Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

The Swedish production of biogas was 1,5 TWh 2011. About half of the production was used as vehicle fuels. The cost for upgrading biogas depends on the size of the biogas plant and its gas production. If the gas flow is low the cost will be high. However, further development of existing upgrading technologies or development of new ones, have good potential to decrease the upgrading cost for small scale biogas plants. The aim of this master thesis is to investigate a new technology for upgrading biogas to vehicle fuel standards.
The investigated technology is based on the carbonation principle, which means that carbon dioxide is fixed by calcium oxide under the formation of calcite. Wood ash, which is rich of calcium oxide, has been used for capturing carbon dioxide in biogas during the lab-scale tests. During the tests the composition of the ingoing biogas was 35 % carbon dioxide and 65 % methane. When the gas passes through the ash bed the carbon dioxide was fixed by the ash and that is the reason why the methane yields is about 95-100 % in the outgoing gas.
Three different types of wood ashes have been investigated. They originate from combustion of wood pellets respectively different assortment of wood chips. Ash from combustion of wood pellets shows the best ability to capture carbon dioxide, 0,24 g CO2/g dry ash.
A Proposal on a system design has been developed based on the results from the lab-scale tests. Simplified calculations showed that the upgrading cost for the proposed system was 0,24 kr/kWh. That is about half of the cost compared to the available small-scale upgrading technologies on the market. The calculations were based on a biogas plant with the annual gas production of 1 GWh, which is a typical size for a Swedish farm-scale biogas plant.

Det produceras 1,5 TWh biogas i Sverige och ungefär hälften av denna mängd uppgraderas till fordonsgas. Uppgradering av biogas sker med få undantag vid stora biogasanläggningar. Det beror till största del på att uppgraderingskostnaden är direkt beroende av gasflödet, ju högre gasflöde, desto lägre uppgraderingskostnad.
Det finns en stor outnyttjad potential i att producera biogas på gårdsnivå från gödsel och odlingsrester. Potentialen uppgår till 6 TWh men idag utnyttjas endast en liten del. Den totala biogasproduktionen vid gårdsanläggningar var 20 GWh år 2010. Huvuddelen av denna produktion används till kraftvärme där gasens energi omvandlas till el och värme.
Med ny teknik eller förbättring av befintlig kan uppgraderingskostnaden pressas och lönsamhet uppnås även vid anläggningar med relativt liten produktion. Det skulle göra det möjligt att uppgradera biogas på gårdsnivå till en rimlig kostnad och den producerade fordonsgasen skulle till exempel kunna användas till gårdens egna maskinpark. Detta examensarbete undersöker en idag icke kommersiell teknik för uppgradering av biogas och som i korthet går ut på att använda aska för att öka metanhalten i biogas till fordonsgaskvalité.
Gas med den bestämda sammansättningen 65 % metan och 35 % koldioxid har använts under försöken. Genom att låta gasen passera en behållare med aska har metanhalten höjts till 95-100 %. Det beror på att koldioxiden bundits upp i askbädden och denna process går under namnet karbonatisering. När askans innehåll av kalciumoxid kommer i kontakt med vatten bildas kalciumhydroxid. Den alkaliska miljön i askbädden gör att koldioxid från den ingående gasen omvandlas till karbonater. Kalciumhydroxid och karbonater reagerar med varandra och bildar kalciumkarbonat, det vill säga kalksten. På så sätt fastläggs koldioxid, vilket leder till att metanhalten höjs i utgående gas.
Tre typer av aska har använts under försöken. Bottenaska från förbränning av pellets visade sig ge bäst resultat avseende koldioxidupptag, 0,24 g CO2/g torr aska. Även aska (bottenaska+flygaska) från förbränning av sågverksflis visade sig vara effektiv, 0,14 g CO2/g torr aska. Den tredje typen av aska var våtutmattad bottenaska från förbränning av olika flissortiment, sågspån och bark. Denna aska hade avsevärt sämre prestanda, endast 0,012 g CO2/g torr aska.
Utifrån försöksresultaten står det klart att det krävs stora askmängder för att uppgradera biogas. Därmed lämpar sig tekniken främst för småskaliga anläggningar. I basfallet har beräkningar utgått ifrån en anläggning som producerar 1 GWh biogas per år, vilken är en typisk storlek på en gårdsanläggning. Om pelletsaska används för uppgradering av denna gasmängd åtgår det motsvarande en container aska (a´ 8 ton torr aska) i veckan.
Ett förslag på hur en uppgraderingsanläggning skulle kunna utformas har tagits fram utifrån erfarenheter och resultat från genomförda askförsök. Huvuddelen av anläggningen bedöms rymmas i en teknikcontainer. Det medger prefabricering i större utsträckning, vilket gör att investeringskostnaden kan hållas låg. De preliminära kostnadsberäkningarna som genomförts visar att uppgraderingskostnaden är 0,24 kr/kWh fordonsgas för basfallet med årsproduktionen 1 GWh biogas. Det kan jämföras med dagens kommersiella småskaliga tekniker för uppgradering där kostnaden uppgår till 0,50 kr/kWh fordonsgas.