De Mestvergister
Dinsdag 29 december 2015
Inleiding
De Groene Rekenkamer krijgt veel vragen via ons contactformulier. Een hot item is de mestvergister. Vooral vanuit het onderwijs stelt men hierover regelmatig vragen. Wat is een mestvergister, wat doet hij nou precies en kan het gas zomaar in het openbare gasnet ingelaten worden?
In onderstaand artikel hopen we wat duidelijkheid te verschaffen. We pretenderen geen wetenschappelijk artikel maar antwoorden te geven op verschillende vragen.
De biogasvergister
De vergister is in principe een gasdichte, geïsoleerde, verwarmde en geroerde silo, waarin het biogas uit de biomassa wordt gewonnen. Aanvoer van mais en afvoer van digestaat (vergist product) verlopen in principe gelijktijdig en in gelijkblijvende hoeveelheden. In de wand van de vergister is een warmte-wisselaar geplaatst waarmee een gedeelte van de warmte van de gasmotor wordt overgedragen aan het substraat om deze op temperatuur te houden. Het substraat wordt op gezette tijden geroerd.
Het biogas wordt opgevangen in een gasopslag die zich boven de vergister bevindt. Bij grote vergistingsinstallaties wordt vaak een na-vergister geplaatst. In de na-vergister komen de laatste resten biogas uit de mest vrij. Het gas uit de hoofdvergister wordt via de na-vergister naar de warmtekrachtinstallatie (WKK) gevoerd.
Samenstelling van de biogasvergister
• Vergistingssilo. Een vergistingssilo bestaat uit een betonnen silo zoals die veelal voor de opslag van mest wordt gebruikt. De tank is goed geïsoleerd om het warmteverlies te beperken. Silo’s voor de vergisting dienen gasdicht afgedekt te worden. Voor de afdekking kan gekozen worden voor een vast dak of een folie. De afdekking kan hangend in de vergister geplaatst worden, boven de vergistende massa.
• Mengsysteem. Een mengsysteem (roerwerk) zorgt voor een gelijkmatige temperatuurverdeling binnen de vergister, een goede menging van het substraat, het voorkomen van drijf- en bezinklagen en het tegengaan van het ontstaan van schuimlagen (het ontgassen van de biomassa). Er is een scala aan technische uitvoeringsvormen voor een roerwerk. De meest eenvoudige typen zijn een verticale peddel, een dompelpomp of een hydraulisch systeem. Verwarmingssysteem. Het verwarmingssysteem (wandverwarming en/of bodemverwarming) dient om het substraat op de optimale temperatuur voor het vergistingsproces te houden. Het bestaat uit een warmtewisselaar, warmwaterleidingen, een waterpomp en een warmtebron.
• Pompen. Pompen worden gebruikt om het substraat de vergister in en het digestaat (vergiste mais) de vergister uit te pompen. Om zoveel mogelijk bezinkende deeltjes te verwijderen wordt de afvoerbuis nabij de bodem van de vergister bevestigd.
• Gasbehandeling. Het biogas bevat naast methaan en kooldioxide ook waterdamp en zwavelwaterstof . Het water condenseert bij afkoeling van het gas en wordt in vloeibare vorm afgevoerd. Het corrosieve zwavel¬waterstof wordt veelal biologisch verwijderd. Bij beluchting van het biogas in de vergistingstank tot een mengsel met enkele procenten zuur¬stof ontstaat een reactie met zwaveloxiderende bacteriën in de mest. Het zwavelwaterstof reageert hierbij tot elementair zwavel dat als vaste stof neerslaat in het digestaat. Het toevoegen van lucht aan een brandstof kan leiden tot een explosief mengsel. Bij biogas moet sprake zijn van een verdunning van 90 tot 95% lucht om tot een explosief mengsel te komen. De biologische ontzwaveling brengt een hoeveelheid lucht in het biogas die ongeveer 180 maal te klein is om dit te veroorzaken. (Om 100 m 3 biogas te reinigen is zo’n 5 m 3 ontzwavelingslucht nodig, om een explosief mengsel te vormen moet in plaats van 5 m 3 zo’n 900 m 3 lucht worden toegevoegd.)
