Eindproducten

Valorisatieschema van de anaerobe fermentatie

Biogas

Biogas bestaat hoofdzakelijk uit methaan, maar bevat daarnaast ook andere componenten (zie Tabel) die in sommige gevallen schadelijk kunnen zijn in het valorisatieproces (verbranding, etc.) en daarom dienen verwijderd te worden. Rechtstreeks gebruik van biogas in een verbrandingsmotor kan dus zorgen voor een versnelde slijtage indien sommige stoffen in te grote hoeveelheden aanwezig zijn.

Component

Hoeveelheid

Effect(en)

CH4

45 – 85 Vol%

Energiedragende molecule

CO2

25 – 50 Vol%

Verlaagt de calorische waarde

Verhoogt het methaangetal

Bij nat gas kan er waterstofcarbonaat ontstaan dat corrosie veroorzaakt.

H2S

0 – 2 Vol%

Veroorzaakt corrosie

Beschadigt de motor intern

SO2

< 0,1 Vol%

Verontreinigende emissie

N2O

0 – 5 Vol%

Verlaagt de klopvastheid

Waterdamp

1 – 5 Vol%

Veroorzaakt corrosie

Gevaarlijk bij vriesweer

O2

0 – 2 Vol%

Explosief

N2

0 – 2 Vol%

Inert

siloxanen

0 – 50 mg/m³

Abrasief, afzettingen van SiO2

stofdeeltjes

 

Veroorzaakt verstoppingen

(Naar Deublein en Steinhauser, 2008)

Energie uit biogas

Per kg anaëroob afbreekbare organische stof kan gemiddeld ongeveer 500 liter biogas geproduceerd worden. Biogas bestaat hoofdzakelijk uit koolstofdioxide (CO2) en methaangas (CH4). Gemiddeld bedraagt het percentage methaan zo'n 65 vol%. Afhankelijk van de voeding en de procesvoering kan deze waarde variëren van 45 tot 85 vol%. Koolstofdioxide is niet brandbaar, het gas draagt dus niet bij tot de verbrandingswarmte van het biogas. De verbrandingswarmte van het biogas hangt dus voor het grootste deel af van het methaangehalte.

Methaan heeft een calorische waarde van 35,8 MJ/Nm³. Gemiddeld wordt er voor biogas zo'n 23,4 MJ/Nm³ gerekend. Ter vergelijking heeft aardgas een verbrandingswaarde van 30 MJ/Nm³, stookolie 42 MJ/kg en propaangas 45 MJ/Nm³.

De meest gangbare praktijk om energie uit biogas te halen is door het te verbranden in een gasmotor of gasturbine met een generator en met warmtekrachtkoppeling. Dit is een zogenaamd cogeneratiesysteem waarbij een motor of turbine mechanische energie omzet naar elektriciteit, en de koelwarmte wordt benut in externe toepassingen. Naast de klassieke WKK bestaan nog de microgasturbine, de stirlingmotor, alsook brandstofcellen. Deze laatste zijn technologisch de meest uitdagende en de techniek is in de praktijk nog niet doorgebroken. De laag calorische warmte komt voor onder de vorm van opgewarmd koelwater van de motor. De hoog calorische warmte wordt teruggewonnen uit de uitlaatgassen van de motor. Naargelang het concept is een deel van de warmte en de elektriciteit benodigd voor het vergistingsproces zelf. Hoe ingewikkelder het proces (scheiden, drogen, indampen,...), hoe meer energie ervoor nodig is. Eenvoudige processen benutten maximaal een 10-15% van de eigen elektriciteitsproductie. Voor de digestaatbehandeling wordt ook vaak gekozen voor drogen en/of indampen, waarbij het grootste deel van de warmte wordt gebruikt, of waarbij de geproduceerde warmte van de WKK zelfs ontoereikend is.

Daarnaast bestaan ook mogelijkheden om het gas te valoriseren als aardgas van hernieuwbare oorsprong. Hiervoor moet de fractie CO2 die aanwezig is in het biogas worden verwijderd om het gas hoogcalorischer te maken. Het bio-aardgas of biomethaan kan dan worden geïnjecteerd op het aardgasnet, of het kan worden gecomprimeerd bij een druk van 200 à 250 bar tot bio-CNG (compressed natural gas) of nog beter benoemd CBG (compressed biogas) alsnog CBM (compressed biomethane). CNG is een transportbrandstof met zeer lage emissies, zowel naar de uitstoot van broeikasgassen, fijn stof, roet en verzurende componenten (NOX en SOX). De motortechnologie bestaat reeds voor CNG van fossiele oorsprong (elke motor kan worden omgebouwd naar een CNG-motor), en leidt tot een stabielere en stillere verbranding.

