Werkrapport De Energiefabriek

Werkrapport ‘De Energiefabriek’

Voorlopig definitief 17 juli 2009

Inhoud

1.

Inleiding

2.

Grondstoffen en energie als product 2.1 Grondstoffenmarkt 2.2 Selectie grondstoffen 2.3 Afzetmarkt voor energie 3.4 Selectie afzetmarkt

3.

Technieken 3.1 Ontwerpfilosofie 3.2 Inventarisatie 3.3 Selectie 3.4 Toekomstige technieken/concepten 3.5 Ontwerpuitgangspunten

4.

Concepten 4.1 Totaal concepten en potentie Beschrijving varianten Basis, Super, Plus

5.

Kosten 5.1 Uitgangspunten 5.2 Modelbenadering en methodiek

6.

Vervolg en aandachtspunten

Bijlagen 1. Grondstoffen 2. Stoffenbalans varianten 3. Energiebalans varianten 4. Overzicht technieken conversie zuiveringsslib 5. Overwegingen groen gas of elektriciteitsproductie op rwzi 6. Grafieken trends energie Nederland en wereld 7. Facts en Factsheets diverse technieken

1 Inleiding De Unie van Waterschappen daagde de 26 waterschappen in Nederland uit om ‘fris en wild’ mee te denken over vernieuwende initiatieven binnen het project WaterWegen. De Waterschappen willen over 10 jaar een sterke netwerkorganisatie zijn, sturend in de ruimtelijke ontwikkeling en verbonden met de omgeving. Waarbij ze laten zien dat ze innovatief zijn en in staat om te anticiperen op de uitdagingen van morgen. Om dit handen en voeten te geven schreef de Unie een wedstrijd uit. Het concept de Energiefabriek van Waterschap Aa en Maas werd als winnaar geselecteerd. Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, Waterschap Veluwe en Waterschap Rivierenland stuurden vergelijkbare ideeën in. Het concept Energiefabriek is richtinggevend uitgewerkt. Een aanzet voor conceptontwerpen en richtlijnen is opgesteld. De werkzaamheden werden verricht door medewerkers van Waterschap Aa en Maas, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, Waterschap Veluwe en Waterschap Rivierenland. Zij werden ondersteund door medewerkers van de adviesbureaus Grontmij, AEF, Haskoning en Procédé. De uitwerking van het concept biedt een uitstekende basis voor vervolg. Uiteindelijk blijft concrete implementatie locatiespecifiek maatwerk. De resultaten van deze uitwerking zijn samengevat weergegeven in een boekje “De Energiefabriek, Waterschappen binnenstebuiten (zie ook www.energiefabriek.com). Dit werkrapport is een achtergronddocument bij het boekje van De Energiefabriek. Het doel van het werkrapport is om de resultaten, achterliggende getallen, berekeningen en uitgangspunten vast te leggen en ter beschikking te stellen aan geïnteresseerden.

p3

2 Grondstoffen en energie als product Een energieproducerende Energiefabriek opereert op de grondstoffenmarkt en op de afzetmarkt voor energieproducten. In de volgende paragrafen worden de grondstoffenmarkt en de afzetmarkt nader bekeken op kansen en bedreigingen waarop keuzes kunnen worden gemaakt. Bijlage 1 geeft een hierop een nadere toelichting. De belangrijkste resultaten zijn navolgend weergegeven.

2.1 Grondstoffenmarkt Voorafgaand aan de analyse van de grondstoffenmarkt is bepaald dat alleen die markten worden onderzocht die dicht bij het waterschap liggen. Dit betekent dat de component ‘water’ ook voor de Energiefabriek leidend is in haar keuzes. 2.1.1 Afvalwater en slib De primaire grondstof van ‘De Energiefabriek’ is de organische stof uit het rioolwater en daarmee het slib als resultante van het zuiveringsproces. 2.1.2 Biomassastromen Om de energieproductie van ‘De Energiefabriek’ te optimaliseren kan organisch materiaal dat niet afkomstig is uit afvalwater worden toegevoegd. De diverse mogelijke stromen zijn onderzocht en de voor en nadelen zijn tegenover elkaar uitgezet. De stromen maaisel, mest en gft zijn uitgebreid bekeken omdat hier voor de waterschappen de meeste potentie in zit. Maaisel van waterlopen Om ervoor te zorgen dat het water voldoende door de waterlopen kan stromen, maait het waterschap haar waterlopen jaarlijks één tot meerdere keren. Exoten Meer en meer worden in de waterlopen uitheemse planten aangetroffen. Grote waternavel, parelvederkruid en waterteunisbloem zijn de voornaamste soorten. Ten behoeve van de waterkwaliteit en om verspreiding te voorkomen, worden deze exoten verwijderd. Landschapsbiomassa Landschapsbiomassa komt vrij vanuit doelstellingen als ecologie, cultuurhistorie en landschapsschoon. Voor deze doelstellingen is het afvoeren van biomassa veelal noodzakelijk. Houtige biomassa wordt momenteel toegepast voor het opwekken van energie, terwijl voor grasachtige biomassa de mogelijkheden vooralsnog beperkt zijn. De niet-houtachtige biomassa bestaat vrijwel geheel uit grasachtige vegetatie.

p4

Biomassa uit natuurterreinen Uit de Nederlandse natuurgebieden komen met name de volgende soorten biomassa vrij: hout, gras, riet en rietplaggen, heideplagsel, blad en bagger. Van de huidige vrijkomende biomassa wordt gras, riet en heideplagsel niet of nauwelijks ingezet voor de winning van energie. Voor hout is dit wel het geval. Mest Mest is een belangrijke bron van de belasting van het oppervlaktewater en grondwater met nutriënten. Naast nutriënten bevat mest een enorme potentie aan energie en water. De mestverwerking in Nederland is vanaf de negentiger jaren wat gestagneerd, maar de toename van de hoeveelheid niet plaatsbare mest en de verwachte toename van de afzetkosten kunnen een impuls zijn voor (nieuwe) ontwikkelingen in de mestverwerking. Snoeihout In Nederland wordt op vrij grote schaal snoeihout ingezameld. Slechts een deel hiervan is echter geschikt voor verwerking. De hoeveelheid geschikt snoeihout in Nederland bedraagt circa 385.000 ton per jaar. GFT GFT (groente-, fruit- en tuinafval) wordt in vele gemeenten apart ingezameld. Gescheiden inzameling en composteren van gft-afval draagt bij aan het milieu. Recent zijn er weer nieuwe initiatieven, waarin de energie in het gft-afval wordt benut door middel van vergisting. Dit levert een aanzienlijke bijdrage in CO2-reductie op.

p5

2.2 Selectie van grondstoffen Naast afvalwater als bron voor energie zijn potentiële externe bronnen geselecteerd op: •

energie inhoud en technische toepassingsmogelijkheden.

•

synergie met:

o

de zuiveringsinstallaties;

o

kennis en expertise van de waterschappen;

o

doelstellingen van de waterschappen;

Energiegeneratie en behandeling van de dunne fractie mest voldoet aan deze criteria. Door verwerking van mestoverschot, wordt bijdragen aan verbetering van de oppervlaktewaterkwaliteit. Mestverwerking past eveneens bij de kennis en expertise en de installaties van de waterschappen. Voor andere stromen, zoals maaisel, GFT, houtsnippers, snoeihout, waternavel en restanten uit de levensmiddelenindustrie, gelden voornoemde synergievoordelen niet of nauwelijks. Voor waternavel, maaisel en gras is er nog geen geschikte techniek voorhanden om de energie-inhoud voldoende vrij te maken zodat deze beschikbaar is. Onderstaande tabel geeft enkele kentallen van dunne mest in de Nederlandse situatie. Gegevens dunne mest fractie (Nederland) Parameter

Waarde

Jaarlijkse vracht Dagelijkse vracht Percentage drogestof CZV-gehalte Stikstofgehalte (Nkj) Fosfaatgehalte (Ptot)

Eenheid 50.000 137 30.000 6.700 230

p6

m3/jr m3/d % mg/l mg/l mg/l

2.3

Afzetmarkt voor energie De keuze voor bepaalde (technisch haalbare) conversiemethoden bepaalt de producten 1 (vormen van Zuiver Energie). De op korte termijn operationeel te krijgen technisch haalbare conversiemethoden van biomassa leveren de volgende vormen van Zuiver Energie: elektriciteit, warmte en biogas. Voor nu is er voor gekozen dat de Energiefabriek zelf geen leverancier wordt voor derden maar dat ze teruglevert aan het energienet. Dit betekent dat de markt die onderzocht is de markt van de energiebedrijven is. In onderstaande alinea wordt kort stilgestaan bij de verschillende vormen van energie en de afzetmarkt hiervoor.

2.3.1

Elektriciteit In de beginfase zal ‘De Energiefabriek’ niet zelf actief zijn als energieproducent, maar wordt er tegen vergoeding elektriciteit teruggeleverd aan het net. Energieleveranciers rekenen voor ‘aankoop’ en ‘verkoop’ van energie dezelfde tarieven. Dit geldt tot het moment dat er meer teruggeleverd wordt dan voor het eigen proces nodig is. Vanaf het moment dat er meer wordt teruggeleverd gelden marktprijzen die gelden op de Energieindex. Bij het inkopen (en dus verkoop) van elektriciteit geldt dat variabele prijzen en variabele contractperiodes het voordeligst zijn. Zakelijke marktprijzen (prijspeil eind 2008) variëren van 0,09 euro/kWh (Oxxio) tot 0,12 euro/kWh (Essent). De prijzen van Nuon, Eneco en Cogas zitten daar tussen in. Ook deze prijzen zijn afhankelijk van de zekerheidsgarantie.

2.3.2

Warmte Het overgrote deel (75-85%) van de energievraag van consumenten en industrie bestaat uit warmte. Potentiële afnemers van warmte zijn energieproductenten (zoals Essent –warmte), de glastuinbouwsector, (projectontwikkelaars van) kantoren en woonwijken. Warmte is slecht over grote afstanden te verplaatsen zonder grote verliezen. De aanwezigheid van afnemers nabij de RWZI’s is daarmee een nadrukkelijke randvoorwaarde en maakt dit product locatiespecifiek. Warmtetarieven zijn tweeledig, deze bestaan namelijk uit het verbruikstarief per GJ en het 2 vastrecht voor warmte. De Eneco consumenten marktprijs (prijspeil eind 2008) is circa 24 euro per GJ; het vastrecht is 25 euro per maand.

2.3.3

Biogas, aardgas of methaan Het verschil tussen methaangas, aardgas en biogas zit in het methaangehalte. Hoe hoger het percentage methaan, hoe meer energie ermee kan worden opgewekt. De grove indeling is als volgt: methaangas (100% methaan), aardgas (ca. 80% methaan) en biogas (ca. 60% methaan). Bij het verwerken van de biomassastromen op de Energiefabriek komt biogas vrij. Gekozen kan worden om biogas te leveren aan een energieleverancier. Vervolgens werkt zo’n energieleverancier de biogas dan zelf op naar aardgas. Daarentegen kan de Energiefabriek ook zelf de biogas opwerken naar aardgas. Vervolgens kan dit aardgas teruggeleverd worden aan 1

Belangrijk criterium hierbij is de termijn waarop een technologie ingezet kan worden.

Voor het businessplan voor ‘De Energiefabriek’ is uitgegaan van technologieën die binnen 2 a 5 jaar operationeel kunnen zijn.

2

(www.eneco.nl)

p7

het gasnet of kan het worden ingezet als biobrandstof. Op een kubieke meter aardgas zit maar drie cent energiebelasting (een kubieke meter aardgas komt overeen met 1,2 kilogram aardgas. De prijs aan de pomp bedraagt ongeveer 0,72 eurocent per kg. De prijs van aardgas is gekoppeld aan de wereldprijs voor ruwe olie en kan dus sterk variëren. Voor een indicatie: de prijs heeft in 2008 en begin 2009 tussen 17 en 38 eurocent gezeten. Zie bijlage 6. voor een overzicht van historische energieprijzen en prognoses.

2.4

Selectie afzetmarkt Bij rwzi’s met vergisting en opwekking van elektriciteit met een wkk/gasmotor is gemiddeld gezien voldoende warmte om de vergisting op bedrijfstemperatuur te houden. Er is een warmte overschot in de zomermaanden, maar dat is relatief klein. De eigen opwekking van elektriciteit is niet voldoende voor het dekken van de eigen elektriciteitsbehoefte. De laagwaardige warmte uit het effluent kan door toepassing van warmtepompen worden omgezet naar warmtestromen voor hoogwaardiger gebruik zoals ruimteverwarming en douche. Elektriciteit is een hoogwaardige energiedrager, waarmee op een efficiënte wijze arbeid kan worden verricht. Welke energievorm in beschouwing moet worden genomen, is voor een deel locatiespecifiek. Tevens dient de hele energieketen te worden meegenomen, waarbij de balans in termen van primaire energie en CO2-equivalenten wordt opgemaakt. In dit project is de focus uitgegaan naar de conversie van organisch materiaal en de productie van elektriciteit. In bijlage 5 wordt het thema gas/elektriciteit/warmte nader toegelicht.

p8

3

Technieken Op basis van de doelstellingen en de inventarisatie uit de voorgaande hoofdstukken zal in dit hoofdstuk een technische uitwerking van De Energiefabriek plaatsvinden: hoe ziet de technische installatie eruit waarmee de ambitie van energielevering op een rioolwaterzuivering gerealiseerd kan worden.

3.1

De ontwerpfilosofie De energiedragende component in afvalwater is, naast de thermische en kinetische energie die het bezit, de aanwezige organische stof. In het huidige ‘gemiddelde’ zuiveringsconcept van een RWZI wordt deze organische stof voor het grootste deel geoxideerd tot CO2. Een ander significant deel wordt gebruikt voor de aanwas van bacteriën die het zuiveringsproces katalyseren. Kortom: er wordt veel energie gestoken in de vernietiging van een potentiële energiebron! De basisgedachte achter een Energiefabriek is deze organische componenten aan het begin van het proces zoveel mogelijk vooraf af te vangen en deze door een biomassaconversie om te zetten in een bruikbare energiebron. Omdat deze afscheiding nooit volledig zal kunnen plaatsvinden zal naar verwachting nog altijd een zuiveringsproces noodzakelijk zijn waarin wellicht nog een oxidatie van het restant moet plaatsvinden. De basisgedachte is schematisch weergegeven in figuur 3.1.

Rioolwater in

A ‘Scheiding org. stof en water’

B

‘water’

Waterzuivering

Organische stof (slib)

Extra organische stof (biomassa)

slib

C Biomassaconversie

Effluent uit

D restwater

Deelstroombehandeling

ZUIVER ENERGIE (E, CH4, H2, EtOH, ....)

