Pocketvergisting: Mestvergisting op boerderijschaal

Mestverwerking in Vlaanderen is in een razendsnel tempo geëvolueerd. De Vlaamse mestverwerkingspioniers hebben in een korte tijd tientallen technieken ingezet, uitgetest en opgeschaald of weer afgebroken. Slechts enkele technieken zijn waardig genoeg bevonden om de mestverwerkingsplicht efficiënt aan te pakken. De intensieve veehouderij had nood aan technieken die een grote capaciteit aankunnen en snel operationeel konden zijn. Want het aanpakken van het mestprobleem was prioritair.

Voor dunne fractie is de biologie (nitrificatie/denitrificatie) de meest gebruikte techniek geworden, en voor dikke fracties het biothermisch drogen en exporteren. Deze technieken waren essentieel om de mestafzet voor intensieve veehouders te blijven garanderen. Ook de komende jaren zullen meer van deze installaties een belangrijk deel van de toenemende mestdruk moeten reduceren. Toch komt er stilaan een tijdperk waarbij we deze technieken in vraag zullen stellen en toetsen aan de toekomstige behoeften. Want de technieken die nu operationeel zijn hebben niet de grootste investeringskost, maar vormen voor de veehouder toch een zeer dure mestafzet omdat geen enkel van de nevenproducten goed valoriseerbaar is. Een tweedegeneratiemestverwerking waarbij nutriënten en energie gerecupereerd worden, moeten voor de mestverwerking een beter saldo opleveren. Het afbreken van organisch materiaal en het omzetten van nitraat in luchtstikstof zoals nu gebeurt in de biologiën is onmogelijk valoriseerbaar. Zelfs de biomassa in gedroogde dikke fractie blijkt moeilijk te valoriseren als bodemverbeteraar in het buitenland.

Energie daarentegen is wel goed valoriseerbaar. De energie wordt steeds duurder, landbouwbedrijven beseffen dat ze hun energiebehoefte zullen moeten inkrimpen. Dat kan door energie te besparen en energie te recuperen. De zoektocht naar bedrijfseigen energievoorziening en het besef dat energie uit mest op elk veeteeltbedrijf aanwezig is, leidt tot een verhoogde belangstelling voor mestvergisting.

Het vergisten van mest is echter geen techniek die een oplossing biedt voor het mestprobleem. De nutriënten aanwezig in de mest nemen niet deel aan de vergistingsreactie en blijven dus aanwezig in het digestaat dat uit de reactor komt. Het is zelfs zo dat door het afbreken van de organische stof, de organisch gebonden stikstof en fosfor vrijkomen en dat de werkzaamheid van het digestaat als meststof dus verhoogt. Voor de toepassing op teelten is er dus meer snel opneembare stikstof en ook de benutbaarheid van fosfaat verhoogt voor de planten. Wat de organische stof betreft is het vooral de snel afbreekbare organische stof zoals bijvoorbeeld de onverteerde suikers, zetmeel, vetten en microbieel eiwit die omgezet worden tot biogas, de ruwe celstof (vezels, lignine) wordt amper afgebroken. En ook in de bodem is het de traag afbreekbare koolstof die voor de bodemverbeterende structuur zorgt. In tegenstelling tot wat dikwijls beweerd wordt, werkt digestaat dus toch voor een belangrijk deel bodemverbeterend.

Het vergisten van biomassa start met het inbrengen van het vers materiaal in een reactor. Deze reactor is meestal een betonnen tank maar kan ook een metalen of kunststof silo of zak zijn. De reactor moet perfect luchtdicht afgewerkt zijn. Methaanvormende bacteriën zetten de organische stof om in hoofdzakelijk CO₂ en methaan (CH₄). Dit gasvormig mengsel is biogas. Een continue vergisting betekent dat er constant vers materiaal in de reactor ingebracht wordt en dat er vergist materiaal afgevoerd wordt. Zo blijft het vloeistofniveau op peil. Bovenaan de vergister moet het gevormde biogas vanaf een lichte overdruk afgevoerd worden. Biogas kan verbrand worden in elk gasverwarmingssysteem maar momenteel is het beter is om het via een gasmotor of micro-gasturbine gekoppeld aan een generator om te zetten in elektriciteit en warmte (warmte-krachtkoppeling of WKK). Op die manier ontvangt de exploitant groene stroom en WKK-certificaten. Wat momenteel het enige steunmechanisme is in Vlaanderen. Belangrijk voor een goede vergisting is dat de verse biomassa goed vermengd wordt met de aanwezige bacteriëncultuur en dat het geheel op temperatuur blijft. Dat kan door een roerwerk en verwarmingsbuizen in de tank te plaatsen ofwel met een pompsysteem waarbij de ingaande stroom samen met een retour wordt voorverwarmd met warmte uit de WKK.

