-
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2012 – 2013
Onderzoek naar alternatieve technieken om groenafval te
verwerken
Sander Lybaert Promotoren: Prof. dr. ir. Jo Dewulf en Prof. dr.
Ir. Wolter Prins Tutor: Dr. ir. Steven De Meester
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master
in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieutechnologie
-
Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen
Academiejaar 2012 – 2013
Onderzoek naar alternatieve technieken om groenafval te
verwerken
Sander Lybaert Promotoren: Prof. dr. ir. Jo Dewulf en Prof. dr.
Ir. Wolter Prins Tutor: Dr. ir. Steven De Meester
Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master
in de bio-ingenieurswetenschappen: Milieutechnologie
-
i
Auteursrecht
“De auteur en de promotoren geven de toelating deze scriptie
voor consultatie
beschikbaar te stellen en delen ervan te gebruiken voor
persoonlijk gebruik. Elk
ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in
het bijzonder met
betrekking tot de verplichting de bron te vermelden bij het
aanhalen van resultaten uit
deze scriptie.”
“The author and the promoters give the permission to use this
thesis for consultation
and to copy parts of it for personal use. Every other use is
subject to the copyright
laws; more specifically the source must be extensively specified
when using results
from this thesis.”
Gent, juni 2013
Auteur
Sander Lybaert
Promotoren:
Prof. dr. ir. Jo Dewulf
Prof. dr. Ir. Wolter Prins
Tutor
Dr. ir. Steven De Meester
-
ii
Woord Vooraf
Het verhaal van deze thesis start meer dan een jaar geleden toen
ik op zoek ging naar een
promotor die mij wilde begeleiden bij het uitwerken van een
eigen thesisonderwerp. Na een
paar njets kwam ik uiteindelijk op de vakgroep EnVoc terecht.
Met de hulp van Professor
Dewulf zag deze thesis het levenslicht. Om de thesis te
begeleiden werd ook beroep gedaan
op de kennis van Professor Prins. Het uitvoeren van deze thesis
was echter minder voor de
hand liggend dan ik vooraf verwacht had. Mijn zoektocht verliep
soms als een ongeleid
projectiel. Maar met de begeleiding van Steven De Meester werd
het toch nog een schot in
de roos. Er gaan ook veel credits naar Güray Yildiz voor de
begeleiding bij het uitvoeren van
de pyrolyseproef.
Naast mijn promotoren Professor Dewulf en Professor Prins en
mijn tutor Steven De Meester
moet ik nog vele andere mensen bedanken voor de hulp die ze mij
geboden hebben bij mijn
thesis. Voor alle hulp en uitleg over de composteringssite in
Eeklo wens ik Patrick Joos
(algemeen directeur van IVM) en Emmanuel Wandels en Jorik Muylle
(operationeel
verantwoordelijke groenrecycling van De Bree Solutions)
uitvoerig te bedanken. Verder wil ik
ook Elke Vandaele (Vlaco) en Jarinda Viaene (ILVO) bedanken voor
het delen van kennis
over de compostsector. Ook wens ik Tjörven Van de Velde te
bedanken voor de deskundige
uitleg over compostgebruik bij landbouwers, Dane Dickinson en
Nele Ameloot voor de uitleg
over biochar en pyrolyseprocessen en Renaat voor de uitleg over
investeringsanalyse. Voor
het beschikbaar stellen van de hamermolen bij de voorbehandeling
van de biomassa voor de
pyrolyseproef bedank ik Marijn en Matthias. Ik wil hier ook
Lybaert senior bedanken voor het
controleren op dt-fouten. Tenslotte bedank ik mijn vrienden en
in het bijzonder mijn vriendin
Eline voor de morele steun die nodig was bij het schrijven van
deze thesis.
Sander Lybaert
Aut numquam tentes, aut perfice Ovidius - Ars Amatoria
-
iii
Samenvatting
In Vlaanderen wordt groenafval tot op vandaag verwerkt via
compostering. Compost, het
eindproduct van de verwerking, is zeer waardevol als
bodemverbeteraar. De marktwaarde
van compost is echter beperkt en de concurrentie met de
energiesector voor de houtige
biomassa in groenafval brengt de compostering in moeilijk
vaarwater. Door de algeheel
groeiende interesse in biomassa als hernieuwbare grondstof,
komen ook andere
technologieën in beeld voor de verwerking van groenafval. Eén
van de mogelijke
alternatieven is pyrolyse, waarbij biomassa onder anaerobe
omstandigheden bij hoge
temperatuur ontbindt in drie fracties: kool, gas en
condenseerbare dampen. Het gas wordt
vaak gebruikt voor energieproductie. De condenseerbare dampen
vormen na condensatie
een viskeus product, bio-olie genaamd. De bio-olie kan aangewend
worden als brandstof of
kan verder opgewerkt worden voor toepassingen in petrochemische
processen. Ook de kool
vormt een interessant product. Het kan toegepast worden als
brandstof of kan als stabiele
koolstofbron gebruikt worden om de bodem te verbeteren. Deze
laatste toepassing zorgt
voor langdurige C-opslag in de bodem, waardoor het proces ook
kan ingezet worden om
klimaatsverandering te bestrijden.
Het doel van deze thesis is om het potentieel van snelle
pyrolyse te evalueren als alternatief
voor het verwerken van groenafval. De evaluatie werd gemaakt op
basis van ecologische en
economische criteria. Voor de evaluatie van de compostering
werden data van een
composteringssite in Eeklo verzameld. Voor de verwerking via
pyrolyse werd eerst een
theoretische pyrolyse-plant ontworpen. Vervolgens werden de
benodigde data verzameld
met gegevens uit de literatuur. Op beide datasets werd een
levenscyclusanalyse uitgevoerd
via de carbon footprint en de CEENE-methode. De economische
analyse werd gebaseerd op
de verwerkingskost en de net present value.
De resultaten van de levenscyclusanalyse geven een betere score
aan het verwerken van
groenafval via pyrolyse, zowel voor het grondstoffenverbruik als
voor global warming
potential. De economische resultaten zijn minder eenduidig. Op
vlak van verwerkingskost
scoort de theoretische pyrolyse-plant beter. Zolang een
discontovoet wordt gebruikt die lager
is dan 4%, heeft pyrolyse ook een betere net present value dan
compostering. Wanneer de
discontovoet hoger is, heeft compostering de beste net present
value. De analyse toont aan
dat groenafval opportuniteit biedt voor een meer waardevolle en
meer milieuvriendelijke
verwerkingsoptie.
-
iv
Abstract
In Flanders green waste is currently mainly processed by
composting. Compost, the end
product of these activities has great value as soil improver.
The market value, however, is
limited and competition with the energy sector for the woody
fraction of the green waste
brings the composting sector in a difficult situation. By
increasing interest in biomass as
renewable feedstock also other technologies come in the picture
for processing green waste.
One of the possible alternatives is pyrolysis, the thermal
decomposition of biomass under
anaerobic conditions into three fractions: char, gas and
condensable vapors. After
condensation the condensable vapors form a viscous product
called bio-oil. The gas fraction
is mainly used for energy purposes. The bio-oil can be used as a
fuel or can be further
improved in order to make it compatible with petrochemical
processes. Also char is an
interesting product. It can be applied as a fuel or can be used
as stable carbon source to
improve the soil. The latter application allows for prolonged C
storage in the soil, which
makes it a useful process to fight climate change.
The aim of this thesis was to evaluate the potential of fast
pyrolysis as alternative for
processing green waste. The evaluation was made on the basis of
ecological and economic
criteria. For the evaluation of composting, a data inventory of
a composting site in Eeklo was
compiled. For processing green waste by means of pyrolysis first
a theoretical design of a
pyrolysis plant was made. Subsequently, a dataset for pyrolysis
was compiled based on
literature. Both datasets were analysed through life cycle
analysis using the carbon footprint
and CEENE method. Next, an economic analysis was made by
calculation of processing
costs and net present value.
The results of the life cycle analysis indicate that processing
green waste by means of
pyrolysis had the lowest impact. Both for resource consumption
as for global warming
potential, pyrolysis has the best scores. The economic results
are more ambiguous. In terms
of processing costs the theoretical pyrolysis plant scores
better. As long as a discount rate is
used which is lower than 4%, pyrolysis also has better net
present value compared to
composting. If the discount rate is higher, composting has the
best net present value. This
research shows that green waste provides opportunity for a more
valuable and more
environmentally sound treatment option.
