Woekerende waterplanten

Transcriptie

1 Bioraffinage levert waardevolle grondstoffen op Woekerende waterplanten Het maaien van oevers en watergangen levert ieder jaar weer een enorme hoeveelheid biomassa en kosten op. Bioraffinage van al dit materiaal kan bijdragen aan verduurzaming van het waterbeheer. Is dit een begaanbare weg? L.A. van der Kooij (Van der Kooij Clean Technologies, secretaris VVM-sectie Afval) heeft het literatuuronderzoek uitgevoerd, met Cumela Nederland de logistiek voorbereid en geëvalueerd en delen van de monitoring uitgevoerd. M.A.J. Kerkhoff (Waterschap Aa en Maas) was opdrachtgever en projectleider. W.J. van Doorn (Primair Air Consultancy) was technisch projectleider en heeft het eindrapport opgesteld. Vanwege de klimaatverandering, met geleidelijk toenemende temperaturen, verandert de vegetatie langs en in de watergangen. Uitheemse planten (exoten) gaan woekeren en er ontstaat meer biomassa. Ieder jaar maaien de waterschappen oevers en watergangen. De maaisels blijven op de oever achter en composteren ter plekke. Om ecologische doelstellingen te behalen, worden maaisels ook afgevoerd en elders tot compost verwerkt. Dit kost de waterbeheerder ongeveer de helft van de beheerkosten van de waterloop, zeker als het om uitheemse planten gaat. Door raffinage van het maaisel ontstaan nieuwe mogelijkheden grondstoffen te winnen voor de productie van veevoer, papier, composieten en meststoffen. Bioraffinage Deelnemers draagt hierdoor bij aan verduurzaming van het waterbeheer: afval wordt omgezet in waardevolle grondstoffen en CO 2 -emissies worden verminderd. In laboratoria en in pilots is gebleken dat het haalbaar is deze grondstoffen uit gras te winnen, maar zou dat ook kunnen voor maaisels van (mengsels van) planten als brandnetel, waterpest, fonteinkruid, riet, etc.? In 2016 en 2017 hebben waterschappen, bedrijven en WUR, gefinancierd door Deelnemende organisaties aan het onderzoek waren GRASSA! bv, MillVision bv, Verbruggen Paddenstoelen bv, WUR-FBR, Primair Air Consultancy, Van der Kooij Clean Technologies, Cumela Nederland, Royal HaskoningDHV, Waterschap Aa en Maas, Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden, Waterschap Zuiderzeeland, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, Waterschap Rijn en IJssel, Waterschap Limburg, Wetterskip Fryslân, Waterschap Vallei en Veluwe, Rijkswaterstaat en STOWA. STOWA, in een onderzoek nagegaan of en hoe dit in de praktijk haalbaar kan zijn met kleinschalige bioraffinage. Dit artikel geeft de resultaten weer van dit praktijkonderzoek, dat is uitgevoerd met de mobiele installatie van Grassa! Deze installatie is ontwikkeld voor de raffinage van weidegras. In het onderzoek is nagegaan wat de bruikbaarheid is voor maaisels uit en langs watergangen. MillVision bv heeft de bruikbaarheid van de vezels in papier getest. Wat is kleinschalige bioraffinage? Bioraffinage is het splitsen van groen plantmateriaal tot producten als eiwit-concentraat voor diervoeder, vezelproducten voor diervoeder of voor technische toepassingen (papier, biocomposiet) en mineralen als meststof. En water, veel water, omdat oeverplanten ca 80% water en waterplanten meer dan 90% water bevatten. 44 Tijdschrift Milieu - Dossier - december 2018

2 Figuur 1 Schematische weergave van bioraffinage (Bron: WUR-FBR) Voorbereiding praktijkproeven grootste deel van de samenstelling van de gemaaide planten. Voor een selectie van deze planten is een database met gegevens van de fysische en chemische samenstelling gemaakt. De selectie betrof deels exoten, die de waterbeheerders veel geld kosten, en deels veelvoorkomende reguliere soorten. Bij deze inventarisatie werd duidelijk dat de waterschappen maar beperkt overzicht hebben van de gemaaide en afgevoerde soorten en hoeveelheden vegetatie. Om met deze wijze van verwerking door te gaan is een betere registratie nodig. Hierdoor wordt het beter mogelijk om op een duurzame, hoogwaardige manier gebruik te maken van de aanwezige stoffen in de plant. Bij kleinschalige bioraffinage wordt de installatie in de nabijheid van de oogst -locaties opgesteld. Dit scheelt veel logistieke kosten. Figuur 