Naar een aangepaste stallenbouw

De klassieke bouwconcepten met een roostervloer en een diepe mestkelder passen steeds minder bij een toekomstgerichte veehouderij. De zuurstofarme omgeving in de kelder zorgt voor methaan- en ammoniakemissies. De ammoniakemissie moet meestal nog opgevangen worden met een luchtwasser die naast zuur en water ook nog energie verbruikt. En de energiewaarde van de mest daalt. Energie wordt dus best gerecupereerd  uit zo vers mogelijke mest. Nieuwe stalconcepten dienen de mest dagelijks uit de stal te verwijderen om de vergister te voeden. Indien er geen roostervloeren aanwezig zijn, kan een kelder onder de stal wel dienst doen als digestaatopslag. Maar een aparte digestaatopslag in silo of mestzak bovengronds kan meestal een stuk goedkoper.

Nog meer innovatieve stalconcepten zorgen voor een fysische scheiding tussen mest en urine, wat ook de ammoniakemissie sterk aanpakt. Bovendien concentreert de organische stof zich volledig in de mestfractie en niet in de urinefractie. De besparing ten gevolge van het kleiner benodigde reactorvolume moet wel opwegen tegen de complexere feed-in behoefte van de niet-verpompbare dikke mest. Ook de valorisatie of verwerkingsmogelijkheid van de urinefractie moet in rekening gebracht worden. Aan de andere kant vormt een dikker digestaat meer opportuniteit om verder te drogen of te composteren.

Vergistbare landbouwstromen

Wie sprokkelt naar vergistbare stromen op een landbouwbedrijf denkt al snel aan energiegewassen. Energiemais of gewone voedermais levert vele malen meer gas op dan mest. Maar ook gras, bieten, aardappelen enz. zijn stromen met een aanzienlijke gasopbrengst die het rendement van een vergister gevoelig kunnen verbeteren. De VEM-waarde van een voedergewas kun je ruwweg als evenredig met de gasopbrengst beschouwen. Maar zonder het Food vs. Fuel-debat te willen openen kunnen we stellen dat het op een veeteeltbedrijf niet de bedoeling is om voerdergewassen te vergisten. Voeder mengen met mest is voor de veeteler een ware huivering. Toch zijn er stromen aanwezig die ooit voeder waren maar die niet meer bruikbaar zijn omdat ze bedorven, gecontamineerd, of van weinig waarde zijn. Voeders die economisch niet meer interessant zijn om te vervoederen zijn dat soms wel nog om te vergisten. Hetzelfde geldt voor restvoer, een late najaarsnede gras, of het gras dat overblijft na begrazing. Echter, met al deze stromen alsook met energiegewassen kun je afhankelijk van de structuur en het DS-gehalte van de biomassa heel wat moeilijkheden hebben om het verstoppings-vrij in de reactor te krijgen. Ook in de reactor kunnen drogere en vastere deeltjes een drijflaag vormen die het hele proces verstoren. Een meng-kuip met verticale vijzels zoals de mengvoerwagens op rundveebedrijven kunnen de structuurrijke stromen versnijden en homogeniseren maar zijn erg duur. Het gebruik van de aanwezige mengvoerwagen is niet aangeraden omdat je er ook dagelijks proper voeder mee wil bewerken.