-
v
-
vi
Inhoudstafel
Deel 1 Literatuurstudie
..........................................................................................................
1. Inleiding
..........................................................................................................................
1
2. Materialenbeheer
...........................................................................................................
3
2.1. De ladder van Lansink
.............................................................................................
3
3. Afval in Vlaanderen
........................................................................................................
5
3.1. Huishoudelijk afval in Vlaanderen
............................................................................
5
3.2. Huishoudelijk organisch afval in Vlaanderen
........................................................... 6
3.3. Verwerkingstechnieken organisch huishoudelijk afval
............................................. 7
3.4. Druk op groencompostering
....................................................................................
7
3.5. Pyrolyse versus compostering
.................................................................................
8
4. Compostering
.................................................................................................................
9
4.1. Procesbeschrijving
..................................................................................................
9
4.1.1. Definitie
............................................................................................................
9
4.1.2. Het Composteringsproces
................................................................................
9
4.1.3. Emissies
..........................................................................................................11
4.2. Composteringsinstallatie
........................................................................................13
4.2.1. Voorbehandeling
.............................................................................................13
4.2.2. Compostering
..................................................................................................14
4.2.3. Nabehandeling
................................................................................................15
4.3. Waarde van producten
...........................................................................................15
4.3.1. Compost
..........................................................................................................15
4.3.2. Zeefoverloop
...................................................................................................18
4.3.3. Houtsnippers
...................................................................................................18
5. Pyrolyse
........................................................................................................................18
5.1. Procesbeschrijving
.................................................................................................18
5.1.1. Definitie
...........................................................................................................18
5.1.2. Het pyrolyse-proces
........................................................................................18
5.1.3. Emissies
..........................................................................................................21
5.2. Pyrolyse-installatie
.................................................................................................21
5.2.1. Voorbehandeling
.............................................................................................21
5.2.2. Drogen
............................................................................................................22
5.2.3. Pyrolyse
..........................................................................................................22
5.2.4. Nabehandeling
................................................................................................22
-
vii
5.3. Waarde van producten
...........................................................................................22
5.3.1. Gas
.................................................................................................................22
5.3.2. Char
................................................................................................................23
5.3.3. Olie
.................................................................................................................25
6. Duurzaamheidsanalyse
.................................................................................................26
6.1. LCA
........................................................................................................................26
6.1.1. Definitie en methode
.......................................................................................26
6.1.2. Toepassing bij
afvalbeheer..............................................................................27
6.2. LCC
........................................................................................................................30
Deel 2 Materiaal en methoden
..............................................................................................
1. Doelstelling van de studie
..............................................................................................31
2. Functionele eenheid en systeemgrenzen
......................................................................31
3. Data-inventaris
..............................................................................................................32
3.1. Casus compostering Eeklo
.....................................................................................32
3.1.1. Beschrijving composteringssite
.......................................................................32
3.1.2. Hoeveelheid en samenstelling groenafval
.......................................................34
3.1.3. Transport
.........................................................................................................34
3.1.4. Machines
.........................................................................................................34
3.1.5. Emissies compost
...........................................................................................34
3.1.6. Hoeveelheid en samenstelling eindproducten
.................................................35
3.1.7. Prijzen en kosten
.............................................................................................36
3.2. Casus pyrolyse-plant
..............................................................................................38
3.2.1. Beschrijving van het pyrolyse-proces
..............................................................38
3.2.2. Verzameling en transport van groenafval
........................................................45
3.2.3. Emissies pyrolyse
...........................................................................................45
3.2.4. Hoeveelheid en samenstelling eindproducten
.................................................46
3.2.5. Prijzen en kosten
.............................................................................................47
3.3. Data achtergrondsysteem
......................................................................................49
3.4. Allocatie
.................................................................................................................51
3.4.1. Nuttige eindproducten compostering
...............................................................52
3.4.2. Nuttige eindproducten pyrolyse
.......................................................................52
4. Impact berekening
.........................................................................................................53
5. Economische evaluatietechnieken
................................................................................53
5.1. Kostprijsberekening
................................................................................................53
5.2. Net Present Value
(NPV)........................................................................................54
Deel 3 Resultaten en discussie
............................................................................................
-
viii
1. Data-inventaris
..............................................................................................................55
1.1. Massabalans
..........................................................................................................55
1.1.1. Compostering
..................................................................................................55
1.1.2. Pyrolyse
..........................................................................................................55
1.2. Warmtebalans Pyrolyse
.........................................................................................56
2. Ecologische en economische duurzaamheidsanalyse
...................................................57
2.1. Ecologische resultaten
...........................................................................................57
2.1.1. Carbon Footprint
.............................................................................................57
2.1.2.
CEENE............................................................................................................59
2.2. Economische resultaten
.........................................................................................61
2.2.1. Capex
.............................................................................................................61
2.2.2. Opex
...............................................................................................................62
2.2.3. Kostprijsberekening
.........................................................................................63
2.2.4. NPV
................................................................................................................65
2.2.5. Wat als-analyse
...............................................................................................66
2.3. Conclusie
...............................................................................................................67
2.4. Verder onderzoek
...................................................................................................69
-
ix
Lijst met afkortingen
bbp Bruto binnenlands product
BBT Best beschikbare technieken
BKG Broeikasgas
BOS Bodem organisch stof
CDM Clean development mechanism
CEC Cation-exchange capacity
CEENE Cumulative exergy extraction from the natural
environment
CER Certified emission reduction
CF Carbon footprint
CREG Commissie voor de regulering van de elektriciteit en het
gas
CRF Control release fertiliser
DM Droge massa
DS Droge stof
ESP Electrostatic precipitator
GA Groenafval
GFT Groente-, fruit- en tuinafval
GSC Groenestroomcertificaten
GWP Global-warming potential
HHV Higher heating value
IVM Intergemeentelijke opdrachthoudende vereniging voor
huisvuilverwerking meetjesland
LCA Life cycle analysis
LCC Life cycle cost analysis
LCI Life cycle inventory
LEI Landbouw economisch instituut
LHV Lower heating value
LNE Departement leefmilieu, natuur en energie
MAP4 Het vierde mestactieplan
mo Micro-organismen
NPV Net present value
ppm Parts per million
rBOD Readily biodegradable oxygen demand
SCA Specific collection area
-
x
SNG Substitute natural gas
Vlarem Vlaams reglement betreffende de milieuvergunning
VM Verse massa
VOC Volatile organic compound
VREG Vlaamse Regulator voor de Elektriciteits- en Gasmarkt
VROM Ministerie van volkshuisvesting, ruimtelijke ordening en
milieubeheer
VTE Voltijds equivalent
WKK Warmte-krachtkoppeling
-
xi
Lijst met figuren
Figuur 1 Gemiddelde nationale gegevens van productie van
huishoudelijk afval per inwoner.
Data verzameld tussen 1995 en 2005 (Troschinetz en Mihelcic,
2009). ................................ 2
Figuur 2 Ladder van Lansink, overgenomen uit Leicestershire
County Council, 2013. .......... 3
Figuur 3 Aandeel van verschillende verwerkingstechnieken voor
bedrijfsafval in Vlaanderen,
overgenomen uit Dubois et al., 2011.
....................................................................................
4
Figuur 4 Fracties huishoudelijk afval in Vlaanderen in 2011 (De
Groof, 2012). ...................... 5
Figuur 5 Evolutie van de selectief ingezamelde hoeveelheid
groenafval opgesplitst naar drie
fracties voor de periode 2004-2008 (Swerts en Vochten, 2009).
........................................... 5
Figuur 6 Schommelingen in productie van groenafval per inwoner
per maand, zoals gemeten
in het Affaldcenter te Aarhus, Denemarken. Overgenomen uit
Boldrin et al. (2009). ............. 6
Figuur 7 Schematische weergave van een composteringsinstallatie.
...................................13
Figuur 8 Afnemers compost 2010. Afname uitgedrukt in
gewichtspercentage (Vlaco, 2011) 17
Figuur 9 Thermisch ontbindingsgedrag van hemicellulose,
cellulose en lignine.
Overgenomen uit Yang et al., 2007.