Digestaat

Digestaat is het vloeibare eindproduct van het anaerobe vergistingsproces en bevat typisch een droge stofinhoud van 6 à 10%. Digestaat is een stabiele vorm van zeer traag of onafbreekbaar organisch materiaal, aangerijkt met de nutriënten die vrijgesteld werden uit de biomassa tijdens het vergistingsproces. Afhankelijk van de gebruikte substraten kan de samenstelling van digestaat vrij sterk verschillen. Veel nutriënten en elementen die in het substraat zitten blijven ook achter in het digestaat. Enkele typische waarden voor nutriënten in digestaat en de dunne fractie van digestaat worden weergegeven in de Tabel. Er valt vooral op dat digestaat een hogere C/N verhouding heeft dan dierlijke mest, en een relatief lager stikstofgehalte. Wel is de fractie werkzame stikstof (door de plant opneembare stikstof) groter voor digestaat dan voor mest.

Meststof

N/P/K

C/N

N-werking

Dierlijke mest

3.5/1/1.5

4.9

60%

Digestaat

2.8/1/1.6

11

81%

Dunne fractie digestaat

13/1/11

2.2

77%

Nutriëntverhoudingen, koolstof/stikstof-verhouding en werkzame stikstofgehalten van digestaat en zijn dunne fractie vergeleken met dierlijke mest (Vaneeckhaute et al. 2011).

 

Omdat, door de mineralisatie van de afbreekbare organische fractie tijdens het vergistingsproces, nutriënten aanwezig in digestaat goed beschikbaar zijn voor opname door planten, is digestaat vooral een efficiënte meststof. Door de mineralisatie van organische verbindingen en geurcomponenten tijdens de vergisting vermindert ook de geurhinder in vergelijking met dierlijke mest.

In 2011 werd in Vlaanderen ongeveer 166 000 ton digestaat afkomstig van mest(co)vergisting verwerkt, terwijl slechts 13 500 ton digestaat afkomstig van vergisting van andere bronnen werd verwerkt (VCM enquête). Het rapport best beschikbare technieken voor mest(co)vergistingsinstallatie heeft een uitgebreide opsomming van de beschikbare en gebruikte technieken. De Figuur vat schematisch de mogelijke verwerkingsprocessen van digestaat samen.

digestaatverwerking

Schema van de digestaatverwerking

Nabehandeling van digestaten

Dikwijls worden digestaten in hun natte vorm op het land gebruikt als meststof-bodemverbeteraar. Dit levert telkens een eenvoudig, robuust en goedkoop proces op. In sommige gevallen worden digestaten echter nog nabehandeld en op die manier omgezet tot andere producten.

Een eerste stap is meestal het scheiden van het digestaat in een dikke en een dunne fractie. Dit gebeurt dan bvb. met een centrifuge of een vijzelpers. Veelal moet voor een betere ontwatering van het digestaat gebruikt gemaakt worden van dure chemicaliën (polyelectrolieten of polymeren). De nutriënten verdelen zich niet gelijk over beide fracties na scheiding: de fosfaten gaan voor het grootste deel naar de dikke fractie en de stikstof en kalium zijn grotendeels terug te vinden in de dunne fractie. Afhankelijk van de stromen die vergist worden en het vergistingsproces zelf zal de ontwaterbaarheid van het digestaat makkelijker of moeilijker verlopen. Vezelrijk materiaal kan de ontwaterbaarheid sterk verhogen.

Dikke fractie

De dikke fractie is in grote mate vergelijkbaar met compost: het bevat nog een fractie stabiele organische stof en nutriënten in neergeslagen of organisch gebonden vorm. Voor de verdere verwerking van de dikke fractie van het digestaat bestaan dan verschillende mogelijkheden:

  • Een andere mogelijkheid is dat de dikke fractie van het digestaat gedroogd wordt en eventueel geperst wordt tot een mestkorrel. De kostprijs voor dit energieverslindend proces dient bekeken te worden en ingecalculeerd te worden in de totale verwerkingsprijs die de vergistingsinstallatie hanteert.
  • Dikke fractie kan ook ingedroogd worden tot een mestkorrel. In de huidige situatie wordt het biogas bij alle installaties gebruikt in een WKK, waarbij warmte en elektriciteit ontstaat. De warmte van de WKK kan gebruikt worden voor dit indroogproces.
  • Een derde mogelijkheid is het nacomposteren van de dikke fractie, waarbij een waardevolle compost ontstaat. Bij het composteren is veel warmte nodig, en vraagt de luchtbehandeling heel wat elektrische energie. Verder dient doorgaans structuurmateriaal toegevoegd te worden.
  • Een tussenvorm tussen nacomposteren en indrogen is het biothermisch drogen. Hierbij is er minder energie nodig voor het drogen en zuiveren van de lucht t.o.v. compost, maar is het eindproduct wel een compost-digestaat (compostaat).