Figuur 3.1: schematische weergave filosofie De Energiefabriek

In deze figuur is tevens een deelstroombehandeling opgenomen om de resterende waterfractie vanuit de biomassaconversie nog te zuiveren. Het betreft hier over het algemeen een waterstroom met relatief hoge concentraties aan nutriënten die het aantrekkelijk maakt om apart te behandelen. Mengen met de hoofdstroom vanuit stap A zou dat efficiencyvoordeel wegnemen. In paragraaf 3.5 is de energiebalans van een referentie RWZI van 100.000 v.e. opgenomen. Daaruit blijkt ook dat de theoretische energie-inhoud van het afvalwater (1,6 MW) ruimschoots voldoende is om aan de energievraag van het zuiveringsproces (0,25 MW) te kunnen voldoen. Het gaat er dus om of de potentiële energie-inhoud ook daadwerkelijk winbaar is om in het

p9

proces in te zetten. Een belangrijk aandachtspunt daarbij is dat voldaan moet worden aan de normen van de effluentkwaliteit. Vooral voor de huidige wijze van stikstofverwijdering kan dit kritisch zijn omdat daarvoor een minimum aan organische stof nodig is. Dit zou de maximale energiewinning drastisch kunnen verlagen en moet wellicht gezocht worden naar alternatieven voor stikstofverwijdering. In dat kader moet onderzoek worden opgestart naar de mogelijkheid om CZV en N-verwijdering te ontkoppelen. Dit zal in STOWA verband verder worden opgepakt. De verwachting is dat op basis van alleen rioolwater een energieneutraal concept gerealiseerd kan worden, maar dat een significante levering van energie pas kan plaatsvinden door extra inname van biomassastromen. Als dit basisconcept staat kan nog uitbreiding worden gezocht in bijvoorbeeld het benutten van warmte-inhoud van het influent (in het lokale rioleringsstelsel) en/of het effluent. 3.2

Inventarisatie technieken en ontwikkelingen Op basis van de ontwerpfilosofie kunnen de mogelijke technieken en ontwikkelingen voor de verschillende deelprocessen worden geïnventariseerd. In onderstaande tabel is daarvan een opsomming gegeven.

p 10

Tabel 3.1: mogelijke technieken en ontwikkelingen voor deelprocessen A t/m D

Processtap A: scheiding organische stof

Processtap B: Waterzuivering

- Voorbezinktank - Chemische precipitatie; - Trommelfilter; - Hoogbelaste biologische zuivering (A-trap) - Membraanfiltratie;

- Conventionele biologische zuivering; - Anaerobe zuivering (UASB); - De-ammonificatie; - Algen; - Biologische brandstofcel; - Nereda;

Processtap C: biomassaconversie

Processtap D: deelstroombehandeling

Biologisch - Vergisting tot methaangas; - Biologische ethanolproductie; - Biologische waterstofproductie; - Anaerobe compostering;

- Chemische precipitatie; - De-ammonificatie; - Concentreren en afvoeren; - Algen.

Thermisch Verbranden; Pyrolyse; Torrificeren; Vergassen; CAMBI; Athos; Superkritisch vergassen; Hydrothermal Upgrading (HTU); Overig Niet thermische slibdesintegratie

Een korte beschrijving van de technieken wordt in de navolgende tekst gegeven.

p 11

Processtap A (scheiding organische stof) Voorbezinking is een bekende techniek om gravitair zwevende stof en organische stof af te scheiden uit het influent. In combinatie met chemische precipitatie (pre-precipitatie) neemt het rendement toe. Het STOWA onderzoek “fysisch-chemische voorzuivering” biedt hiervoor meerdere aanknopingspunten. Bij een hoogbelaste (en eventueel beluchte) eerste trap (zoals bekend uit het A/B proces vindt afscheiding van organische stof plaats door groei van biomassa en sorptie van (opgeloste) organische stof aan deze biomassa. Opgemerkt dient te worden dat door chemicaliëndosering, waarmee het rendement van voornoemde processen wordt verbeterd, ook chemisch slib wordt geproduceerd. Met fijnzeven (bijvoorbeeld trommelfilters <1 mm maaswijdte), zoals toegepast voor de voorbehandeling bij MBR, wordt zwevende stof (en daarmee ook organische stof) uit het influent gehaald. Met membraanfiltratie van influent kan een hoog afscheidingsrendement van organische stof worden gerealiseerd. Processtap B (biomassaconversie) •

Vergisting Vergisting van zuiveringsslib is een beproefde en bekende techniek die geen toelichting behoeft.

•

Ethanol en waterstofproductie Biologische productie van ethanol en waterstof uit organisch materiaal is interessant vanwege het feit dat ethanol en waterstof commercieel interessante energiedragers zijn. Een bekende toepassing is de productie van bio-ethanol uit suikerriet. Toepassingen in afvalwaterbehandeling zijn niet bekend, er wordt wel onderzoek naar gedaan. Het is niet duidelijk of er in potentie een hoger energierendement gehaald kan worden vergeleken met biogasproductie door vergisting.

•

Anaerobe compostering Anaerobe compostering is analoog aan anaerobe voorbehandeling van een CZV rijk industrieel afvalwater: de bulk van de CZV wordt omgezet in biogas en het overblijvende digestaat wordt aeroob nagecomposteerd. Anaerobe compostering is een droog fermentatieproces met een droge stof concentratie rond de 30%. Natte fermentatie gaat tot 15% DS.

•

Verbranden Bij verbranden van zuiveringsslib wordt organisch materiaal door toevoer van een overmaat aan zuurstof volledig omgezet in CO2 en H2O. In slibverbrandingsinstallaties voor ontwaterd zuiveringsslib kan door rendementsverbeteringen aan de installatie een beperkte hoeveelheid energie worden opgewekt. Door de uitgebreide rookgasbehandeling is de technologie kostentechnisch alleen aantrekkelijk op grote schaal.

•

Pyrolyse Bij pyrolyse wordt relatief droge biomassa (> 90% ds) in afwezigheid van zuurstof omgezet. Hierdoor onstaat pyrolyse olie, die verder moet worden bewerkt alvorens tot energieproductie te kunnen overgaan.

•

Vergassing

p 12

Bij vergassing van slib wordt door het toevoeren van een ondermaat aan zuurstof het organische deel gedeeltelijk omgezet, zodat een brandbaar gas (CO, CH4, H2, N2) resulteert. Dit syngas kan worden ingezet voor energieproductie. Het slib moet vrij droog zijn (> 85% ds). •

Superkritische vergassing Een variant op het vergassingsproces waarbij de biomassa juist niet droog hoeft te zijn is superkritische vergassing. Bij superkritische vergassing wordt natte slurry met ca. 85% watergehalte ingebracht in een reactor 300 bar en 450-700 °C. In korte tijd (enkele seconden tot enkele minuten) wordt de organische stof omgezet in syngas. Dit syngas kan worden ingezet voor energieproductie. De zouten (met daarin o.a. zware metalen en fosfaat slaan neer in een geconcentreerde slurry. Het proces is in ontwikkeling (pilot/demo schaal).

•

(Natte) torrefactie (Natte) torrefractie is een thermische voorbehandelingstechniek die reststromen geschikt kan maken als brandstof.

•

Turbotec ontsluiting De Turbotec ontsluiting berust op een chemische/thermische voorbehandeling van biomassa waardoor niet afbreekbare componenten worden ontsloten zodat ze beter afbreekbaar worden en bijvoorbeeld kunnen worden omgezet in biogas.

•

HTU (Hydro thermal upgrading) In HTU (Hydro thermal upgrading) wordt natte biomassa (15% ds) onder druk (180 bar) en bij hoge temperatuur (300 °C) omgezet in een waterfract ie, een oliefractie en een gasfractie.

•

CAMBI THP proces Het CAMBI THP proces is een desintegratietechniek (5-10 bar, 100-200 °C) voor zuiveringsslib. Met het THP proces wordt slib behandeld alvorens het te vergisten. De belasting van de vergisters en het biogasrendement neemt hierdoor toe. Tevens verbetert de ontwatering sterk.

•

Athos Het Athos proces betreft een natte oxydatie (50 bar, 250 °C) van slib. Het proces dient te worden beschouwd als een eindverwerkingsstap.

•

Niet-thermische slibdesintegratie Bij niet-thermische slibdesintegratie wordt door mechanische energie of ultrasone energie slib “gekraakt” waardoor er meer organische stof ter beschikking komt voor biogasproductie in de slibvergisting.

•

•

Processtap C (waterzuivering) Anaerobe waterzuivering Met anaerobe zuivering (bijvoorbeeld met UASB proces) in de waterlijn wordt organische stof omgezet in biogas en ammonium. Een belangrijke voorwaarde voor toepassing is een hogere temperatuur (> 20 °C), ondermee vanwege de oplosbaa rheid van methaan in water. Ook is nabehandeling noodzakelijk. De-ammonificatie Met de-ammonificatie (Demon proces, Anammox proces) kan energiezuinig ammonium worden omgezet naar stikstofgas. Ammonium wordt voor de helft omgezet in nitriet en gekoppeld aan

p 13

het resterende ammonium tot stikstofgas. Een hogere temperatuur en hogere concentraties ammonium zijn belangrijke voorwaarde voor toepassing. •

Algen Algen kunnen stikstof en fosfaat opnemen, tevens wordt CO2 vastgelegd. Algen zouden kunnen dienen als bron voor biogasproductie, hierbij komt echter weer stikstof en fosfaat vrij. Een voorwaarde is dat licht niet limiterend is voor de algenreactor. Gebruik van zonlicht is een voorwaarde voor een energiezuinige toepassing.

•

Biologische brandstofcel In een biologische brandstofcel genereren bacteriën elektriciteit door omzetting van organische stof. Het proces wordt onderzocht op labschaal.

•

Nereda Nereda is een batchgewijze techniek met korrelvormig slib. Het proces wordt op momenteel praktijkschaal toegepast. De verwachting is bij Nereada 20-30% minder energie benodigd is dan bij conventionele biologische zuiveringstechnieken technieken (actief slib proces). Processtap D (deelstroombehandeling) Biomassaconversie levert een waterige reststroom op, waar componenten in kunnen zitten die verwijderd moeten worden. Ingeval van vergisting is dit bijvoorbeeld CZV, stikstof en fosfaat. Indien stikstof in de waterlijn wordt verwijderd, kost dit beluchtingsenergie en is CZV noodzakelijk. Deze CZV komt niet ten goede aan bijvoorbeeld biogasproductie door vergisting.

•

De-ammonificatie Bij stikstofverwijdering via het de-ammonificatie proces is geen CZV noodzakelijk. Bij deammonificatie wordt ammonium gedeeltelijk omgezet in nitriet. Het nitriet wordt vervolgens gekoppeld aan het resterende ammonium tot stikstofgas. Ten opzichte van traditionele stikstofverwijdering is geen CZV (C-bron) noodzakelijk, en is het energiegebruik voor beluchting aanzienlijk minder als gevolg van de partiële oxydatie van ammonium en als gevolg van de lagere slibproductie. De biologische reactie wordt uitgevoerd door de zogenaamde anammox bacterie.

•

Chemische precipitatie Chemische precipitatie is een beproefde techniek voor fosforverwijdering. Voor stikstofverwijdering is dit in principe ook mogelijk, grootschalige toepassingen zijn niet bekend. Een belangrijke voorwaarde is een geschikt afzetkanaal voor de stikstofrijke reststroom (struviet).

•

Concentreren en afvoeren Concentreren en afvoeren van de waterige reststromen uit bioconversie kan ook worden overwogen, indien er afzetmogelijkheden voorhanden zijn. Hiermee is echter ook energieverbruik gemoeid. Overig In een brandstofcel wordt met specifieke energiedragers elektriciteit opgewekt met een chemische reactie (zonder een klassiek verbrandingsproces). Bekende energiedragers voor brandstofcellen zijn waterstof en methanol. Voor grote schaal toepassingen zijn nu ook brandstofcellen op methaangas en biogas beschikbaar. In vergelijking met een gasmotor of wkk

p 14

heeft een brandstofcel een hoger elektrisch rendement, het temperatuurniveau van de restwarmte is hoger en tevens zijn de emissies naar de atmosfeer veel lager. 3.3

Selectie van de technieken De in 3.2 genoemde technieken zijn geselecteerd voor verdere uitwerking op basis van de volgende criteria: 1. mate van geschiktheid voor inzet op praktijkschaal. Technieken die momenteel nog in een ontwikkelfase of opschaalfase verkeren zijn meegenomen onder de voorwaarde dat redelijkerwijs verwacht kan worden dat binnen 5 jaar een full-scale toepassing mogelijk is. 2. effect op energiebesparing of energiegeneratie 3. geschiktheid voor de onderhavige toepassing op rwzi’s in de sliblijn of waterlijn in termen van robuustheid en energieverbruik De volgende technieken zijn geselecteerd: Processtap A (scheiding organische stof)

• Voorbezinking. • Chemische pre-precipitatie • Hoogbelaste eerste trap. Processtap B (biomassaconversie)

• Vergisting tot methaangas • Superkritisch vergassen. • CAMBI Processtap C (waterzuivering) • Conventionele biologische zuivering • Nereda Processtap D (deelstroombehandeling) • De-ammonificatie. Overig

• Brandstofcel In de bijlage 7 zijn van enkele technieken factsheets opgenomen. Een meer uitgebreide omschrijving van enkele technieken is opgenomen in bijlage 4. 3.4

Toekomstige technieken/concepten In het project zijn ook enkele nieuwe technieken/concepten naar voren gekomen. Deze zijn niet verder uitgewerkt vanwege het niet-generieke karakter en/of vanwege het feit dat er uitgebreid onderzoek noodzakelijk is. Een voorbeeld van het laatste is toepassing van de-ammonificatie in de waterlijn. Hiermee zou verwijdering van stikstof geheel zonder koolstof kunnen verlopen. De organische stof in het afvalwater kan maximaal ten goede komen aan conversie naar methaangas. Van betreffende bacteriën is bekend dat de groeisnelheid laag is. Huidige toepassing vindt dan ook plaats bij hoog geconcentreerde warme afvalwaterstromen zoals rejectiewater. Slibretentie bij lage groeisnelheden is dan ook een belangrijk aandachtspunt. Voorafgaande aan de-ammonificatie in de waterlijn is een stap noodzakelijk waarbij zoveel mogelijk koolstof wordt onttrokken aan

p 15

het afvalwater (bijvoorbeeld hoogbelaste trap). De trap met de-ammonificatie dient zoveel mogelijk met (opgelost) ammonium te worden belast. Het vermijden van doorslag van inerte zwevende stof naar de de-ammonificatie is ook een belangrijk aandachtspunt bij de lage groeisnelheid van dit type bacteriën. Anaerobe zuivering (bijvoorbeeld met UASB) van afvalwater is een techniek om de organische koolstof uit het afvalwater om te zetten naar biogas. De techniek is volwassen en wordt op grote schaal toegepast op industrieel afvalwater en ook op huishoudelijk afvalwater in enkele tropische regio’s. Een relatief hoge temperatuur is een noodzaak voor toepassing van anaerobe zuivering. In combinatie met hergebruik van restwarmte en de behandeling van (delen van) DWA aanvoer biedt anaerobe zuivering van huishoudelijk afvalwater onder Nederlandse omstandigheden mogelijk locatiespecifieke kansen.