.....................................................................................19
Figuur 10 Schematische weergave composteringsproces in
Eeklo.......................................33
Figuur 11 Process flow diagram (PFD) van voorbehandeling,
pyrolyse-plant design ............40
Figuur 12 PFD van pyrolyse-sector, pyrolyse-plant design
...................................................43
Figuur 13 PFD van generator en nabehandeling, pyrolyse-plant
design ...............................44
Figuur 14 Empirische schatting van specific collection area uit
Mussatti (2002) ...................45
Figuur 15 Sankey diagram compostering
.............................................................................55
Figuur 16 Sankey diagram Pyrolyse
.....................................................................................56
Figuur 17 Sankey diagram van de warmtestroom in het
pyrolyse-proces .............................57
Figuur 18 Carbon footprint van beide verwerkingsprocessen
...............................................59
Figuur 19 Carbon footprint, detail van directe emissies van het
pyrolyse- en
composteringsproces
...........................................................................................................59
Figuur 20 Grondstoffenverbruik van beide verwerkingsprocessen
samengevat, CEENE .....60
Figuur 21 Grondstoffenverbruik van beide verwerkingsprocessen,
CEENE ..........................61
Figuur 22 Kapitaalkost voor de verwerkingsopties
................................................................62
Figuur 23 Operationele kost voor compostering en pyrolyse
................................................63
Figuur 24 Operationele kost pyrolyse-plant opgedeeld volgens
verschillende delen .............63
Figuur 25 Kostprijsberekening compostering en pyrolyse per ton
DS groenafval..................64
Figuur 26 NPV voor compostering en pyrolyse in functie van de
discontovoet .....................65
Figuur 27 NPV van pyrolyseproces, met discontovoet 4%, in
functie van GSC-tarief. ..........67
-
xii
Lijst met tabellen
Tabel 1 Belangrijkste mogelijke verwerkingstechnieken van
groenafval en hun belangrijkste
producten en nadelen.
...........................................................................................................
7
Tabel 2 Emissies tijdens het composteringsproces uitgedrukt in
kg per ton droge massa
(DM)
.....................................................................................................................................12
Tabel 3 Substitutiewaarde van compost
...............................................................................17
Tabel 4 Verschillen in procesomstandigheden tussen trage en
snelle pyrolyse ....................20
Tabel 5 Resultaten van LCA studies over verschillende
verwerkingstechnieken van
groenafval.
...........................................................................................................................29
Tabel 6 Emissiefactoren composteringsproces (Andersen et al.,
2009; Amlinger et al. 2008)
.............................................................................................................................................35
Tabel 7 Parameters online time overgenomen uit Sorenson (2010)
.....................................39
Tabel 8 Parameters beschikbaarheid (Sorenson, 2010; Peacocke et
al., 2006) ...................43
Tabel 9 Parameters operationele kost ESP, Mussatti (2002)
................................................44
Tabel 10 Emissiefactoren bij bio-olie verbranding.
................................................................45
Tabel 11 Literatuurgegevens opbrengst pyrolyseproducten
.................................................46
Tabel 12 Parameters voor kostschatting van eenheidsprocessen en
schatting van arbeid ...47
Tabel 13 Gebruikte EcoInvent gegevens van processen, goederen en
diensten uit de
technosfeer
..........................................................................................................................50
Tabel 14 Vergelijking van ecologische en economische
duurzaamheid tussen compostering
en pyrolyse
...........................................................................................................................68
-
xiii
-
Deel 1
Literatuurstudie
-
1 Deel 1: Literatuurstudie
1. Inleiding
In de Westerse landen is de samenleving in de laatste decennia
sterk veranderd. De sterke
welvaartsgroei, vaak gemeten aan de hand van de groei in
binnenlandse productie, heeft de
westerse economieën in omvang doen vermenigvuldigen. Deze
continue groei was
ogenschijnlijk onbegrensd. Het vooruitgangsoptimisme spiegelde
ons oneindige
groeimogelijkheden voor (Vermeersch, 1990). Verblind door de
mooie economische
resultaten, werden milieuproblemen niet altijd ten volle onder
ogen gezien. In de jaren ‟60
was het credo “the solution to pollution is dissolution‖. Enkele
milieurampen1 en een
schuldencrisis later, lijken deze opvattingen veranderd. De druk
op de omgeving door onze
maatschappij wordt steeds prominenter.
Een van de belangrijkste milieuproblemen heden ten dage is de
opwarming van de aarde.
Onderzoekers van het National Center for Atmospheric Research in
Boulder beweren
bovendien dat de meest pessimistische klimaatmodellen ook de
meest accurate zijn (Fasullo
en Trenberth, 2012). Door de dimensie van het probleem en omdat
de veroorzakers van de
problemen niet meteen de grootste slachtoffers zijn, worden
doortastende maatregelen
steeds voor ons uitgeschoven. Recente internationale milieutops
gaven geen
noemenswaardige resultaten (Bar, 2009; De Walsche, 2012). De
blokkering van het
probleem wordt nogmaals geïllustreerd door het boycotten van de
Europese vliegtaks door
ondermeer de VS en China (Belga, 2013). Het
vooruitgangsoptimisme stelt dat, zoals de
vrije markt alle problemen van de economie oplost, de
technologische vooruitgang de
maatschappelijke problemen oplost. Vaak ziet men juist het
omgekeerde effect: door de
technologische vooruitgang is de maatschappij in staat de natuur
op een snellere,
efficiëntere, krachtigere manier te ontginnen2… . Een voorbeeld
hiervan is de daling van de
Vlaamse energie-intensiteit met 5%, terwijl het totaal
energieverbruik in Vlaanderen met 15%
over de laatste 10 jaar gestegen is (vmm, 2012).
1 Voorbeeld van een aantal belangrijke milieurampen: Kernramp
Tsjernobyl (26 april 1986),
schipbreuk olietanker Exxon Valdez (24 maart 1989), giframp
carbaryl-fabriek Union Carbide in Bhopal (3 december 1984),
vergiftiging rivieren door afvalwater Chisso-acetaldehyde plant in
Minamata (1956-1968)… 2 De ogenschijnlijke tegenstelling dat hogere
(grondstoffen-)efficiëntie de globale milieu-impact doet
toenemen wordt Jevons Paradox genoemd.
-
2 Deel 1: Literatuurstudie
Naast de opwarming van de aarde is er ook de
grondstoffenproblematiek. Door de
globalisering van de wereldeconomie is onze manier van leven en
werken sterk veranderd.
We zijn niet langer gebonden aan de lokale beperkingen van de
omgeving. Door
grondstoffen te exploiteren op andere plaatsen in de wereld en
die te verhandelen, hebben
we de band met impact op de omgeving afgesneden. Door de
economische groei neemt het
tempo waarmee we de resterende grondstofvoorraden wereldwijd
opgebruiken steeds toe.
Afvalproblemen gaan hand in hand met de overconsumptie en de
grondstoffenproblematiek.
Een algemene trend is de toename van de afvalproductie per
capita bij stijging van het bruto
binnenlands product (bbp). ‟s Werelds meest welvarende landen en
regio‟s wijken af op deze
trend en hebben een lagere afvalproductie (zie Figuur 1).
Afvalstoffen kunnen een risico
vormen voor de veiligheid van mens en dier. Sommige afvalstoffen
kunnen de
volksgezondheid schaden of schade berokkenen aan ecosystemen
wanneer zij daar worden
vrijgesteld. Ook de verwerking van afvalstoffen zorgt voor
problemen. Verbranding van
restafval zorgt bijvoorbeeld voor uitstoot van dioxines en fijn
stof.
Het oplossen van deze end-of-pipe problematiek kan hierbij een
goede drijfveer zijn om op
zoek te gaan naar geïntegreerde systemen die ook een oplossing
bieden voor de
Figuur 1 Gemiddelde nationale gegevens van productie van
huishoudelijk afval per
inwoner. Data verzameld tussen 1995 en 2005 (Troschinetz en
Mihelcic, 2009).
-
3 Deel 1: Literatuurstudie
toenemende energie- en grondstoffenschaarste en dus een gezonder
milieu in het
algemeen.
2. Materialenbeheer
In het klassiek economisch concept is er een lineaire
materialenstroom. Grondstoffen
worden verwerkt tot primaire materialen. Deze worden gebruikt
voor de productie van
consumptiegoederen. De consument gebruikt deze goederen en gooit
ze nadien weg als
afval. Het afval wordt uiteindelijk gestort of verbrand.
