Milieuaspecten van alternatieve meststoffen

Transcriptie

1 Milieuaspecten van alternatieve meststoffen Lien Terryn, Carin Rougoor & Emiel Elferink, CLM Doelstelling Deze notitie geeft een overzicht van de beschikbare kennis over de broeikasgasemissies die kunnen worden toegerekend aan alternatieve meststoffen, te weten: Spuiwater (=spuiloog) Mineralenconcentraat Struviet Urean In de volgende paragrafen gaan we eerst in op de allocatie, systeemgrenzen en functionele eenheid en vervolgens bespreken we per product de beschikbare kennis. Allocatie, systeemgrenzen en functionele eenheid Belangrijk is de volgende aspecten helder vast te stellen, om zo een eerlijke vergelijking van verschillende meststoffen mogelijk te maken: De functionele eenheid: De milieubelasting wordt uitgedrukt per kg N-werkzaam voor de N- meststoffen en per kg fosfor voor struviet. De systeemgrenzen: Om een goed beeld te krijgen van de milieubelasting van alternatieve meststoffen wordt de gehele keten meegenomen in de milieuanalyse. Deze verschillende ketenstappen zijn: o Productiestap. Nuancering hierbij is dat de productie alleen wordt meegerekend als deze productiestap (mede) als doel heeft dit product te fabriceren, c.q. als dit proces waarde toevoegt aan het product. o Transport van het product naar het bedrijf waar het product wordt aangewend. o Aanwending/toepassing van het product. Allocatie. Bij berekening van de milieubelasting aan verschillende coproducten kan worden uitgegaan van economische allocatie of gewichtsallocatie. Dit houdt in dat als bij een proces meerdere producten ontstaan, de milieubelasting van het proces wordt gealloceerd in de verhouding van de producten naar economische waarde of naar gewichtsverhouding. Veelal wordt gekozen voor economische allocatie. Dat nemen we ook in dit overzicht als uitgangspunt. Mineralenconcentraat Wat is mineralenconcentraat? 1

2 Mineralenconcentraat (MC) ontstaat na ultrafiltratie en omgekeerde osmose van de dunne fractie die ontstaat na mestscheiding of scheiding van digestaat. Het is rijk aan N en bevat relatief weinig P. De P blijft grotendeels achter in de dikke fractie. Systeemgrenzen Het verwerken van de dunne fractie van mest tot mineralenconcentraat heeft als doel een product te produceren dat toepasbaar is als meststof. Deze productiestap moet dus worden toegekend aan het mineralenconcentraat. Het proces voegt waarde toe aan het product. Milieutechnische aspecten van mineralenconcentraat In tabel 1 worden de broeikasgasemissies van verschillende meststoffen waaronder mineralenconcentraat uit varkens- en rundermest en na covergisting gegeven zoals berekend door Postma et al. (2013). Postma et al. (2013) berekenen bij kunstmest de emissies inclusief productieproces en transport tot eindafnemer en toepassing. Bij dierlijke mest wordt gerekend inclusief opslag en bewerking, toediening, transport en indirecte lachgasemissies door emissies van ammoniak en nitraat. Bijlage 1 geeft een overzicht van de broeikasgasemissies tijdens productie, transport, opslag en mestbewerking, toediening en de indirecte emissies. Uitgangspunt hierbij is dat dierlijke mest emissiearm wordt toegediend. Voor dunne mest betekent dat bouwlandinjectie en voor vaste mest en de dikke fractie oppervlakkige toediening met onderwerken in één werkgang. Tabel 1: Totale emissie van broeikasgassen (in kg CO 2 -eq.) voor bewerkte en onbewerkte mest. (Postma et al., 2013). Per 1000 kg mest Per 1000 kg bewerkte mest Per kg Nt Per kg Nw Per kg P 2 O 5 KAS TSP Runderdrijfmest Varkensdrijfmest MC varkensmest MC rundermest digestaat MC varkensmest digestaat Postma et al. (2013) kennen ook de energieproductie uit mest toe aan het mineralenconcentraat bij covergisting. Hierdoor wordt aan mineralenconcentraat uit digestaat van varkens- en rundermest een negatieve emissie toegekend. Dit lijkt niet juist: mest (de basisstof voor covergisting) is een reststof uit de zuivel- en vleessector. De waarde van deze mest is in feite nul (mestafzet kost geld), dus de energieproductie moet worden toegerekend aan de zuivel- en vleesproductie. Postma et al. (2013) doen dat niet. We maken daarom een aanpassing in de berekening van Postma et al. (2013), waarbij 2