1 geeft het proces schematisch weer. Voorbereiding praktijkproeven Allereerst is geïnventariseerd hoeveel groene biomassa (waterplanten en oevermaaisels) in Nederland bij de Waterschappen jaarlijks gemaaid worden, uit welke planten ze bestaan en wat de bioraffinage potentie van deze planten is. Deze informatie is nodig om een indicatie te krijgen van de schaalgrootte en economische rentabiliteit als de waterschappen op landelijke schaal de maaisels zouden laten raffineren tot grondstoffen voor industrieel en agrarisch gebruik. Via een enquête onder 7 waterschappen, daarna geëxtrapoleerd naar alle 23 waterschappen, zijn vervolgens de hoeveelheden en samenstelling van de maaisels geschat. In een literatuuronderzoek zijn gegevens over een aantal planten verzameld, zoals de chemische samenstelling en groei-eigenschappen van deze planten. De data moesten uit vele bronnen verzameld worden, omdat er van de beoogde plantenmaaisels geen data(bases) beschikbaar zijn. aanhangende grond/slib en afval. Tenzij anders is overeengekomen, vervallen de maaisels aan de aannemer. Geschat wordt dat 25%-50% van de maaisels wordt afgevoerd, meestal naar een composteringsbedrijf. De rest blijft liggen en vergaat ter plekke, waarbij de mineralen weer terugvloeien in het (water-)milieu. Exoten worden volledig afgevoerd. De totale markt is daarmee minimaal ton maaisel. 60% van de massa wordt in september-november gemaaid, bijna 40% in juni-juli en een paar procent in de zomermaanden. Riet, grassen en een groep ongedefinieerd (waaronder brandnetels) vormen het Waterplanten hebben doorgaans 5-10% droge stof. Dit is laag. Landplanten, zoals gras, riet en brandnetel hebben beduidend meer droge stof. De reden is het lignocellulose, dat landplanten het skelet geeft om te blijven staan. Waterplanten hebben dat nauwelijks nodig, zij drijven. Verder hebben planten eiwitten nodig om te kunnen groeien. In het voorjaar zijn de eiwitgehalten van de meeste planten aanzienlijk hoger dan in het najaar. Andersom zijn in het najaar de lignocellulosegehalten aanzienlijk hoger. In de figuren 2 en 3 is een overzicht van de gemiddelde samenstellingen van een aantal water- en overplanten opgenomen. Figuur 2 Droge stof, organische stof en asrest van een aantal planten die in het waterbeheer voorkomen Uit de enquête blijkt dat jaarlijks ca ton planten worden gemaaid, exclusief Tijdschrift Milieu - Dossier - december

3 Figuur 3 Lignocellulose en eiwit van een aantal planten die in het waterbeheer voorkomen natte biomassa) is dit echter een veel beter resultaat. De uitkomst van dit voorbereidende onderzoek was dus positief. Op basis hiervan hebben alle betrokken partijen het besluit genomen de praktijkproeven te gaan uitvoeren. De economische waarde van de verschillende bestanddelen zijn niet gelijk. De waarde van pulp varieert van ca 80 (oud papier, korte vezels) tot vele honderden euro s per ton (lange cellulose vezels, geen lignine). Plantaardige eiwitten hebben, mits voldoende zuiver, per ton een waarde die varieert van ca 100 tot enkele duizenden euro s per ton. Het veel gebruikte sojameel (40% eiwit, meer dan de meeste waterplanten), heeft een waarde van ca 800/ton droge stof. de literatuur hogere waarden zijn gevonden. We verwachtten dat de praktijkproeven namelijk niet de ideale omstandigheden van een laboratorium zouden evenaren. In figuur 4 is het resultaat van de buisinesscase opgenomen. Gemiddeld wordt dan een resultaat van bijna - 7/ton natte biomassa gehaald. Vergeleken met de benchmark voor composteren (- 20/ton Voorbereidende testen Voorbereidend onderzoek van de WUR heeft uitgewezen dat tot 24 uur na het maaien bij alle onderzochte planten nauwelijks achteruitgang van eiwitgehalten plaatsvond. Dit bleek gunstig te zijn voor de logistiek en de praktische haalbaarheid. De maaisels konden hierdoor een dag bij de installatie blijven liggen, zonder noemenswaardige kwaliteitsvermindering. Uit het laboratorium onderzoek blijkt dat ruim 60% van het eiwit uit het plantensap gewonnen moet kunnen worden. Dit rendement is in feite de maximaal winbare fractie eiwitten. In de businesscase is dit lager