Door zowel de milieuproblematiek rond afval en afvalverwerking,
als de steeds stijgende
grondstofprijzen komen afvalstromen steeds meer in beeld als
alternatief voor primaire
grondstoffen. Door afvalstromen selectief in te zamelen ontstaan
materiaalstromen die na
verdere zuivering gebruikt kunnen worden als secundaire
grondstoffen. Op deze manier
ontstaat een nieuw model waarin materialen worden hergebruikt en
meerdere malen de
levenscyclus doorlopen tot ze uiteindelijk zo laagwaardig zijn
dat ze dienen verwijderd te
worden. De circulaire materialenstroom is echter geen
wonderoplossing aangezien de
kringloop zelden 100% kan gesloten worden, bijvoorbeeld door
kwaliteitsverlies, en er vaak
andere materiaal- en energiebronnen noodzakelijk zijn bij
recyclage.
2.1. De ladder van Lansink
Er bestaan voor elke afvalstroom vele manieren om
die te verwerken. De overheid beslist grotendeels
welke verwerkingstechnieken toegelaten zijn en
welke niet. In Vlaanderen en Europa bestaat er een
afvalbeheershiërarchie, beter bekend als de Ladder
van Lansink (zie Figuur 2). De meest waardevolle
afvalbeheersmogelijkheden worden eerst overwogen
vooraleer men andere, minder waardevolle
mogelijkheden overweegt.
De ladder heeft vijf sporten. Bovenaan vindt men preventie,
gevolgd door hergebruik,
recyclage, andere nuttige toepassing zoals energievalorisatie en
verwijdering. Verwijdering
wordt soms opgedeeld in verbranding en storten. Bij afvalbeheer
krijgen de maatregelen die
bovenaan de ladder staan voorrang op de onderstaande. Enkel
wanneer aangetoond kan
worden op basis van het levenscyclus-denken dat lagere niveaus
betere resultaten
opleveren, kan er afgeweken worden van de hiërarchie. Een
concreet voorbeeld hiervan is
Figuur 2 Ladder van Lansink, overgenomen uit Leicestershire
County Council, 2013.
-
4 Deel 1: Literatuurstudie
papierrecyclage. Hoewel papier ook zou kunnen gebruikt worden
voor energievalorisatie
door bij te stoken in elektriciteitscentrales, wordt papier
gerecycleerd. Recyclage primeert
immers boven andere nuttige toepassingen. Ook compostering (en
vergisting) wordt aanzien
als recyclage (Directive [2008/98/EC] of the European Parliament
and of the Council on
waste., 2008).
De ladder is in het bijzonder van groot belang in dichtbevolkte
gebieden zoals Vlaanderen
waar veel afval geproduceerd wordt op een beperkte oppervlakte.
In dit type regio‟s is het
dus een grote opportuniteit om afval intensief en veilig te
verwerken met een maximale
benutting van het potentieel dat aanwezig is in het materiaal.
De intensieve productie zorgt
niet alleen voor een grote opportuniteit om deze stromen aan te
wenden als grondstof, de
grote hoeveelheid afval noodzaakt tevens een intensieve
verwerking om de veiligheid voor
mens en dier te garanderen.
Figuur 3 Aandeel van verschillende verwerkingstechnieken voor
bedrijfsafval in Vlaanderen,
overgenomen uit Dubois et al., 2011.
-
5 Deel 1: Literatuurstudie
3. Afval in Vlaanderen
In Vlaanderen wordt in totaal circa
21,8 miljoen ton bedrijfsafval
geproduceerd tegenover ca. 3,3
miljoen ton huishoudelijk afval.
Omgerekend komt dit neer op
meer dan 500 kg huishoudelijk
afval per inwoner per jaar en bijna
3500 kg bedrijfsafval per inwoner
per jaar. Het bedrijfsafval
genereert echter vaak meer
zuivere stromen en maakt een meer specifieke verwerkingstechniek
mogelijk (zie Figuur 3).
Bedrijfsafval is hierdoor vaak eenvoudiger te valoriseren
(Dubois et al., 2011).
3.1. Huishoudelijk afval in Vlaanderen
Het decentraal geproduceerde huishoudelijke afval is echter
complexer, vaak minder
constant in tijd en noodzaakt een specifiek afvalbeleid. De
totale afvalproductie van een
huishouden in Vlaanderen in 2011 bedroeg 524 kg per inwoner.
Hiervan wordt 71% selectief
opgehaald met het oog op hergebruik of recyclage. Groenafval en
groente-, fruit- en tuinafval
(GFT) maken respectievelijk 14% en 8% uit van de afvalberg. (zie
figuur Figuur 4). 29% van
dit huishoudelijk afval is restafval en wordt ofwel verbrand met
energierecuperatie (26%),
mechanisch biologisch gescheiden (2%) of gestort (1%) (De Groof,
2012).
Figuur 5 Evolutie van de selectief ingezamelde hoeveelheid
groenafval opgesplitst naar drie
fracties voor de periode 2004-2008 (Swerts en Vochten,
2009).
0
100
200
300
400
500
600
2004 2005 2006 2007 2008
103 Ton Verse Massa
Tuinafval
Snoeihout
Boomstronken
Figuur 4 Fracties huishoudelijk afval in Vlaanderen in
2011 (De Groof, 2012).
6%14% 2%
2%8%
14%14%
11%
29%
glas
papier en karton
metalen
kunststoffen
GFT
groenafval
bouw- en sloopafval
overig
Restafval
-
6 Deel 1: Literatuurstudie
3.2. Huishoudelijk organisch afval in Vlaanderen
Er bestaan in Vlaanderen twee stromen organische afval van
huishoudelijke oorsprong:
groenafval en GFT. Naargelang de ophaling van dit GFT wordt
Vlaanderen opgedeeld in
GFT-regio‟s en groenregio‟s. In een GFT-regio wordt het GFT deur
aan deur opgehaald, in
groenregio‟s is er geen ophaling en worden de huishoudens
gestimuleerd om thuis te
composteren. Groenafval daarentegen wordt op containerparken
verzameld.
kg /(inw
oner.
maand)
Figuur 6 Schommelingen in productie van groenafval per inwoner
per maand, zoals gemeten in het
Affaldcenter te Aarhus, Denemarken. Overgenomen uit Boldrin et
al. (2009).
Jaarlijks wordt er ca. 500 000 ton groenafval en 300 000 ton GFT
geproduceerd. Het
groenafval bestaat uit gemengd tuinafval, snoeihout en
boomstronken (Figuur 5). GFT
bestaat uit keukenresten van groenten en fruit. De samenstelling
en hoeveelheid zijn quasi
constant doorheen het jaar. Bij groenafval daarentegen zijn er
sterke verschillen in
samenstelling, afhankelijk van (Swerts en Vochten, 2009):
- De inzamelregio: landelijke ten opzichte van stedelijke
regio‟s kennen verschillen.
- Het voortraject: in geval van inzameling via containerparken
gebeurt soms al een
afscheiding van bepaalde fracties van groenafval vooraleer deze
aan de
composteringsinstallaties worden aangeboden. Het betreft
voornamelijk houtachtige
fracties die worden afgevoerd met het oog op directe
energetische valorisatie of
gebruik als bodembedekker.
- Het seizoen: het aandeel snoeihout in het groenafval is
tijdens najaar, winter- en
voorjaarsperiode beduidend hoger dan tijdens de
zomerperiode.
-
7 Deel 1: Literatuurstudie
Figuur 6 toont de seizoenale schommeling van groenafvalproductie
zoals gemeten in een
Deens onderzoek. In Vlaanderen bestaan er geen cijfers over het
verschil in samenstelling
doorheen het seizoen. De figuur is echter gelijkaardig aan de
Vlaamse situatie (E. Wandels
(De Bree solutions), mondelinge communicatie, 12 oktober
2012).
3.3. Verwerkingstechnieken organisch huishoudelijk afval
Er zijn in Vlaanderen acht installaties voor de verwerking van
GFT. Er bestaan twee
verwerkingsmethoden, 17% van het GFT gaat naar anaerobe
vergisting, de andere 83%
naar een gesloten compostering. Vergisting van GFT gebeurt in
Brecht via droge vergisting
(IGEAN) en in Brugge via natte vergisting (IVVO). Groenafval kan
verwerkt worden op
verschillende manieren. Een vaak toegepaste verwerkingstechniek
in veel Europese regio‟s,
waaronder Vlaanderen, is composteren (ARCADIS, 2010). Vaak
bepaalt de regelgeving
welke technieken mogen gebruikt worden en welke niet. Naast
compostering bestaan er nog
verschillende alternatieven met ieder hun voordelen en nadelen
(Zie Tabel 1).