3.5

Ontwerpuitgangspunten Het totale aantal RWZI’s in Nederland kent een zeer grote variatie in grootte en uitvoeringsvorm. De Energiefabriek heeft als doelstelling om voor deze installaties tot een generiek verwerkingsconcept te komen. Om voor deze grote variatie niet te verzanden in algemeenheden is besloten om voor de grootte een ‘modelzuivering’ als basis te nemen van 100.000 v.e. à 136 gram TZV, uitgaande van een standaard ontwerp. Vanuit deze grootte is voor de verschillende waterschappen een redelijke extrapolatie naar kleinere of grotere zuiveringen te maken. Dit zal versterkt worden door van daaruit een brede verkenning te doen ten aanzien van type installatie (voorbezinking, belasting etc.) en locatiespecifieke zaken (ligging, mogelijkheid tot inname van extra stromen, nieuwbouwwijk etc.). In de praktijk zal er in veel gevallen bij een RWZI van 100.000 v.e. geen voorbezinking en vergisting beschikbaar zijn. Dit vanwege het kostenniveau in verhouding met de schaalgrootte. Extrapolatie vanuit de generieke uitwerking van de gehanteerde modelzuivering naar andere schaalgroottes is dan ook noodzakelijk. In de uitwerking van de concepten is schaalvergroting meegenomen. Als referentie is uitgegaan van een zuivering van 100.000 v.e. met voorbezinking en slibgisting. De uitgangspunten voor de modelzuivering zijn als volgt. •

Afvalwaterkarakteristieken (aanvoer, samenstelling) Modelzuivering 100.000 i.e. (uit STOWA slibketenstudie variant 8) DWA DWA RWA TWA Concentraties: CZV BZV Nkj Ntotaal Ptotaal SS

•

12000 750 4400 18320

523 191 48 48 8 191

Effluenteisen Ntotaal 10 mg/l, Ptotaal 1 mg/l.

p 16

m3/d m3/h m3/h m3/d

mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l

•

Technologische uitgangspunten Temperatuur afvalwater: 9-21 °C. Ontwerptemperatuur 10 °C.

o

Voorbezinking zonder chemicaliëndosering rendementen % COD 30 BOD 30 NKj 10 Ptot 20 Zwevende stof SS 50 Energie-inhoud slib voor gisting (kg COD/kg ODS) primair slib 2 secundair slib 1,4

o

Voorbezinking met chemicaliëndosering (pre-preciptatie) rendementen % COD 45 BOD 45 NKj 15 SS 75 Energie-inhoud slib voor gisting (kg COD/kg ODS) primair slib 2 secundair slib 1,4 Me/P 1,5

o

AB proces rendementen A-trap %, COD 70 BOD 70 NKj 35 Ptot 40 SS 90 Energie-inhoud slib voor gisting (kg COD/kg ODS) 1 A-trap 2,3) B-trap 1,4

o o o

rendement gasmotor 34% elektrisch. berekening waterlijnen volgens HSA model (N) en Sheer (P) Slibgisting volgens Chen en Hashimoto

Een meer gedetailleerde en specifieke samenstelling van dit afvalwater is van belang om de theoretische energie inhoud vast te kunnen stellen. Deze samenstelling is gegeven in bijlage 1. De theoretische energie inhoud bedraagt 1,6 MW. Het energieschema van de basisvariant (voorbezinking zonder chemicaliëndosering is als volgt). 1

uitgangspunt hierbij is aanwezigheid geabsorbeerde niet omgezette COD op A-trap slib

p 17

In het project is aandacht besteed aan het omrekenen van de CZV balans van de rwzi naar een energiebalans op basis van de maximale theoretische energie inhoud. Hierdoor is inzicht ontstaan in het energieverbruik en de energieproductie van de verschillende (deel)processen en in de energie-inhoud van slibstromen. De onderliggende gegevens zijn terug te vinden in bijlage 3.

p 18

4 CONCEPTEN 4.1 Totaalconcepten en potentie Op basis van de inventarisatie van technieken en ontwikkelingen is een groot aantal totaalconcepten voor De Energiefabriek denkbaar. Dat grote aantal wordt vooral veroorzaakt door het feit dat een totaalconcept altijd maatwerk zal zijn voor de lokale situatie. Hieruit is echter wel een hoofdlijn te destilleren door een indeling te maken op basis van de mate van realiseerbaarheid en het innovatie karakter. Dan kan een onderscheid worden gemaakt in drie typen totaalconcepten: Basis: uitbreiding van de installatie met bewezen technieken. Dit levert een energieneutrale situatie op en is vandaag al mogelijk. De techniek van het basisscenario is bewezen en kan dus direct, relatief risicoloos worden ingevoerd. Plus: het basisscenario met een bijdrage aan energielevering. Toepassing van een brandstofcel en een extra ontsluitingsstap voor de slibbehandeling, zodat netto energielevering plaatsvindt. Dit scenario is binnen twee jaar te realiseren. Het plusscenario is technisch onzekerder, omdat in Nederland met een aantal technieken in dit scenario nauwelijks ervaring heeft. Deze technieken zijn echter wel beschikbaar. Super: het plusscenario, waarbij de gisting plaatsmaakt voor superkritische vergassing van slib. Deze optie levert serieuze energielevering op, maar vergt nog wel enkele jaren ontwikkelingstijd. Afhankelijk van het ambitieniveau kan een eindgebruiker eerder of later kiezen voor een van de concepten. 2009

Tijdspad

2014

1. Basis

tie va f

2. Plus

Vo

no In

Basismaatregelen De-ammonificatie (Demon,Anammox) VBT+/A-trap+ Vergisting

Aa np as se nd

1 + Slibdesintegratie (Cambi) Warmtepomp, Brandstofcel

3. Super 1 + 2 + Superkritisch vergassen Slib drogen met restwarmte

Deze categorieën worden hieronder kort weergegeven.

p 19

lge nd

In bijlage 2 en 3 zijn de proces flow diagrammen met de verschillende vrachten weergegeven voor het Basis concept, voor de subvariant met voorbezinking/precipitatie en de subvariant met een A-trap. Het Plus en Super concept bouwen hier op voort door toevoeging van technieken aan het Basis concept. Een overzicht van de energieberekeningen is weergegeven in bijlage 3. De scenario’s zijn verder nog op hun gevoeligheid getest voor energieprijzen (verdubbeling in 20 jaar), schaalgrootte (100.000 en 350.000 v.e.’s) en het effect van verwerking van extra biomassa, waarvoor dunne fractie mest het uitgangspunt is.

p 20

De belangrijkste bouwstenen voor de Basisvariant zijn: • terugdringen van het energieverbruik voor stikstofverwijdering en voor in stand houden van biomassa (endogene ademhaling, lage slibbelasting); • meer energie-inhoud uit influent naar biogas door vergisting; • eigen energieverbruik terugdringen door basismaatregelen in het ontwerp, apparatuurkeuze en besturing; • efficiënte elektriciteitopwekking door hoogrendement wkk. Deze vormen tevens het fundament voor de andere concepten. Door voorbezinking met pre-precipitatie (of een A-trap) kan de vracht organische stof naar de vergisting worden gemaximeerd. Hiermee kan de biogasproductie worden gemaximeerd. In deze vracht bevinden zich ook stikstofverbindingen die na de vergisting in de waterfase van de slibontwatering terecht komen. De deelstroombehandeling van deze waterfase met het deammonificatie proces verwijderd deze stikstof energiezuinig. Van belang is dat de CZV/N verhouding van het afvalwater naar de biologische zuivering gunstig blijft voor de verwijdering van de resterende stikstof. Bijkomend effect van chemicaliëndosering is de productie van chemisch slib.

p 21

In de plusvariant wordt de basisvariant uitgebreid met een extra thermische slibdesintegratie techniek (bijvoorbeeld CAMBI) en een brandstofcel. De thermische slibdesintegratie zorgt voor een extra opbrengst van biogas in de vergisting. De extra energie opbrengst weegt op tegen het extra energiegebruik van het slibdesintegratie proces. Toepassing van brandstofcellen verhoogt het rendement van de elektriciteitproductie met biogas. Op een totaal elektriciteitverbruik van 0,16 MW kan een overschot van 0,09 MW worden gerealiseerd. Dit is equivalent aan het elektriciteitsverbruik van 225 huishoudens. Door inzet van een warmtepomp kan er extra thermische energie worden gewonnen uit effluent.

p 22

Het superscenario borduurt voort op het plusscenario met de vervanging van gisting door superkritische vergassing van slib en verwerking van de resterende zoutslurrie. De technieken zijn wel bewezen, maar in Nederland niet eerder toegepast. Superkritisch vergassen is nog geen volwassen techniek en laat daarom nog enkele jaren op zich wachten. Op een totaal elektriciteitsverbruik van 0,18 MW kan een overschot van 0,32 MW worden gerealiseerd. Dit is equivalent aan het elektriciteitsverbruik van 800 huishoudens.

p 23

5 Kosten 5.1

Uitgangspunten kostenberekeningen

Voor het concept Energiefabriek zijn de meerinvesteringen en meerkosten/opbrengsten van belang die worden gemaakt voor extra generatie van energie. De referentie betreft een installatie met voorbezinking en gisting. Deze kosten en opbrengsten zijn indicatief in beeld gebracht. Investeringskosten inclusief BTW REFERENTIE*)

BASIS

PLUS

SUPER

100.000

100.000

100.000

100.000

Deelstroombehandeling **)

390.000

390.000

WKK (hoog rendement 38%)

560.000

Dosering VBT

210.000

Capaciteit RWZI (v.e. à 136 g TZV) Extra investeringen varianten (€)

CAMBI

210.000

210.000

800.000

Brandstofcel

1.340.000

Superkritisch vergassen (SKV)

2.550.000 2.380.000

Indamper slurrie SKV

360.000

Subtotaal (incl. BTW) Opslag voor stichtingskosten (40%) TOTAAL (€) Warmtepomp eenheidsprijs (€/kW) Warmtepomp 1.500 kW (100.000 v.e.) (€)

1.160.000

2.740.000

5.500.000

464.000

1.096.000

2.200.000

1.600.000

3.800.000

7.700.000

500

500

500

750.000

750.000

750.000

Mestverwerking 50.000 m3/jr (€) incl BTW Ontvangstation

225.000

Anaeroob + WKK

775.000

P-fixatie

350.000

De-ammonificatie **)

1.100.000

Subtotaal

2.450.000

Opslag (40%)

980.000

TOTAAL (€)

3.400.000

*) De investering voor de referentie (groene weide) bedraagt ca 29 miljoen euro. **) De totale kosten (kapitaal en exploitatie) voor deelstroombehandeling bedragen circa 1 €/kg N.

p 24

Effect op energielevering Extra energie effect (kW)

REFERENTIE

BASIS

PLUS

SUPER

90

160

270

510

200

160

160

180

-110

0

110

330

0

110

220

440

92.400

0

-110.880

-332.600

Opwekking RWZI Eigen verbruik Energielevering (kW) Extra opwekking door investering (kW) Kosten elektriciteit (Euro)

Exploitatiekosten Energieprijzen (incl. BTW) Elektriciteit inkoop (€/kWh) *) Elektriciteit verkoop (€/kWh) 3 Aardgas inkoop + verkoop (€ / m ) Indexering energieprijs (%/jaar)

0,10 0,10 0,20 3,0%

Chemicaliën PE (€/ton produkt) Metaalzout IJzer (€/ton Fe) Aluminium (€/ton Al) Afschrijvingstermijnen (jaar) Civiel Werktuigbouw Meet en regel / automatisering Financieringsrente (%/jaar) Prijsstijging (%/jaar)

4.000 680 800 30 15 10 4% 3%

Onderhoud Civiel (%/jaar) Werktuigbouw (%/jaar) Meet en regel (%/jaar) Stackvervanging brandstofcel PLUS (€/ 5 jaar) Stackvervanging brandstofcel PLUS (€/ 5 jaar) Mestverwerking 3 Poorttarief dunne fractie (€/m ) 3 Biogasopbrengst per m dunne fractie (Nm3/m3) Slibverwerking (€/ton ds) Afzet slurrie super kritische vergassing (€/ton) *) tarieven variëren per waterschap.

p 25

0,5% 2,0% 3,0% 400.000 800.000

8,5 6 450 0

5.2 Modelbenadering en methodiek De kostenberekening is uitgevoerd op basis van Netto Contante Waarde. Door over een periode van 15 jaar de jaarlijkse kosten te bepalen wordt inzichtelijk of de investering kan worden terugverdiend. Doordat de financieringslast terugloopt en eventuele opbrengsten geïndexeerd zijn kan naar het eind van de levensduur een positieve exploitatie ontstaan. Als de gemiddelde exploitatie over voornoemde 15 jaar positief is kan worden gesproken over een investering die zichzelf terugverdiend. Het resultaat van de berekeningen is weergegeven in figuur 5.1 3.500.000

Totaal gesommeerde exploitatiekosten (euro/jaar)

3.000.000 2.500.000 2.000.000 1.500.000 1.000.000 500.000 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

-500.000 -1.000.000 -1.500.000 -2.000.000 -2.500.000 -3.000.000 -3.500.000

Tijd (jaren) BASIS

BASIS mest

PLUS

PLUS mest

SUPER

SUPER mest

Figuur 5.1: gesommeerde jaarlijkse exploitatiekosten verschillende varianten

Door het gesommeerde bedrag uit figuur 5.1 te verdelen over 100.000 v.e. en 15 jaar ontstaat het bedrag dat gemiddeld per v.e. betaald, dan wel verdiend wordt. Zo geldt voor het basisscenario dat de totale exploitatiekosten na 15 jaar op 1,81 miljoen euro uitkomen. Voor 100.000 v.e. over 15 jaar is dat gemiddeld 1,21 euro/v.e. De resultaten van alle scenario’s zijn weergegeven in figuur 5.2. Voor de basis en plusvariant blijkt dan dat er alleen winst is te halen (zijnde een netto negatief effect op het ve-tarief) als ook mest wordt verwerkt. Voor de supervariant speelt de schaalgrootte een rol. Bij een rwzi van 350.000 ve is er een netto negatief effert of het ve-tarief die wordt versterkt bij een hogere energieprijs of de verwerking van mest op de rwzi.

p 26

Netto effect op v.e.-tarief (€/v.e.)*

BASISVARIANT

-3

-2

-1

0

1

2

3

Basisvariant 100.000 v.e. ** Basisvariant 350.000 v.e. Basisvariant + prijsstijging energie 10%/jr Basisvariant + mestverwerking *** * Gemiddeld exploitatieverschil over 15 jaar (€/jr) gedeeld door capaciteit RWZI in v.e.’s ** Extra investering van 1,6 M€, prijsstijging energie 3% per jaar *** Dunne fractie mest, 50.000 m3/jr, 4.100 kg CZV/d

Netto effect op v.e.-tarief (€/v.e.)*

PLUSVARIANT

-3

-2

-1

0

1

2

3

Plusvariant 100.000 v.e. ** Plusvariant 350.000 v.e. Plusvariant + prijsstijging energie 10%/jr Plusvariant + mestverwerking *** * Gemiddeld exploitatieverschil over 15 jaar (€/jr) gedeeld door capaciteit RWZI in v.e.’s ** Extra investering van 3,8 M€, prijsstijging energie 3% per jaar *** Dunne fractie mest, 50.000 m3/jr, 4.100 kg CZV/d