Anaerobe vergisting
Door het vergistingsproces onder bepaalde goed gecontroleerde omstandigheden te laten verlopen, komt er biogas vrij.
Anaerobe vergisting is een volledig natuurlijk proces. Voor dit proces zijn verschillende bacteriën verantwoordelijk. Ze breken organisch materiaal af en zetten het om in biogas. Dat doen ze in zuurstofloze omstandigheden (vandaar an-aeroob).
Vrijwel alle organische materialen kunnen worden vergist. Vergisting is een natuurlijk afbraakproces. Van nature in biomassa aanwezige bacteriën zetten de makkelijk afbreekbare organische stoffen om in brandbaar methaangas.
De methaanbacteriën zijn de producenten van biogas. Ze behoren tot de oudste levende wezens op aarde. Drie tot vier miljard jaar geleden kwamen ze al voor, lang voor het ontstaan van de atmosfeer, zoals we ze nu kennen. Op dat ogenblik bevatte de atmosfeer nog geen zuurstof. Dat verklaart meteen waarom tot vandaag de methaanbacterie kan overleven in een zuurstofloze omgeving.
In de natuur vind je nog altijd omstandigheden die bijzonder gunstig zijn voor de ontwikkeling van de methaanbacterie. Ze komen bijvoorbeeld voor in moerassen, op de bodem van de oceanen en in de maag van een koe. Intussen weten we dat de methaanbacterie zich ook thuis voelt op onze stortplaatsen. Vandaar dat op
sommige van die terreinen methaangas gewonnen wordt.
Gewassen voor biogasproductie
Tot voor kort werd biogas hoofdzakelijk geassocieerd met mestverwerking. De laatste jaren kijkt men in de landbouw met belangstelling uit naar experimenten waarbij (energie)gewassen geteeld worden met het oog op de productie van biogas door middel van anaerobe vergisting.
Een dergelijk gewas moet een aantal eigenschappen combineren. Het moet een flinke opbrengst aan organisch materiaal per hectare garanderen, én het moet een bruikbaar gas opleveren. Met andere woorden: ook de samenstelling van het biogas dat gewonnen kan worden, is van belang.
Afhankelijk van al deze factoren en de geschatte inkomsten uit de biogasproductie zal het ene gewas meer dan het andere in aanmerking komen voor anaerobe vergisting.
De vergistbaarheid van verschillende grondstoffen
Mest is verreweg de bekendste stof die wordt vergist tot energie. Meestal wordt dunne mest afkomstig van varkens en/of runderen gebruikt. Omdat mest gemakkelijk vergist wordt het vaak gecombineerd met andere organische reststromen. Dit wordt co-vergisting genoemd. Door co-vergisting van mest met organische reststromen kan de biogasproductie en daardoor de rentabiliteit van de installatie aanzienlijk worden verhoogd.
De biogasproductie uit zuivere mest is gering. Vandaar dat in een vergistinginstallatie meestal verschillende biomassastromen gelijktijdig worden vergist. Door energierijke organische afvalstoffen toe te voegen zoals resten uit FSC houtindustrie, bermgras, snoei- en dunningshout, koeien- of varkensmest, of restproducten uit de voedselverwerkende industrie, doen de bacteriën beter hun werk en neemt de biogasopbrengst aanzienlijk toe.
Schema mestvergister
In een zogenaamde biogasvergister wordt kippenmest vermengd met bijvoorbeeld verse stalmest of andere biomassastromen. Dit kan koeien- of varkensmest zijn, snoei- en dunningshout, bermgras en resten uit FSC. Het probleem bij kippenmest is dat de stof in feite te droog is om zelf in een vergistingsproces te geraken. Het aandeel droge stof in kippenmest is ongeveer 50%. Door verse stalmest en andere biomassastromen toe te voegen en de zaak goed te mengen ontstaat een uitstekende grondstof die op een temperatuur van ongeveer 33° wordt gebracht waarna het vergistingsproces in werking treedt.
