uit deze hogere gasopbrengst compenseert in dit geval echter niet de bijkomende kost van het nodige hakselen. Anderzijds leidt gebruik van geklepeld gras zoals eerder vermeld tot de vorming van sediment in de vergister waaraan dan kosten verbonden zijn aan de procesonderbreking voor reiniging van de vergister. De keuze van de maaitechniek hangt af van diverse aspecten, van natuurtechnische en economische aard, tot de opslag en vergistbaarheid. Voor de inkuiling bleek dat de meest stabiele kuil werd bereikt door bijmenging met fruitpulp, maar het positief effect van fruitpulp en andere bijmengingen was beperkt. Het hoogste biogaspotentieel werd bereikt bij vers gemaaid bermgras. Indien inkuiling noodzakelijk is, verlaagd het biogaspotentiaal. Voor een periode van 10 weken inkuiling, kan dit kan echter verhoogd worden, (10 % tot 20 %) indien het wordt bijgemengd met melkslib en fruitpulp als er vergeleken wordt met de monokuil bermgras. Door de regelingen met ‘gate fees’ is de inkuiling met enkel bermgras wel financieel het meest rendabel. Droge vergisting zou voordelen bieden t.o.v. de natte vergisting, onder andere de afwezigheid van de korst-en bezinklaag en minder problemen met zwerfvuil doordat deze niet bezinken en ook geen schade kunnen verrichten aan roerwerk. De DRANCO voor continue droge vergisting lijkt een interessante keuze [5]. In een Iers review wordt het potentieel van het percolatiebed systeem gevolgd door UASB naar voren geschoven. Het percolatiebed kan geoptimalizeerd worden voor hydrolyse door thermische en enzymatische voorbehandeling van grassilage terwijl de UASB voor CZV-verwijdering door biomethasatie kan geoptimaliseerd worden. Hierond is verder onderzoek nodig [41].
10 Bronnen 1. Inverde. Energie uit grasmaaisel studiedag 26 april [Internet:] http://www.inverde.be/newsitem.php?id=519 5-08-2012 2. Waterstromen. Biogas uit bermgras en aardappelrestproducten. [Internet:] http://www.waterstromen.nl/nieuws/haalbaarheidsstudie_biogas_uit_bermgras_en_aardappelrestp roducten.aspx 7-08-2012 3. Inverde. GrasKracht, Procestechnisch overozcht Biogas-E vzw. [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/584/6a_%20bermmaaisel%20V2_0.pdf 7-08-2012 4. GrasKracht [Internet: ]http://www.graskracht.be/graskracht 7-08-2012 5. OVAM (2009) Geïntegreerde verwerkingsmogelijkheden (inclusief energetische valorisatie) van bermmaaisel. 6. OVAM. Nieuwsbrief 17. Uniek gevouwen Colablikje. [Internet: ]http://www.ovam.be/jahia/Jahia/pid/2130 2-08-2012
46
7. Culot, M. (2005) Filière de valorisation agricole des matière organiques. Laboratoire d’Ecologie microbienne et d’Epuration des Eaux (LEMEE) Faculté des Sciences Agronomiques de Gembloux. [Internet:] http://environnement.wallonie.be/rapports/owd/dechets_menagers/ibh_cadet/fusagx_culot.pdf 208-2012 8. Vlaco vzw Activiteitenverslag 2010. 9. Klop, A.; de Jonge, L.H.; Brandsma (CVB), G.G. (2008) Eiwitwaarde van gras, Rapport 124. [Internet: ]http://www.livestockresearch.wur.nl/NR/rdonlyres/C376FE5C-605E-4C36-BE568A752DD1D862/63684/124.pdf 6-08-2012 10. Biogas-E (2012)Graskracht: VITO experimenteert met extruder [Internet:] http://www.biogas-e.be/fr/graskracht-vito-experimenteert-met-extruder 7-08-2012 11. Lehman. Bio-extruder http://www.lehmann-maschinenbau.de/web/index.php?id=54&L=1 708-2012 12. Elbersen, H.W.; Keijsers, E.R.P. and van Doorn J. (2002) Biorefinery of verge grass to produce bio-fuel. 