In het project Graskracht (www.graskracht.be) waar Biogas-e vzw partner van is, wordt gedurende twee jaar onderzocht en getest wat de valorisatie van maaisels uit wegbermen en natuurgebieden via vergisting kan betekenen en wat de knelpunten zijn op technisch en wetgevend vlak.

Volledig los van het type vergister en de stromen die je wenst te gebruiken is ook de keuze van conversietechniek een wikken en wegen. Een gasmotor heeft een hoog elektrisch rendement (meer dan 35%), maar de cilinders zijn gevoelig voor corrosie en omdat biogas nog zwavel (H₂S) bevat is ontzwaveling nodig. Voor een motor die het jaar rond staat te draaien kan de onderhoudskost (olie en filters) flink oplopen. Een micro-gasturbine heeft een lager rendement (28%) maar door dat de turbine minder bewegende delen heeft is de onderhoudskost  beduidend lager.

En wie de “keep it simple”-tactiek voor vergisting wil doortrekken neemt ook de Stirlingmotor zeker in overweging, het rendement is laag (24%) maar doordat het biogas extern verbrand wordt is er geen ontzwaveling nodig. Een Stirling is geluidsarm en vraagt amper onderhoud, maar is wel duurder in aankoop.

Waar grote biogasprojecten bij hun aanvraag nogal stuiten op de reactie van omwonenden, lijken de bedrijfsgebonden pocketvergisters op een beter maatschappelijk draagvlak steun te vinden. Een kleine mestvergister kan als opslag voor dierlijke mest vergund worden in combinatie met rubriek 16.1.b: een installatie voor de productie of omzetting van gassen van 1 Nm³/uur tot 10 Nm³/uur. Aangezien dit klasse 3 is, volstaat een melding met betrekking tot wijziging van de bestaande milieuvergunning klasse 1 of 2 van het landbouwbedrijf. Met 10 Nm³ biogas per uur kun je een motor met een elektrisch vermogen van ongeveer 20 kWe aandrijven. Voor grotere pocketvergisters is er nog geen specifieke rubriek gedeclareerd. De rubriek 2.2.3.e omvat alle vergistings activiteiten maar is klasse 1, waarbij een milieucoördinator B moeten worden aangesteld en verschillende audits moeten gebeuren. Om toch buiten klasse 1 te blijven wordt momenteel nog onderzocht of er een mogelijkheid is binnen rubriek 9 voor plaatselijk geproduceerde mest en groenafval. Samen met andere partners wil Biogas-e er aan werken om een duidelijk wetgevend kader rond pocketvergisting te bekomen.

Voor verplaatsbare constructies moet je geen bouwvergunning aanvragen. Een ingegraven mestzak of betonnen reactor van beperkte omvang wordt normaal ook vlot vergund.

Rendabiliteit

Omdat een vergistingsinstallatie op zoveel verschillende manieren kan gebouwd worden is het moeilijk om een algemene indruk te geven van de rendabiliteit. Ook de gebruikte stromen hebben een grote invloed. Een mestvergister moet een tamelijk grote reactor hebben ten opzichte van een kleine stroomgroep. Stel dat we dikke fractie gaan vergisten, in combinatie met energiegewassen, gewasresten enz. dan mag de reactor kleiner zijn of de stroomgroep groter.  Ruw benaderd hebben vergisters van 10 tot 60 kW een investeringskost van 6 tot 10 000 € per kWe (geïnstalleerd elektrisch vermogen). Niet alleen de capaciteit en grootte van het geïnstalleerde vermogen maar ook de gebruikte technieken van ‘hightech’ tot ‘simpel en goed’ spelen daarbij mee. Een bijhorende onderhoudskost kan daarbij variëren van 200 tot 600 € per kWe per jaar. Waarbij het niet altijd de duurste investering is die een lage onderhoudskost heeft. De onderhoudskost varieert dus van 2 tot meer dan 10% van de investering per jaar. Zonnepanelen kun je leggen voor minder dan 5000€ per kilowattpiek maar de elektriciteit wordt opgewekt in pieken en als je omgerekend 1000 vollasturen per jaar hebt mag je al tevreden zijn in Vlaanderen. Kleine windmolens hebben ongeveer dezelfde kost per kWe maar halen tot 2000 vollasturen in windrijk gebied. En de onderhoudskost bedraagt slechts 1 à 2 % van de investering. Van de 8600 uren die er zijn in een jaar kun je met een biogasinstallatie gemakkelijk 8000 uren op vollast draaien. Je haalt dus meer elektriciteit uit je investering. En naast de elektriciteit produceer je ook warmte. Vergeet niet dat naast de duurdere onderhoudskost er heel wat opvolging, controle en administratie moet gebeuren bij vergisting. De chemische parameters van het proces moeten opgevolgd worden door het nemen en analyseren van stalen. Er zijn ook heel wat meer onderdelen die kunnen falen. Een goede routinematige inspectieronde op alle pompen, motoren, sturingskasten e.a. is van groot belang.