Tabel 1 Belangrijkste mogelijke verwerkingstechnieken van
groenafval en hun
belangrijkste producten en nadelen.
Techniek Producten Nadelen
Verbranden met
energieterugwinning
Elektriciteit
Bodemassen
Vliegassen
Luchtemissies
Storten (bodem- en) vliegassen
Storten Geen Ruimtebeslag
Methaanemissies
Vergisting Biogas
Elektriciteit
Warmte
Digestaat
Houtige delen in groenafval zijn
slecht te vergisten
Pyrolyse Bio-olie
Gas
Biochar
Elektriciteit
Luchtemissies
3.4. Druk op groencompostering
Terwijl compostering nog steeds het vaakst wordt toegepast in
Vlaanderen staan de
winstmarges in de sector onder druk. Dit is het gevolg van de
competitie met de
energiesector die veel interesse heeft in de houtige fractie van
het groenafval. Deze kan
namelijk samen met steenkool verwerkt worden in een
steenkoolcentrale. Het zorgt ervoor
-
8 Deel 1: Literatuurstudie
dat een deel van de houtige fractie uit het groenafval verdwijnt
waardoor het groenafval met
minder structuurmateriaal bij de compostering toekomt.
De interesse van de elektriciteitsproducenten is het gevolg van
de groenestroomcertificaten
die ze opstrijken door de productie van “groene” megawatturen
door de houtfractie bij te
mengen. Het verbranden van groenafval is echter niet conform de
regelgeving over
afvalverwerking. De verbranding van groenafval in
energiecentrales staat lager op de ladder
van Lansink dan composteren, hetgeen aanzien wordt als
recyclage, en is daarom niet
toegelaten (zie sectie 2.1). Bedrijven die een vergunningen
hebben voor opslag of voor
mechanische behandeling van groenafval spelen in op de vraag van
de energiesector door
de wet te omzeilen. Zij nemen tegen lage prijzen groenafval aan
en scheiden dit in een
houtige en een fijne fractie. De houtige delen worden verkocht
aan de elektriciteitscentrales
en de fijne delen worden naar de dichtstbijzijnde compostering
gebracht. Een deel van de
fijne fractie van het groenafval komt nadien echter niet bij de
composteringsbedrijven terecht
maar verdwijnt uit de statistieken. Vermoedelijk wordt het
gebruikt in de landbouw als
groenbemesting en ondergeploegd. Volgens de composteringssector
treedt de Vlaamse
milieu-inspectie niet hard genoeg op tegen deze inbreuken (E.
Vandaele (Vlaco), mondelinge
communicatie, 28 augustus 2012). Ter volledigheid dient gezegd
te worden dat als reactie op
deze trend de composteringssector een ontheffing heeft verkregen
om 15% van de totale
zeefoverloop te verkopen voor verbrandingsdoeleinden.
De lage prijzen waaraan de tussenpersonen het groenafval
afnemen, zijn mogelijks de
oorzaak van de daling van de gate fee. Deze daling zorgt ervoor
dat de inkomsten van de
composteringssector worden verminderd en de rendabiliteit van
een aantal
composteringsbedrijven in het gedrang komt. Bovendien is het
structuurmateriaal nodig om
voldoende porositeit te brengen in de composthopen. Een
vermindering van het
structuurmateriaal hypothekeert de kwaliteit van de
geproduceerde compost. Wil men de
kwaliteit op peil houden, dan zal de intensiteit van de
compostering opgedreven moeten
worden. Mogelijke acties die de composteerder kunnen nemen om de
compostering te
intensiveren zijn: actieve beluchting, vaker keren van de
compost, overschakelen naar
composteren op rillen, etc. Dit maakt evenwel bijkomende
investeringen noodzakelijk en
zorgt voor verhoogde verwerkingskosten die doorgerekend worden
in de prijs voor compost
(Vlaco, 2010).
3.5. Pyrolyse versus compostering
De achtergrond van groeiende energie- en grondstoffenschaarste
en de problemen in de
composteringssector maken het interessant om andere
verwerkingstechnieken te evalueren,
zeker aangezien in Vlaanderen er een grote hoeveelheid organisch
afval aanwezig is (zie
-
9 Deel 1: Literatuurstudie
sectie 3.2). Verbranden van groenafval is niet evident door de
hoge vochtgehaltes,
bovendien is dit onderwerp reeds meermaals onderzocht. De
anaerobe vergisting van
groenafval wordt dan weer bemoeilijkt door de trage vergisting
van de houtige fracties. Een
ander alternatief is pyrolyse van biomassa; een proces dat
vernieuwde interesse kent
omwille van de interessante eindproducten en de mogelijkheid tot
carbon sequestration via
biochar. In de volgende sectie zal de theoretische achtergrond
van pyrolyse en composteren
toegelicht worden met het oog op het verdere verloop van deze
studie.
4. Compostering
4.1. Procesbeschrijving
4.1.1. Definitie
―Composting is the aerobic (=oxygen using) decomposition and
stabilization of solid organic
materials by microorganisms under controlled (=optimal and
environmentally safe)
conditions. The end product is a stabile, hygienic substance
resembling soil and is rich in
humus.
The purpose of the composting process is disposal of the
biodegradable part of waste.
Composting can be seen as a recycling and revalorization of the
biodegradable waste while
transforming it into a valuable soil conditioner (Verstraete,
2010).‖
4.1.2. Het Composteringsproces
Input van energie houdt een ecosysteem draaiende, dit is ook zo
voor het microbieel
ecosysteem van een composthoop. Micro-organismen (mo) breken
organisch materiaal af en
consumeren hierbij zuurstof. Enzymen, geproduceerd door mo zelf,
zorgen voor een snelle
afbraakreactie. Energie komt vrij bij de afbraak en wordt
gebruikt door de mo waarbij het
grootste deel van de energie verloren gaat als warmte. Door de
isolerende eigenschappen
van compost wordt de warmte traag afgegeven en loopt de
temperatuur in de composthoop
op. Door natuurlijke convectie ontstaat een schouweffect
waardoor continu verse lucht wordt
aangezogen in de composthoop en er continu waterdamp en andere
emissies worden
uitgestoten. Naast dit passief effect treedt er veel
warmteverlies en uitstoot van waterdamp
en andere emissies op wanneer composthopen worden gekeerd.
Het oorspronkelijk organisch materiaal wordt omgezet in een meer
uniforme en stabielere
massa van organisch materiaal. Tijdens het proces wordt
koolstofdioxide en waterdamp
uitgestoten naar de atmosfeer. Anderzijds wordt nieuwe
microbiële biomassa opgebouwd.
-
10 Deel 1: Literatuurstudie
Schematisch kan de aerobe afbraak van organisch afval als volgt
worden voorgesteld
(Themelis en Kim, 2002):
C6H10O4 x + 6.5 O2 C6H10O4 x − 1 + 6 CO2 + 5 H2O (1)
4.1.2.1. Partikelmodel
Compostering is een complex proces en vertoont grote verschillen
zowel in ruimte als in tijd.
Daarnaast vormt compost ook een zeer heterogeen geheel. Voor
beter begrip van het
composteringsproces en de procesdynamica stelde Hamelers (1993)
een model voor waarin
compost wordt voorgesteld als een veelvoud van partikels. Alle
partikels zijn bedekt door een
waterlaagje. Dit waterlaagje is het medium waarin het
composteringsproces zich afspeelt:
transport van molecules en mo, microbiële activiteit en
chemische reacties. Door de trage
diffusie van zuurstof in water treedt op korte afstand
zuurstoflimitatie op. Dit zorgt voor het
ontstaan van anaerobe microsites in de compostmatrix. Hamelers
vertaalde dit fenomeen
door te veronderstellen dat een partikel compost is opgebouwd
uit een anaerobe kern en een
aerobe buitenschil. Zowel anaerobe als aerobe afbraak treden
parallel op. Factoren die het
belang van beide beïnvloeden zijn beluchting en
vochtigheidsgraad. Vanuit de anaerobe
kern diffunderen er opgeloste stoffen naar de aerobe mantel. Via
een tweestapsproces
worden de organische polymeren via monomeren omgezet tot
bruikbaar substraat voor de
aerobe bacteriën in de mantel. Fermentatie van monomeren tot
korte keten vetzuren volgt na
hydrolyse van polymeren. De bacteriën in deze buitenste laag
aggregeren tot een biofilm.