aangehouden. WUR-FBR heeft ook de samenstelling van de aminozuren van de eiwitten bepaald. De onderzochte planten bleken een sterk overeenkomstig aminozuurprofiel te hebben. Deze profielen hebben grote overeenkomst Figuur 4 Modelresultaten bij bioraffinage op landelijke schaal (Bron: Kooij, L.A. van der, 15 april 2016) Uit een businesscasemodel, gebaseerd op het raffinageproces van Grassa!, blijkt dat het haalbaar is om op landelijke schaal de maaisels te gaan raffineren. Dit proces heeft als doel eiwitten, vezels en mineralen te winnen, de zogenaamde vierkantsverwaarding, met als belangrijkste component de eiwit. De gebruikte kentallen zijn opgenomen in figuur 4, waarbij in het literatuuronderzoek diverse scenario s zijn beoordeeld. De raffinagekosten zijn inclusief rente en afschrijving. In het model worden de meer houtige planten, zoals riet en lisdodde, buiten de raffinage installatie om verwerkt in papier of vezelplaat. Ze zijn te houtig voor de installatie. Het rendement van de eiwitextractie is met 40% aan de lage kant gehouden, hoewel in 46 Tijdschrift Milieu - Dossier - december 2018

4 Figuur 5. Gemeten samenstelling van de maaisels per kg vers gewicht droge stof en lager eiwitgehalten dan de literatuurwaarden (zie figuren 2 en 3). De eiwitgehalten van de grote waternavel en fonteinkruid kwamen goed overeen met de literatuurwaarden. Met de resultaten zijn massabalansen opgesteld. Voor brandnetel kwam ca 73% van de droge stof in de vezelfractie terecht. Voor de grote waternavel was dit slechts 26%. De andere planten hadden rendementen die daar tussen in lagen. Vanwege zand- en slibophoping in de installatie en onnauwkeurigheden in de bemonstering en de metingen is de massabalans niet sluitend. De ontbrekende post is weergegeven als onzekerheid. Deze is voor grote waternavel en fonteinkruid groot. met die van de aminozuren in veevoeder. Hierdoor zijn deze eiwitproducten potentieel geschikt als veevoeder. Daarvoor moet wel eerst via certificering gewaarborgd worden dat ze aan de eisen diervoeder voldoen. Dit is vooral van belang voor in het geval de dieren voor menselijke consumptie gebruikt worden. Op basis van eiwitgehalte heeft WUR-FBR de waarden van de eiwitproducten van de grote waternavel, waterpest, fonteinkruiden en brandnetel ingeschat op resp. ca 410, ca 310, ca 230 en ca 280 per ton droge stof. Praktijkproeven De praktijkproeven zijn uitgevoerd met een mobiele bioraffinage-installatie van Grassa!, met een capaciteit van maximaal 600 kg maaisel/uur. Om transportkosten laag te houden, werd de mobiele installatie zo dicht mogelijk bij de locatie geplaatst waar de maaisels beschikbaar kwamen. Deze installatie bestaat in grote lijnen uit een wasinstallatie om maaisels te ontdoen van vervuiling, een refiner die de celwanden en celstructuren breekt en eiwitten, suikers en mineralen vrijkomen, een vijzelpers die de opengebroken vezels uitperst, een balenpers die de uitgeperste vezels perst en sealt tot balen, een verwarming met aanzuring voor de coagulatie van eiwitten en een kamerfilterpers om de Met de droge stof balansen en de eiwitgehalten gecoaguleerde eiwitten en sap te scheiden. Tijdens de proeven deden zich nogal wat kinderziekten voor doordat de installatie nog niet goed functioneerde. De meeste problemen deden zich voor bij de eiwitafscheiding, waardoor de eiwitopbrengsten achter bleven bij de verwachting. De van de verschillende fracties is per type maaisel de massabalans van de droge stof (figuur 6) en van de eiwitten (figuur 7) bepaald. Voor alle maaisels blijkt dat meeste eiwitten in de vezels achterblijven en dat de onzekerheden van de balans groot zijn. samenstelling van het plantenmateriaal hang af van het seizoen en de locatie en is in de natuur niet constant. Van de oorspronkelijke hoeveelheid eiwit in het maaisel van de brandnetel komt 22% van het eiwit in het eiwitproduct terecht. Figuur 5 geeft de gemeten samenstelling van de maaisels weer. De brandnetel en vederkruid hadden beduidend meer Voor de andere maaisels is dit aanzienlijk minder. Ook is onderzocht welke papierapplicaties Figuur 6. Massabalansen droge stof bij de praktijkproeven, gebaseerd op metingen Tijdschrift Milieu - Dossier - december