Netto effect op v.e.-tarief (€/v.e./jr)*

SUPERVARIANT

-3

-2

-1

Supervariant 100.000 v.e. Supervariant 350.000 v.e. Supervariant + prijsstijging energie 10%/jr Supervariant + mestverwerking * Gemiddeld exploitatieverschil over 15 jaar (€/jr) gedeeld door capaciteit RWZI (v.e.’s) ** Extra investering van 7,7 M€, prijsstijging energie 3% per jaar *** Dunne fractie mest, 50.000 m3/jr, 4.100 kg CZV/d

Figuur 5.2: Resultaten kostenberekeningen

p 27

0

1

2

3

6 Vervolg en aandachtspunten Het project Energiefabriek heeft inzicht gegeven in de generieke mogelijkheden voor energiegeneratie uit de zuivering van afvalwater. Door dit project is duidelijk geworden welke stappen gezet moeten worden voor succesvolle toekomstige toepassing. Aanbevolen wordt om ontwerptrajecten van rwzi’s vanuit het oogpunt van energie uit te voeren. Hierdoor wordt inzichtelijk welke maatregelen er mogelijk zijn om het energieverbruik van rwzi’s te minimaliseren en de energieproductie te maximaliseren. Het project energiefabriek heeft inzicht gegeven in de opties die er op korte termijn gerealiseerd kunnen worden op basis van bestaande technieken en met een beperkt risico. Aanbevolen wordt dan ook om een demonstratie installatie te bouwen voor de basis- en plusvariant. Bij STOWA en 10 waterschappen zijn hiertoe initiatieven ingediend. Om kansrijke opties en technieken nader uit te werken en op te schalen en de haalbaarheid van nieuwe ontwikkelingen te onderzoeken, wordt aanbevolen een collectief onderzoeksprogramma op te zetten. De invoering van het superscenario binnen een termijn van 5 jaar zou hier een onderdeel van kunnen zijn. Om nieuwe concepten en technieken voor de toekomst te identificeren en bedenken is het aan te bevelen een denktank in het leven te roepen, bestaand uit deelnemers van diverse partijen (waterschappen, kennisinstellingen, adviesbureau’s). Meerdere Waterschappen hebben (o.a. tijdens de conferentie Waterwegen van 8-april) aangegeven een bijdrage te willen leveren aan het vervolg. Om de doelstellingen van Waterwegen te dienen en het concept Energiefabriek succesvol te laten zijn, dienen de maatschappelijke positionering en de marketing een integraal onderdeel te vormen van de voortzetting van dit project. Bovenliggende aandachtspunten zijn onder meer: - het maken van een integrale ketenanalyse bij het uitwerken van opties, waarbij de energiebalans in termen van primaire CO2-equivalenten wordt meegenomen. Een afweging tussen de productie/levering van warmte, elektriciteit, biogas is hier een onderdeel van; - zoeken naar locale mogelijkheden voor het leggen van kansrijke combinaties; - de (contractuele) leveringszekerheid bij het innemen van externe stromen.

p 28

BIJLAGEN 1. Grondstoffen 2. Stoffenbalans varianten 3. Energiebalans varianten 4. Overzicht technieken conversie zuiveringsslib 5. Overwegingen groen gas of elektriciteitsproductie op rwzi 6. Grafieken trends energie Nederland en wereld 7. Facts en Factsheets diverse technieken

p 29

1. Grondstoffen

p 30

6.1 Grondstoffenmarkt Voorafgaand aan de analyse van de grondstoffenmarkt is bepaald dat alleen die markten worden onderzocht die dicht bij het waterschap liggen. Dit betekent dat de component ‘water’ ook voor de Energiefabriek leidend is in haar keuzes. 6.1.1 Afvalwater De primaire grondstof van ‘De Energiefabriek’ is de organische stof uit het rioolwater. In 2005 heeft STOWA een onderzoek naar de toekomstige kwantiteit en kwaliteit van aangevoerd rioolwater.

Zuiveringsslib In 2005 heeft STOWA ook een onderzoek naar de toekomstige kwantiteit en kwaliteit van zuiveringsslib gedaan. Geconcludeerd kan worden dat de toekomstige jaarlijkse slibkwantiteit voor Nederland binnen een marge van 5% stabiel zal blijven rond een waarde van circa 350.000 ton droge stof. Dit is een resultante van de effecten van verhoging van de influentvracht en van een te verwachten verlaging van de slibbelasting als gevolg van strengere (stikstof) effluenteisen en als gevolg van verhoging van de influentconcentratie. Onderstaande tabel geeft de prognose van de slibkwantiteit voor 2005, 2010 en 2020.

totaal slib

2005

2010

2020

340.659

346.491

356.404

1.000 kg ds

(STOWA 2005-06 TOEKOMSTIGE KWANTITEIT EN KWALITEIT VAN ZUIVERINGSSLIB)

6.1.2 Biomassastromen Om de energieproductie van ‘De Energiefabriek’ te optimaliseren wordt additioneel organisch materiaal aan de slibstroom toegevoegd. Toevoeging van onder andere maaisel, riet, en snoeiafval zorgt enerzijds voor een hogere energieopbrengst en anderzijds voor verhoging van het drogestofgehalte waardoor andere biomassaconversietechnieken realistisch worden. De diverse mogelijke stromen zijn onderzocht en de voor en nadelen zijn tegenover elkaar uitgezet. De stromen maaisel, mest en gft worden uitgebreid toegelicht omdat hier voor de waterschappen de meeste potentie in zit. Overige stromen die wel zijn onderzocht maar waar niet voor wordt gekozen, wordt kort onderbouwd weergegeven.

Maaisel van waterlopen Om ervoor te zorgen dat het water voldoende door de waterlopen kan stromen, maait het waterschap haar waterlopen jaarlijks één tot meerdere keren. Op die plaatsen waar het maaisel niet op de kant kan blijven liggen vanwege ruimtegebrek of een natuurdoelstelling, wordt het maaisel afgevoerd naar een erkend verwerker. Veelal wordt het maaisel nu voor ongeveer 32 euro/ton verwerkt door een composteerder. Deze kosten zijn exclusief inzamel en transportkosten. Een ontwikkeling die speelt en van invloed is op de hoeveelheid af te voeren maaisel is de Europese Kader Richtlijn Water (KRW). Deze richtlijn moet ervoor zorgen dat de kwaliteit van het oppervlakte- en grondwater in 2015 op orde is. Het kwaliteitsbeeld dat het waterschap voor ogen heeft voor een KRW type waterloop bepaald het onderhoudspakket. Zo wordt afhankelijk

p 31

van de ecologische doelstellingen maaisel wel/niet afgevoerd, maai- technieken, frequenties en perioden aangepast. Ongeacht de invulling per waterschap zal meer maaisel afgevoerd gaan worden. Op zandgronden heeft verschralen voornamelijk veel effect. Daar zal de aankomende jaren ongeveer 2 à 3 keer zo veel maaisel per jaar afgevoerd gaan worden. Door het maaisel te verwerken op de Energiefabriek kan deze een bijdrage leveren aan de KRW doelstellingen tegen lagere maatschappelijke kosten. Niet alleen bij waterschappen komt maaisel vrij bij de onderhoudswerkzaamheden. Dit geldt ook voor gemeenten, rijkswaterstaat en provincie.

Exoten Meer en meer worden in de waterlopen uitheemse planten aangetroffen. Grote waternavel, parelvederkruid en waterteunisbloem zijn de voornaamste soorten. De drijvende vegetatie vormt een gesloten mat waardoor het onderliggende water zuurstofloos wordt en vissen sterven. De waterafvoer wordt drastisch beperkt en de plantenmatten veroorzaken problemen aan bijvoorbeeld stuwen. Ten behoeve van de waterkwaliteit en om verspreiding te voorkomen, worden deze exoten afgevoerd naar een verwerker. Landelijke cijfers over de hoeveelheid missen nog. Alleen bij waterschap Aa en Maas wordt jaarlijks rond de 1.000 ton waternavel verwijderd.

Landschapsbiomassa (Alterra-rapport 1679) Landschapsbiomassa komt vrij vanuit doelstellingen als ecologie, cultuurhistorie en landschapsschoon. Voor deze doelstellingen is het afvoeren van biomassa veelal noodzakelijk. De verwerkingskosten van groenafval zijn hoog waardoor het onderhoud van de landschapselementen zich in veel gevallen beperkt tot het hoogstnoodzakelijke. Als het gaat om de toepassingsmogelijkheden van houtige en grasachtige biomassa dan wordt met name houtige biomassa momenteel toegepast voor het opwekken van energie, terwijl voor grasachtige biomassa de mogelijkheden vooralsnog beperkt zijn. De niet-houtachtige biomassa bestaat vrijwel geheel uit grasachtige vegetatie. Dit betreft naar schatting circa 233.000 ton droge stof. Deze biomassa kent momenteel geen concurrerende toepassingen, zodat de gehele productie beschikbaar is voor het opwekken van energie. Nu blijft het materiaal geklepeld achter, waardoor verrijking optreedt, ofwel wordt het afgevoerd naar een composteerbedrijf, waardoor hoge kosten moeten worden gemaakt. Bij het onderhoud van het landschap door agrariërs, landschapsbeheerders en wegbeheerders komen bijproducten vrij die veelal ofwel uit kostenoverwegingen blijven liggen in het terrein, ofwel tegen betaling als ‘groenafval’ worden afgevoerd. Biomassastromen uit het Nederlandse landschap worden nog weinig gebruikt voor energiewinning. Dat komt onder meer doordat niet voor alle materialen een geschikte technologie voorhanden is, de inzameling van het materiaal lastig is te organiseren en de regelgeving nog niet is ingespeeld op deze landschapsfunctie. Het Nederlandse landschap, met uitzondering van bossen en natuurgebieden, is goed voor bij benadering 609 kiloton droge stof oogstbare biomassa per jaar, waarvan 376 kton houtige materialen en 233 kton grasachtige materialen. Het Groenboek Energietransitie (Platform

p 32

Groene Grondstoffen 2007) verwacht in 2010 een totaal aanbod voor energieproductie van 34Mton droge stof biomassa per jaar, waarvan 1040kton droge stof houtblokken en houtsnippers, en 590 kton droge stof bermgras en hooi. Op basis van deze verkenning zou het landschap daarvan respectievelijk 36% en 39% kunnen leveren. Productie (ton ds per jaar)

Droge stof (ton)

spilhout

totaal

Takhout,

Niet

overig

houtig:

oogstbaar

Energiewaarde oogstbaar (PJ)

gras, heide Solitaire bomen

4.558

1.094

5.652

4.552

0,08

Loofbosjes (< 0,5ha)

131.224

31.494

162.718

130.174

2,21

Houtwallen

9.906

Heggen (geschoren) Heggen (losse hagen)

8.090

17.997

14.397

0,24

536

536

429

0,01

15.048

15.048

12.039

0,20

Singels

9.102

11.893

20.995

16.796

0,29

Bomenrijen

62.489

17.997

80.486

64.389

1,09

Hoogstamboomgaarden

2.348

563

2.911

2.911

0,05

Grienden (< 0,5 ha)

-

176

176

141

0,00

Eendenkooien

1.062

2.055

3.117

2.494

0,04

Heideveldjes (< 0,5 ha)

1.872

1.872

1.872

0,03

Draslanden

6.666

6.666

6.666

0,11

Wegbermen

225.000

225.000

3,83

Boerenerven

43.125

10.350

225.000

53.475

53.475

0,91

Erven van burgers

60.205

14.449

74.654

74.654

1,27

Totaal

324.020

113.746

671.304

609.959

10

p 33

Biomassa uit natuurterreinen (Alterra-rapport 1616) Uit de Nederlandse natuurgebieden komen met name de volgende soorten biomassa vrij: Hout, gras, riet en rietplaggen, heideplagsel, blad en bagger. Van de huidige vrijkomende biomassa wordt gras, riet en heideplagsel niet of nauwelijks ingezet voor de winning van energie. Voor hout is dit wel het geval. begroeiingstype Bos - huidig Bos – nog aan te leggen (2020) Landschapselementen (bij natuurbeschermingsorganisaties) Productierietland Grasland (2020) Heide (2020) Totaal

Oppervlakte (ha) 360.000 9.000 9.560 6.000 207.600 66.200 658.360

Riet Het productieniveau van riet van productierietland wordt geschat op 6,6 ton ds biomassa per ha per jaar. De totale productie bedraagt daarmee ca. 37.000 ton ds per jaar. Na schonen wordt naar schatting 50% van de vegetatie als dekriet gebruikt, terwijl de overige 50% niet nuttig wordt toegepast. Het blijft achter op het terrein, wordt verbrand of gecomposteerd. Grasland De biomassaproductie van graslanden verschilt sterk tussen de verschillende soorten graslanden. Graslanden die vanuit een agrarisch gebruik bij natuurbeschermingsorganisaties in beheer komen kunnen een gewasopbrengst van 12 ton ds per ha per jaar hebben. Wanneer wordt gestopt met bemesting en er een beheer van maaien en afvoeren wordt toegepast, daalt die productie en kan afnemen tot 1 tot 5 ton ds per ha per jaar, afhankelijk van het bodemtype. De totale en gemiddelde productie van de graslanden is berekend op 5,2 ton ds biomassa per ha per jaar. Bij een areaal van rui, 207.600 ha betekent dit een productie van 1,08 miljoen ton ds biomassa. Deze biomassa wordt voor een groot deel nuttig toegepast in de landbouw of als voer voor grazers van natuurbeschermingsorganisaties. Een deel wordt als restproduct afgevoerd. In het algemeen is het een doelstelling van het natuurbeheer om te verschralen. Dit leidt er op termijn toe dat een groter deel van het gras ongeschikt wordt voor veevoer, en daarmee beschikbaar komt voor het opwekken van energie. Deze termij is bij van nature voedselarme bodems vrij kort (5 jaar), maar bij van nature voedselrijkere bodems tot enkele tientallen jaren. Hoeveelheid ton gras dat inzetbaar zou zijn voor energie is 345.446 ton per jaar.

