The use of residues from combined ethanol and biogas production : a comparison of three alternatives

Scandinavian Biogas is involved in the planning of a combined ethanol and biogas factory in Karlskoga, Sweden. Besides biogas and ethanol large amounts of digester residues will be produced, about 450 000 liquid tonnes residue (~7,3 % Dry Substance( DS)). The objective of this thesis was to investigate possible uses of the residue from the biogas production process ScandgasEthanol developed by Scandinavian Biogas, and to derive a methodological approach how to evaluate and compare handling systems. Three systems where proposed and compared in this thesis; spreading of the untreated residue as fertilizer (system 1), dewatering to a higher DS content to reduce transportation before spreading as fertilizer (system 2) and production of a solid fuel by dewatering and drying the residue (system 3). The general conditions for the proposed systems were investigated in terms of practical viability, economical aspects, environmental impact and energy inputs/outputs. The method was exemplified by the specific case of Karlskoga. The methodological framework for the environmental and energy analysis was life cycle analysis theory. The residue was assumed to replace mineral fertilizers or solid fuels. Each system was credited for avoided environmental impact and energy from avoided production/ use of fertilizer/fuel. Advantages for system 1 were the possibility to market the residue as a certified organic fertilizer whereby the plant nutrients represents a relatively high economical value, and a reduction in global warming emissions due to avoided use of mineral fertilizer. The downsides are large demand for transports and spreading areas. Transport demand is reduced in system 2, but the dewatering involves process chemicals that are both expensive compared to the value of the recycled nutrients and precludes the market for certified fertilizers. It is possible to produce a solid fuel, but the net energy gain is small since the drying process is energy demanding. The economy and the environmental impact are dependent on the fuel assumed to be replaced and the energy source for drying. System 3 seems to be viable both environmentally and economically in Karlskoga since valuable biogas used to produce process heat can be replaced and upgraded to vehicle fuel. The conclusion drawn for Karlskoga is that combustion of the residue might secure the disposal from the start, but recycling of nutrients is desirable from a sustainability perspective. It will be possible to shift the use towards (organic) fertilizer as a market develops.Scandinavian Biogas Fuels AB, Chematur Engineering AB och Karlskoga Energi och Miljö planerar ett bioenergikombinat som vid full produktion ska producera 125 000 m3 etanol och 300 GWh biogas från vete. Detta examensarbete är utfört på uppdrag av Scandinavian Biogas Fuels AB och handlar om hantering av restprodukten, rötrest från biogasproduktion baserad på etanoldrank. Flödet av rötrest i Karlskoga uppgår vid full produktion till ~450 000 ton flytande rötrest per år motsvarande 33 000 ton torrsubstans (TS). I rötresten återfinns de växtnäringsämnen som fanns i vetet. En kostnadseffektiv och miljöriktig avsättning för rötresten är en förutsättning för produktionen, därför bör planeringen av rötresthanteringen inkludera i planeringen av en anläggning på ett tidigt stadium. Tre hanteringssystem utreds i uppsatsen; system 1 är den lösning som är absolut vanligast i Sverige, rötresten sprids obehandlad på åkermark som gödsel. I system 2 avvattnas rötresten till ett högre TS-innehåll innan den sprids som fastgödsel på åkermark. Den tredje systemlösningen som undersöks är möjligheten att tillverka ett fast bränsle genom att avvattna och torka rötresten. Systemen utreds med avseende på praktisk genomförbarhet, miljöpåverkan, energiförbrukning och ekonomiska aspekter både för det generella fallet och för det specifika fallet Karlskoga. Målet var att formulera en metod för utvärdering och jämförelse av hanteringssystem utifrån utredningsarbetet. Det teoretiska ramverket för analys av miljö- och energiaspekter är livscykelanalys. Den totala energiförbrukningen/produktionen och miljöpåverkan summeras från utmatning ur rötkammare till spridning/förbränning. Rötresten antas ersätta mineralgödsel/bränsle, och den förändring i energiförbrukningen/miljöpåverkan som ersättandet innebär tillskrivs rötresten. När det gäller de praktiska sidorna av systemen så har system 1 fördelar i att systemet är relativt enkelt, växtnäringen är värdefull och rötresten kan sannolikt också certifieras för ekologisk odling något som kan underlätta marknadsföring. Transporterna är en akilleshäl, det stora behovet av spridningsareal en annan. Vidare kommer det förmodligen också att ta tid att bygga upp en marknad för rötresten vilket förhindrar att systemet kan lösa hela avsättningsfrågan från början. System 2 reducerar transporterna, men avvattningen och andra processteg kräver insatser av kemikalier som dels kan kosta mer än värdet av de återvunna växtnäringsämnena, dels förhindrar att rötresten kan certifieras enligt KRAV och andra certifieringssystem. I system 3 är energiinnehållet i torrsubstansen tillräckligt för bränsleproduktion, men den nödvändiga torkningen är energikrävande. Kvoten mellan utvunnet värmevärde och insatt torkenergi är relativt låg så det blir viktigt att avvattna rötresten så mycket som möjligt samt att bara torka till den TS- koncentration som är nödvändig för förbränning och hantering. Det blir också viktigt att energikällan till torkningen är billig, att använda spillvärme från processer eller rökgaser vore idealiskt. System 3 är relativt komplext jämfört med system 1 och några parametrar inte varit möjliga att ta med i analysen, vilket ger större osäkerheter i resultatet än system 1. Enligt planerna ska 190 GWh biogas användas i Karlskoga kraftvärmeverk för att framställa el och processenergi (ånga) till etanolfabriken. Samtidigt finns det viss ledig kapacitet i kraftverkets fluidbäddspannor. Utgångspunkten för system 3 är att rötrest ska kunna förbrännas i dessa pannor och ersätta delar av biogasen som istället kan uppgraderas till fordonsbränsle. Miljöprestanda för system 3 beror på antaganden om energikällan till torkningen samt vilket bränsle rötresten antas kunna ersätta. I Karlskogafallet reduceras utsläppen av fossil CO2 då biogas ersätter bensin/diesel. Hur mycket utsläppen reduceras beror på antaganden om torkenergin. System 3 reducerar klimatpåverkande utsläpp mest av systemen, medan system 2 ger en netto ökning under gjorda antaganden. Gödselalternativen ser ut att ge en nettoökning av övergödning och försurning jämfört med mineralgödsel, på grund av ammoniakförluster vid spridning. Kvoten utvunnen/sparad primärenergi och primärenergiinsatser i systemen är mellan 2 och 3. Energiomsättningen är störst i det mest komplexa systemet, system 3. Ett av syftena med uppsatsen är att dra upp riktlinjer för hur hanteringsalternativ kan bedömas på ett metodiskt sätt. Praktiska/tekniska aspekter och lagar/regler tillsammans med en enkel miljö/energianalys kan användas för att grovgallra hanteringssystem. En mer djupgående miljö/energianalys är tidskrävande och därför förmodligen bara värd att göra för de system som bedöms som bäst. Det samma gäller i hög grad den ekonomiska bedömningen som kanske bara ger värdefulla resultat när tydliga genomarbetade alternativ föreligger. Slutsatsen när det gäller Karlskoga är att förbränningsalternativet är värt att undersöka vidare, dels för att storskalig avsättning då kan säkras från början, dels för att r systemet verkar ha jämförelsevis bra miljöprestanda. Möjligheten finns att skifta över avsättningen mot ekologiskt gödselmedel efterhand om en marknad utvecklas. En kombination av förbränning och gödselproduktion ger flexibilitet och förmodligen bättre förutsättningar att få betalt för det värde som rötrestens växtnäringsämnen representerar