3 we de emissies bij opslag en mestbewerking bij covergisting op nul zetten; deze emissies rekenen we toe aan de zuivel- en/of de vleessector. Deze aangepaste cijfers staan weergegeven (in kg CO 2 per kg Nw) in onderstaande tabel. Bij covergisting ontstaat een restproduct dat wordt opgewaardeerd tot mineralenconcentraat. Deze productiestap voegt waarde toe aan het product. Alle emissies tot en met de omgekeerde osmose worden door Postma et al. (2013) toegerekend aan het mineralenconcentraat en niet aan het permeaat (restant na omgekeerde osmose). Dit is terecht (op basis van economische allocatie) als permeaat geen waarde heeft. Deze aanname lijkt juist: permeaat wordt soms op het eigen bedrijf gebruikt, bijvoorbeeld als spoelvloeistof, of wordt geloosd op het riool of oppervlaktewater. Tabel 2. Aanpassing cijfers Postma et al. in kg CO 2 per kg Nw; emissies opslag en mestbewerking zijn buiten beschouwing gelaten MC Rundermest digestaat MC Varkensmest digestaat Postma aanpassing Postma aanpassing Stap in proces N P 2 O 5 N P 2 O 5 N P 2 O 5 N P 2 O 5 Opslag en mestbewerking -40,5-668, ,1-839,9 0 0 Transport 2,35 38,75 2,35 38,75 3,99 46,50 3,99 46,50 Toediening 10,9 179,0 10,9 179,0 11,0 128,7 11,0 128,7 Indirecte emissies 0,0 0,32 0,0 0,32 0,0 0,22 0,0 0,22 TOTAAL Kostprijs van het product De gemiddeld betaalde prijs voor het mineralenconcentraat was 1,25 per ton in 2009 en 1,19 in 2010 per ton, maar er is een grote variatie (Velthof, 2011). De waarde van de stikstof en kalium in het concentraat op basis van kunstmestprijzen is veel hoger ( 12 per ton MC, indien zowel werkzame stikstof als kalium worden gewaardeerd, exclusief toedieningskosten) dan wat gemiddeld door de gebruikers voor het mineralenconcentraat werd betaald. De lagere stikstofwerking van het concentraat dan KAS, de hogere kosten voor het uitrijden en de relatie die nog wordt ervaren met de prijzen van drijfmest, maken dat de meeste afnemers (nog) niet bereid zijn de van kunstmest afgeleide prijs voor de geleverde nutriënten te betalen. Urean Wat is urean? Urean is een vloeibare meststof die met landbouwspuiten of spaakwielinjecteurs wordt toegepast. Het product is normaliter een 50:50 mengsel van ureum en ammoniumnitraat opgelost in water. Urean heeft een verzurende werking. CO 2 en ook N 2 O komen vrij tijdens de productie van urean. Systeemgrenzen Tabel 3 geeft een overzicht van de emissies (CO 2 -eq.) als gevolg van de productie en het gebruik van urean (=UAN). De Haas en Van Dijk (2010) geven een literatuuroverzicht van de geschatte emissies bij aanwending van urean bij inwerken. Eén literatuurbron geeft een emissie van 8,0 kg CO 2 -eq/kg N. Een andere bron gaat in op het onderscheid bij emissie bij oppervlakkige toediening en na inwerken. Na inwerken zou de lachgasemissie 1,6 maal de emissie na toediening van KAS zijn. Dit komt neer 3

