Gasframleiðsla – Svínagas á Vatnsleysuströnd

Sigurður Kristinn Jóhannesson, sem útskrifaðist úr vél- og orkutæknifræði frá Háskólanum í Reykjavík í síðasta mánuði, skilaði þar athyglisverðu verk­efni. Lýtur það að því hvernig hægt sé að framleiða gas, rafmagn og hitaorku ásamt lífrænan áburð úr svínaskít í svínabúi á Vatnsleysuströnd. Sigurður hefur einnig verið í meistaranámi í Danmörku að undanförnu.

Ólíkt flestum svínabúum á Íslandi er Svínabú Ali á Vatnsleysuströnd ótengt við hitaveitu og treystir alfarið á rafmagn til kyndingar svínabýlisins. Hliðarafurð í svínaeldinu sem fellur til í stórum stíl er lífrænn úrgangur.

Lífrænn úrgangur eða lífmassi er samheiti yfir hin ýmsu lífrænu efni s.s. matarleifar, gras, skólp, fiskiúrgangur, sláturúrgangur, saur, þörungar, plöntur o.s.frv. Umræddan úrgang er hægt að vinna frekar og umbreyta í lífgas sem myndast við loftfirrt niðurbrot á lífrænum efnum og efnaskiptum baktería. Metangas er megin uppistöðuefni í lífgasi og er orkurík gastegund.

Í lokaritgerð til fullnaðar BSc-gráðu í vél- og orkutæknifræði var leitast við að svara eftirfarandi spurningu, hvort uppsetning á minni háttar orkuveri á lóð svínabýlisins til framleiðslu á lífgasi væri hagkvæm. Áhugasamir geta nálgast lokaritgerðina í heild sinni inn á vefsíðu Skemmunnar.

Rannsóknir sýna að framleiðsla á lífgasi sé umhverfisvæn og brennsla á lífgasi dregur úr gróðurhúsaáhrifum. Lífgas má nýta á margvíslegan hátt en í tilfelli svínabýlisins var lagt upp með að hagnýta lífgasið til upphitunar á svínabýlinu og neysluvatni.

Í grunninn er framleiðsla á metangasi með sams konar beinagrind víðast hvar í heiminum og gekk því verkefnið út á að nýta þekkingu og reynslu erlendis frá og yfirfæra á krefjandi íslenskar kringumstæður. Hönnunin tók því mið af íslenskum aðstæðun sem og að aðlaga mannvirki og aðra innviði að framleiðslu  svínabýlisins. Framleiðsluferlið sem passar best við það umhverfi og aðstæður sem metanorkuverið á að starfa í er millihitaþolið framleiðsluferli. Hentugast er að aðlaga millihitaþolið framleiðsluferli að staðarháttum og því verður það fyrir valinu sem framleiðsluferli. Sú framleiðsluaðferð er einfaldari og krefst minna magns af orku til upphitunar heldur en með hitaþolnum bakteríum. Kjörhitastig fyrir millihitaþolnar bakteríur er 36–38 gráður og þá er viðbúinn viðverutími í kringum 15–30 dagar.

Í skýringarmyndinni hérna fyrir ofan má sjá framleiðsluferli á metani. Ferlið hefst vinstra megin á skýringarmynd með söfnun á lífmassa í svokallaðan safntank eða fortank. Algengt er að samsetning lífmassans sé fjölbreytileg og þá reynist betra að nota hakkara til að brjóta niður lífræn efni sem er svo blandað saman við mykju í blandara.

 Í stóru gulu gerjunartönkunum fer fram sjálft gasmyndunarferlið undir stöðugum loftfirrtum og ljóslausum aðstæðum.

Hratið eða gerjaður lífmassi er að lokinni gerjun flutt yfir í geymsluþró áður en hratinu er dreift á tún.

Í gerjunartanknum stígur lífgasið svo upp til lofts í svokallaðan gastank sem er sambyggður ofan á gerjunartankinn.

Lífgasið er leitt í gegnum hreinsun vegna tærandi efna. Lífgasið er sprengt í varma- og rafmagnseiningu (e. combinded heat and power unit eða CHP) þar sem rafmagnið er flutt inn á raforkukerfið en varmaorkan frá brunanum fer í gegnum varmaskipti til frekari nota.

Útfærslan fyrir svínabúið er fyrst og fremst frábrugðin að því leytinu til að í stað þess að sprengja lífgasið í varma- og rafmagnseiningu er lífgasið brennt í gasbrennara og öll efnaorkan er þar af leiðandi nýtt til upphitunar á svínabúinu. Í þessu tilviki er ónauðsynlegt að hreinsa lífgasið fyrir brennslu.