Het gas dat vervolgens ontstaat is biogas.
Biogas bestaat uit een mengsel van voornamelijk methaan (55-65%) en kooldioxide (35-40%). Verder is het verzadigd met waterdamp en bevat het sporen van waterstof , zwavelwaterstof en ammoniak.
Dit biogas wordt bovenin de vergistingsbak opgevangen en in z’n eenvoudigste vorm naar een WKK gevoerd die er vervolgens elektrische stroom van maakt. Bij de omzetting van methaangas naar elektrische stroom komt in de WKK nogal wat warmte vrij dat gebruikt wordt voor het verwarmen van gewoon water dat op z’n beurt gebruikt wordt voor de verwarming van huizen.
Het restproduct uit de vergister, de vergiste mest, of digestaat, wordt weer als bemesting op het land gebruikt.
Er kleeft een nadeel aan het transport van warm water, het kost veel en het rendement van de transportleiding is slecht.
Hoeveel gas levert mestvergisting nu eigenlijk op?
Dat is afhankelijk van de soorten grondstof die aangevoerd worden.
Zo heb je kippenmestvergisters die aangelengd worden met koeien- of varkensmest, maar ook mais dat ingekuild is komt in aanmerking. Het vergisten van verschillende stoffen door elkaar wordt co-vergisting genoemd.
De gasopbrengst
De opbrengst aan biogas is dus afhankelijk van de hoeveelheid organische stof en de samenstelling daarvan. De grafiek hieronder geeft een indicatie van het biogaspotentieel van verschillende materiaalstromen. Uiteraard is het vergisten van voedingsgewassen niet aan te bevelen.
Biogasopbrengst per kuub materiaal
Biogasopbrengsten en productiekosten van conventionele akkerbouwgewassen
Het eindproduct van anaerobe vergisting: biogas
Door de vergisting van organisch materiaal ontstaat biogas. Er blijft echter ook een residu achter, het zogenaamde digestaat.
Biogas is een energierijk gas dat in hoofdzaak is samengesteld uit methaan en koolstofdioxide. De energie-inhoud wordt vooral bepaald door de hoeveelheid methaan die erin aanwezig is.
Eigenschappen van biogas en aardgas
Wat is methaan?
Methaan (CH4) werd in 1778 ontdekt door Alessandro Volta. Het is de eenvoudigste koolwaterstof en het voornaamste bestanddeel van aardgas. In natuurlijke vorm wordt methaan vooral aangetroffen in de buurt van aardolie en andere fossiele brandstoffen. Het heeft een vergelijkbare geologische oorsprong en is ontstaan uit vergane resten organisch materiaal.
Het is bij kamertemperatuur en bij atmosferische druk een gas. Bij een druk van 1 atmosfeer heeft de stof een smeltpunt van 91 K (-182°C) en een kookpunt van 111 K (-162°C).
De opslag van biogas
Wanneer in de vergister biogas ontstaat, is het de bedoeling dit gas op te vangen. Het gas zou direct aangewend kunnen worden in een warmtekrachtkoppeling (WKK)
Maar om fluctuaties in de gasproductie en –kwaliteit te vermijden, verdient het de voorkeur het gas vooraf op te vangen. Dat kan in de vergister zelf gebeuren, of in een externe opslagtank.
Biogasreactor
Behandeling van biogas
Biogas is niet altijd onmiddellijk geschikt voor gebruik. Vaak zijn extra behandelingen nodig, waarvan ontzwaveling en condensatie de belangrijkste zijn.
• Ontzwaveling is nodig om waterstofsulfide (H2S) uit het biogas te verwijderen. In te grote concentraties remt waterstofsulfide de vergisting, maar daarnaast veroorzaakt het ook corrosie aan de WKK-installatie. Een veel toegepaste werkwijze om waterstofsulfide af te breken is de toevoeging van een kleine hoeveelheid zuurstof (lucht) in de biogaszone van de vergister. De bacteriën verbruiken het waterstofsulfide in hun stofwisseling en produceren daarbij elementair zwavel.
