Biogas: De oplossing voor het energie probleem?

Transcriptie

1 Biogas: De oplossing voor het energie probleem? Jordy Ghequière Lula Timmerman Arne Deschepper Natuur en Wetenschap vzw

2 Inhoudstabel Inhoudstabel... 1 Inleiding... 2 Hypothese... 3 Biogasproductie : theoretische benadering De bestanddelen van biogas Het produceren van biogas op grote schaal Rendement van biogas Toepassingen van biogas op grote schaal... 6 Kiruhura: een case study Scholenbanden project Het productieproces in Kiruhura... 8 Biogas in België en de rest van de wereld: enkele cijfers... 8 Biogas en Duurzaamheid... 9 Economische aspect ( Profit )... 9 Ecologisch aspect ( Planet ) Sociaal aspect ( People ) Besluit Geraadpleegde bronnen

3 Inleiding In deze wetenschappelijke uiteenzetting gaan we biogas bespreken. Zoals iedereen al weet is er een groot probleem met de opwarming van de aarde. Iedereen zoekt wel een oplossing voor dit probleem. Ook weten we ondertussen dat de grondstoffen die we nu gebruiken niet onuitputtelijk zijn: aardgas, aardolie en dergelijke meer. Om de opwarming van de aarde in te perken, moeten we de uitstoot aan broeikasgassen verminderen. Omwille van het feit dat fossiele energiebronnen uitputbaar zijn, werden reeds een aantal mogelijke oplossingen voorzien: het gebruik van windenergie, zonne-energie, stuwenergie, de productie van biogas enzovoort. Wij gaan het vooral hebben over biogas. Over dit onderwerp weten wij niet zoveel dus gaan we op zoek naar antwoorden op bepaalde vragen: Wij zouden bijvoorbeeld graag willen weten wat biogas nu eigenlijk is? Waaruit bestaat biogas, welke elementen bevat het en wordt het reeds op grote schaal gebruikt? De prijzen van de brandstoffen die we nu gebruiken stijgen steeds meer en meer. Bovendien zijn voorraden van de olie en andere grondstoffen aan het minderen, dus zullen we wel voor een oplossing moeten zoeken. Daarom hebben we de volgende vraag: Kunnen we al onze grondstoffen die we nu gebruiken vervangen door biogas? Met andere woorden zou biogas een oplossing kunnen zijn voor het energieprobleem? Men dacht vroeger ook dat aardgas e.d. geen kwaad kan voor het milieu maar wat blijkt, dat we er nu achter komen dat het wel gevaarlijk is. Daarom vragen we ons af: Of biogas echt wel ongevaarlijk voor het milieu en kunnen we het altijd gebruiken, of zal er ooit een dag komen waarop men zal zeggen dat biogas toch uitputbaar is en slecht voor het milieu schijnt te zijn? Nog een laatste vraag waar wij graag een antwoord op zouden willen is: kunnen we biogas ook nog voor iets anders gebruiken dan enkel energie opwekken? 2

4 Hypothese In verband met sommige vragen hebben wij al een bepaald idee. Wij weten bijvoorbeeld dat biogas een gasmengsel is van methaan en koolstofdioxide en nog andere stoffen maar ze zijn aanwezig in verwaarloosbare hoeveelheden. We formuleren daarom enkele hypothesen: -We denken dat het probleem van het versterkt broeikaseffect zal verminderen door het gebruik van biogas op onze Aarde. We veronderstellen dat biogas minder schadelijk zou zijn voor het milieu en dus zou deze energiebron het versterkt broeikaseffect kunnen verminderen. We vrezen echter dat dit gas het effect niet volledig kan tegenhouden. -Biogas lijkt ook één van de goedkoopste brandstoffen. Men veronderstelt dat biogas voor allerlei toepassingen gebruikt kan worden, maar voorlopig weten de meeste mensen enkel dat biogas bestaat. Bovendien is het handig dat iedereen weet dat het kan gebruikt worden als energiebron.. Biogasproductie : theoretische benadering 1. De bestanddelen van biogas Biogas is een gas afkomstig van de vergisting van biomassa. Biomassa is gewoon een selectie van diverse organische materialen: mest, rioolslib of huisvuil (stortgas). Welke materialen worden gebruikt is cruciaal voor het rendement van de biogasproductie. diersoort water organische stof stikstof fosforzuur kalium paard rund Tabel 1. De gemiddelde samenstelling van feces van runderen en paarden (g/kg) (Wikipedia, biogas). Biogas is een mengsel dat hoofdzakelijk bestaat uit 50 tot 75% methaan (CH 4 ), koolstofdioxide (CO 2 ) en waterdamp (H 2 O) (zie tabel bijgevoegd); CH % CO % H 2 O 2-7% N 2 0-2% H 2 0-1% H 2 S 0-2% Tabel 2. Samenstelling biogas ( 3

