Productie van bio - energie uit energiemaïs

Productie van bio - energie uit energiemaïs

Door: Frank Veldeman Stijn Van Aken Nick De Keyser

Groepsopdracht Ethiek Lector: Dhr. Lips Dirk

Academiejaar: 2006-2007 2 jaar Agro- en Biotechnologie e

Inleiding Als studenten Agro- en Biotechnologie op de Katholieke Hogeschool Sint- Lieven te Sint Niklaas gaat onze interesse uit naar de duurzaamheid van ons leefmilieu. Daarom hebben we geopteerd om een noodzakelijk onderdeel te bespreken: Bio- energie of de zogenaamde ‘groene stroom’. Beschikbaarheid van elektriciteit en warmte vinden we vanzelfsprekend. We staan er meestal niet bij stil dat productie van elektriciteit en warmte uit aardgas of steenkool blijvende schade toebrengt aan ons leefmilieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij doorgroeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Door gebruik te maken van bio- energie komt er geen extra CO2 vrij. Weliswaar komt er bij het omzettingsproces CO2 vrij, echter die is kort daarvoor vastgelegd door de fotosynthese. Door evenveel biomassa aan te planten als er wordt verbruikt, wordt een toename van CO2 voorkomen. Bij de verbranding van fossiele brandstoffen ontstaat zonder maatregelen wel een toename van de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer. Een maatregel om dit te ondervangen is het aanplanten van bomen. Daarnaast zullen de fossiele brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Door nieuwe aanplant is bio- energie een onuitputtelijke energiebron. Aangezien men verwacht dat men in de toekomst afhankelijk gaat zijn van het gebruik van bio- energie, willen we dit, toch wel belangrijk, onderwerp even nader bespreken. Wetenschappers zijn nu volop bezig met het zoeken naar verschillende manieren voor het produceren van allerhande vormen van bio- energie. We wensen u veel plezier met het doornemen van ons werkje.

1. Wat is bio - energie Bio-energie is een verzamelnaam voor energie die uit biomassa en afval wordt gehaald. Duurzaam is bio-energie pas als de voorraad biomassa niet afneemt. Dit zit namelijk zo: Andere vormen van duurzame-energie zijn onuitputtelijke bronnen, zoals de zon, wind en water. Biomassa kan wel op raken, maar de kans is heel klein, dan zal bijvoorbeeld al het afval moeten verdwijnen en er geen mest meer moeten zijn. Door zonlicht wordt CO2 uit de atmosfeer vastgelegd in plantaardig materiaal, dit wordt fotosynthese1 genoemd. De CO2 wordt door middel van koolstofverbindingen vastgelegd in het plantaardige materiaal. Bij dit proces komt zuurstof vrij (O2). Bij het omzetten van plantaardig materiaal in energie komt biogas vrij, dit bestaat voor 60% uit methaan en ook voor een deel bestaat uit CO2. Methaan is een zeer schadelijk stof voor het milieu en wordt daarom meestal meteen verbrand. Het voordeel van bio-energie is dus dat er eigenlijk geen extra CO2 vrijkomt, omdat de CO2 die bij de omzetting naar biogas vrijkomt al eerder is opgenomen door het plantaardig afval.

Voordelen Toepassing van bio-energie maakt nuttig gebruik van afvalstoffen die aan het eind van hun gebruikscyclus zijn gekomen. Tevens wordt voorkomen dat er een ongecontroleerde emissie van het sterkere broeikasgas methaan uit stortplaatsen plaatsvindt doordat het afval verbrand wordt in plaats van gestort. Met name verbranding en vergisting zijn omzettingstechnologieën die relatief kosten - effectief zijn. Daarbij kan tevens het energiebesparende warmtekrachtkoppelingconcept worden toegepast. Op korte termijn kan hiermee een aanzienlijk deel duurzame energie op een relatief kosteneffectieve manier worden opgewekt. Het ontwikkelen van areaal voor energieteelten en het beheer van bossen ten behoeve van bioenergie heeft positieve effecten op de werkgelegenheid in land - en bosbouw. Daarentegen kan de beschikbaarheid van biomassa een probleem vormen voor bio-energie, omdat Nederland te weinig biomassa bezit om de doelstellingen te halen. Teelt en import van biomassa kunnen deze tekorten compenseren.