Orkuframleiðsla er ekki eini ávinningurinn sem hlýst af metangerjun. Í þokkabót stendur eftir lífmassi sem er tilvalinn til áburðargjafar. Lífmassinn sem eftir stendur að lokinni gerjun kallast hrat. Frekari nýting á hrati til áburðargjafar er mjög áhugaverður kostur fyrir margar sakir.

Á meðan metangerjun stendur brotna niður lyktarmengandi efni sem dregur töluvert úr lyktarmengun frá skítnum og starfsskilyrði við dreifingu batna. Plöntur bregðast betur gegn hratinu því mörg efni og sýrur sem hafa skaðleg áhrif á plöntur brotna niður í gerjunarferlinu. Hratið er samleitnari massi með betri flæðieiginleika og er hratið meðfærilegra en annars.

Við metangerjun verður minna köfnunarefnistap í ferlinu samanborið við tap frá óunnum úrgangi, því er hratið næringarríkari áburður. Efnaskipti í gerjuninni fyrirbyggja mengun á grunnvatni af völdum nítrats.

Metangasvinnsla á lífmassa hefur jákvæð áhrif á loftgæði vegna minni losunar á metangasi og ammóníaks. Gerjunarferlið dregur úr frjósemi illgresisfræja og sýklahættu sem lífmassi getur borið með sér. Hversu áhrifarík virknin er frá gerjunarferlinu er háð hitastigi og viðverutíma. Ljóst er að umhverfisábati þess að fullnýta mykjuna er umtalsverður.

Sala á hrati til áburðar er algeng sjón á meginlandi Evrópu. Umrædd hliðarafurð sprottin úr lífgasframleiðslu verður oft mikilvæg tekjulind fyrir metanorkuver erlendis. Slíkar forsendur voru ekki teknar með í arðsemisreikninga í ritgerðinni þar sem sölusamningar á hrati lágu ekki fyrir.

Miðað er við framleiðslutölur frá árinu 2014 sem gefa 7.565 tonn af blautum svínaskít. Miðað við 7.565 tonn af blautum svínaskít og 10,31 rúmmetra af metangasi fyrir hvert tonn af blautum svínaskít fást 77.995 rúmmetrar af hreinu metangasi við normalaðstæður.

Metangasmagnið sem fæst er 8,9 rúmmetrar á klukkustund að meðaltali yfir allt árið. Orkuinnihald á hreinu metangasi er 9,81 kílóvattstundir sem jafngildir meðalafli upp á 87,34 kílóvött, eða 765.131 kílóvattstundir á ári.

Til að setja hlutina í samhengi nam heildar raforkunotkun svínabýlisins sama ár 898.710 kílóvattstundum.

Eftir stendur ekki öll framleidd orka til umráða því þegar gasið er brennt tapast alltaf einhver orka sökum orkutapa í kerfinu. Auk þess þarf að eyða orku til þess að búa til orku. Metanorkuverið er þar engin undantekning með orkufrekan hita- og rafbúnað í framleiðsluferlinu. Þegar eigin orkunotkun hefur verið dregin frá framleiddri orku þá stendur eftir nettó orkuframleiðsla. Áætluð árleg nettó orkuframleiðsla nemur 417.020 kílóvattstundum.

Niðurstöður sýna tvímælalaust að framleiðsla á lífgasi er umhverfisvæn og brennsla á lífgasi dregur úr gróðurhúsaáhrifum.

Niðurstöður kostnaðargreiningar og arðsemismats sýna að metanorka er raunhæfur kostur fyrir svínabúið.

Kostnaður orkuversins er rekstrarkostnaður vegna afskrifta, vinnu og viðhalds á orkuverinu.

Starfsemi metanorkuversins stuðlar því að umhverfisvænni verðmætasköpun.

Í grunninn er framleiðsla á metangasi með sams konar beinagrind víðast hvar og auðvelt að yfirfæra framleiðslulausnir með aðlögunarbreytingum yfir á önnur býli og bæi á Íslandi. Lausnirnar geta verið þess eðlis að henta einyrkjum á bóndabýlum yfir í að þjóna bæjarsamfélögum á landsbyggðinni þar sem íbúar geta tekið sig saman og framleitt metangas til ýmissa nota.

Í landshlutum þar sem hitaveita hefur ekki verið lögð er brennsla á metangasi sniðug lausn til rafmagnsframleiðslu og húshitunar.

Í landshlutum þar sem hitaveitu hefur verið komið á kopp þjónar metangas vel sem orkugjafi í samgöngum. Þar má nýta affallsvatn úr húsum til upphitunar á gerjunartank og draga þannig stórlega úr framleiðslukostnaði sem vegur upp á móti kaupum á hreinsibúnaði en nauðsynlegt þykir að hreinsa metangasið fyrir notkun í samgöngum.