4 op circa 7,5 kg CO 2 -eq/kg N. Bij oppervlakkige toediening van urean zou de lachgasemissie bij aanwending 15 maal groter zijn dan bij aanwending van KAS. Dit laten we hier buiten beschouwing; we gaan uit van emissiearme aanwending. Als oorzaak voor de hogere emissies dan bij aanwending van KAS wordt de hoge ph genoemd. De cijfers van De Haas en Van Dijk (2010) zijn gebruikt als basis voor de berekening van de emissies bij productie en aanwending van urean. Uitgangspunt voor de berekening is dat urean (met 32% N) een 50/50-mengsel is van ureum (met 35%N) en ammoniumnitraat (met 46%N), verdund met water: Productie: De gemiddelde totale emissie bij de productie van urean is 3,0 kg CO 2 /kg N (bron: Fertiliser Europe, 2013/2014) Transport: urean kent een hoog N-gehalte. Dit maakt dat de emissies bij transport per kg N klein zijn (naar schatting circa 0,05 kg CO 2 /kg N). Aanwending: o 0,25 kg CO 2 -emissie/kg product (bron: EFMA). Dit komt overeen met 0,78 kg/kg N o Indirecte lachgasemissie 1 : 1,47 kg CO 2 -eq/kg N o Directe lachgasemissie: 4,41 kg CO 2 -eq/kg N Bemesting met ureum (als onderdeel van urean) vereist aanvullende bekalking, omdat ureum verzuring van de bodem tot gevolg heeft. Emissies hiervan bedragen 0,36 kg CO 2 /kg ureum. Dit komt overeen met 0,39 kg CO 2 /kg N in urean. De totale emissies van urean komen hiermee op 10,05 kg CO 2 -eq/kg N. Bij toepassing van urean treden 10% hogere verliezen op dan bij toepassing van KAS. 1 kg N in KAS moet daarom worden vergeleken met 1,1 kg N uit urean. De totale emissie van 1,1 kg N uit urean bedraagt 1,1 * 10,05 = 11,1 kg CO 2 -eq/kg N in KAS. Tabel 3. CO 2 -eq emissie/kg N van urean bij productie en bij aanwending Samenstelling productie Aanwending CO 2 Aanwending N 2 O indirect Aanwending N 2 O direct bekalking TOTAAL Urean/ UAN 32% N 3,0 kg/kg N 0,78 kg/kg N 1,47 kg/kg N 4,41 kg/kg N 0,39 kg/kg N 10,05 Bronnen: Fertiliser Europe (2013/2014) en De Haas en Van Dijk (2010). Spuiwater Wat is spuiwater (spuiloog)? Spuiwater is het afvalwater van een (chemische) luchtwasser. Het is een ammoniumsulfaathoudend product dat sterk verzurend werkt. De gemiddelde samenstelling van spuiwater is 40 kg stikstof (N) en 50 kg zwavel (S) per ton. Het type en de sturing van de luchtwasser beïnvloedt de kwaliteit van het spuiwater. Systeemgrenzen De productie van spuiwater heeft niet als doel dit product te produceren, c.q. de waarde van de spuiwater te verhogen. Het doel van het proces is ammoniak af te vangen en zo de ammoniakemissie 1 Dit zijn gewogen gemiddelden van indirecte en directe lachgasemissies bij aanwending van 50%-N-ureum en 50%-N-ammoniumnitraat. Als de aanname is dat urean voor 50% uit ureum (i.p.v. de N in ureum) en voor 50% uit ammoniumnitraat bestaat, wijken de cijfers iets af, en komt de totale emissie van urean 2% hoger uit. 4

5 te beperken. Het is dan ook reëel de productiestap niet toe te kennen aan de spuiwater maar aan de veehouderijtak waar de luchtwasser is geplaatst. Milieutechnische aspecten van spuiwater De productie van spuiwater valt niet binnen onze systeemgrenzen. Vraag is dus wat emissies zijn bij transport en bij de aanwending. Om een schatting te maken van de emissie bij transport van spuiwater, baseren we ons op emissiecijfers (uitgedrukt per kg N) van transport van dierlijke mest. Omdat spuiwater een circa 10 maal hoger Nmin-gehalte kent dan varkensdrijfmest (respectievelijk 40 en 4,2 kg/ton), schatten we de emissies op 10% van de emissies bij transport van varkensdrijfmest, d.w.z. 0,4 kg CO 2 /kg N. Spuiwater is een vorm van ammoniumsulfaat. Cijfers van de emissies van ammoniumsulfaat kunnen de basis vormen voor een schatting van de emissies bij toepassing van spuiwater. D.w.z.: Emissiefactor van ammoniumsulfaat op bouwland is 0,8 (d.w.z. 0,8% van de kg N 2 O-N als percentage van de N-bemesting) en op grasland 1,3%. Zo komt men tot een gewogen gemiddelde emissiefactor van 3,6 kg CO 2 -eq per kg N (De Haas & Van Dijk, 2010; blz 50). Dit is een lagere emissie dan de emissie van aanwending van KAS (4,7 kg CO 2 -eq per kg N volgens Postma et al., 2013). Verklaring hiervoor is dat ammoniumhoudende kunstmesten lagere lachgasemissies bij aanwending geven dan nitraathoudende kunstmestsoorten (Vlaar et al., 2008). De lachgasemissie van ammoniumhoudende meststoffen kan sterk variëren in verschillende omstandigheden. Onder koude en droge omstandigheden is de lachgasemissie lager dan onder natte omstandigheden. Toevoeging van een nitrificatieremmer aan ammoniumsulfaat beperkt de lachgasemissie verder, omdat daarmee de omzetting van ammonium naar nitraat wordt stopgezet. Ook de toedieningstechniek heeft invloed op de lachgasemissie. Het injecteren van ammoniak in een vochtige, diepere laag kan leiden tot een hogere lachgasemissie (Velthof en Hummelink, 2011). Daarentegen is de diffusieweg naar de atmosfeer bij diepere plaatsing ook groter, waardoor de kans op lachgasemissie kleiner wordt. Hoe de balans zal zijn hangt sterk af van de lokale omstandigheden (De Haas & Van Dijk, 2010). Dit blijkt ook uit resultaten van Mosquera et al. (2007). Zij hebben verschillende studies met elkaar vergeleken waarin de lachgasemissie bij aanwending van ammoniumsulfaat werd weergegeven. Er werd een grote variatie in resultaten gevonden. De hier gebruikte emissiefactor is een gemiddelde waarde van al deze studies. Bemesting met spuiwater vereist aanvullende bekalking, omdat het verzuring van de bodem tot gevolg heeft. We gaan hierbij uit van eenzelfde niveau als bij urean: 0,39 kg CO 2 /kg N. De totale emissie bij toepassing van spuiwater komt hiermee op 4,4 kg CO 2 /kg N. Struviet Wat is struviet? Rioolwaterzuivering moet fosfaat uit rioolwater halen om aan de lozingseisen te kunnen voldoen. Een mogelijkheid hiervoor is door middel van het vormen van struviet (magnesiumammoniumfosfaat, (NH 4 )MgPO 4 6(H 2 O) ). Struviet slaat neer door magnesiumhydroxide toe te voegen. Struviet kan worden gebruikt als grondstof voor kunstmest. Systeemgrenzen 5