Nadelen De nadelen van bio-energie komen tot uiting in de milieuvergelijking met andere technieken. Hoewel bio-energie CO2 neutraal is, treden andere emissies in vergelijkbare mate op als bij inzet van fossiele brandstoffen. Dit is afhankelijk van de reiniging van de afgevoerde gassen. Bij vergaande gasreiniging is de techniek schoon, ook al worden vuile biomassa’s toegepast. Bio-energie levert vaak een bijdrage aan verzuring. Biomassa moet getransporteerd worden en kan geur opleveren (hinderaspecten). Energieteelt kost veel ruimte. 1

Fotosynthese: CO2 wordt vastgelegd in plantaardig materiaal. Bij dit proces komt zuurstof vrij.

RZL bio - ethiek

3

Bio-energie staat dicht bij afvalverwerking en lijdt dan aan een imagoprobleem. Er zijn grote investeringen nodig voor verbrandingsketels, vergassers of vergisters en dat betekent een financieel risico voor investeerders. De huidige generatie bio-energie projecten kampt met veel technische en financiële tegenvallers en onzekerheden.

Waarvan wordt bio-energie gemaakt Er zijn twee mogelijkheden om bio-energie uit op te wekken: •

•

Geteelde of geoogste biomassa en organische reststromen (afval). Biomassa bestaat uit bomen en planten waarin natuurlijke grondstoffen (CO2 en zonlicht) zijn vastgelegd. Soms worden gewassen er speciaal voor gekweekt. Dit plantaardig materiaal kan ook omgezet worden in dierlijk organisch materiaal, daarom kun je mest ook zien als een vorm van bio-energie. Organische reststromen zijn bijvoorbeeld snoeiafval, oud papier en GFT. Sommige van deze reststromen behoren tot afval.

Het milieuvriendelijkste is om materiaalcascadering toe te passen. Dit betekent dat je materiaal net zo lang hergebruikt totdat het nergens geschikt meer voor is. Daarna kun je er dan bio-energie uit opwekken.

2. Hoe bio-energie produceren? Vergisten Vergisting wil zeggen dat micro-organismen voor de productie van biogas gaan zorgen. Dit biogas is een mengsel van methaan en kooldioxide. Biogas kan gebruikt worden voor verschillende toepassingen om elektriciteit of warmte op te wekken. Wanneer de CO2 wordt verwijderd kan het gas worden gebruikt voor aardgas. En kan dus gebruikt worden in het aardgasnetwerk. Proces kort uitgelegd: Biomassa wordt in afwezigheid van zuurstof en micro-organismen omgezet in biogas. Dit biologisch proces omvat 4 stappen: • • • •

hydrolyse2: verkorting van de organische ketens verzuring: omzetting van deze organische ketens naar vetzuren acetogenese: verdere omzetting van de vetzuren naar azijnzuur, waterstofgas en koolstofdioxidegas methanogenese: omzetting azijnzuur, waterstofgas en koolstofdioxidegas naar CH4 of dus biogas.

Het gevormde biogas bestaat vooral uit CH4 (55-80 %) en CO2 (20– 45 %). Ook komen er een aantal verontreinigingen van N2 (0 – 2 %), O2 (0 – 0,2%), NH3 (30ppm), H2S (200 – 4000 ppm) en waterdamp voor.

2

Hydolyse : Soort chemische reactie waarbij een chemische verbinding reageert met een watermolecule en daarbij in tweeën gesplitst wordt

RZL bio - ethiek

4

Verbranden Verbranden is een van de meest toegepaste technieken voor het produceren van elektriciteit en warmte. Verbranding van biomassa gebeurt bij een temperatuur tussen de 800°C en 1300 °C met een voldoende hoeveelheid lucht of zuurstof. De warmte die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Om groene stroom te produceren, kan biomassa ook mee verbrand worden in steenkoolcentrales. Men spreekt dan over coverbranding. In Vlaanderen wordt bijvoorbeeld hout, slib en olijfpitten in elektriciteitscentrales mee verbrand.