• Condensatie moet gebeuren om storingen en slijtage te vermijden aan de toestellen die het biogas gebruiken. Biogas heeft een relatieve vochtigheid van 100 %. Door het gas te koelen condenseert een deel van de waterdamp.
Dit gebeurt in de gasleiding, waar op het diepste punt een condensafscheider is voorzien. Bij een geforceerde koeling is het mogelijk méér waterdamp te verwijderen.
• Door het gekoelde biogas opnieuw licht te verwarmen, verlaagt de relatieve luchtvochtigheid. Zo wordt voorkomen dat er zich water afzet in de motor.
Biogas kan op heel wat manieren nuttig zijn. Vanuit energetisch standpunt is rechtstreekse omzetting naar warmte de meest rendabele. Met een moderne brander is het mogelijk 100 % van de aanwezige energie te gebruiken.
De samenstelling van biogas
Uit welke componenten is biogas samengesteld en kunnen we dit biogas zonder meer in het openbare aardgasnet pompen?
Samenstelling van biogas
Biogas wordt tot nog toe hoofdzakelijk gebruikt voor elektriciteitsproductie. Als de restwarmte niet goed benut kan worden is dat echter niet de optimale oplossing. Vandaar dat de overheid er naar streeft groen gas bij te mengen in het normale aardgasdistributienet. Voor biogas betekent dit dat het eerst in zuiverheid en energiewaarde moet worden opgewaardeerd, zodat die overeenkomen met de waarden voor het in Nederland aanwezige aardgas.
Door reiniging van biogas kan de kwaliteit van het biogas worden verbeterd, met name door verwijdering van water en waterstofsulfide. Toepassing vindt bijvoorbeeld plaats in WKK’s en als autobrandstof. In Nederland wordt opgewaardeerd biogas bijgemengd in het aardgasnet. In dat geval is ook verwijdering van het grootste deel van het aanwezige koolstofdioxide (CO2) noodzakelijk om een voldoende hoge verbrandingswaarde te halen.
Bij het aanbieden van groen gas aan het gasnet liggen de reinigingskosten relatief hoog. ‘Hierdoor wordt het produceren van groen gas pas op een schaal van honderd megawattcentrales rendabel,’ zegt een medewerker van het ECN.
Of men moet de opbrengst van meerdere kleinere vergistingsinstallaties koppelen.
Digestaat
Na vergisting van organisch materiaal blijft een digestaat achter. De samenstelling hangt af van het oorspronkelijke materiaal en van de veranderingen die optreden tijdens de vergisting.
Afhankelijk van zijn vorm wordt organisch materiaal voor 24 % tot zelfs 80 % afgebroken en grotendeels omgezet in biogas. Ruwe vezels zijn moeilijker af te breken dan koolhydraten en vetten. Dit houdt verband met de hoeveelheid lignine, omdat die niet door anaerobe vergisting wordt afgebroken. Voorts speelt ook de
temperatuur en de verblijftijd van het materiaal in de vergistingstank een rol.
Andere nutriënten of mineralen zoals fosfor, calcium, kalium en magnesium blijven in het digestaat in dezelfde hoeveelheid achter.
Vergisting doet de viscositeit van het materiaal afnemen. Het gehalte aan droge stof vermindert en het digestaat heeft een minder uitgesproken geur dan het uitgangsmateriaal, omdat de makkelijk afbreekbare verbindingen zijn omgezet in biogas.
Tijdens de vergisting treden een aantal chemische veranderingen op. Door de vergisting wordt stikstof omgezet in ammoniumvorm. Door de pH-stijging gaat een deel ervan als ammoniak voorkomen. Dit betekent dat wie het digestaat als meststof wil gebruiken, het digestaat het beste emissiearm uitspreidt.