6 Ponsioen (2011) berekent de broeikasgasemissies van struviet. Uitgangspunt hierbij is dat struviet geen economische waarde heeft en daarmee dus niet als co-product wordt gezien. Daarom wordt alleen het proceswater als input gezien en het struviet als enige product. Als struviet wel een duidelijke economische waarde heeft, zou een deel van de emissies die bovenstrooms in de keten plaatsvinden aan struviet moeten worden toegerekend, bijvoorbeeld op basis van economische allocatie. Milieuaspecten van struviet Ponsioen (2011) berekent dat de productie en het transport van het struvietproduct gepaard gaat met een broeikasgasemissie van 0,21 kg CO 2 -eq. De massafractie van fosfor (P) is 0,126 kg per kg struviet en de massafractie van stikstof is 0,057 kg N per kg struviet. De emissies van productie en transport zijn dus: 0,21 kg CO 2 -eq / 0,057 kg N = 3,7 kg CO 2 / kg N 0,21 kg CO 2 -eq / 0,126 kg P = 1,7 kg CO 2 / kg P Hierbij is de nuancering op zijn plaats dat struviet zal worden aangewend als P-kunstmest. Het N- gehalte is laag. Als de emissies volledig aan de stikstof worden toegekend, geeft dit hoge waarden. Om hiervoor te corrigeren passen we economische allocatie toe. Zie tabel 5. Emissies bij aanwending van struviet: Postma et al. (2013) gaat uit van de volgende aannames: - bij toediening is de CO 2 -emissie (brandstof) 4,4 kg CO 2 /1000 kg product, d.w.z. 0,03 kg CO 2 / kg P of 0,08 kg CO 2 /kg N - daarnaast is er een lachgasemissie van N-houdende kunstmestsoorten. Struviet is een ammoniumhoudende meststof. We gaan daarom uit van eenzelfde emissie als bij aanwending van spuiloog: 3,6 kg CO 2 /kg N, oftewel 0,2 kg CO 2 /kg struviet. De totale emissie van struviet in korrelvorm komt daarmee op: 3,7 (bij productie en transport) + 0,08+ 3,6 (bij aanwending) = 7,4 kg CO 2 -eq/kg N 1,7 (bij productie en transport) + 0,03 + 0,2 kg CO 2 /0,126 kg P per kg struviet (bij aanwending) = 3,3 kg CO 2 -eq/kg P. Struviet kan ook als suspensie worden aangewend. De granulatiestap is dan niet nodig. Ponsioen (2011) geeft aan dat deze granulatiestap 0,09 kg CO 2 per kg struviet bedraagt. De emissie bij productie en transport wordt hiermee: (0,21 0,09) kg CO 2 -eq / 0,057 kg N = 2,11 kg CO 2 / kg N (0,21 0,09) kg CO 2 -eq / 0,126 kg P = 0,95 kg CO 2 / kg P De totale emissie van struviet als suspensie komt daarmee op: 2,11 (bij productie en transport) + 0,08+ 3,6 (bij aanwending) = 5,8 kg CO 2 -eq/kg N 0,95 (bij productie en transport) + 0,03 + 0,2 kg CO 2 /0,126 kg P per kg struviet (bij aanwending) = 2,6 kg CO 2 -eq/kg P. Samenvattend overzicht 6