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, 17-21 June 2002, Amsterdam, The Netherlands. 13. 4Biomass. More Biogas through “Bioextrusion®” [Internet:] http://www.4biomass.eu/en/news-events/news-more-biogas-through-bioextrusionnt 7-08-2012 14. Prograss. Technique [Internet:] http://prograss.eu/index.php?id=75 7-08-2012 15. Inverde. GrasKracht, ProGrass [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/583/PROGRASS_20111109_Results_Hensgen.pdf 708-2012 16. Baltic Compass. Pretreatment for improved biogas production from meadow grass. [Internet:] http://agro-technology-atlas.eu/docs/ppt_extrusion.pdf 7-08-2012 17. Netzsch (2011) Improved mixing for better biogas yield. Special NETZSCH pumping system for pulp feeding reduces the use of electricity and substrate. [Internet:] http://www.biogasinfoboard.de/pdf/20110802_NMP%2001_043_11_02_bessereDurchmischungf%FCrh%F6herenBioga sertrag_en.pdf 8-08-2012 18. Inverde. Graskracht. OWS [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/585/Presentatie%20RGY-1%202012-0306%20OWS%20semicontinu.pdf 8-08-2012 19. DSM. FAQ [Internet:] http://www.dsmbiogas.com/en-us/Our-service/FAQ 8-08-2012 20. Ghekiere, G en Vevaeren, H. (2012) Pretreatment of biomass to enhance methane yield. [Internet:]http://www.inverde.be/content/supportpages/589/Pretreatment%20of%20biomass%20to %20ehance%20methane%20Yield%20-%20Greet%20Ghekiere.pdf 8-08-2012 21. Li, L., Kong, X.; Yang, F.; Li, D.; Yuan, Z. And Sun, Y. (2012) Biogas production potential and kinetics of microwave and conventional thermal pretreatment of grass. Applied Biochemical Biotechnology. 166, 1183-1191. 22. Vogelslang, RotaCut™ RCX (2011) [Internet:] http://www.vogelsang.info/newsdetails/?L=1&tx_ttnews[tt_news]=34&cHash=2d7a2be280c57e7e2 668fe112314ccb7 8-08-2012 23. SlurryKat. Mixing and Pumping systems for Biogas (2012) [Internet:] http://www.slurrykat.com/biogas_system_mixing_pumping_vogelsang.php 8-08-2012
24. Silage Inoculants and Forage Additives. [Internet :] http://www.rwn.org.uk/rwn_Cow_Silage_Inoculants_and_Forage_Additives.htm 9-08-2012 47
25. AgroXpertus. Kuilkenner, Gras ingekuild (2011) [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/596/Analyse%20Grasingekuild%20Jansen%20januari2 012.pdf 9-08-2012 26. Jansen Wijhe (2012) van Gras tot gas [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/596/Han%20Jansen%20graskrachtstudiedag%202604 2012%20%5BCompatibiliteitsmodus%5D.pdf 9-08-2012 27. Ghekiere, G.; Vervaeren, H. En Bossuwé, M. (2012) Enerpedia. Inkuiladditieven verhogen de biogasopbrengst van maïs. 28. Extension. Hamilton, D.; Ciolkosk, D.; Martin, J.