Mest De grootste belasting van het oppervlaktewater en grondwater met nutriënten is het gevolg van uitspoeling uit landbouwgronden gevolgd door de belasting vanuit rioolwaterzuiveringsinstallaties. Door deze dubbele belasting worden de doelen die gesteld zijn in de Kader Richtlijn Water niet gehaald. Naast nutriënten bevat mest een enorme potentie aan energie en water. Niet alleen de historische en hedendaagse relatie tussen de agrarische sector

p 34

is sterk vanwege het waterbeheer. Ook voor de toekomst ligt er een aantrekkelijke en belangrijke relatie die met de Energiefabriek vorm kan worden gegeven. De gebruiksnormen voor toepassing van stikstof en fosfaat in de landbouw worden de komende jaren geleidelijk aangescherpt om op die manier de doelen voor de kwaliteit van grond- en oppervlaktewater die gesteld zijn in de Europese Kaderrichtlijn Water te kunnen halen. Dit betekent dat bij een gelijkblijvende mestproductie de hoeveelheid niet plaatsbare mest in Nederland jaarlijks zal toenemen. Het geleidelijk vrijlaten van de melkquota tot 2014 en het afschaffen van de dierrechten in 2015 kan nog eens een extra druk op de mestmarkt leggen, hoewel de toename van de aantallen stuks vee ook sterk afhankelijk is van de wereldmarkt. In onderstaande tabel is de hoeveelheid geëxporteerde mest (geregistreerd) weergegeven voor 2006. De verwachtingen zijn eveneens in de tabel weergegeven. Soort mest graasdierdrijfmest vleesvarkensdrijfmest fokvarkensdrijfmest pluimveedrijfmest Vaste nertsenmest Vaste leghenmest Vleeskuikenmest Overige mestsoorten Totaal

Geëxporteerde hoeveelheid 2006 7.500 ton 80.000 ton 17.000 ton 800 ton 3.000 ton 330.000 ton 165.000 ton 26.000 ton 629.300 ton (0,9% van de totale mestproductie (ca 70 miljoen ton))

Verwachte export per jaar in 2009 t/m 2015 17.000 ton 35.000 ton 35.000 ton 800 ton 3.000 ton Droge pluimveemest 500.000 ton 26.000 ton 762.800 ton (1,1% van de totale mestproductie)

(Bron: SOURCE, Waterschap Aa en Maas, oktober 2008)

De afzetprijs van dierlijke mest op een ander bedrijf dan het eigen bedrijf is markt bepaald en wordt voornamelijk gestuurd door de druk op de mestmarkt. Bij een toenemende druk op deze markt zal de afzetprijs volgens verwachting ook stijgen. De mestverwerking in Nederland is vanaf de negentiger jaren wat gestagneerd, maar de toename van de hoeveelheid niet plaatsbare mest en de verwachte toename van de afzetkosten kunnen een impuls zijn voor (nieuwe) ontwikkelingen in de mestverwerking. De verwerkingsprijs moet in ieder geval kunnen concurreren met de afzetprijs. De verwerkingsprijs is in principe een constante prijs, hoewel door innovaties deze wel telkens aangepast kan worden, maar de afzetprijs is marktbepaald. Dit maakt het moeilijk voor de mestverwerking te kunnen rekenen op een constante aanvoer van mest, zonder heldere afspraken met de toeleveraars. De mestafzetprijzen zijn het gevolg van een vrije markt van vraag en aanbod en verschillen sterk per regio. Voor een indruk van de hoogte van mestafzetprijzen zijn hieronder de gemiddelde prijzen uit de eerste helft van 2007 gegeven: - varkensdrijfmest € 22,-/ ton - Vleeskuikenmest € 27,-/ ton

p 35

- Leghenmest (mestband) € 35,-/ ton (verwerkingsprijs moerdijk inclusief trasport € 15,-/ ton) - Rundveemest € 11/ ton

Snoeihout 1 Op basis van een extrapolatie van data afkomstig uit eerder onderzoek is een inschatting gemaakt van de totale beschikbare hoeveelheid snoeihout in Nederland. Niet al het ingezamelde snoeihout is bruikbaar, dit komt omdat het materiaal in meer of mindere mate vervuild is met blad, zand, grond en andere zaken. Deze vervuiling is groter bij snoeiafval afkomstig van consumenten. Landelijk beschikbaar tonnage groenstroom

circa.

900.000 ton

Verdeling - snoeihout burgers - snoeihout gemeenten

70% 30%

630.000 ton 270.000 ton

25% 85%

157.500 ton 229.500 ton 387.000 ton

Geschiktheid voor verwerking - via burger (630 kton) - via gemeenten (270 kton) Totaal geschikt

GFT (SenterNovem en Groenboek energietransitie) GFT (groente-, fruit- en tuinafval) wordt in vele gemeenten apart ingezameld. Jaarlijks is dit circa 1,5 Mton, ofwel gemiddeld zo’n 90 kilo per persoon per jaar. Niet al het gft-afval wordt gescheiden ingezameld; gemiddeld genomen wordt de helft van de organische fractie uit huishoudens nog afgevoerd met het restafval. Het wekelijks gescheiden inzamelen van gft-afval is een wettelijke verplichting opgenomen in de Wet milieubeheer (Wm). De beleidsdoelstelling voor de gescheiden inzameling van gft-afval voor 2006 is 55%. Jaarlijks wordt de samenstelling van het huishoudelijk restafval gemeten. Het aandeel gft-afval in huishoudelijk restafval was in 2007 34%. Gescheiden ingezameld gft-afval levert na compostering compost op. Compost wordt in de landen tuinbouw gebruikt voor verbetering van de bodem. Gescheiden inzamelen en composteren van gft-afval is voor veel gemeenten goedkoper dan het, samen met het huishoudelijk restafval, verbranden in een afvalverbrandingsinstallatie. Recent zijn veel nieuwe GFT contracten tussen gemeenten en verwerkers gesloten met een gemiddeld tarief van 35€/t. Het gemiddelde tarief voor verbranding van restafval ligt op ruim 100€/t. Gescheiden inzameling en composteren van gft-afval draagt bij aan het milieu. Recent zijn er weer nieuwe initiatieven, waarin de energie in het gft-afval wordt benut door middel van vergisting. Dit levert een aanzienlijke bijdrage in CO2-reductie op.

1

Haalbaarheidsonderzoek verwerking snoeihout 14 RMB-gemeenten op korte(re) termijn,

Royal Haskoning/Synthese, januari 2008

p 36

2. Stoffenbalans varianten

p 37

p 38

2. Stoffenbalans varianten

Modelzuivering 100.000 i.e. (uit STOWA slibketenstudie variant 8) DWA DWA RWA TWA

12000 750 4400 18320

Concentraties: CZV BZV Nkj Ntotaal Ptotaal SS

523 191 48 48 8 191

m3/d m3/h m3/h m3/d

Configuratie: rooster / VBT / AT / NBT + vergisting


64.799 i.e. a 54 g BZV

Fractionering influent voor bepaling bruikbare organische stof: Zie spreadsheet molecuulsamenstelling influent

DWA RWA TWA

1200 m3/h 4400 m3/h 18320 m3/d

mgO2/l

opgelost CZV BZV Nkj Ntot Ptot SS

Producties: Primair slib Ds-gehalte %as %os

1805 1 25 75

kg ds/d % % %

Secundair slib Ds-gehalte %as %os

1981 0,8 30 70

kg ds/d % % %

Uitgegist slib Ds-gehalte %as %os

3005 25 45 55

kg ds/d % % %

Effluent CZV Ds-gehalte %as %os

550 0,0006 30 70

523 191 48 48 8 191


inert niet inert

onopgelost inert niet inert

inert direct beschikbaar fermenteerbaar inert

34%

fermenteerbaar

38%

TOTAAL

Uitgangspunten 18320 0,523 0,35 39,96

kg/d % % %

(6 mg/l)

Resultaten 9581 3353 134005 1,55

m3/d kg CZV/m3 Nm3 CH4/kg CZV MJ/m3 CH4 (HHV)

p 40

6% 15% 7%

kg CZV/dag Nm3 CH4/dag MJ/dag MW

100%

31 --> humuszuren (lignine) 78 --> acetaat 37 --> koolhydraten

formule (C9H10O3)n (C2H4O2)n (C6H12O6)n

CZV (g/g) massa (g) M (g/g) n (mol) 1,93 16,3 166 0,10 1,07 73,3 60 1,22 1,07 34,2 180 0,19

178 --> (hemi)cellulose (1/2) --> lignine (1/2) 199 --> zetmeel + cellulose (1/4) --> vet (1/4) --> eiwit (1/4) --> biomassa (1/4)

(C6H10O5)n (C9H10O3)n (C6H10O5)n (C39H80O6)n (C6H12O2N2)n (CH1,8O0,5N0,16P0,055S0,0045)n

1,19 1,93 1,19 2,78 2,21 1,33

149,4 46,1 41,8 17,9 22,5 37,4

162 166 162 692 144 25,9

0,92 0,28 0,26 0,03 0,16 1,44

523 --> overall formule

(CH1,7O0,71N0,031P0,0046S0,00037)n

1,89

276,7

21

13,18

Uitgangspunten energieverbruik RWZI:

Voorbezinking: 0,25 kW (vast) Biologie: - Beluchtingsenergie: obv benodigde beluchtingscapaciteit incl. piekfactor van 1,2 (in kg O2/h) en een energie-efficiency van 3,5 kg O2/kWh - Pompenergie: (debiet (m3/h) x opvoerhoogte (mwk) x dichtheid medium (kg/m3) x 9,81 (N/kg) / 3600 / 1000 = kW. Dan nog pompyield van 75% + efficiency motor van 90% verdisconteren. - Mengenergie: 6 W/m3 x het te mengen volume; - Voortstuw energie: 3 W/m3 x het voort te stuwen volume; Nabezinking: 0,25 kW Slibverwerking: - Verpompen slibstromen conform pompenergie biologie; - indikking: gravitaire indikker (0,25 kW) en mechanische indikker (5 kW), na-indikker (0,25 kW); - gisting: opwarmingsenergie op basis van ingaande stroom overbrugging delta T; - ontwatering: 80 kWh/ton ds (centrifuge); Overig: bovenstaand totaalverbruik opplussen met 25% voor overige verbruikers.

p 41

Basisvariant

Voorbezinking Actiefslibruimte Biologische fosfaatverwijdering met aanvullende chemische fosfaatverwijdering Nabezinking Slindindikking (primair gravitair/secundair band) Slingisting Slibontwatering Geen deelstroombehandeling

Nummer 1 2 debiet m3/d 18320 18320 kg COD/d 9581 6780 kW HHV 1663 1177 kg BOD/d 3499 2486 kg Nkj/d 879 860 kg Ntot/d 879 860 kg Ptot/d 147 137 kg ZS/d 3499 1791 waarvan ODS 2799 1433 AS 700 358 chemisch slib (MePO4 ) 0 0 m3 CH4/d ----kW productie ----rend gasmotor (% HHV) rend gasmotor (% LHV) kWe productie uit SOFC bij SCWG (ex eigen verbruik SCWG) czv/ODS primair slib Hulprijen N-gehalte slilb per kg ODS Energieverbuik rwzi kW Eigen energie kW Netto verbruik kW

3 18320 916 159 55 55 183 18 92 64 27 0 -----

4 179 2906 504 1065 96 96 34 1791 1433 358 0 -----

5 248 1709 297 --70 72 118 1985 1212 519 254 -----

6 427 4614 801 --166 167 152 3776 2645 878 254 -----

7 427 2450 425 --166 166 152 2569 1437 878 254 -----

8 416 104 18 52 76 76 24 84 47 29 8 -----

9 11 2345 407 --90 90 --2485 1391 849 246 -----

Denitrificatie in ASR werkelijk min nodig assimilatie

10 --2165 376 ----------------758 110 33,8% 37,2%

4.155 721 735 605

401 2,0

HHV CH4 LHV CH4

0,063 232 110 122

37,1 MJ/m3 33,7 MJ/m3

75,62455 542

RODE cijfers zijn kW HHV 1.663

1.177 2

1

3

v o o rb e z in k ta n k

a c tie f s lib ru im te

n a b e z in k ta n k 159

5 297 4

18

504

8 6 801

7

s lib o n tw a te rin g

s lib g is tin g 425

9 s lib e in d v e rw e rk in g

407

p 42

10 W KK 110

376

1.034 180

berekening reductie organische stof tijdens gisting

3.121 542

primair

secundair

totaal

totaal DS in

kg/d

1791

1985

chemisch slib

kg/d

0

254

254

DS exclusief chem. slib

kg/d

1791

1731

3522

asgehalte DS ex

%

20

30

25

ds gehalte

%

5

6

volume

m3

36

29

65

org stof in

kg/d

1433

1212

2645

minimale SLT

d

maximale reductie

%

65

40

afbraakconstante

-

1,0

1,5

reductie org stof

%

55

34

46

org stof uit

kg/d

641

796

1437

DS uit

kg/d

999

1570

2569

3

3776

5

3 54

DS reductie

%

44

21

32

kg CZV/kg ODS

kg/kg

2,0

1,4

1,7

methaanproductie

m3/d

554

204

methaangehalte

%

62

62

62

biogasproductie

m3/d

894

328

1222

biogas / kg ODS

m3/kg

kg CZV/kg ODS uit

kg/kg

biogas / kg DSin

m3/kg

758

1,1

0,8

1,0

624

271

462

1,4

Basisvariant

Voorbezinking Actiefslibruimte Biologische fosfaatverwijdering met aanvullende chemische fosfaatverwijdering Nabezinking Slindindikking (primair gravitair/secundair band) Slingisting Slibontwatering Wel deelstroombehandeling

Nummer 1 2 debiet m3/d 18320 18320 kg COD/d 9581 6841 kW HHV 1663 1188 kg BOD/d 3499 2498 kg Nkj/d 879 804 kg Ntot/d 879 804 kg Ptot/d 147 120 kg ZS/d 3499 1791 waarvan ODS 2799 1433 AS 700 358 chemisch slib (MePO4 ) 0 0 m3 CH4/d ----kW productie ----rend gasmotor (% HHV) rend gasmotor (% LHV) kWe productie uit SOFC bij SCWG (ex eigen verbruik SCWG) czv/ODS primair slib Energieverbuik rwzi Eigen energie Netto verbruik

3 18320 916 159 55 55 183 18 92 64 27 0 -----

4 179 2844 494 1053 89 89 51 1791 1433 358 0 -----

5 248 1718 298 --70 72 --1985 1218 522 245 -----

6 427 4562 792 --160 161 --3776 2651 880 245 -----

7 427 2394 416 --160 160 --2567 1442 880 245 -----

8 416 104 18 52 73 73 24 84 47 29 8 -----

10 --2168 376 ----------------759 110 33,8% 37,2%


11 --104 18 --15 15 24 84 47 29 8 -----

679 549

RODE cijfers zijn kW HHV

37,1 MJ/m3 33,7 MJ/m3

567

1.188

1

2

3

voorbezinktank

actief slib ruimte

nabezinktank

159

18

11

deelstroom

5

298

6

792

494

4

398

8

7

slibontwatering

slibgisting 416 376

9

10

slibeindverwerking 398

p 43

3.268 567

primair

WKK 110

secundair

totaal

totaal DS in

kg/d

1791

1985

chemisch slib

kg/d

0

245

245


kg/d

1791

1740

3531

asgehalte DS ex

%

20

30

3776

25

ds gehalte

%

5

6

5

volume

m3

36

29

65

kg/d

1432,8

1218

2650,8

org stof in

0,060

1.663

939 163

minimale SLT

d

3

3

maximale reductie

%

65

40

afbraakconstante

-

1

2

reductie org stof

%

55

34

46

org stof uit

kg/d

641

800

1442

DS uit

kg/d

999

1567

2567

DS reductie

HHV CH4 LHV CH4

222 110 112

berekening reductie organische stof tijdens gisting berekening gebaseerd op Tgem

4.207 730

396 2,0

kW kW kW

9 11 2290 398 --87 87 --2483 1395 852 237 -----

%

44

21

54

32

kg CZV/kg ODS

kg/kg

2

1,4

1,7

methaanproductie

m3/d

554

205

759

methaangehalte

%

62

62

62

biogasproductie

m3/d

894

330

1224

biogas / kg ODS

m3/kg

1,1

0,8

1,0

624

271

462

kg CZV/kg ODS uit

kg/kg

biogas / kg DSin

m3/kg

1,4

Basisvariant

Voorbezinking Chemische fosfaatverwijdering preprecipitatie Actiefslibruimte Nabezinking Slindindikking (primair gravitair/secundair band) Slingisting Slibontwatering Wel deelstroombehandeling