Vergassing Bij vergassing wordt er biomassa, in vaste vorm, omgezet in een gasvormige brandstof. Dit gebeurd bij een temperatuur tussen de 700°C en 900°C. Hiervoor wordt slechts een kleine hoeveelheid lucht toegevoegd. Het bekomen gas wordt verder verbrand om elektriciteit of warmte op te wekken. Een vergasser biedt als voordeel dat er een hoger rendement kan worden bereikt en dat er minder rookgassen moeten worden gezuiverd.

3. Welke mogelijkheden zijn er nu al? Voor het produceren van bio - energie worden er verschillende soorten energiegewassen speciaal geteeld. Enkele voorbeelden van energiegewassen zijn koolzaad, bieten, aardappelen, maïs en granen. Kort overzicht van de verschillende vormen van bio – energie productie: Plantaardige olie Biodiesel Bio – ethanol Groene elektriciteit

Koude persing en omestering

Koolzaad

Alcoholische vergisting

Granen, maïs, suikerbieten, aardappelen Houtachtige, wilg, populier, olifantengras, bamboe, hennep Maïs, gras

Stoom

CO –verbranding

Biogas

Anaërobe vergisting

RZL bio - ethiek

5

De laatste tijd gebeurd er meer en meer onderzoek of er ook andere gewassen zijn die men kan gebruiken voor het produceren van bio –energie. Zo werden er reeds onderzoeken uitgevoerd op aardpeer, energiemaïs en sudangras

Maïs Omdat er zoveel verschillende rassen zijn die men kan gebruiken, hebben wij gekozen om ons toe te spitsten op het telen van energiemaïs. Hier in België is de teelt van maïs op het vlak van energie nog niet zo ver gevorderd als in Nederland. Maar het is een gewas dat perfect kan worden gebruikt voor deze toepassing. Dit is niet toevallig. Vergisting van maïs is een zeer efficiënte manier om hernieuwbare energie te produceren. Vandaag krijgt de landbouwer een premie van €459/ha voor de teelt van energiegewassen. Dit kan niet beschouwd worden als een sterke stimulans van de overheid, maar het is een stap in de goede richting. Ook is maïs een oplossing omdat we hier in België met het probleem van de mestoverschotten zitten. Maïs is in staat om een gedeelte van de mest op te nemen, zodat dit ten gunste komt aan het mestbeleid. Volgens Jan De Backer van KWS moet men voor energiemaïs streven naar zoveel mogelijk bruikbare energie per ha voor de biogas fermentor. Wat waardevol is ligt enigszins anders dan bij vee. Bij vee zit het voer slechts =/- 10-12 uur in de pens bij een temperatuur van 37 graden en daarna heeft het nog een blinde darm waar het bestendige zetmeel wordt opgenomen. In de fermentor zit het voor 4 weken bij een temp van 40 graden zonder blinde darm Zetmeel heeft daar een stuk minder extra waarde dan bij het vee. Daarnaast is voor de synthese van zetmeel in de plant een stuk meer energie nodig die de plant anders zou kunnen benutten voor extra koolwaterstoffen van ander caliber waar de fermentor ook goed me kan omgaan. De selectie moet dus naar meer biomassa wat inhoud dat het automatisch naar minder zetmeel leidt. Voor wat betreft bemesting: er is niet zoveel extra nodig als men alle digestaat uit de fermentor weer terug naar het land kan brengen. Maar wat men er van haalt moet ook weer terug. Het disgestaat kan dienen als een zeer goede meststof waar weinig verliezen mee op treden. Vergelijkbaar met kunstmest. Het belangrijkste is de vochtvoorziening. Meer productie vraagt om meer water tijdens de celstrekking en de bloei. Is die er niet dan moet men het er brengen of geen energiemais telen.