(2012) Processeing Biomass into Biogas [Internet:] http://www.extension.org/pages/30313/processing-biomass-into-biogas 13-08-2012 29. IKA® [Internet:] http://www.ikausa.com/pdfs/Dispax-Reactor-Maceration-Presentation.pdf 13-08-2012 30. OWS (2012) Graskracht continue vergistingstesten. [Internet:] http://www.inverde.be/content/supportpages/585/Presentatie%20RGY-1%202012-0306%20OWS%20semicontinu.pdf 13-08-2012 31. Jansen Wijhe Energy BV. Energie uit Biomassa (2012) [Internet:] http://www.jansenwijhe.nl/net-book.php?op=cms&pageid=29&pageid_up=0&nnl=dutch 13-08-2012 32. BioenergyFarm. Energie uit biogas voor wie alreeds eeen haalbare kart? [Internet:] http://www.bioenergyfarm.eu/media/default.aspx/emma/org/10761072/3_Energie+uit+biogas+voo r+wie+reeds+een+haalbare+kaart.pdf 13-08-2012 33. BIOFERM-Viessman Group- Biogas plant Allendorf [Internet:] http://www.effizienzplus.de/en/The_Efficiency_Plus_project__on_the_way_towards_sustainability/Biogas_plant_Allendorf.html 13-08-2012 34. Salter, A.; Delafield, M.; Heaven, S.; Gunton, Z. (2007) Anaerobic digestion f verge cuttings for transport fuel: closing the energy cycle. Waste and Resource Management, Poceedings of the Institution of Civil Engineers. 35. IBBK. Michaël, K. (2012) Workshop: How to build Grass based ecological Biogas Plants? German “Bio-Biogas”Plants: Concept, Plant Specifications, Technology, Management and Operation. 36. Vogel, T.; Ahlhaus, M.; Barz, M. (2009) Optimization of Biogas Production from Grass by DryWet Fermentation. Engineering for rural development, Fachhochschule Stralsund, Jelgava 2805-2009. 37. Gybels, R.(2010) OC-ANB-Inverde. Doel: Energetische valorisatie van grasmaaisel (via coversgiting,..) 38. Van Iersel, H. Kooi of Klepel, Welk instrument gebruikt de moderne fieldmanager om zijn gras kort te houden [Internet: ]http://edepot.wur.nl/157452 16-08-2012 39. Lozeman, Tuinmachines bv. Cirkelschudder voor compacte tractoren. [Internet:] http://www.lozeman.nl 16-08-2012 40. DRIE DRIE, Recycling Industry. Ballistische scheider. [Internet:] http://home.hccnet.nl/w.nihot/scheider%20ballistisch.htm 16-08-2012 41. Nizami, A.S. en Murphy, J.D. (2010) What type of digester configurations should be employed to produce biomethane from grass silage? Renewable and Sustainable Reviews, 14, 15581568. 42. Agris, Trommelmaaiers. [Internet:] http://www.agris.be/nl/mechan/ruwvoeder/trommel.html 20-08-2012 48
43. 44.
45.
46.
47. 48. 49. 50.
KompTech. Stationaire Machines. [Internet: ]http://www.poncat.com/PageFiles/5913/Stationaire_machines_NL_0609.pdf 20-08-2012 Graskracht. Willy Verbeke, presentatie van 15-02-2012 [Internet:] http://www.slideshare.net/easyFairs_belgium/energetische-valorisatie-van-grasmaaisel-uitnatuurgebieden-en-bermen 21-08-2012 Mini tractos IMT Schijvenmaaier 627.712/716/713 [Internet:] http://www.minitractors.be/IMTpaginas/IMT%20Schijvenmaaier%20627.712_716_713.html 24-08-2012 KompTech. Systemen voor het voorbewerken van inputstromen voor vergisting. [Internet :] http://www.inverde.be/content/supportpages/584/8b.%20Komptech%20vergisting%201.pd f (24-08-2012) Vogelslang. QuickMix [Inetrnet :]http://www.vogelsang.info/quickmix/?L=1 (24-08-2012) Schauman Bioenergy. Biogas from raw materials. [Internet:] http://www.schaumannbioenergy.com/produkte/index.php (5-09-2012) Novozymes. BG Max™ 3000 – Biogas generation enhancement for anaerobic pretreatment systems in the food and beverage industry. [Internet:] http://www.novozymes.com/en/solutions/wastewater-solutions/industries/food-andbeverage/BG-Max-3000/Pages/default.aspx (5-09-2012)
49