Hier worden de opgeloste substraten snel geoxideerd en treedt er
tevens hydrolyse op van
organische polymeren. In de anaerobe kern geven koolzuurgas en
nitraat als
elektronacceptor aanleiding tot de productie van respectievelijk
methaan en een mengsel
van stikstofgas en lachgas, welke broeikasgassen (BKG) zijn
(Hamelers, 1993).
4.1.2.2. Fases
Het proces is tevens tijdsafhankelijk. Er worden drie fases
onderscheiden. Het belangrijkste
element dat de verschillende fases onderscheidt is de
snelheidsbepalende stap. De eerste
fase is groei-gelimiteerd, de snelheid van de compostering wordt
beperkt door de
hoeveelheid actieve biomassa in het systeem. In de tweede stap
is massatransfer van
zuurstof snelheidsbepalend. De limitatie aan zuurstof is het
gevolg van de snelle afbraak aan
gemakkelijk afbreekbaar organisch materiaal. Wanneer er een
grote populatie aan actieve
biomassa is geïnstalleerd en de snel verteerbare delen zijn
geconsumeerd, wordt de
compostering hydrolyse-gelimiteerd. De biomassa moet
overschakelen naar een ander dieet,
van rBOD naar moeilijker afbreekbare polymeren zoals cellulose
en hemicellulose. De
hydrolyse die nodig is om deze polymeren om te zetten naar
verteerbare monomeren is
echter een trager proces dan de verdere vertering ervan.
-
11 Deel 1: Literatuurstudie
Gelijklopend met de verschillende fases is er een opeenvolging
van verschillende
temperatuurregimes. Aan het begin van het composteringsproces is
er een snelle
temperatuursstijging. De gemakkelijk verteerbare delen worden
gemineraliseerd en dit zorgt
voor een grote warmteproductie. Bijgevolg is er afhankelijk van
het substraat een grote
temperatuurstoename tot 50 à 60°C. Deze hoge temperatuur is
dodelijk voor mo en zorgt
voor zelfinhibitie. De warmteproductie en dus ook de temperatuur
zakt nadien tot mesofiele
condities (± 37°C). Hierdoor wordt de compost door nieuwe
organismen zoals schimmels en
mesobiota gekoloniseerd en worden ook de moeilijker
metaboliseerbare delen verteerd
(Verstraete, 2010).
4.1.3. Emissies
Door de bedrijfsvoering worden emissies naar de bodem en
grondwater uitgesloten. Het
Vlaams reglement betreffende de milieuvergunning (Vlarem)
verplicht
composteringsbedrijven om te werken op een vloeistofdichte vloer
met afwateringssysteem.
Behalve het percolaatwater komen bij compostering ook emissies
naar de lucht vrij. Er zit
een grote spreiding op de grootte van de verschillende emissies
in de literatuur. De
verklaring hiervoor is dat de uitstoot tijdens compostering
sterk beïnvloed wordt door de
procesvoering en de samenstelling van groenafval. Stofemissies
zijn eerder beperkt en
treden op bij het laden en lossen en bij mechanische bewerkingen
(zeven, keren ,verkleinen
groenafval). Wel komen grote hoeveelheden koolstofdioxide en
waterdampvrij. Deze zijn
respectievelijk het gevolg van mineralisatie en evaporatie. De
CO2 heeft een korte turnover
tijd en komt snel terug in de C-cyclus. Tabel 4.1 geeft een
overzicht van de belangrijkste
luchtemissies waarbij de effecten van samenstelling en
procesvoering toegelicht worden.
-
12
D
eel 1
: Lite
ratu
urs
tudie
Tabel 2
Em
issie
s tijd
ens h
et c
om
poste
ring
spro
ces u
itgedru
kt in
kg p
er to
n d
rog
e m
assa (D
M)
en h
et e
ffect v
an d
e s
am
enste
lling
en p
rocesvoerin
g o
p d
e e
mis
sie
s.
C
H4 a
,b,c
N2 O
d,e
,f N
H3 d
,g S
ulfid
en
h,i
VO
C
Effe
ct
van
sam
enste
lling
Verh
oogt
bij
min
de
r
stru
ctu
urm
ate
riaal
Veel
sn
el
verte
erb
are
com
ponente
n
verh
oogt
de
em
issie
Verm
oedelijk
lichte
verla
gin
g
bij m
inder s
tructu
urm
ate
riaal
Verh
oo
gt
door
N-in
houd
bio
ma
ssa
Em
issie
ste
rk
afh
ankelijk
van
C/N
verh
oudin
g
bio
massa
Verh
oogt
bij
min
der
stru
ctu
urm
ate
riaal
Em
issie
ste
rk
afh
ankelijk
van C
/N/S
verh
oudin
g b
iom
assa
Verh
oogt
bij
min
der
stru
ctu
urm
ate
riaal
Veel
snel
verte
erb
are
com
ponente
n
verh
oogt
em
issie
Conife
ren
zorg
en
voor
typis
che d
enneg
eur
Effe
ct
van
pro
cesvoerin
g
Vold
oende
kere
n
en
belu
chte
n b
eperk
t em
issie
Anaero
bie
verm
ijden
Em
issie
voorn
am
elijk
in
mesofie
le c
onditie
s
Hog
e
belu
chtin
g
en
kere
n
verh
oog
t
em
issie
Hog
e
belu
chtin
g
en
kere
n
verla
ag
t
em
issie
Hog
e
belu
chtin
g
en
kere
n v
erla
ag
t em
issie
Rang
e
van
em
issie
facto
ren
0,7
6
d - 8,7
2
j kg
CH
4 -C/to
n
DM
0,0
93 j –
0,1
9 d k
g N
2 O-N
/ton
DM
3
0,2
2
j –
0,4
9
d kg
NH
3 -N/to
n D
M
Onder
dete
ctie
limie
t
50 p
pm
h
0,5
9 g
/ton D
M d
a A
nders
en e
t al., 2
00
9; b
Mille
r, 1993;
c Walk
er, 1
99
3; d
Am
ling
er e
t al., 2
008
; e B
eck-F
riis e
t al., 2
000
; ,f He e
t al., 2
001; g
de G
uard
ia e
t al., 2
010;
h R
osenfe
ld e
t al., 2
004; i M
ad
igan e
t al., 2
009; j H
elle
bra
nd, 1
998
3
Vaak w
ord
t vero
nders
teld
dat
onder
goede pra
ktijk
m
et
vold
oende be
luch
ting
g
een la
chg
as w
ord
t g
epro
duceerd
bij
gro
encom
poste
ring
(Gelly
nck e
t al., 2
006).
-
13 Deel 1: Literatuurstudie
4.2. Composteringsinstallatie
In Vlaanderen wordt groenafval verwerkt via weinig intensieve
composteringsprocessen.
Behalve het deel groenafval dat in de GFT-composteringen terecht
komt, wordt groenafval in
open lucht gecomposteerd. Bijgevolg komt de lucht die door de
composthopen stroomt
onbehandeld in de omgeving terecht. In grote lijnen kan er
onderscheid gemaakt worden
tussen twee verschillende procesvormen: composteren op tafels en
composteren op rillen.
De eerste optie wordt het meest toegepast in Vlaanderen.
Groencompostering zal hieronder
besproken worden volgens de weg die het groenafval aflegt, met
aandacht voor onderscheid
tussen de twee vormen waarbij het belangrijk is te beseffen dat
elke groencompostering een
variant is op de hieronder beschreven processchema‟s (Huybrechts
en Vrancken, 2005).
4.2.1. Voorbehandeling
Het groenafval wordt tijdelijk opgeslagen waarna het wordt
verkleind, gehomogeniseerd en
op hopen gezet. Verkleinen van het groenafval verhoogt het
specifiek oppervlak voor
microbiële activiteit en bijgevolg de snelheid van het proces.