5 Figuur 7. Massabalansen eiwitten bij de praktijkproeven, gebaseerd op metingen gebruikt is voor de voorbereiding van het project, is met de resultaten van de praktijkproeven opnieuw de businesscase berekend. Hierbij is uitgegaan van de oorspronkelijke geraamde hoeveelheden maaisels en geschatte samenstelling, waarbij de rendementen en de samenstelling zijn aangepast conform de praktijkproeven. De businesscase blijkt dan niet haalbaar te zijn: de kosten van het raffineren zijn hoger geworden dan die voor het composteren. met de verkregen vezels haalbaar zijn. Uit de testen van MillVison is gebleken dat Fonteinkruid-, Grote Waternavel- en Brandnetelvezels tot ca % kunnen worden toegevoegd als alternatieve papiervezel, bij gelijkblijvend sterkte van het papier. Echter is er geen significant verschil in sterkte waargenomen tussen de water- en oeverplanten en hun vezels voor en na raffinage. Verwacht werd dat plant inhoudsstoffen het proces van papier maken erg zou verstoren Discussie Zoals uit de naam naar voren komt, is de installatie van Grassa! ontwikkeld om (weide)gras te raffineren. Vanwege de hoge eiwitgehalten en de vezels levert dit voor gras een rendabele businesscase op. Met de uitgevoerde praktijkproeven is gezocht naar mogelijkheden om maaisels uit het waterbeheer te raffineren. Uit de voorbereidende enquête en literatuuronderzoek kwam een haalbare businesscase, mits de rendementen en kwaliteiten van de verschillende producten gehaald zouden worden. Deze zijn echter nog niet gehaald met de installatie van Grassa!. Tabel 1 vergelijkt de eiwitrendementen van het literatuuronderzoek, de rendementen die WUR-FBR in het laboratorium heeft gevonden en de gemeten waarden met de nog niet optimaal functionerende praktijk installatie. De tabel geeft aan welk potentieel aanwezig is en waar we met deze pilot-machine op uit kwamen. Het rendement is gedefinieerd als [massa eiwit in het product]/[massa eiwit in de biomassa] Nu de raffinage van de eiwitten in de proefinstallatie niet optimaal verloopt, neemt de opbrengst van de eiwitten af en komen deze terecht in andere deelstromen. Daarbij komt nog dat van sommige maaisels de eiwitgehalten lager waren dan volgens de literatuur. De opbrengst uit de producten neemt dan ook af. Met het model dat Tabel 1. Vergelijking rendementen eiwitwinning met bioraffinage in het laboratorium van WUR-FBR en van de installatie van Grassa! Literatuuronderzoek Lab WUR-FBR Installatie Grassa! Waterpest 40% 34,7% Fonteinkruid 40% 25,7% 7% Grote waternavel 40% 46,0% 1% Brandnetel 40% 31,5% 22% Vederkruid 40% 2% Gemengde waterplanten 9% Om in de toekomst een rendabele businesscase te krijgen, moet het eiwitraffinage rendement met enkele tientallen procenten omhoog en het energieverbruik omlaag. Grassa! heeft besloten een nieuwe installatie te gaan bouwen, met hogere efficiëntie en lager energieverbruik, waardoor naar verwachting een rendabele business case dichterbij komt. Daarnaast krijgt deze installatie een grotere capaciteit. Voor de verdere ontwikkeling van de businesscase is ook de maatschappelijke rentabiliteit van belang, in feite de berekening van de duurzaamheidswinst. Hieronder vallen de vermeden fosfaat, stikstof en CO2 emissies en de daarmee bespaarde kosten/vermeden schade. Conclusies De praktijkproeven hebben uitgewezen dat bioraffinage van maaisels uit het waterbeheer in de praktijk nog behoorlijk weerbarstig is. De volgende conclusies kunnen worden getrokken. 1. Samenstelling varieert Planten komen op en sterven weer af. In deze cyclus variëren de samenstellingen per plantensoort. Iedere plant heeft zijn eigen optimum. Daar het meeste maaiwerk in de nazomer en jaar plaatsvindt, moet rekening gehouden worden met suboptimale eiwit- en cellulosegehalten. Eerder maaien, waardoor hogere concentraties eiwitten verkregen worden, kan strijdig zijn met de natuurwetgeving. 2. Logistiek vormt geen belemmering Logistiek hoeft geen belemmering te zijn, mits de capaciteit van de raffinage instal- 48 Tijdschrift Milieu, december 2018