7 In onderstaand overzicht wordt de milieubelasting uitgedrukt per kg N en per kg P. Hierbij is voor sommige producten een omrekening gemaakt van kg fosfaat naar kg fosfor. Er is voor gekozen het uit te drukken in kg fosfor, omdat in struviet de fosfor niet in de vorm van P 2 O 5 is gebonden. In de laatste twee kolommen is de emissie economisch gealloceerd naar N en naar P. Dit houdt in dat per mestsoort de waarde van het product is geplitst in N-waarde en P-waarde en vervolgens is in deze verhouding de emissie over N en P verdeeld. Hierbij vormen de prijs van KAS (27% N) en TSP (46% P 2 O 5 ) de basis voor de berekening. Prijzen bedragen respectievelijk 0,96/kg N en 1,79/kg P. Een kg fosfor is bijna tweemaal zo duur als een kg N. Dit is terug te vinden in de economische allocatie; de gealloceerde emissie per kg P is bijna tweemaal zo hoog als de emissie per kg N. Figuur: Emissie per stap (per kg Nw, volledig toegekend aan N) Tabel 5. Samenvattend overzicht van broeikasgasemissies in kg CO 2 -eq van verschillende mestsoorten en alternatieven. Emissie volledig toegekend aan N of P Economische allocatie Per kg Nw Per kg fosfaat Per kg P Per kg N Per kg P KAS TSP 0,8 1,8 1,8 Runderdrijfmest Varkensdrijfmest MC varkensmest MC varkensmest digestaat MC rundermest digestaat

8 Urean Spuiwater 4, ,4 spuiloog Struviet (korrel) 7,4-3,3 1,4 2,7 Struviet (suspensie) 5,8-2,6 1,1 2,1 Conclusies: Urean heeft eenzelfde emissie tot gevolg als KAS. Mineralenconcentraat heeft lagere emissies per kg Nw dan drijfmest. Als het wordt uitgedrukt per kg P zijn de emissies hoger, omdat het P-gehalte van mineralenconcentraat relatief laag is. Dit wordt gecorrigeerd door de economische allocatie; dan geeft mineralenconcentraat ook per kg P lagere emissies dan drijfmest. Spuiwater heeft de laagste emissies per kg werkzame N van alle onderzochte mestsoorten en alternatieven, omdat het een restproduct is van de veehouderij (waarbij alle emissies bij productie worden toegerekend aan de veehouderij). Ook struviet heeft lage emissies. Struviet bevat zowel N als P. Na economische allocatie naar N en P van de emissies komt struviet als product met de laagste emissies naar voren. Literatuur Haas, M.J.G. de, T.A. van Dijk (2010) Inventarisatie klimaatvriendelijke kunstmest. NMI bv. -%20Rapport%20-%20november% pdf Mosquera, J., J.M.G. Hol, C. Rappoldt, J. Dolfing (2007) Precise soil management as a tool to reduce CH4 and N2O emissions from agricultural soils. ASG-Wageningen UR. Ponsioen, Tommie (januari 2011) Carbon footprint van struviet en gangbare kunstmest. Blonk Milieuadvies. Postma, Romke, Debby van Rotterdam-Los, René Schils, Kor Zwart, Peter van Erp (2013) Inventarisatie, toepasbaarheid en klimaateffecten van producten van mest. Masterplan Mineralenmanagement. Velthof, G.L., Synthese van het onderzoek in het kader van de Pilot Mineralenconcentraten. Wageningen, Alterra, Alterra-rapport blz.; 5 fig.; 14 tab.; 20 ref. ( Velthof en Hummelink (2011) Ammoniak- en lachgasemissie na toediening van mineralenconcentraten. Resultaten van laboratoriumproeven in het kader van de Pilot Mineralenconcentraten. Alterra-rapport

9 Vlaar, L.N.C., P.C. Leendertse, A. Kool, B. Luske (2008) Emissiereductie van broeikasgassen in open teelten, ontwikkeling van een klimaatmodule voor het Miliekeurschema Plantaardige Producten. CLM en Blonk. Wood, S. & Cowie,A, A Review of Greenhouse Gas Emission Factors for Fertiliser Production. 9

10 Bijlage 1: Broeikasgasemissies mineralenconcentraat Tabellen uit Postma et al.,

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 Bijlage 2: Samenstelling meststoffen Tabellen uit Postma et al.,

17 17

18 Tabel 3: Samenvatting van werkingscoefficient en het lot van de niet-werkzame stikstof uit mineralenconcentraat (Velthof, 2011) 18