Nummer 1 2 debiet m3/d 18320 18320 kg COD/d 9581 5330 kW HHV 1663 925 kg BOD/d 3499 1963 kg Nkj/d 879 762 kg Ntot/d 879 762 kg Ptot/d 147 15 kg ZS/d 3499 897 waarvan ODS 2799 717 AS 700 179 chemisch slib (MePO4 ) 0 0 m3 CH4/d ----kW productie ----rend gasmotor (% HHV) rend gasmotor (% LHV) kWe productie uit SOFC bij SCWG (ex eigen verbruik SCWG) czv/ODS primair slib Energieverbuik rwzi Eigen energie Netto verbruik

3 18320 916 159 55 55 183 18 92 64 27 0 -----

4 337 4361 757 1591 134 134 158 3365 2152 538 675 -----

5 114 897 156 --37 38 --910 637 273 0 -----

6 450 5258 913 --171 172 --4275 2789 811 675 -----

7 450 2322 403 --171 171 --2928 1442 811 675 -----

8 438 109 19 55 84 84 27 88 43 24 20 -----

10 --2937 510 ----------------1028 150 34,0% 37,4%


11 --109 19 --17 17 27 88 43 24 20 -----

HHV CH4 LHV CH4

198 150 48

670 541

37,1 MJ/m3 33,7 MJ/m3

450

1.663

1

2

925

voorbezinktank

3

actief slib ruimte

nabezinktank 159

19

11 5

deelstroom

4

156

757

384

8 6 7

slibontwatering

slibgisting 403

9

10

slibeindverwerking 384

p 44

WKK 150

510

925 161

2.592 450

primair

913

secundair

totaal

totaal DS in

kg/d

3552

910

chemisch slib

kg/d

576

0

576


kg/d

2976

910

3886

asgehalte DS ex

%

20

30

22

ds gehalte

%

5

6

volume

m3

60

15

75

org stof in

kg/d

2380,8

637

3017,8

minimale SLT

d

3

3

maximale reductie

%

65

40

4462

5

60

afbraakconstante

-

1

1,5

reductie org stof

%

55

34

51

org stof uit

kg/d

1065

419

1484

DS uit

kg/d

2237

692

2928

DS reductie

%

37

24

34

kg CZV/kg ODS

kg/kg

2

1,4

1,9

methaanproductie

0,061



3516 610

456 2,0

kW kW kW

9 12 2212 384 --88 88 --2840 1399 787 655 -----

m3/d

methaangehalte

%

biogasproductie

m3/d

biogas / kg ODS

m3/kg

kg CZV/kg ODS uit

kg/kg

biogas / kg DSin

m3/kg

921

107

1028

65

65

65

1417

165

1581

1,1

0,8

1,0

595

258

524

1,4

Basisvariant

AB proces Chemische P verwijdering Deelstroombehandeling

Nummer 1 2 3 debiet (m3/d) 18320 18320 18320 kg CZV/d 9581 2902 916 kW HHV 1663 504 159 kg BZV/d 3499 1064 55 kg TKN/d 879 595 55 kg TN/d 879 595 183 kg TP/d 147 105 18 kg ZS/d 3499 357 92 waarvan ------kg ODS/d 2799 286 64 kg as/d (ex chemisch) 700 71 27 chemisch (Me-fosfaat) 0 0 0 m3 CH4/d bij vergisting ------kWe productie uit gasmotor bij AD ------rend gasmotor (% HHV) rend gasmotor (% LHV) kWe productie uit SOFC bij SCWG (ex eigen verbruik SCWG)

4 286 5321 924 1950 320 320 70 2858 --2287 572 0 -----

5 99 578 100 289 24 25 12 795 --413 177 205 -----

7 385 2802 487 --------2244 --1295 758 205 -----

8 370 92 16 46 180 180 28 74 -------------

9 15 2710 470 --------2171 --1295 758 205 -----

10 --3097 538 ------------------1084 158 34,0% 37,4%


11

2859 496 516 387

kW kW kW

HHV CH4 LHV CH4

150 158 -8

%

15

BZV

%

15

ZS

%

10

37,1 MJ/m3 33,7 MJ/m3

381

1

2 A-trap

11

504

3

tussenbezinking

16

4

B-trap

nabezinking

5

924

159

100

deelstroom

8

6

16

7 slibontwatering 9 slibeindverwerking 470

p 45

487

slibgisting 10 WKK

538

158

primair

1.024

secundair

totaal

totaal DS in

kg/d

2851

795

chemisch slib

kg/d

0

205

205


kg/d

2851

590

3441

%

20

30

3646

22

ds gehalte

%

5

6

5

volume

m3

57

10

67

org stof in

kg/d

2281

413

2694

minimale SLT

d

3

3

maximale reductie

%

65

40

afbraakconstante

-

1

1,5

%

55

34

61

52

org stof uit

kg/d

1021

271

1292

DS uit

kg/d

1591

653

2244

DS reductie

%

44

18

kg CZV/kg ODS

kg/kg

2,3

1,4

2,2

methaanproductie

m3/d

1014

69

1084

methaangehalte


1.663

2.197 381

reductie org stof

oxidatie in eerste trap CZV

662 115

asgehalte DS ex

0,128

2,3

czv/ODS A-trap slib


92 16 46 36 36 28 74 -------------

512

Hulprijen N-gehalte slilb per kg ODS

Energieverbuik rwzi Eigen energie Netto verbruik

6 385 5899 1024 2239 344 345 82 3653 --2700 749 205 -----

%

38

65

65

65

biogasproductie

m3/d

1561

107

1667

biogas / kg ODS

m3/kg

1,2

0,8

1,2

kg CZV/kg ODS uit

kg/kg

biogas / kg DSin

m3/kg

684

258

619

1,4

1

3

2

voorbezinktank

actief slib ruimte

nabezinktank

11 5

deelstroom

4

8 6 7

slibontwatering

slibgisting

9

10

slibeindverwerking

1

WKK

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 in ASR of B trap effluent prim slib sec slib in gisting digestaat uit slibontw afgev slib biogas na deelstroom 18.320 18.320 179 248 427 427 416 11 --18.320 18.320 179 248 427 427 416 11 ----18.320 18.320 337 114 450 450 438 12 ----18.320 18.320 286 99 385 385 370 15 ---

Denitrificatie en respiratie in ASR 12 denitrificatierespiratie Totaal

m3/dag

Basisvariant A Basisvariant B Basisvariant C Variant AB

Influent 18.320 18.320 18.320 18.320

CZV kg/d


9.581 9.581 9.581 9.581

6.780 6.841 5.330 2.902

916 916 916 916

2.906 2.844 4.361 5.321

1.709 1.718 897 578

4.614 4.562 5.258 5.899

2.450 2.394 2.322 2.802

104 104 109 92

2.345 2.290 2.212 2.710

2.165 2.168 2.937 3.097

104 109 92

1.034 939 925 662

3.121 3.268 2.592 2.197

4.155 4.207 3.516 2.859

HHV kW


1.663 1.663 1.663 1.663

1.177 1.188 925 504

159 159 159 159

504 494 757 924

297 298 156 100

801 792 913 1.024

425 416 403 487

18 18 19 16

407 398 384 470

376 376 510 538

18 19 16

180 163 161 115

542 567 450 381

721 730 610 496

N totaal


879 879 879 879

860 804 762 595

183 183 183 183

96 89 134 320

72 72 38 25

167 161 172 345

166 160 171 ---

76 73 84 180

90 87 88 ---

---------

15 17 36

ZS balans


3.499 3.499 3.499 3.499

1.791 1.791 897 357

92 92 92 92

1.791 1.791 3.365 2.858

1.985 1.985 910 795

3.776 3.776 4.275 3.653

2.569 2.567 2.928 2.244

84 84 88 74

2.485 2.483 2.840 2.171

---------

84 88 74

ODS balans


2.799 2.799 2.799 2.799

1.433 1.433 717 286

64 64 64 64

1.433 1.433 2.152 2.287

1.212 1.218 637 413

2.645 2.651 2.789 2.700

1.437 1.442 1.442 1.295

47 47 43 ---

1.391 1.395 1.399 1.295

---------

47 43 ---

p 46

605 549 541 387

3. Energiebalans varianten

p 47

Normaal, met anaerobe vergisting en gasmotor gasmotor: rend el rend th

37,4% 47,6% 32,9% 41,9%

Met anaerobe vergisting en SOFC SOFC rend el rend th

LHV LHV HHV HHV

warmtevraag vergister temp input 15 °C temp output 30 °C indikking naar 6,0% ds Uit gasmotor vraag vergister vraag zuivering Netto opbrengst kWe kWth kWth kWe kWe kWth

A B C AB

110 110 150 158

140 140 191 201

46 46 52 44

232 222 198 150

(122) (112) (48) 8

LHV LHV HHV HHV

warmtevraag vergister temp input 15 °C temp output 30 °C indikking naar 6,0% ds Uit SOFC vraag vergister vraag zuivering Netto opbrengst kWe kWth kWth kWe kWe kWth

94 94 139 157

A = Basisvariant geen deelstroombehandeling B = Basisvariant wel deelstroombehandeling C = Basisvariant met chemische fosfaatverwijdering AB = AB-proces, met deelstroombehandeling en chemische P-verwijdering SOFC = brandstofcel

p 48

57% 40% 50% 35%

167 167 228 240

117 117 160 168

46 46 52 44

232 222 198 150

(65) (55) 30 90

71 71 108 124

bij SCWG + SOFC indikken slib naar temp slib temp water+slurry rendement SCWG el vraag pomp 300 Bar el rendement SOFC th rendement SOFC

o opbrengst groen gas

6% 15 30 100% 32 50% 35%

in SCWG gasproductie kWHHV kWHHV 43 43 49 37

uit SOFC kWel

ds °C °C HHV kW per kg/s HHV HHV, op 800°C beschikbaar

zoutslurry indamper? restwarmte SOFC bruikbaar?

ja ja

uit SOFC elvraag SCWG elvraag zuivering warmtevraag SCWG warmtevraag indamper direct te stoken gas Netto opbrengst kWth kWe kWe kWth kWth kWth kWe kWth

4.614 4.562 5.258 5.899 A B C AB

801 792 913 1.024

801 792 913 1.024

401 396 456 512

280 277 320 358

16 16 17 17

SCWG = Super Critical Water Gassification (superkritische vergassing). SOFC = brandstofcel

p 49

232 222 198 150

31 31 35 27

74 74 74 74

-

(80) (64) 43 195

175 172 210 257

p 50

4. Overzicht technieken conversie zuiveringsslib

p 51

Korte evaluatie van energietechnieken voor de omzetting van zuiveringsslib

In dit korte overzicht worden een aantal technieken beschreven en geëvalueerd die mogelijk zouden kunnen worden toegepast voor de eindverwerking van zuiveringsslib. Biologische processen wordt niet genoemd omdat hiermee nog steeds een te verwerken organische reststof achterblijft. Verbranding Bij het verbranden van biomassa wordt organisch materiaal door toevoer van een overmaat aan zuurstof volledig omgezet in CO2 en H2O. Dit wordt commercieel toegepast op een schaalgrootte tussen ca 5 kW en ca 2000 MW. Biomassa is normaliter goed brandbaar vanaf een calorische waarde van ca 9 MJ/kg, wat overeenkomt met ca 35-40% ds. Het ontwaterde zuiveringsslib zoals dat nu wordt verbrandt heeft een ds-gehalte van ca 25% en dit levert dan ook niet of nauwelijks enige energie op bij verbranding in een speciaal daartoe ontworpen slibverbrandingsinstallatie waarbij ook de vrijkomende condensatiewarmte goed wordt benut zodat het slib in ieder geval autotherm kan worden verbrand. Door rendementsverbeteringen kan er sinds kort ook enige energie worden opgewekt, in verhouding tot de aanwezige HHV is dit echter zeer beperkt. De aanwezige verontreinigingen in zuiveringsslib (met name zware metalen) maken dat er een uitgebreide rookgasreiniging nodig is om te voldoen aan de geldende emissie-eisen (BVA, Besluit Verbranding Afvalstoffen). Vanwege Economy-of-Scale effecten is het aantrekkelijk deze technologie op grote schaal uit te voeren, de behaalde besparingen van dit schaalvoordeel rechtvaardigt dan ook de hogere logistieke kosten die gepaard gaan met centrale verwerking van slib. Thermische gedroogd zuiveringsslib kan ook worden verbranden in een cementoven. Daarbij wordt de energieinhoud gebruikt als warmtebron en dragen sommige anorganische componenten (bijv Ca ) bij aan de vorming van cement. Tegelijkertijd worden de meeste probleemcomponenten vastgelegd in de cementmatrix, zodat van een hoogwaardige toepassing kan worden gesproken. Nadeel is wel dat het slib eerst dient te worden gedroogd. Een andere optie om gedroogd slib in te zetten is in poederkoolcentrales, verschillende centrales hebben hier ervaring mee. Nadeel is dat er geen afdoende reiniging aanwezig is om zware metalen (met name kwik) af te vangen zodat deze wordt geëmitteerd. Derhalve hebben verschillende centrales besloten hier toch van af te zien. Vergassing Bij vergassing van biomassa wordt door het toevoeren van een ondermaat aan zuurstof het organische deel slechts ten dele omgezet zodat een brandbaar gas resulteert. Afhankelijk van de procescondities, het vergassingsmedium, het reactorontwerp en de aard van de biomassa varieert de samenstelling van het productgas, wat hoofdzakelijk bestaat uit CO, CH4, H2 en N2. Een voordeel van vergassing ten opzichte van verbranding is dat er een geconcentreerde gasstroom is waarin zich de eventuele verontreinigingen bevinden (m.n. zware metalen). Omdat daardoor gasreinigingsinstallaties compacter kunnen worden uitgevoerd, kan ten opzicht van verbranding worden bespaard op de investeringskosten van gasreiniging. Het geproduceerde syngas kan na verwijdering van eventuele teren en eventuele opschoning worden ingezet in een gasmotor of gasturbine of voor de productie van -

waterstof (via een watergas-shift reactie) methaan of Synthetic Natural Gas (via methaniserings reactie) andere duurzame chemicaliën (waaronder transportbrandstoffen als Fischer Tropsch diesel)