6 Referenties Foto: Raedts, Grassa! bv De gebruikte bioraffinagemachine latie voldoende groot is. Bij te lage capaciteit nemen de logistieke kosten toe. 3. Vier kansrijke grondstoffen Op basis van een inventarisatie van hoeveelheden groenresten, de fysischchemische samenstelling en hun potentieel voor verwaarding tot producten, zijn de meest belovende planten grote waternavel, fonteinkruiden, ongelijkbladig vederkruid en brandnetel. Uit deze planten kunnen via bioraffinage de volgende grondstoffen geproduceerd worden: a) Eiwitrijke grondstoffen voor diervoeder. De onderzochte planten hebben een gunstige aminozuursamenstelling en bevatten soms ook anti-oxidantia en informatie opgeleverd over de technische, logistieke en bedrijfseconomische aspecten van kleinschalige mobiele bioraffinage. De onderzochte planten verliezen tot een dag na het maaien slechts een paar procent van de eiwitten. Dit vereenvoudigt het logistieke proces. Een verwaarding van waterplanten en bermmaaisels, al dan niet in combinatie met andere groenstromen uit het (waterschaps)gebied tegen kosten vergelijkbaar of lager dan de huidige composteringspraktijk, bleek nog niet mogelijk met de geteste bioraffinage-installatie. Er waren veel kinderziekten en storingen. De installatie kon hierdoor niet optimaal produceren. Zowel technische verbeteringen als vergroting van de productiecapaciteit zijn 1. Doorn, W.J. van, A. van der Kooij, J. van Dam, literatuurstudie waarde halen uit groenresten in het waterbeheer, STOWA-rapport , Keijsers, E., Labexperimenten groenresten uit waterbeheer, WUR-FBR, rapport 1811, februari Kooij, L.A. van der, Groenresten uit het waterbeheer, bioraffinage en vezelverwaarding. Literatuuronderzoek en businesscase analyses, STOWA Hydrotheek, 15 april Kooij, L.A. van der, en Cumela, Groenresten uit het waterbeheer: logistieke analyse praktijkproeven. Rapport Spoor 3D, februari Kooij, L.A. van der, en Cumela, Groenresten uit het waterbeheer. Maaien, transport en bioraffinage. Verslag praktijkproeven, fase 3, oktober In opdracht van het Waterschap Aa en Maas. 6. Calker, S. van en H.J. Thiewes, Millvision, Spoor 3B: Waarde halen uit groenresten waterbeheer: Valorisatie in Papierproductie en (Bio) composieten, , Deelrapportage laboratorium- en pilotfase 7. Koopmans B. en R. Raedts, Waarde halen uit groenresten in het waterbeheer, praktijktesten bioraffinage, Grassa!-rapport, definitief versie , februari Doorn, W. van, Praktijkonderzoek Bioraffinage 2018, Rapport 25, ISBN Eindrapport. STOWA Hydrotheek, 14 juni andere ondersteunende stoffen; noodzakelijk om een rendabele perfor- b) Vezelproduct voor toepassing in papier/ mance te bereiken. Dit wordt momenteel karton % vervangende toevoeging door Grassa! voorbereid. b) aanpassingen in maairegime/beheers- is technisch mogelijk, hoewel de vezels maatregelen woekerende planten; doorgaans geen extra kwaliteit aan 5. Bijdrage aan verduurzaming c) mogelijk aangepaste contractvormen product geven; Bioraffinage draagt op meerdere manieren voor loonwerkers; c) Vezels voor biocomposiet. Circa 10% bij aan verduurzaming van het waterbe- d) afzet van producten uit het waterbeheer toevoeging is mogelijk, mits de vezels heer: minder broeikasgasemissies, verwij- juridisch mogelijk maken; goed gedroogd zijn. deren van nutriënten. e) actieve samenwerking binnen en tussen d) In de toekomstige bioraffinagemachine waterschappen, natuur- en wegbeheer- kunnen daarnaast ook een minera- 6. Waterschappen aan zet ders, kennisinstituten en met partners in lenconcentraat en suikerconcentraat Om bioraffinage grootschalig te kunnen de waardeketen om kwaliteit, acceptatie (diervoer of voor biogas productie) toepassen dienen de waterschappen en efficiëntie van processen te vergroten. gemaakt worden met schoon water als verdere stappen te zetten in de overgang Samenwerken is essentieel om circulair restproduct. van maaien naar oogsten : gebiedsbeheer te realiseren. a) betere inventarisatie van hoeveel- 4. Installatie behoeft verbetering heden en beschikbaarheid water- en Aldert van der Kooij, Mark Kerkhoff en De praktijkproef heeft veel waardevolle oeverplantmaaisels; Wim van Doorn Tijdschrift Milieu, december