5 2. Het produceren van biogas op grote schaal Er bestaan verschillende mogelijkheden om biogas te produceren. Zo hebben we de industriële productie op grote schaal en het proces op kleine schaal zoals gebeurt in Kiruhura, een Rwandese school waarmee we een scholenband hebben. In beide gevallen starten we altijd met meststoffen of andere organische materialen. De vorming van biogas is een volledig biologisch proces waarbij de mens geen enkele inspraak heeft omdat het in de natuur vrij voorkomt. Denk maar aan de gasproductie in een moeras. We bespreken nu het algemeen principe van de vorming van biogas. Het is een anaërobisch proces dat men zou kunnen omschrijven als fermentatie omdat een hele reeks micro-organismen zorgen voor de omzettingen. De productie gaat als volgt: verschillende bacteriën breken samen organisch materiaal af zoals dode bladeren, takken die zijn afgevallen door een storm,... Deze afbraak gebeurt in zuurstofloze omstandigheden en verloopt sneller bij verhoogde temperatuur. De optimale temperatuur ligt tussen C (mesofiel proces) of 55 C (thermofiel proces). Bij het mesofiele proces is er minder kans op verstoringen maar door de lagere temperatuur kunnen schadelijke bacteriën overleven. Het thermofiele proces is daarvoor beter geschikt. De anaërobe bacteriën die verantwoordelijk zijn voor het proces behoren tot de oudste levende wezens op aarde. Ze ontstonden ongeveer 3 à 4 miljard jaar geleden toen er nog geen zuurstof in de atmosfeer aanwezig was. Deze methanogene bacteriën zijn nog altijd aangewezen op een plaats waar er geen zuurstof is. Denk maar aan moerassen, op de bodem van zeeën, meren en oceanen of in de magen van een koe, in rijstvelden of op stortplaatsen. Het eigenlijke proces bestaat uit 4 essentiële fermentatieprocessen waarbij verschillende micro-organismen actief zijn tijdens de verschillende stappen. 1. Hydrolyse: hierbij gebeurt de omzetting van complex onopgelost organisch materiaal naar aminozuren, suikers, alcoholen en hogere vetzuren. Dit proces is algemeen een zeer traag proces. Het wordt gekatalyseerd door meerdere enzymen Verzuring: zetten de afvalstoffen van hydrolyse om in een reeks eenvoudige verbindingen. Hierbij worden vele zuren gevormd (vb. melkzuur, boterzuur, propionzuur). Acetogenese: de vluchtige vetzuren worden verder omgezet tot azijnzuur, waterstofgas en koolstofdioxide. Methanogenese: hierbij wordt onze uiteindelijke methaan en koolstofdioxide gevormd. Als nevenproducten heeft men nog enkele gassen (zie tabel 2). Op de volgende pagina wordt een overzicht gegeven van het gehele proces. 4