Omwille van de beschikbaarheid aan voedingsstoffen is het digestaat een dankbare meststof. Vooral de stikstof is na vergisting vaak beter beschikbaar voor de planten.
Toch is het aangewezen de kwaliteit van het digestaat nauwlettend in het oog te houden en ervoor te zorgen dat zowel de concentratie aan zware metalen als aan onzuiverheden beperkt blijft.
Koper bijvoorbeeld, dat in aanzienlijke hoeveelheden aan kippenvoer wordt toegevoegd, komt in dezelfde hoeveelheid en concentratie in het digestaat terecht. Om die reden verbieden veel landen het gebruik van digestaat van biogasinstallaties waar veel kippenmest vergist wordt, als meststof op het land.
Geurhinder
Het vergistingsproces vindt plaats in volledig gesloten tanks, maar geurhinder zou kunnen ontstaan op andere plaatsen zoals bij:
• de toevoer van co-producten
• de voor- of nabehandeling
• de opslag van co-producten of afvalstoffen in een ontvangsthal
• De mengput
• de verdere afwerking van het digestaat tijdens de scheiding in dunne en dikke fractie
Bij elke installatie kijkt u daarom best na waar de kans op het ontstaan van geur het grootst is. Op deze plaatsen kunnen eventueel maatregelen genomen worden om potentiële geurhinder te vermijden.
Rendabel?
Laten we er niet omheen draaien, biogasinstallaties in Nederland hebben het moeilijk. Hoewel de brandstofprijzen weer stijgen, stijgen ook de kosten van coprodukten en de afzetkosten van het digestaat.
Digestaat is vergiste mest en is het restproduct van de biogasproductie
Terwijl vergisting van mest een geweldige techniek is, mits het maar deskundig plaatsvindt.
De prijzen van coprodukten zijn het laatste jaar flink gestegen vanwege de grote vraag naar deze materialen die dienen als grondstof voor biomassavergisters. Leveranciers exporteren liever naar landen als Duitsland en België omdat ze daar vaak een betere prijs krijgen voor hun coprodukten.
De politiek is aan zet of er nog kansen liggen voor nieuwe installaties. Eén van de oplossingen zou kunnen komen van de opzet van energie coöperaties, zoals deA in Apeldoorn. Een coöperatie van eigenaren die gezamenlijk stroom opwekt en door kan leveren aan individuele huishoudens tegen een tarief van 20 eurocent per kWh.
Het biovergisten is dus nog niet echt rendabel en veel bedrijven zijn dan ook niet bijster tevreden over wat er van de opgewekte electrische stroom overblijft. Ongeveer 60% van de stroom gaat verloren in de vorm van warmte. Vandaar dat veel bedrijven overstappen op de productie van groen gas. Bij de productie van groene stroom komt restwarmte vrij die niet wordt benut. Met de productie van groen gas treedt er nauwelijks energieverlies op.
Hierbij wordt het biogas uit de vergister opgewaardeerd naar de kwaliteit die het aardgas uit Slochteren heeft, waarna het aan het openbare gasnet wordt toegevoegd.
Er worden wel wat eisen gesteld aan de aangeleverde mest die in een vergister gebruikt wordt. Zo mag bijvoorbeeld kippenmest niet teveel stro en grit bevatten.
Deze stoffen vergisten nauwelijks, kunnen klonten en vellen in de pap veroorzaken en ze verstoppen leidingen waardoor het vergistingsproces vertraagd wordt.
“We verdienen er niets mee”
Onderzoekers van de Universiteit Wageningen en Kema hebben een aantal Nederlandse bio-energie-initiatiefnemers geïnterviewd en de Nederlandse situatie vergeleken met die in Duitsland en Frankrijk.
Een vergisterboer uit Brabant baalt van alle hobbels rondom mestvergisting.
Willy Gijsbers, voorzitter van stichting Duurzaam Landleven Bernheze, heeft nogal wat ervaring met de hobbels rond mestvergisting. Tien jaar deed de stichting over een vergunningtraject voor de biomassavergister in Dinther (N.-Br.). Twee derde van de geïnteresseerde veehouders haakte daardoor uiteindelijk af. Ook de toegekende Europese subsidie van €400.000 verviel.
