Renewable energy and sustainable use of natural resources are two important aspects of sustainable development. Biogas production contributes to this since the gas is considered to be a renewable and non-fossil fuel. In addition, the production of biogas results in a nutrient- rich substance, called digestate. Biogas is produced at large-scale or at farm-level. However, large-scale production is the predominant approach, which means that most biogas techniques available are adapted to large biogas plants. For that reason, there is potential for development of farm-level biogas plants. On behalf of Gunnar Bech, chairman of the innovation group Innovationsverket in Gamleby, a new design of farm-based biogas plants has been studied. The purpose was to examine whether the design has potential to be more optimal than existing farm-based biogas plants with comparable size and capacity. The study was focusing on material consumption and energy efficiency. Initially, an extensive literature review was carried out. The biology of the biogas process and important components of existing farm-based biogas plants are described in the review. Moreover, a model of the new design was constructed. This model comprised of six small digesters, each with a volume of 200 m3, which were placed in a building. The roof of the building was used for a solar power system with the aim to contribute to the heating requirement of the biogas plant. An external heat source in form of a pellets boiler covered the remaining heat demand. Based on this model, the thickness of insulation and the solar power system were dimensioned. Besides, the annual heating demand was calculated. All calculations were performed using the program Matlab and they were based on assumptions and simplifications. In order to evaluate the potential of the new design, similar calculations were made for a reference model, which represented an existing farm-based biogas plant with the same size and capacity. The results showed that the new design required more material compared to the reference model. Depending on the circumstances inside the digesters and the building, the new design required between 170-300 m3 more insulation than the reference model. Furthermore, the results indicated that it is advantageous from an energy point of view to place several small digesters inside an insulated building, provided that solar panels are installed on the roof. This was because the annual contribution from the external heat source decreased due to the solar panels. The results showed that the annual heat generated from the external heat source was 50-70 MWh lower compared to the reference model. However, the study showed that it was not optimal from an energy perspective to mount solar panels on the whole roof surface if the excess heat could not be utilized. On the basis of the results, the conclusion of the study was that the new design has potential to be a sustainable solution for farm-scale biogas production. The results indicated that the emissions of greenhouse gases were greater for the new design during the first years of operation compared to the reference model. On the other hand, the total amount of emissions was lower in a long-term perspective. After about 7 years, the new formation was better from an emission point of view compared to existing farm-based biogas plants. However, more studies are required to determine whether the design can be implemented or not. / Förnybara energikällor och effektivare hushållning av resurser utgör två viktiga byggstenar i riktning mot en hållbar utveckling. Biogasproduktion är en del av detta eftersom biogas betraktas som ett förnybart och icke-fossilt bränsle. Dessutom resulterar produktionen i den näringsrika rötresten biogödsel som möjliggör recirkulering av växtnäring och organiskt material. Biogas kan produceras storskaligt eller på gårdsnivå. Idag är den storskaliga produktionen dominerande vilket medför att dagens tekniker är anpassade till stora biogasanläggningar. Av den anledningen finns det utrymme för utveckling av småskaliga biogasanläggningar på gårdsnivå. På uppdrag av Gunnar Bech, ordförande för Innovationsverket i Gamleby, har en ny utformning för gårdsbaserad biogasproduktion studerats. Syftet var att fastställa om denna utformning kunde göras mer optimal ur ett hållbarhetsperspektiv jämfört med befintliga gårdsbaserade biogasanläggningar av samma storlek och kapacitet. Framförallt studerades den nya utformningen ur material- och energisynpunkt. Inledningsvis genomfördes en omfattande litteraturstudie. I denna beskrivs bland annat biologin bakom biogasprocessen samt de centrala komponenter som förekommer i befintliga gårdsbaserade anläggningar. Därefter konstruerades en modell av den nya utformningen. Denna bestod av sex mindre rötkammare med vardera volymen 200 m3 som placerades i en byggnad vars tak nyttjades för ett solenergisystem. Avsikten med solenergisystemet var att bidra till anläggningens uppvärmningsbehov. Resterande värmebehov täcktes av en extern värmekälla i form av en pelletspanna. Utifrån modellen dimensionerades anläggningens isoleringstjocklekar och solenergisystem. Dessutom beräknades det årliga värmebehovet. Samtliga uträkningar genomfördes i Matlab och baserades på antaganden och förenklingar. För att utvärdera utformningens potential genomfördes motsvarande beräkningar för en referensmodell som representerade en befintlig gårdsbaserad biogasanläggning av samma storlek och kapacitet. Resultaten visade att den studerade utformningen erfordrade mer material än referensanläggningen. Beroende på förhållandena i rötkamrarna och byggnaden krävde den nya utformningen mellan 170-300 m3 mer isolering än referensanläggningen. Vidare indikerade resultaten att det är fördelaktigt ur energisynpunkt att placera flera mindre rötkammare i en isolerad byggnad förutsatt att solfångare installeras på byggnadens tak. Detta berodde på att solfångarna bidrog till att det årliga tillskottet från den externa värmekällan minskade. Resultaten visade att det årliga värmetillskottet var mellan 50-70 MWh lägre för den nya utformningen jämfört med referensanläggningen. Studien visade dock att det inte var optimalt ur energisynpunkt att installera solfångare på hela takytan om överskottsvärmen under sommarhalvåret inte kunde tas om hand. Sammantaget drogs slutsatsen att den nya utformningen har potential till att bli en hållbar lösning för biogasproduktion på gårdsnivå. Resultaten pekade på att utsläppen av växthusgaser var större under de första åren för den nya utformningen jämfört med referensanläggningen. Däremot var de totala utsläppen lägre ur ett långsiktigt perspektiv. Efter omkring 7 år uppskattades den nya utformningen vara bättre utifrån utsläppssynpunkt jämfört med befintliga gårdsbaserade biogasanläggningar. Däremot krävs vidare studier för att fastställa om utformningen är implementerbar eller inte.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-174357 |
| Date | January 2015 |
| Creators | Jarmander, Sara, Sjöberg, Isabelle |
| Publisher | KTH, Industriell ekologi |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-IM-KAND 2015 ; 13 |
Page generated in 0.174 seconds