RZL bio - ethiek

6

4. Bespreking biogasinstallatie Dit is een globale figuur van de biogasinstallatie en hierop volgend komt de in stappen hoe de installatie werkt. We beginnen met de aanvoer van de biomassa dit kan een zelf geteeld product zijn, de energiemaïs dus of een restproduct dat overblijft na een ander voorgaand proces.

De energiemaïs kan niet het ganse jaar door geoogst worden en wordt half oktober gehakseld en ingekuild zoals de gewone silomaïs.

Na de opslag van de biomassa kan er begonnen worden met de verwerking van de biomassa. Eerst wordt de biomassa vermengd met vocht of met een vochtrijk product bv. mengmest van varkens of runderen, wat ook al een gedeeltelijke oplossing is voor de mestproblematiek in Vlaanderen. De biomassa en het toegevoegde vocht en dat alles wordt een vloeibare massa. Mogelijk wordt het product een tijdje verhit om alle bacteriën en ziekte kiemen af te doden. Deze reactie vindt plaats in de sterilisatiekolom. Na de eventuele verhitting vindt er de vergisting plaats. Voor de vergisting zijn er verschillende soorten vergisters. Dit gebeurt door een diverse voor- en na vergisters.

RZL bio - ethiek

7

In de vergisters zit er een systeem dat de biomassa op geregelde tijdstippen roert en alles goed mengt, dat de bacteriën goed hun werk kunnen doen. De bacteriën zetten de biomassa om in biogas en de restmassa. Het biogas wordt dan opgeslagen. Deze wordt eerst gekoeld en daarna verbrand in de warmtekrachtkoppeling. Het eindproduct hieruit is groene stroom en warmte. De warmte kan terug worden gebruikt op het bedrijf. De groene stroom wordt dan verkocht aan de elektriciteitsmaatschappij. Door de warmte te hergebruiken op het bedrijf is dit ideaal toepasbaar op een landbouwbedrijf. Of men nu de stallen verwarmt met aardolie of aardgas of men gebruikt de warmte van de installatie geeft geen verschil. Of men kan met de warmte de mest drogen die niet wordt gebruikt in de installatie. Met gedroogde mest kan veel meer gedaan worden wat de export betreft. Voor de mestproblematiek is deze biogasinstallatie een zeer groot voordeel. Enerzijds verbruikt men mest voor het vergistingsproces en kan men met de warmte die men overheeft de andere mest drogen en zo een groot deel al verwerken. Anderzijds heeft men ook nog de stroom die men kan verkopen aan de elektriciteitsmaatschappij. Het vergistte restproduct heeft ook nog een waarde. Dit is een waardevolle meststof die men ofwel op het eigen bedrijf kan gebruiken en zo met deze meststof terug bv. energiemaïs terugwinnen, die dan terug bij het begin van de keten ingeschakeld wordt. Men kan ook de meststof verkopen. In de toekomst wil men het proces nog meer sluiten door de koppeling aan de brandstofcel, maar dit is nog in de onderzoeksfase. En dit zal in de toekomst meer duidelijkheid geven tegenover de haalbaarheid.

RZL bio - ethiek

8

5. Rendement van energiemaïs Volgens onderzoek van het veredelingsbedrijf en zaaizaadproducent KWS zouden enkel snijmaïs en energiemaïs voor de biogasproductie netto energie opleveren. Bij de teelt van koolzaad voor oliewinning komt door de teelt en bewerking van het gewas een energietekort van 0.5 tot 1.5 gigajoule3 per hectare voor. De teelt van wintertarwe, suikerbieten en aardappelen voor de productie van bio-ethanol kost eveneens energie. De grootste kost is hier de transportkosten door het grote volumineus product. Bij deze teelten is er per hectare een tekort van 64 gigajoule. De teelt van zowel snijmaïs als energiemaïs die via de CO vergisting wordt omgezet naar biogas levert wel een netto energie op. Voor snijmaïs is dit 62 gigajoule per hectare op en voor de energiemaïs is dit 103 gigajoule per hectare. In al deze berekeningen zijn alle energiekosten meegerekend. Netto bruikbare energie per ha: (in Giga Joules/ha) Ton ds/ha Koolzaad Tarwe Suikerbieten Snijmaïs Energiemaïs