Het binnenhalen van die subsidie had de deelnemers €35.000 gekost.
Inmiddels draait de vergister van 1 MW drie jaar en haalt hij het optimale rendement.
Per jaar wordt 30.000 ton mest vergist, samen met co-producten. “Toch verdienen we er nog niks mee”, zegt
Gijsbers. Dat komt door de beperkte witte lijst. “De mooie spullen, zoals vetten, gaan naar België. Wij kunnen duur glycerine terugkopen, waardoor er onder de streep niets overblijft.”
Lees hier het artikel van de Universiteit Wageningen in Boerderij van januari 2011.
Fraude met biogasvergisting
In Nederland stonden op 1 oktober 2010 180 biomassavergisters. Er is voor deze biomassavergisters een enorme berg biomassa, dus mest en co-producten nodig. De aanvoer begint schaars te worden omdat er veel biomassa richting Duitsland wordt vervoerd. In Duitsland staan meer dan 5000 biomassavergisters die een enorme behoefte aan biomassa hebben. De prijzen voor biomassa in Nederland stijgen daardoor aanzienlijk.
Dat betekent in de praktijk dat er soms fraude wordt gepleegd door een aantal bedrijven in Nederland die biomassavergisters hebben staan. Volgens betrouwbare gegevens zou zelfs de helft van de eigenaren van de 180 biomassavergisters fraude plegen.
Wat is het geval?
De vergisters die juist duurzame energie moeten opwekken, worden vaak gebruikt als illegale ’afvaloven’.
Zowel de leveranciers van restproducten als agrariërs worden verdacht van fraude. Volgens de Nederlandse Voedsel- en Warenautoriteit (NVWA) is met de huidige wetgeving niet te controleren welk afval boeren in hun vergister dumpen. Nederland is daarmee ’een walhalla voor groene fraude’.
In Nederland komen minder afvalstoffen voor biovergisting in aanmerking dan in het buitenland, waardoor deze installaties moeilijk rendabel zijn te maken. Dit leidt volgens een recent rapport van het Landbouw Economisch Instituut (LEI ) tot een zeer ’hoge fraudedruk’. Daarnaast is er in Nederland, in tegenstelling tot Duitsland en België, amper toezicht op de afvalstromen naar de vergister, en wordt de administratie slechts steekproefsgewijs gecontroleerd.
We lazen al dat in een vergister uit een mengsel van mest en organische restproducten biogas wordt gewonnen. Veel agrarische ondernemers werken in Nederland met co-vergisters. Voor de toegevoegde co-stoffen gelden strenge voorwaarden. Alleen de bijproducten die door de overheid op een ’positieve lijst’ zijn gezet, mogen worden gebruikt. Maar deze lijst is zeer beperkt. Om de vergisters toch gevuld te krijgen, worden de co-stoffen daarom geïmporteerd. Nederland kan echter niet controleren wat de herkomst van die stoffen is, omdat zulk onderzoek in het buitenland geen prioriteit heeft. De verdenking bestaat dat Nederlandse toeleveranciers en de ondernemers zelf ook verboden stoffen toevoegen. Op die manier komen zij voordelig van hun afval af.
Het ministerie van Landbouw, Natuur en Voedselkwaliteit, LNV, pakken vanaf 1 januari 2011 de fraude met biomassavergisters aan. In navolging van de scherpe controle in Duitsland gaan controleurs van de NVWA per 1 januari 2011 op het erf monsters nemen van de stoffen die zich in het digestaat bevinden. Tot nu toe waren er alleen papieren controles. Mocht een boer de milieunormen bewust overschrijden, dan wordt zijn installatie stilgelegd.
Niemand zit te wachten op een digestaat dat met zware metalen, arsenicum of andere gifstoffen is verontreinigd en via uitstrooien op het land weer in de voedselketen terecht komt.