6 Figuur 1. Stappen in het productieproces van biogas. 5

7 3. Rendement van biogas In een standaardtank is de opbrengst %. Dit betekent dat ongeveer de helft van de vergistbare biomassa wordt omgezet. De restanten (het digestaat genoemd) kan men steeds gebruiken als meststof. Het bevat immers nog veel bruikbare organische verbindingen. Ook zit er nog heel wat van de elementen stikstof (N) en fosfor (P) in dit mengsel. Deze laatste zijn zeer nuttig voor de planten! Allicht heeft men in Kiruhura zulke opbrengsten. Bij gespecialiseerde installaties kan het rendement oplopen tot 90 %. Momenteel blijkt het best scorende gewas energiemaïs te zijn. Ze is goed voor 25MWh elektriciteit per hectare. Dit betekent eigenlijk dat er voor 6 gezinnen gedurende 1 jaar elektriciteit voorzien kan worden. Algemeen lezen we dat het rendement van biogas veel hoger ligt dan dat van bio-ethanol. 4. Toepassingen van biogas op grote schaal Het biogas uit de anaërobe vergisting kan onder vrijwel alle vormen van energie benut worden: De thermische energie. De productie van biogas kan een warmtenetwerk voeden onder de vorm van warm water, stoom of hete lucht, voor het drogen of verwarmen. De elektrische energie. Biogas kan een gasmotor of een gasturbine voeden voor het maken van elektriciteit. De warmtekrachtkoppeling. Van biogas is het mogelijk om tegelijkertijd twee vormen van direct bruikbare energie te produceren: elektrische energie en thermische energie. Warmtekrachtkoppeling is een energie productiesysteem op hoog rendement (tussen 80% en 90%). Transportbrandstof. Na een zuiveringsproces levert biogas een uitstekende brandstof voor voertuigen. We vonden een grootschalig project in Nederland waarbij biogas verbeterd wordt en gebruikt wordt als brandstof voor de tractors. Figuur 2. Voorbeeld gebruik van biogas als transportbrandstof in de landbouw (Nederland). 6

8 Kiruhura: een case study 1. Scholenbanden project We hebben een langdurend project met een school in Kiruhura (Rwanda). De volledige naam van de school is Ecole Secondaire de Kiruhura. Op deze school wordt het gebruik van biogas sterk gestimuleerd. Het vrijgekomen gas wordt gebruikt om te koken. Om deze reden hebben wij, los van onze zelfinteresse, voor dit onderwerp gekozen. De leerlingen leren hoe ze uit biogas energie kunnen winnen. We sommen op waarom de school voor biogas heeft gekozen: Het heeft een economisch voordeel, want het is goedkoper. Door de installatie moet de school minder hout aankopen voor de vuren in de keuken. Bovendien is de kooktijd van de bonen (belangrijkste voedingsbron) enorm verminderd omdat men ze reeds voorgekookt aankoopt tegen een gunstige prijs. In totaal geeft men nu minder geld uit dan voordien. De aankoop van zo n installatie is redelijk duur, maar het onderhoud ervan is te verwaarlozen. Dus dat is nog een reden voor het kopen van zo een installatie. Bovendien werd de installatie deels gesponsord. Het heeft een belangrijk ecologisch voordeel. De resten van de organische bestanddelen ( digestaat ) gooit men op de moestuin. Bovendien helpt de school het enorme erosieprobleem verminderen. Doordat men vroeger energie uit de verbranding van hout kon halen, kapte de bevolking veel bomen. Dit zorgde ervoor dat het probleem bodemerosie ontstond. Vruchtbare grond spoelde weg. Dat zorgde ervoor dat men een veel minder goede oogst konden binnen halen. En hieruit ontstond er een gebrek aan voedsel met als volgt, veel meer sterfte door hongersnood. De leerlingen leren over het gebruik van uitwerpselen om energie te bekomen. Dit geeft een sociaal voordeel. Figuur 3. Schema van een kleinschalige biogasinstallatie zoals die in Kiruhura gebeurt. 7