Een hakselaar zorgt voor de
verkleining en bevordert bovendien de homogenisatie. Speciale
mengapparatuur of
wielladers zorgen voor verdere menging.
Het opzetten gebeurt met behulp van een wiellader. Bij het
opzetten wordt zeefoverloop
opnieuw ingebracht. Dit dient als structuurmateriaal en zorgt
voor inoculatie van het
groenafval. Daarnaast wordt ook water toegevoegd als het
inputmateriaal te droog is4. Het
groenafval wordt opgezet in hopen met trapeziumvormige doorsnede
ook wel tafels
genaamd of in hopen met driehoekvormige doorsnede, rillen
genaamd. Omwille van het
4 De BBT-studie van het Vito stelt dat een vochtgehalte tussen
35 en 65% optimaal is (Huybrechts en
Vrancken, 2005), volgens een Nederlands rapport is een
vochtgehalte tussen 45 en 50% ideaal (SenterNovem 2008) en tussen
50 tot 60% volgens (Amlinger et al., 2008)
Figuur 7 Schematische weergave van een
composteringsinstallatie.
-
14 Deel 1: Literatuurstudie
risico op compactie, anaerobie, geurhinder en een minder
kwalitatief eindproduct is de
maximale hoogte gereglementeerd5. Het werken in tafels heeft als
voordeel dat de
temperatuur over het volledige volume min of meer constant is
door de lage
oppervlakte-volume verhouding. Dit verzekert de hygiënisatie
over de volledige
composthoop. Composthopen opgezet in rillen hebben kleine
volumes en een groot
oppervlak en verliezen veel warmte aan de wanden. Het groot
oppervlak verzekert wel een
betere beluchting (Huybrechts en Vrancken, 2005).
4.2.2. Compostering
Tijdens het composteringsproces worden zuurstof- en vochtgehalte
op peil gehouden door
de hopen regelmatig te keren en te besproeien. Er zijn enkele
uitzonderingen waar de
composthopen ook actief belucht worden via beluchtingsgoten in
de vloer. Bij
tafelcomposteren wordt de composthoop gekeerd door hem met
wielladers te verplaatsen.
Bij composteren op rillen wordt vaker gekeerd en wordt gebruik
gemaakt van speciaal
ontworpen machines, zogenaamde compostomzetters. De hogere
beluchting bij
composteren op rillen zorgt voor een intensiever
composteringsproces. Het proces verloopt
sneller. Door de hogere beluchting en een groot buitenoppervlak
bestaat het risico dat de
hygiënisatie niet volledig wordt bereikt. Een mogelijke
oplossing hiervoor is het afdekken van
de hopen met gore-tex doek. Dit houdt de composthopen warm,
beschermt tegen regen en
weerhoudt hoogmoleculaire gassen waaronder de
geurcomponenten.
Elke composteringsinstallatie is verplicht een
percolaatopvangbekken te hebben. Hier wordt
het regenwater dat op de composteringsvloer valt tijdelijk in
opgeslagen. Dit percolaatwater
wordt hergebruikt om de hopen te bevochtigen wanneer het
vochtgehalte te laag is. Op
sommige sites treed er ‟s winters door de beperkte input
groenafval een watersoverschot op.
Percolaatwater mag niet ongezuiverd geloosd worden. Sommige
sites hebben in de zomer
een tekort aan percolaatwater en gebruiken grondwater,
oppervlaktewater of zelfs
leidingwater om de composthopen te bevochtigen.
De actieve composteringsfase bij tafelcomposteren duurt ruwweg
zes maanden. Daarna
wordt de compost nog nagerijpt om de stabiliteit verder te
verhogen. De narijpingsfase duurt
drie weken tot drie maanden en gebeurt bij beide
composteringsschema‟s in tafels vanwege
de beperkte, mesofiele activiteit. Om het vochtgehalte van de
compost te verlagen gebeurt
deze laatste fase vaak in een hal (Huybrechts en Vrancken,
2005).
5 In Vlaanderen wordt de hoogte van composthopen meestal beperkt
tot (Huybrechts en Vrancken,
2005) een hoogte van 3 tot 4m.
-
15 Deel 1: Literatuurstudie
4.2.3. Nabehandeling
Bij de nabehandeling wordt de compost afgezeefd. Wat overblijft
van de compost na zeving
wordt zeefoverloop genoemd en bevat onzuiverheden en grove
houtige delen. De
zeefoverloop wordt voor het grootste deel terug in het proces
gebracht. Maximaal 15% mag
hieruit verkocht worden (zie sectie 3.4). Deze brandstof wordt
gebruikt in
elektriciteitscentrales of voor verwarming bijvoorbeeld in de
serreteelt. Hiervoor dient de
zeefoverloop gezuiverd te worden van plastics en inerten. Voor
deze zuivering wordt meestal
een windzifter gebruikt. Soms gebeurt de narijping van de
compost pas na zeving
(Huybrechts en Vrancken, 2005).
4.3. Waarde van producten
De gebruikswaarde en economische waarde van de drie
belangrijkste eindproducten van
compostering worden in volgende paragrafen uiteengezet.
4.3.1. Compost
4.3.1.1. Gebruikswaarde van compost
Bodem Organische Stof (BOS)
De afname van organische stof in de bodem is een wereldwijd
probleem. Ook in de Vlaamse
bodems is er een algemene trend van dalende BOS-gehaltes. Het
cultiveren van natuurlijke
ecosystemen tot productieve landbouwgronden gaat vaak gepaard
met verlies van BOS. De
daling wordt veroorzaakt door enerzijds een verminderde input
van organisch stof. Dit is het
gevolg van vermindering van zowel de biomassaproductiviteit als
van de biomassa die terug
in de bodem wordt gebracht. Anderzijds is er een verhoogde
output van organisch koolstof
door versnelde mineralisatie, erosie en uitloging van organische
stof door conventionele
landbouwpraktijken (Lal et al., 2007).
Door toevoegen van compost, verhoogt het BOS-gehalte in de
bodem. Bodem organische
stof is belangrijk in vele aspecten van de chemische, fysische
en biologische
bodemvruchtbaarheid. De belangrijkste effecten staan hieronder
opgelijst.
Cation-exchange capacity (CEC) neemt toe (Garcìa-Gil en Plaza,
2000; Kaur et al.,
2008; Ros et al., 2006; Weber et al., 2007)
Buffering van de bodem-pH (Garcìa-Gil et al., 2004)
Verhoogde aggregaatstabiliteit (Van-Camp et al., 2004)
Verhoging micro- en macroporositeit (Celik et al., 2004)
Verhoogde hydraulische geleidbaarheid (Celik et al., 2004)
Verhoogde waterretentie en waterbeschikbaarheid (Diacono en
Montemurro, 2010)
-
16 Deel 1: Literatuurstudie
Stimuleert activiteit en groei van de autochtone microbiële
gemeenschap in de
bodem (Kaur et al., 2008; Ros et al., 2006,; Tejada et al.,
2009; Tejada et al., 2006;
Zaman et al., 2004)
Introductie van een allochtone microbiële gemeenschap in de
bodem (Flavel en
Murphy, 2006)
Ziektewerend (Hoitink en Boehm, 1999; Hoitink et al., 1993)
Daarnaast vormt ook de netto uitstoot van koolstofdioxide bij de
mineralisatie van BOS een
bedreiging voor het klimaat. Koolstof opgeslagen in de bodem is
naast de oceanische,
geologische, atmosferische en biologische koolstofpool de derde
grootste voorraad. De
toepassing van compost kan dus indirect leiden tot het tegengaan
van de klimaatsopwarming
(Diacono en Montemurro, 2010; Dick en McCoy, 1993).
Nutriënten vrijstelling
De nutriënten en voornamelijk de N wordt door mineralisatie
langzaam vrijgesteld uit
compost. Tittarelli et al. (2007) berekende dat circa een derde
van de totale N wordt
vrijgesteld na het eerste jaar. De vrijstelling van N uit
compost wordt bepaald door de C/N
verhouding van compost. Wanneer de stikstofgehaltes in compost
te laag zijn, is er gevaar
voor daling van de gewasopbrengst door lage N-concentraties in
de bodemwaterfase.
Daarnaast zorgt immobilisatie van N door mo voor competitie met
planten (Amlinger et al.,
2003; Weber et al., 2007).