Bio-diesel 20 Gj/ha

3.1 9 14 18 30

Bio-ethanol

Biogas

10 Gj/ha 16 Gj/ha 130 Gj/ha 220 Gj/ha

Het biogas systeem brengt verreweg het meest netto energie per hectare! Als we bovenstaande tabel evalueren dan zien we dat de hoogste energieproductie per ha gehaald wordt bij de vergisting van maïs in de biogas vergister. Willen we effectief bezig zijn met de doelen voor ogen zoals hierboven geschetst dan moeten wij in België ons focussen op biogas uit maïs. Waarom dat dan juist niet in België gebeurt moet ecologische, efficiëntie en economische drijfveren hebben.

6. Is bio- energie betaalbaar We proberen aan de hand van volgende korte berekening een overzicht te geven van de kostprijs en terugverdientijd van een bio- energie installatie. Investering in 7 jaar terugverdiend Bedragen in euro's per jaar investering installatie en erf afschrijving (in 10 jaar) en rente* onderhoud onderhoud diversen kosten coproduct extra mestafzet arbeid totaal jaarkosten opbrengst (1,5 miljoen kWh " 0,135) winst 3

750 000 93 750 15 000 4 000 43 800 10 000 8 200 174 750 202 500 27 750

Gigajoule: energie- eenheid

RZL bio - ethiek

9

na 7 jaar aflossen uit afschrijving 525 000 aflossen uit winst en arbeid (7 " 32.000) 225 000 totaal afgelost 750 000 * Voordeel van energie-investeringaftrek niet meegenomen Bio-energie is over het algemeen vrij duur vergeleken met de brandstof die gebruikt wordt voor 2e lijnsenergie4. Bio-energie installatie zelf is zeer prijzig. De plaatsen waar bio-gas vrijkomt, liggen vaak afgelegen dus er zijn ook heel lange buizen voor nodig en dat tikt ook behoorlijk aan. Na de 2e energienota nam de overheidssteun voor duurzame-energie af. In de 3e energienota, die kwam door de liberalisering van de energie markten (dat het open staat voor particulieren), werden veel dingen weer bijgesteld. Aangezien dit project nog in een ontwikkelingsfase zit, is het nog niet eenvoudig om aan een lening te geraken. Dit komt door de hoge aanschafprijs van de installatie. Het is de bedoeling dat bio- energie in de toekomst meer wordt toegepast, zodat hierin investeren interessanter wordt.

7. Besluit Volgens ons is de manier van het dagelijkse leven nu niet meer rendabel. Dit doordat de reserves van de fossiele brandstoffen opgeraken en niet meer zo snel kunnen worden opgebouwd. Dus is het noodzakelijk om te denken aan mogelijke duurzame oplossingen. Volgens ons is het telen van energiegewassen nodig om te kunnen blijven voorzien in onze noden. Maar dit zorgt er ook voor dat onze nakomelingen ook kunnen beschikken over energiebronnen. Wat het ook duurzaam maakt. Bio-energie kan uit verschillende teelten geproduceerd worden. Bij het produceren uit energiemaïs kan ook een deel van de mest overschotten verwerkt worden. Wat dus ook als een duurzame oplossing kan gezien worden. Dit heeft ook voordelen voor het milieu.

8. Bronnen Landbouw als energiemotor,internet,abs, 2006-12-07, (www.absvzw.be/index.php?display=page&id=160 - 15k) Vergisting, internet, biogas-e, 2006-12-09,(www.biogas-e.be/Pdf/BIM1_Vergisting_LR.pdf)

Processtappen tijdens de vergisting, biogas international, internet, 2006-12-04, http://www.biogas.nl/content/view/30/43/

4

2e lijnsenergie: De fossiele brandstoffen (zijn schadelijk voor het milieu)

RZL bio - ethiek

10