9 2. Het productieproces in Kiruhura Het produceren van biogas in Kiruhura gaat zoals bij elk proces via anaërobe vergisting. De mest van de koeien en de mensen wordt verzameld in een groot vat. De uitscheiding van de koeien komt via bovengrondse greppels in het vat terecht. Bij de uitwerpselen van de mens gebeurt dit ondergronds via een buizensysteem. En dan start het proces in het vat. Als het proces op gang is, komt dus het biogas vrij dat via een buizensysteem in de keuken terecht komt. Natuurlijk blijft er niet alleen biogas over na het proces, maar er komen ook nog extra meststoffen vrij. Deze stoffen die rijk zijn aan fosfor en stikstof gebruiken zij dan nog eens voor hun moestuin. Dus bij dit proces worden letterlijk al hun overschotten gebruikt, wat zeer efficiënt is en goed is voor het milieu. Bij dit proces wordt over het algemeen evenveel CO 2 verwerkt via de fotosynthese als er geproduceerd wordt. Biogas in België en de rest van de wereld: enkele cijfers In België neemt de bouw van biogasinstallaties momenteel sterk toe door gunstige ondersteuningsmaatregelen. Er zijn onder andere installatie op sites in Leuven (Interbrew), Dendermonde (Oudegem Papier), Ardooie (Unifrost), Wevelgem (Alpro), Quévy (Vanheede). In 2011 werken er in Vlaanderen 29 biogasinstallaties. Samen zijn ze op jaarbasis goed voor een totaal elektrisch vermogen van 38 megawatt, omgerekend is dat genoeg voor de elektriciteitsvoorziening aan gezinnen. Naast de 29 werkende biogasinstallaties zijn er op dit ogenblik nog 23 andere installaties vergund. Door reiniging van biogas kunnen we de kwaliteit verhogen en zo kunnen we in plaats van warmte krachtcentrales en autobrandstof het verbeterde biogas gebruiken. In Nederland gebruikt men het biogas ook in het aardgasnet. In dit geval kan de grote aanwezigheid van koolstofdioxide flink verminderd worden. Niet alleen bij ons, maar ook in andere landen wordt er hard geïnvesteerd in biogas. Bijvoorbeeld Denemarken. Daar is men al bezig met investeren in alternatieve energiebronnen sinds het begin van de 20e eeuw. De voornaamste reden blijkt dat men daar niet meer enkel afhankelijk wil zijn van fossiele brandstof. In ontwikkelingslanden zien we voornamelijk kleinschalige projecten zoals het voorbeeld van Kiruhura. De redenen waarom men in deze landen een installatie heeft zijn voor de hand liggend en zijn net dezelfde als die van Kiruhura. Zo vonden we een gelijkaardig kleinschalig project in Nepal. In Brazilië heeft een internationale advies- en ingenieursonderneming ARCADIS een grootschalig biogasproject ontwikkeld op de grote stortplaats in Sao Paulo. Het methaangas dat vrijkomt uit het huishoudelijk afval wordt er opgevangen en gebruikt als brandstof voor een energiecentrale. De opgewekte elektriciteit bereikt gezinnen. De onderneming kan uiteraard de verwerkte hoeveelheid methaangas laten meetellen voor het verminderen van de CO 2 uitstoot zoals het Kyoto protocol voorschrijft. 8

10 Biogas en Duurzaamheid Vermits we ons afvragen of biogas de oplossing is voor ons energieprobleem, willen we even kijken naar de haalbaarheid van biogas op vlak van duurzaamheid. Willen we in de toekomst onze planeet voor de volgende generaties leefbaar houden dan moeten we kijken naar drie aspecten: ecologie, economie en het sociale. We bespreken kort elk aspect ervan voor de productie van biogas. Figuur 4. De drie aspecten van een duurzame ontwikkeling. Economische aspect ( Profit ) -Ter vervanging van andere energiebronnen (fossiele en nucleaire). België haalt ongeveer 55 % van zijn energie uit kerncentrales. Verder wordt 42 % gehaald uit fossiele bronnen. Dit laat maar 3 % over voor de alternatieve markt. Door de beperkte oppervlakte is een uitbreiding van duurzame energie uit windmolens of zonnepanelen eerder beperkt. Volgens professor Eric Meers (UGent) kan de bouw van 40 biogasinstallaties die samen een equivalent van 100 megawatt zouden produceren haalbaar zijn. Hierbij kan men 10 % van de Belgische gezinnen elektriciteit geven. Men moet dan ook wel zoeken naar een exportmogelijkheid voor de resten want we hebben niet voldoende grond over in ons land. -Biogas blijkt minder gevoelig te zijn voor prijsvariaties dan fossiele brandstoffen. Dit betekent vermindering van energetische kosten op korte, middellange en lange termijn. -Momenteel kan men gemakkelijk subsidies krijgen voor het bouwen van een biogasinstallatie. Er wordt wel nagegaan of de investering ecologisch verantwoord is. -Er is de mogelijkheid om overtollige energie te verkopen. Indien men op grote schaal biogas zou kunnen produceren kan men het exporteren. Het veilig transport ervan blijft een probleem. 9