Doordat er niet in pieken geproduceerd wordt vormt een bio-WKK geen belasting op het elektriciteitsnet. Goed geklimatiseerde varkensstallen en melkveestallen die met robots melken hebben ook een tamelijk constant elektriciteitsverbruik, 24 op 24, waardoor er weinig elektriciteit op en af het net moet. Wie minder dan 10 kW op het net injecteert, mag aansluiten met een terugdraaiende teller. Daardoor kan alle geproduceerde elektriciteit gevaloriseerd worden aan de aankoopprijs. Als je meer elektriciteit wil produceren moet je naar een systeem met een aparte teller en zul je alles wat je niet ogenblikkelijk verbruikt op het net zetten aan ongeveer 5 cent per kWh (grijze stroom). In beide gevallen krijg je door het verkopen van je groenestroomcertificaten nog ongeveer 10 cent per kWh er bovenop. En voor het nuttig gebruiken van de warmte krijg je nog warmtekrachtcertificaten. Rekenen we alleen met de grijze en de groene stroom, aan 8000 vollasturen per jaar dan heb je al 1200€ inkomsten per kWe geïnstalleerd vermogen per jaar, plus gratis warmte. De vergister verbruikt hoogstens tot 40% van de warmte. De rest van de warmte nuttig gebruiken brengt je gemakkelijk 300€ per kWe per jaar op. In de zomer is er weinig warmtebehoefte op een veeteeltbedrijf. Een melkveebedrijf met zuivelverwerking heeft bijvoorbeeld wel een beter gespreide warmtevraag. Dit soort warmtebron in combinatie met bijvoorbeeld stallucht biedt ook een mooie opportuniteit voor het drogen van mest of digestaat op kleine schaal.

Eén ton mest levert
12€ elektriciteit en 4 liter mazout.

Voor verse rundvee- en varkensdrijfmest mag je maximaal 30-35 Nm³ biogas per ton verwachten. Een vergister met een capaciteit van 4000 ton mest per jaar, heeft in ideale omstandigheden 30kW elektrisch vermogen nodig, rekening houdend met een goeie reserve wordt er een motor van 40kW en een gecoate metalen tank van 160m³ geplaatst die een verblijftijd van 14 dagen moet garanderen. Met een investering van 320.000€ en een onderhoudskost van 12.000€ per jaar wordt er met een gasmotor-WKK 252.000 kWh elektrisch en ongeveer 324.000 kWh thermisch geproduceerd. Als er slechts 20% aan het net geleverd wordt, brengt de groene, grijze en bespaarde stroom 48.384 € per jaar op, dat is ongeveer 12 € per ton mest. Aangenomen dat de helft van de geproduceerde warmte effectief benut kan worden buiten de vergister, levert dat voor 5022 € warmtekrachtcertificaten op. De vermeden brandstofkosten zijn equivalent met 16200 l stookolie of 8100 euro per jaar.  Dat is 4 l per ton mest. Als er dan voor de arbeid en administratie 5000€ per jaar gerekend wordt, is er een terugbetaalcapaciteit van 44 506€. Afhankelijk van de financiering en mogelijke ondersteuningsvormen wordt deze installatie terugverdient op 8 à 10 jaar. Meer details over deze berekening kunt u afleiden uit onze mini-rekentool beschikbaar onder publicaties en als bijlage aan dit artikel.