Dunne fractie

Voor de dunne fractie die men bekomt na scheiding van het digestaat bestaan heel wat mogelijkheden en technologieën. Doorgaans wordt een combinatie van diverse technologieën toegepast:

  • Aërobe waterzuivering: Daarbij moet opgemerkt worden dat de dunne fractie doorgaans zwaar beladen zal zijn met stikstof. Aangepaste technologieën zijn dan ook noodzakelijk. Verder bevat het effluent van een aërobe waterzuivering ook nog heel moeilijk afbreekbaar materiaal (humus- en fulvinezuren) dat niet geloosd mag worden.
  • Nutriëntenrecuperatie Stikstof en fosfaat worden gerecupereerd uit de dunne fractie. Deze technologieën kunnen, mits de nodige aanpassingen, mogelijks ook op digestaat worden toegepast. Een tweetal voorbeelden zijn:
    • Productie van ammoniumsulfaat: Gas of lucht wordt door de dunne fractie geblazen, waarbij ammoniak (NH3) in de gasfase terecht komt. Dit gas moet verder gezuiverd worden, waarbij doorgaans gebruik gemaakt wordt van een zure luchtwasser met zwavelzuur om ammoniumsulfaat te produceren.
    • Struvietproductie: Door toevoegen van MgO of Mg(OH)2 (of een andere vorm van Mg) kan struviet ontstaan. Struviet is MgNH4PO4 of MgKPO4. Op deze manier wordt fosfaat (PO4) verwijderd uit de dunne fractie met als eindproduct een magnesium-fosfaat- of magnesium-stikstof-fosfaat-meststof
  • Membraanfiltraties: Heel wat types membranen en filters kunnen gebruikt worden. Afhankelijk van het gebruikte membraan, krijgen we hier in mindere of meerdere mate een 'zuiver' effluent en een concentraat dat verder moet behandeld of afgevoerd worden. Er wordt onderscheid gemaakt op basis van poriegrootte en werkdruk tussen:
  • Microfiltratie (0,1 - 5 µm en 0,1 - 3 bar)
  • Ultrafiltratie (20 nm - 0,1 µm en 2 - 10 bar)
  • Nanofiltratie (< 1 nm en 5 - 30 bar)
  • Omgekeerde osmose (0,1 - 1 nm en 10 -100 bar)
  • Indampen: na indamping van de dunne fractie blijven dan alleen minerale residu's over. Hiervoor kan de warmte van de WKK gebruikt worden.
  • Uitrijden: de dunne fractie kan ook uitgereden worden als meststof. De in de dunne fractie aanwezige stikstof en fosfor moet in de nutriëntenbalans meegerekend worden met betrekking tot het mestdecreet. Als er mest wordt toegevoegd aan de vergister, dient alle nutriënten in het digestaat als dierlijke nutriënten te worden beschouwd.

Eindverwerking

Wanneer niet gestreefd wordt naar afzetbare producten in de landbouw kan ook naar een totaalverwerking van het digestaat of de eindproducten gegaan worden. Dit kan dan vergassing, verbranding of pyrolyse zijn.

De mate waarin en hoe het digestaat zal behandeld worden hangt van vele factoren af:

  • Ten eerste kan het zijn dat geen afzetmarkt voorhanden is voor de vorm waarin het eindproduct zich op dat moment bevindt. Dan moet noodgedwongen nog een verdere nabehandeling gebeuren.
  • Een andere factor is de totale kostprijs om het inputmateriaal via vergisting en nabehandeling naar een afzetbaar materiaal om te zetten. Een digestaatbehandeling is op dit moment een sterke kostenverhogende factor zijn, waardoor de verwerkingsprijs onhaalbaar kan zijn. De keuze van de juiste technologie is dan ook van groot belang.
  • Een heel belangrijke factor is de regelgeving en subsidieregeling die in grote mate bepaalt welke technologieën worden gekozen.

Biomethaan

Groen gas of biomethaan is de benaming voor biogas die een aantal processtappen heeft ondergaan waarbij het gas gezuiverd werd. Dit zodat de vertontreinigende stoffen uit het gas zijn gehaald en dat het methaangehalte sterk stijgt tot boven de 90%. Biomethaan heeft meer mogelijkheden in gebruik dan biogas. Zo kan er op het aardgasnet worden geïnjecteerd of kan het gezuiverde biogas in CNG-motoren (compressed natural gas) gebruikt worden. Ook kan het biomethaan onder vloeibare vorm gebracht worden waardoor een aanzienlijke verhoging van de energiedensiteit bewerkstelligd wordt.

Voor het innovatieve gebruk van biomethaan wordt verwezen naar het deel kennis en innovatie.