Een nadeel van het vergassingsproces waarbij lucht of zuurstof wordt gebruikt in relatie tot zuiveringsslib is dat de biomassa relatief droog moet zijn (minimaal ca 85% ds.). Sinds enkele jaren wordt ontwaterd en thermisch gedroogd zuiveringsslib meevergast in de Prins Willem Alexander centrale van NUON te Buggenum. Doordat in deze centrale met zuurstof wordt vergast treden er hoge

p 52

vergassingstemperaturen op waardoor ook de zware metalen in het slib worden geïmmobiliseerd. Er wordt wel aardgas ingezet voor het thermisch drogen. Een variant op het vergassingsproces waarbij de biomassa juist niet droog hoeft te zijn is superkritische vergassing, zie hieronder. Pyrolyse Bij pyrolyse van biomassa wordt relatief droge biomassa (minder dan 10% vocht) in afwezigheid van zuurstof onder hoge temperatuur (ca 400 °C) omgezet . Er zijn twee varianten: (1) snelle pyrolyse waarbij relatief kleine deeltjes binnen enkele seconden worden omgezet naar een condenseerbaar gas welke als vloeistof kan worden afgevoerd (pyrolyse-olie) en een koolfractie, en (2) langzame pyrolyse waarbij een brandbaar gas resulteert en een koolfractie. Een voorbeeld is de Gibros Pec technologie

De benodigde warmte voor het opwarmen van de voeding wordt meestal verkregen door verbranding van de koolfractie. Als toepassingsmogelijkheid voor pyrolyse-olie wordt bijvoorbeeld hoge-druk vergassing gezien, waarbij een hoge druk syngas kan worden geproduceerd. Gezien het stadium van de pyrolysetechnologie en eventuele nageschakelde technieken en het feit dat zuiveringsslib daartoe eerst ver moet worden gedroogd, wordt deze toepassing voorlopig niet als reëel beschouwd. Verder zal ook de pyrolyseolie verontreinigd zijn met aanwezige probleemcomponenten in het slib. (Natte) torrefactie Torrefactie is het “roosteren van droge (max 10% vocht) biomassa bij 200 à 300 °C waarbij het materiaal een maalbaarheid krijgt vergelijkbaar met die van kolen en het hydrofobe eigenschappen krijgt wat opslag en transport makkelijker maakt. De calorische waarde blijft grotendeels behouden en stijgt per massa eenheid. Het kan heterogene stromen meer homogene eigenschappen geven. De technologie is klaar voor opschaling en zou bijvoorbeeld deel kunnen uitmaken van een biomassawerf die pellets voor kolencentrales maakt. Torrefactie is vooral interessant omdat het de maalbaarheid van vezelachtige biomassa verbeterd. Voor zuiveringsslib geldt dat het verbeteren van de maalbaarheid geen issue is, torrefactie is dan overbodig. Wel wordt er momenteel door ECN gewerkt aan variant waarbij ook natte biomassa kan worden ingezet, zgn. natte torrefactie. Daarbij wordt natte biomassa in vloeibaar water bij een temperatuur tussen 150°C tot 300°C getorrificeerd, de bijbehore nde druk is ca 30 Bar. Als gevolg hiervan worden opgeloste zouten opgelost in de waterfase, dit betreft met name K, Na, Cl en Br en ten dele ook P, S, Ca en Mg. Daardoor blijft een relatief schone (maar natte) biomassafractie over welke relatief eenvoudig kan worden ontwaterd tot ca 60% ds. Daardoor ontstaat een brandstof van goede kwaliteit. Onduidelijk is wat te doen met de verontreinigde waterfractie, mogelijk kan deze met het effluent worden geloosd. Ook is nu nog onduidelijk wat de kosten zijn van dit proces en in hoeverre Hg en andere zware metalen in de brandstof achterblijven . HTU HTU staat voor Hydro Thermal Upgrading. In deze technologie wordt natte biomassa (ca 15% ds) met een energetisch rendement van ca 70% onder druk (ca 180 Bar) en bij ca 300 °C omgezet in een waterfractie (welke op het riool kan worden geloosd), oliefractie (biocrude) en in een gasfractie. In tegenstelling tot pyrolyseolie is HTU crude niet mengbaar met water en kan daarom eenvoudig worden afgescheiden. De olie kan in eerste instantie worden gebruikt als secundaire brandstof in kolengestookte centrales of het kan na hydrogenering worden opgewerkt tot transportbrandstof (diesel). Bij het proces vrijkomende brandbare gassen kunnen worden gebruikt om het proces van warmte energie te voorzien. De technologieontwikkeling vindt momenteel plaats in een samenwerking tussen TNO en het Franse TOTAL. In Apeldoorn beschikte TNO tot voor kort over een pilot plant welke recent is afgebroken, verder wordt er gewerkt aan realisatie van een eerste demonstratieinstallatie in Amsterdam (met HVC). Mogelijk kan in de toekomst zuiveringsslib worden ingezet in het proces. Als een van de belangrijkste knelpunten wordt beschouwd dat de verontreinigingen welke aanwezig zijn in zuiveringsslib ook deels

p 53

in de olie terecht zullen komen, waardoor deze minder eenvoudig inzetbaar is in vervolgprocessen. HTU wordt daarom in de nabije toekomst vooral ontwikkeld voor relatief schone biomassastromen, bijvoorbeeld uit de voedingsmiddelenindustrie. Superkritische vergassing Een variant van de vergassingstechnologie waarbij biomassa nat mag zijn is superkritische vergassing (Super Critical Water Gasification of SCWG). Hierbij wordt biomassa als een natte slurry met typisch ca 85% vocht ingebracht in een reactor op een druk van ca 300 Bar. Na opwarming tot ca 450-700°C wordt in een reactietijd van enkele seconden tot enkele minuten biomassa omgezet in syngas, wat net als bij stoomvergassing door de aanwezigheid van water vooral uit H2 bestaat. Dit gas kan worden ingezet in een SOFC fuel cell of worden opgewerkt tot pure H2. Omdat het gas op hoge druk beschikbaar komt is er geen energie meer nodig voor het comprimeren van het gas, dit is een voordeel voor veel nageschakelde chemische processen. Omdat de opwerking van syngas tot H2 echter relatief kostbaar is, lijkt het voorlopig vooral aantrekkelijk om het gas rechtstreeks in te zetten voor energieopwekking. Verschillende onderzoeksinstellingen zijn momenteel betrokken bij ontwikkeling van de technologie, een eerste demonstratie-installatie voor glastuinbouwafval is momenteel in ontwikkeling door TNO. Voor zuiveringslib lijkt SCWG vooral interessant omdat onder superkritische condities de oplosbaarheid van aanwezige zouten praktisch tot nulniveau wordt gereduceerd, waardoor deze neerslaan en als geconcentreerde slurry kunnen worden afgevoerd. De ontwikkeling van de techniek is oorspronkelijk dan ook in gang gezet met mestverwerking als uitgangspunt. Verwacht wordt dat het nog enkele jaren duurt alvorens een full-scale demonstratie-installaties voor zuiveringsslib kan worden gebouwd. Een pilot op 1/100 schaal is de eerstvolgende stap. Conclusie Geconcludeerd kan worden dat er een aantal routes zijn of gaan komen om zuiveringsslib te verwerken: -

-

-

Direct verbranden zoals nu bij DRSH en SNB gebeurt. Er vindt nauwelijks energieopwekking plaats. Reststoffen worden afgezet richting zoutmijnen en fosfor wordt deels teruggewonnen. Via thermisch drogen, waarna de slibkorrels ofwel direct kunnen worden verbrand of vergast in een daartoe geschikte installatie. Deze route kan nu al worden toegepast. Nadeel is dat er een forse hoeveelheid aardgas nodig is om het materiaal te drogen. De reststoffen worden grotendeels geïmmobiliseerd (bij Buggenum en bij inzet in cementproductie) of gevangen in een goede rookgasreinigingsinstallatie (net als bij conventionele slibverbranding). Nadeel van poederkoolcentrales is dat kwik wordt geëmitteerd. Via natte torrefactie. Daarbij ontstaat een brandstof welke is ontdaan van Cl en K welke vuurzijdige problemen veroorzaken. Onduidelijk is nu nog wat de kosten zijn van dit proces en in hoeverre Hg en andere zware metalen in de brandstof achterblijven . Via superkritische vergassing. Daarbij worden anorganische componenten in een slurry afgevoerd en resulteert een schoon syngas welke inzetbaar in bijvoorbeeld een SOFC cell.

p 54

5. Overwegingen groen gas of elektriciteitsproductie op rwzi

p 55

Elektriciteit of gas? Een belangrijke vraag die beantwoord moet worden bij de bouw van een Energiefabriek is: wordt het geproduceerde biogas aan het aardgasnetwerk geleverd of wordt elektriciteit opgewekt via een gasmotor/brandstofcel? Voor de voeding van deze ‘discussie’ hieronder enkele feiten die voor de keuze bepalend kunnen zijn. Techniek Technisch zijn beide vormen goed uitvoerbaar en bewezen. Bij gaslevering vindt, vanwege de strenge normen van het aardgasnet, nog een opwerking van het biogas plaats. Met name H2S (max 5 mg/m3), CO2 (max 6 vol%), siloxanen (max 5 ppm) en water zijn vaak kritisch. Tot 150 m3/h mag levering op het lokale net (100 mbar), daarboven mag dat alleen op het regionale net van 8 bar. Elektriciteitsopwekking kan met een WKK-installatie met gasmotoren of via een brandstofcel. Energie en CO2 De referentiesituatie van 100.000 v.e. levert circa 1100 m3 methaan per dag. Daarmee kan circa 160 kW aan elektrische energie worden opgewekt, waarmee de zuivering zowel energieneutraal als klimaatneutraal kan werken. De vrijkomende restwarmte is voldoende om de zuivering van warmte te voorzien. Bij productie van groen gas uit biogas blijft er na aftrek van de benodigde energie voor gisting en de gasstripper ca 455 kWHHV aan aardgas over, vergelijkbaar met de gemiddelde aardgasbehoefte van 243 huishoudens. De elektriciteitsvraag van de zuivering (ca 150 kW) dient dan wel volledig te worden betrokken van het net, zodat er netto ca 300 kW wordt geproduceerd. Wanneer hiervoor groene elektriciteit wordt ingekocht, resulteert dit in ca 715 ton per jaar aan vermeden CO2. Bij inkoop van grijze elektriciteit echter is de netto CO2 besparing verwaarloosbaar klein t.o.v. het alternatief van een gasmotor. Dit komt omdat elektriciteit in Nederland grotendeels wordt opgewekt door het gebruik van kolengestookte elektriciteitscentrales met een beperkt conversie rendement. De vergelijking moet daarom vooral worden gemaakt op basis van de lokale behoefte aan energie: elektriciteit heeft dan veelal de voorkeur. Financiën De investeringsgrootte voor gaslevering is circa € 450.000,- tegenover €150.000,- voor levering van elektriciteit. De meerinvestering voor groen gas kan pas worden terugverdiend bij een prijs van € 0,38 per m3 groen gas. In de praktijk is deze waarde echter € 0,20 - 0,30 per m3, zodat een gasmotor ook uit financieel oogpunt momenteel de voorkeur geniet.

p 56

6 Grafieken trends energie en grondstoffen Nederland en Wereld

p 57

Ontwikkeling van energieprijzen in Nederland

Historische ontwikkeling elektriciteitsprijs in Nederland

Bron: www.energie.nl

Historische ontwikkeling aardgasprijs in Nederland

Bron: www.energie.nl

p 58

Grondstoffen

p 59

Ontwikkeling van energieprijzen in Europa

Historische ontwikkeling elektriciteitsprijs in Europa vergeleken met Nederland

Historische ontwikkeling elektriciteitsprijs in zes Europese landen

Historische ontwikkeling aardgasprijs in Europa vergeleken met Nederland

p 60

Ontwikkeling van energieprijzen in de Wereld Fossiele energieprijs wereldwijd: historische data en prognose

Primaire energievraag wereldwijd: historische data en prognose

p 61

Historische wereldenergievraag naar primaire energiedragers

Bron: ECN, BP Review of World Energy)

Wereld olie prijs: historie en prognose

p 62

7. Facts en Factsheets diverse technieken

p 63

Brandstofcel Een brandstofcel kan elektriciteit opwekken uit pure waterstof of uit stoffen met een hoog waterstofgehalte zoals syngas, methanol of benzine. In de brandstofcel wordt waterstof via een membraan gecombineerd met zuurstof. Wanneer de twee gassen met elkaar reageren ontstaan stoom van ca 600 °C en elektriciteit. Het elektrisc h rendement (50-60%) is veel hoger dan bijvoorbeeld gasmotoren (35 – 39%) omdat de omzetting van de brandstof in energie direct plaatsvindt en niet in meerdere fasen. Het thermisch rendement is daardoor ook lager: ca. 35% in plaats van 45%. De warmte/kracht verhouding van een brandstofcel past wel beter bij de energiebehoefte van een zuivering dan die van een gasmotor.

CAMBI Is een thermische hydrolyse van zuiveringsslib, voorafgaand aan gisting, om de vergistbaarheid en biogasproductie te vergroten. Na indikking tot 15-20% ds wordt het slib voorverwarmd tot 100°C. Daarna vindt in 30 minuten de thermische hydrolyse plaats bij circa 150 °C en 9 bar. Tot slot vindt via warmtewisselaars afkoeling plaats tot 35 °C voor de toevoer naar de gisting. De gistingstank kan hierdoor ca. 50% kleiner dan conventioneel en de afbraak van organische stof kan oplopen tot maximaal 60%. Bij de eindontwatering zijn resultaten tot 30-40% ds aangetoond.

De-ammonificatie / Anammox-proces Met de-ammonificatie wordt ammoniumverwijdering gerealiseerd via de nitrietroute. Dit betekent dat slechts de helft van het ammonium wordt geoxideerd tot nitriet (=50% energiebesparing) en de rest van het ammonium samen met het gevormde nitriet wordt omgezet naar stikstofgas. Dit laatste gebeurd onder anaërobe condities door de Anammox-bacterie (ANaerobic AMMonium OXidation). Bijkomend voordeel is dat het proces autotroof is en daarom géén koolstofbron behoeft.

HydroThermalUpgrading (HTU) Bij HTU wordt natte biomassa (ca 15% ds) met een energetisch rendement van ca 70% onder druk (ca 180 Bar) en bij ca 300 °C omgezet in een waterfractie (welke op het riool kan worden geloosd), oliefractie (biocrude) en in een gasfractie. De olie kan worden bijgestookt in een kolencentrale of na hydrogenering worden opgewerkt tot transportbrandstof (diesel). De techniek is echter nog niet uitontwikkeld.

Pyrolyse Bij pyrolyse van biomassa wordt relatief droge biomassa (> 90% ds) in afwezigheid van zuurstof onder hoge temperatuur (ca 400 °C) omgezet in een koolfra ctie en condenseerbaar gas welke als vloeistof (pyrolyse-olie) kan worden afgevoerd (snelle pyrolyse) of een brandbaar gas en een koolfractie (langzame pyrolyse). De benodigde warmte voor het opwarmen van de voeding wordt meestal verkregen door verbranding van de koolfractie. De techniek is nog niet uitontwikkeld. Voor zuiveringsslib zijn er eerder twee installaties gerealiseerd, in Australië (25 ton ds/dag) en Frankrijk (14 ton ds/dag) met beperkt succes.