11 Ecologisch aspect ( Planet ) -Het verminderen van uitstoot die als gevolg het versterkt broeikaseffect heeft. Methaangas wordt gebruikt als energiebron en koolstofdioxide kan terug opgenomen worden door de planten. in vergelijking met natuurlijk gas, is biogas CO 2 -neutraal. Het bevrijdt dus evenveel CO 2 als de biomassa geabsorbeerd heeft als hernieuwbare grondstof. -Als energiebron is biogas onuitputbaar en steeds voorradig. Sociaal aspect ( People ) -Elk land lijkt een andere realiteit te hebben. De installatie in Kiruhura is haalbaar en interessant voor de mensen daar. Het is als het ware gebouwd uit noodzaak. Het betekent voor hen bovendien niet alleen een ecologisch en economisch voordeel maar ook een sociaal voordeel. Het sociale aspect heeft een educatief karakter. De leerlingen leren op welke manier men relatief eenvoudig energie kan halen uit biomassa. Allicht geven ze snel die kennis door in hun dorp. Zo vernamen we dat deze installaties veel succes hebben: we zien ze in scholen, dispensaria en andere kleine bedrijfjes. -In België daarentegen lijkt de realiteit anders. Er blijken heel wat sociale hindernissen te bestaan. We zijn namelijk al heel wat luxe gewoon en willen van vele zaken geen afstand nemen. We willen wel de (economische het is goedkoop) voordelen van biogas maar we willen de lasten niet. We lijken hier te maken te hebben met het fameuze NIMBY-syndroom: zoals we geen zendermast in onze tuin willen maar toch allen minstens één GSM hebben, zo willen we onze mooie tuinen niet inruilen voor een biogasinstallatie die veel stank geeft! Besluit We denken te mogen besluiten dat biogas een bepaalde toekomst heeft: Op technisch vlak blijken we reeds veel vooruitgang te hebben geboekt: -De productie van biogas blijkt in een gecontroleerde installatie veilig te zijn. -Men kan nog verder onderzoeken hoe de rendementen kunnen verhogen bij bepaalde installaties. Momenteel ziet men in Europa grootschalige projecten die worden opgestart. Bedrijven worden hierbij gestimuleerd via het verkrijgen van allerlei subsidies. In België echter merken we dat er minder biogasinstallaties zijn dan in onze buurlanden. Eén van de voornaamste redenen lijkt het gebrek aan oppervlakte. We leven met veel mensen in een klein land en kunnen geen extra ruimte voorzien voor de installatie. Er is veel plaats nodig voor de installatie zelf maar ook indien men de overgebleven organische resten wil verwerken. Een mogelijke oplossing zou zijn om die overschotten als meststoffen te exporteren, maar we zitten reeds jaren met een mestoverschot in de landbouw! -Aan de hand van ons opzoekwerk en case study denken we echter dat kleinschalige biogasinstallaties haalbaar zijn in landen zoals Rwanda. Daar heeft men uit noodzaak zo een installatie geplaatst. De voordelen voor de school en het milieu zijn aangetoond: minder erosie door minder boskap, goedkoper voor de school, voordelig voor de moestuin door het verwerken van de resten als meststof! 10

12 We menen dan ook de conclusie te mogen trekken dat biogas mogelijks een aanvullende energiebron is. Alhoewel de bijdrage ervan bij ons zijn beperkingen heeft, kan het zijn plaats verwerven in de toekomst als alternatieve energiebron. Alle bestaande energiebronnen zal het allicht niet kunnen vervangen. We wensen nog iets belangrijks te besluiten: als mensen gebruiken we reeds zo veel energie. Misschien moeten we ook even stilstaan bij ons verbruik en proberen zuiniger om te springen met de bestaande energiebronnen. We zijn alvast op de goede weg door even stil te staan bij het energieprobleem! 11

13 Geraadpleegde bronnen - Internet: Bio-energie cluster ( ) Biogas in de wereld: ( ) Biogas International ( ( ) Duurzaamheid: ( ) Duurzaamheid en rendement van biogas: ( ) Figuur biogasinstallatie: ( ) Lees dit: biogas ( ) Methadev ( ) Rova ( ) Vergunningswijzer ( ) Toepassingen biogas: ( ) - Cd-roms: Techno-ki(d)ts, (biogas) van biomassa tot energie (cd-rom), 2007 K.A.M. Documentaire: een reis naar Rwanda (cd-rom), Boeken: DE FACQ, F., e.a., Leerboek Biologie 3, Uitgeverij De Boeck, Antwerpen, 2003, 136pp. 12