Torrefractie is het “roosteren” van droge (> 90% ds) biomassa bij 200 à 300 °C waarbij het materiaal een maalbaarheid krijgt vergelijkbaar met die van kolen en hydrofobe eigenschappen krijgt die de opslag en het transport makkelijker maakt. De calorische waarde blijft grotendeels behouden en stijgt per massa eenheid. Het kan heterogene stromen meer homogene eigenschappen geven. Voor zuiveringsslib geldt echter dat het na droging al goed maalbaar is. Ook blijven de componenten in het slib die bij inzet in een energiecentrale problematische zijn, grotendeels aanwezig. Dit proces wordt dan ook minder geschikt geacht voor zuiveringsslib.

Verbranding Bij het verbranden van biomassa wordt organisch materiaal bij hoge temperatuur en toevoer van een p 64

overmaat aan zuurstof volledig omgezet in CO2 en H2O. Dit wordt commercieel toegepast op een schaalgrootte tussen ca 5 kW en ca 2000 MW. Biomassa is normaliter goed brandbaar vanaf een calorische waarde van circa 9 MJ/kg, wat overeenkomt met ca 35-40% ds. In de bestaande slibverbrandingsinstallaties kan door toepassing van speciale maatregelen voor warmteterugwinning ook nat slib worden verbrand met een veel lager ds gehalte. Het levert dan netto weinig energie op. Door slib voor te drogen kan een brandstof ontstaan welke bijvoorbeeld in cementovens kan worden meegestookt.

Vergassing (superkritisch) Bij vergassing van biomassa wordt onder zuurstofarme condities, bij hoge druk en temperatuur, het organische deel omgezet in een brandbaar gas dat bestaat uit CO, CH4, H2 en N2. Een variant hierop voor natte biomassa (bijv. 15% ds) is superkritische vergassing. Hierbij wordt de natte slurry ingebracht in een reactor op een druk van circa 300 Bar en 450 -700°C. Binnen een reactietijd van enkele minuten wordt de biomassa volledig omgezet in syngas, wat door de aanwezigheid van water vooral uit H2 bestaat. Dit gas kan worden ingezet in een brandstofcel voor E-opwekking of worden opgewerkt tot pure H2.

Vergisting Is een anaëroob proces bij circa 30 – 35 °C waarbij organische stof wordt omgezet in methaangas. Bij grotere zuiveringen is dit een gangbaar proces voor de verwerking van rioolslib om nog energie uit de slibstroom te halen en de drogestofvracht te reduceren. De methaanbacteriën produceren een gas dat voor circa 70% uit methaan bestaat. Dit gas wordt doorgaans in gasmotoren verbrand om elektriciteit op te wekken. De restwarmte van de motor wordt gebruikt om de gisting op temperatuur te houden.

Voorbezinking Mogelijke eerste stap in een zuiveringsproces waarbij het afvalwater door gravitaire bezinking wordt ontdaan van zwevende delen / organisch materiaal. Door hieraan chemicaliën te doseren (ijzer of aluminiumzouten en/of polyelectrolyt) kan het rendement voor CZV worden verhoogd. Uit een STOWA-onderzoek (rapport 2001-21) is gebleken dat de afscheiding van CZV op die manier kan variëren van 20 – 60% en voor stikstof van 5 – 15%. Deze CZV kan vervolgens via een biomassaconversie worden omgezet in energie.

Warmtepomp Warmtepompen nemen bij lage temperatuur warmte op die bij hoge temperatuur weer wordt afgegeven door toepassing van een compressor en turbine. De warmtepomp vraagt daarmee elektrische energie die thermische energie oplevert. De laagwaardige warmte-inhoud van bijvoorbeeld effluent (10 – 25 °C) kan daarmee worden opgewaardeerd tot warmte van circa 50 °C. In energietermen kan door de toevoer van een elektrisch vermogen van bijvoorbeeld 0,5 MW een thermisch vermogen van circa 2 MW worden geleverd. Het effluent daalt daarmee enkele graden (2 – 5 °C) in temperatuur.

Zeven / filters Een alternatief voor voorbezinking, of een aanvulling daarop, kunnen zeven en filters zijn. Met poriegroottes van 0,01 – 1 mm kan een significant deel van de aangevoerde organische stof / CZV worden afgevangen. Voor behandeling van rioolwater worden bijvoorbeeld trommelfilters al veelvuldig toegepast bij membraanbioreactoren. Met poriegroottes van 0,5 – 0,8 mm wordt daar circa 15 – 25% van de aangevoerde CZV verwijderd.

p 65

Energieweetjes Gasopbrengst 1 kg CZV: Energie-inhoud van 1 kg CZV Vermogen van 1 kg CZV/uur Energie rioolwater (gemiddeld)

= 0,35 Nm3 methaan = 0,35 m3 x 35,9 MJ/m3 = 12,6 MJ = 12600 kJ / 3600 sec = 3,5 kW = 15 W / v.e.

Soortelijke warmte van water: = 4,18 kJ/kg.K-1 Verdampingswarmte water: = 2,26 MJ/kg Energie om 500 m3/h water ∆T=5 °C op te warmen: = 4,18 x 500.000 x 5 = 10.500 MJ/h = 2,9 MWthermisch Rendement gasmotor

:

= 37,4% elektrisch = 45% thermisch

Rendement brandstofcel:

= 60% elektrisch = 35% thermisch

Energieverbruik Nederland

= 100 miljard kWh elektrisch + 50 miljard m3 aardgas

Energieverbruik huishoudens: Warmte:

Elektriciteit

= 1.600 m3 aardgas per jaar = 1,7 kWthermisch = 3.000 kWh = 0,35 kWe

Groene energie Nederland: Windmolens Zonnecellen

= 800 – 1200 kWh/jaar per m2 rotoroppervlak = 50 - 100 kWh/m2 paneel

Grijze energie Nederland: Aardgas

= 1,78 kg CO2 per m3.

Electriciteit

= 0,6 kg CO2 per kWh

p 66

Brandstofcel

Functioneren brandstofcel voor biogas

Inleiding Biogas kan worden omgezet worden in elektriciteit door gebruik te maken van een brandstofcel. Hierin wordt waterstofgas met lucht door elektrodes geleid, waardoor een chemische reactie plaats plaatsvindt waarbij water wordt gevormd en elektrische energie vrij komt. Er vindt echter geen explosieve reactie plaats zoals in een verbrandingsmotor. Het elektrisch omzettingsrendement is hoger dan van een gewone gasmoter/wkk. Vergelijking brandstofcel met gewone gasmotor/wkk brandstofcel Thermisch rendement 35% Elektrisch rendement ±50% (hoogcalorisch) ±60% (laag calorisch)

gewone gasmotor/wkk 45% ±30% (hoogcalorisch) ±35% (laagcalorisch)

Voordelen • Hoge efficiëntie • Lagere emissies (NOx) en minder lawaai • Modulair te bouwen Nadelen • Gasreiniging nodig voor deeltjes, water, ammoniak, H2S, gehalogeneerde koolwaterstoffen en vluchtige methyl siloxanen. • Kostprijs (nog) hoog.

p 67

CAMBI

Inleiding Door het gebruik van thermische hydrolyse voorafgaand aan de slib gisting, kan de biologische afbreekbaarheid van het slib in de gisting en daarmee de biogasproductie verhoogd worden. Daarnaast wordt het slib beter ontwaterbaar. Bij thermische hydrolyse processen wordt het slib gedurende een aantal minuten verhit tot 130 tot 200 °C bij hoge druk. De stappen benodigd voor een Cambi installatie: • Voorontwatering centrifuge tot 15-20% ds. • Tank 1: voorverwarming tot ±100 °C. • Tank 2 : thermische hydrolyse 30 minuten bij 150-160°C en 8-9 bar. • Voordat slib naar tank 3, druk omlaag (2 bar) en stoom voor opwarming van tank 1. • Tank 3: slibafkoeling tot ±100 °C. • In de leiding naar gisting verdere afkoeling tot 35-40°C door warmtewisselaars. Voordelen: • Gistingstank met verblijftijd rond 10-12 dagen, dus 50% kleiner dan conventioneel. • 30-50% verbetering van de afbraak van organische stof. • 10-15% extra energie (biogas) opbrengst. • Verbeterde eindontwatering, tot 30-40% ds. Nadelen • Extra energieverbruik nodig voor Cambi apparatuur. • Voorontwatering noodzakelijk, waarschijnlijk overall toename PE verbruik. • Toename ammonium concentratie in rejectiewater, waardoor meer energie benodigd voor stikstofverwijdering. • Andere samenstelling uitgegist slib, waardoor het de afzet onzeker is.

p 68

De-ammonificatie

De DEMON installatie op RWZI Apeldoorn maakt gebruik van het de-ammonificatieproces

Inleiding De-ammonificatie bestaat uit twee stappen. De eerste stap bestaat uit het oxideren van een deel van het ammonium tot nitriet door nitrificerende bacteriën. Vervolgens laat een tweede groep bacteriën, de de-ammonificerende bacteriën, ammonium en nitriet met elkaar reageren tot stikstofgas. De-ammonificatie is vooral geschikt voor de behandeling van stikstofrijke deelstromen met een ammoniumgehalte van enkele honderden mg/l tot zelfs 2.000 mg/l.

Voordelen: • Slechts de helft van de ammonium hoeft genitrificeerd te worden en dan ook nog maar tot nitriet en niet tot nitraat. Dit scheelt tientallen procenten op de energievraag voor de beluchting. • Geen koolstofbron nodig, waardoor geschikt voor afvalwaterstromen met een laag BZV/N verhouding. • De-ammonificerende bacteriën hebben een lage groeisnelheid, waardoor de kosten voor slibverwerking laag zijn. Nadelen • De-ammonificerende bacteriën hebben een relatief lage groeisnelheid, waardoor bij calamiteiten het aangroeien van de bacteriemassa wat meer tijd in beslag neemt. Bij toepassing op meerdere locaties is er echter entslib beschikbaar.

p 69

Nereda

Nereda

TM

VIKA

Inleiding Techniek waarbij aëroob korrelslib gebruikt wordt voor het zuiveren van afvalwater. Door de goede bezinkingseigenschappen van de geconcentreerde biomassa in de aërobe korrels vinden alle zuiveringsprocessen in één reactor plaats. Hierdoor is het mogelijk om het proces zeer compact te realiseren. De reactor wordt als SBR bedreven. De verwachting op basis van pilotexperimenten en berekeningen voor full-scale is dat een energiebesparing van 30% bereikt kan worden vergeleken met traditionele waterzuivering, voornamelijk vanwege de hogere waterdiepte en de voordelen voor beluchting. Afhankelijk van de mate van bezinking moet er een trommel nageschakeld worden voor fijne deeltjesverwijdering. Voordelen • Geen nabezinktank nodig. • Geen recirculatie nodig omdat nitrificatie en denitrificatie in een tank plaatsvinden. • Compact, weinig ruimtebeslag • Kostenreductie door met name uitsparing nabezinktank Nadelen • Alleen pilotonderzoek • In sommige situaties wordt verwacht dat nageschakelde trommel voor fijne deeltjesverwijdering nodig is.

p 70

Superkritisch vergassing

Inleiding Bij vergassing van biomassa wordt onder zuurstofarme condities, bij hoge druk en temperatuur, het organische deel omgezet in een brandbaar gas dat bestaat uit CO, CH4, H2 en N2. Een variant hierop voor natte biomassa (bijv. 15% ds) is superkritische vergassing (Super Critical Water Gasification of SCWG). Hierbij wordt biomassa als een natte slurry met typisch ca 85% vocht ingebracht in een reactor op een druk van ca 300 Bar. Na opwarming tot ca 450-700°C wordt in een reactietijd van enkel e seconden tot enkele minuten biomassa omgezet in syngas, wat door de aanwezigheid van water vooral uit H2 bestaat. Dit gas kan worden ingezet in een brandstofcel voor E-opwekking of worden opgewerkt tot pure H2. Omdat het gas op hoge druk beschikbaar komt is er geen energie meer nodig voor het comprimeren van het gas, dit is een voordeel voor veel nageschakelde chemische processen. Omdat de opwerking van syngas tot H2 echter relatief kostbaar is, lijkt het voorlopig vooral aantrekkelijk om het gas rechtstreeks in te zetten voor energieopwekking. Verschillende onderzoeksinstellingen zijn momenteel betrokken bij ontwikkeling van de technologie. Voor zuiveringslib lijkt SCWG vooral interessant omdat onder superkritische condities de oplosbaarheid van aanwezige zouten praktisch tot nulniveau wordt gereduceerd, waardoor deze neerslaan en als geconcentreerde slurry kunnen worden afgevoerd. Voordelen • Productie van een schone syngas die inzetbaar is in bijvoorbeeld een brandstofcel • Productie van anorganische slurry die kan worden afgevoerd • Geen slibafvoer

Nadelen • In ontwikkelingsfase

p 71

Ultrasound

Slibdesintegratie installatie op RWZI Nieuwgraaf

Inleiding Bij het toepassen van ultrasound op slib wordt gebruik van hoog frequente trillingen (20-24 kHz, ultrasoon geluid) waardoor cavitatie optreedt. Cavitatie is het ontstaan en vervolgens weer imploderen van kleine dampbellen in het slib waardoor de slibvlokken uit elkaar vallen en celwanden worden opengebroken. Door het gebruik van ultrasound voorafgaand aan de slib gisting, kan de biologische afbreekbaarheid van het slib in de gisting en daarmee de biogasproductie verhoogd worden. Daarnaast wordt het slib beter ontwaterbaar. In Nederland is deze techniek op minstens 3 rwzi’s toegepast en onderzocht. De resultaten laten geen significante verbetering zien (0-5% meer organische stofafbraak). De hypothese is dat de reden een te lage energie invoer is geweest. Mogelijk wel licht verbeterde ontwatering. Voordelen: • Verblijftijd gistingstank kan korter voor gelijkblijvende afbraak. • 15-25% verbetering van de afbraak van organische stof. • 15-25% extra energie (biogas) opbrengst. • Verbeterde eindontwatering met enkele procentpunten ds. • Minder schuimvorming Nadelen • Extra energieverbruik nodig voor ultrasound apparatuur. • Toename ammonium concentratie in rejectiewater, waardoor meer energie benodigd voor stikstofverwijdering.

p 72

Warmte uit effluent

Warmtepomp op RWZI Apeldoorn

Inleiding Rioolwaterzuiveringen hebben veel laagwaardige restwarmte in de vorm van het nog vrij warme effluent (10 – 25 °C). Voor de slibvergisting en voor verwarming van gebouwen heeft men ook laagwaardige warmte nodig. Door toepassing van een warmtepomp die de laagwaardige warmte-inhoud van effluent opwaardeert tot een stroom van circa 50 °C, kan een rioolwaterzuivering in de eigen warmtebehoefte voorzien en eventueel ook warmte aan derden leveren. Door gebruik van een warmtepomp voor het eigen proces wordt het mogelijk om de hoogwaardige energie in de vorm van biogas elders meer optimaal in te zetten. C. Voordelen • Minder aardgas nodig voor verwarming • Minder warm water op oppervlaktewater Nadelen • Afzetmogelijkheden voor de warmte nodig • Elektriciteit nodig

p 73

Werkrapport De Energiefabriek

Recommend Documents