Compostapplicatie heeft een zeer gunstig effect op de
beschikbare K-gehaltes in de bodem;
kalium zit in hoge concentraties in compost en dit element wordt
weinig beïnvloed door
immobilisatie waardoor het vrijwel direct beschikbaar is voor de
plant. Hetzelfde geldt voor
fosfor. Er is bovendien risico op accumulatie van fosfor in de
bodem. Door immobilisatie van
N kan de N/P/K balans uit verhouding zijn en ontstaat er een
fosforoverschot (Eghball,
2002).
Voedselkwaliteit
Hoewel er ook soms negatieve effecten (Saha et al., 2007;
Tavarini et al., 2011) worden
gemeten, geven een aantal onderzoeken aan dat compostbemesting
de voedselkwaliteit
positief beïnvloedt (Pinamonti, 1998). De effecten zijn echter
zelden spectaculair en zijn
steeds specifiek van gewas tot gewas (Vogtmann et al.,
1993).
4.3.1.2. Marktwaarde van compost
De markt van compost is geen gewone markt. Het aanbod is het
gevolg van
afvalverwerkingsactiviteiten, de vraag moet volgen (Buhr et al.,
1993; Shiralipour et al.,
1992). Regelgeving over verwerking van organisch afval heeft
gezorgd voor productie van
-
17 Deel 1: Literatuurstudie
grote hoeveelheden compost en is niet tot stand gekomen op vraag
van de consument. De
markt van compost kan daarom een valse markt genoemd worden.
Kopers worden gepusht
om compost te gebruiken als substituut voor andere producten.
Het aanbod van compost is
vrij inelastisch.
Compost bezit veel verschillende
waardevolle eigenschappen als
bodemverbeteraar. Het kan
verder verwerkt worden tot
verschillende eindproducten (zie
Figuur 8). De afzetmarkt van
compost beslaat een breed
gamma aan toepassingen
(Alexander, 2004). De
voornaamste toepassingen
worden hieronder opgelijst:
Substituut voor veen in potgrond
Toplaag bodem voor residentiële toepassingen en
golfterreinen
Meststof en substraat bij tuinaanleg en in bomenkwekerij
Bodembedekker
Organische meststof in de landbouw
Tabel 3 Substitutiewaarde van compost
Gebruik compost Substitutieproducten
(gewichts % compost, droge basis)
Gebaseerd op:
Veen Minerale mest Dierlijke mest Niets
Particulier gebruik 20.5 18 11 50.5 Enquête a
Alle toepassingen6 73 90 10 \ Schatting b
Alle toepassingen6 33.3 100 0 \ Schatting c
Alle toepassingen 20 50 0 30 Schatting obv ruwe gegevens d
Alle toepassingen 30 60 0 10 Schatting obv ruwe gegevens e
a Andersen et al., 2010; b Vlaco, 2009; c Schleiss, 2008; d
Smith et al., 2001; e Raadal et al., 2010
Hoewel compostering wordt aanzien als milieuvriendelijk proces,
speelt dit weinig belang bij
verkoop. De koper is enkel geïnteresseerd in welke directe
waarde het oplevert of anders
gezegd welke kosten hij er mee kan besparen. Voor welke
producten compost als substituut
6 De som van de verschillende substitutiewaarden is hoger dan
100%. Dit komt door de
veronderstelling dat één eenheid compost hier zowel consumptie
van meststoffen als veen vervangt.
Figuur 8 Afnemers compost 2010. Afname uitgedrukt in
gewichtspercentage (Vlaco, 2011)
12%
30%
14%11%
7%
16%
7%
2% 1%Potgrondfabricanten
Grondopmengers
Andere grootafnemers
Tuinaannemers
Openbare groenvoorziening
Particulieren
Landbouw
Export
Andere
-
18 Deel 1: Literatuurstudie
optreedt, is moeilijk in te schatten en blijft een punt van
discussie. De meeste studies
veronderstellen dat compost een vervangproduct is voor mest,
veen en minerale meststof in
bepaalde verhoudingen. Soms wordt ook verondersteld dat een deel
van de compost geen
andere producten vervangt. Een Deense ondervraging (Andersen et
al., 2010) bij particuliere
gebruikers van compost toont grote verschillen met de
gebruikelijke schattingen. Tabel 4.2
vat deze substitutiemarkt samen.
4.3.2. Zeefoverloop
Naast compost wordt op een composteringsinstallatie nog een
tweede product verkocht,
namelijk zeefoverloop. Dit zijn houtige delen die niet snel
genoeg verteren om tijdens de
composteringsduur te mineraliseren. De zeefoverloop wordt voor
het grootste deel terug in
het proces gebracht als inoculum voor vers groenafval.
Opgeschoonde zeefoverloop wordt
verkocht aan steenkoolcentrales ofwel aan landbouwers voor het
verwarmen van serres. In
steenkoolcentrales wordt de zeefoverloop samen verbrand met de
steenkool en levert de
centrales groenestroomcertificaten (GSC) op.
4.3.3. Houtsnippers
Bij intensieve groencompostering mag naast zeefoverloop ook een
deel houtsnippers uit
inkomend groenafval verkocht worden voor energieopwekking. De
totale hoeveelheid
houtsnippers en zeefoverloop mag maximaal 20% van het gewicht
van het inkomende
groenafval bedragen. Een belangrijke voorwaarde is dat er nog
voldoende structuurmateriaal
overblijft voor een kwalitatieve compostering. Daarnaast kunnen
houtsnippers ook verkocht
worden als mulchmateriaal (Vlaco, 2013).
5. Pyrolyse
5.1. Procesbeschrijving
De verschillende stappen van thermochemische conversie zijn
gelijklopend voor pyrolyse,
vergassing en verbranding. Het enig verschil tussen de drie is
dat de reactieproducten
respectievelijk niet, gedeeltelijk of volledig geoxideerd
worden.
5.1.1. Definitie
“Pyrolysis is a thermal decomposition process that takes place
in the absence of oxygen to
convert biomass into solid charcoal, liquid bio-oil and gases at
elevated temperatures (Zhang
et al., 2010).”
5.1.2. Het pyrolyse-proces
Hieronder worden de algemene stappen van pyrolyse verder
uiteengezet.
-
19 Deel 1: Literatuurstudie
5.1.2.1. Stap 1 Opwarmen en drogen
De biomassa ondergaat in de eerste stap een opwarming. De
opwarming verhoogt de
temperatuur van de biomassa van omgevingstemperatuur naar
reactortemperatuur. Hierbij
dient ook latente warmte overwonnen te worden om een deel van
het vocht te verdampen.
Figuur 9 Thermisch ontbindingsgedrag van hemicellulose,
cellulose en lignine.
Overgenomen uit Yang et al., 2007.
Een deel van het vocht wordt met zwakke fysische krachten
vastgehouden in de biomassa
en verdampt bij ongeveer 100°C. Pas bij 300°C verdampt ook het
sterk gebonden vocht en is
de biomassa bone-dry (Bain en Broer, 2011).
5.1.2.2. Stap 2: Pyrolyse
Zoals is weergegeven in Figuur 9 ontbindt de biomassa bij
verhoogde temperaturen in drie
fracties: de permanente gassen (CO, CO2, H2 en lichte volatile
organic compounds (VOC‟s)
zoals CH4), een condenseerbare fractie (teren en geproduceerd
water) en een poreuze kool
met as (Bain en Broer, 2011).
5.1.2.3. Stap 3: Secundaire reacties
De teren zijn niet stabiel en worden via secundaire reacties
gekraakt naar kleinere
elementen zolang ze onder deze hoge reactortemperaturen blijven.
Hoe langer de verblijftijd
in de reactor hoe hoger het percentage permanente gassen en hoe
lager de hoeveelheid
teer.
Ook de permanente gassen zelf ondergaan nog chemische
veranderingen. Water-gas-shift
en methanation zorgen voor verschuivingen in de samenstelling.
De koolstof in de vaste kool
reageert met water of waterstofgas tot CO, H2 of CH4 (Bain en
Broer, 2011).
-
20 Deel 1: Literatuurstudie
5.1.2.4. Snelle en trage pyrolyse
Snelle pyrolyse verschilt van trage pyrolyse in de
procesomstandigheden (zie Tabel 4). De
opdeling tussen beide is echter eerder semantisch van aard, er
bestaat een heel palet aan
vormen van pyrolyse. De opdeling wordt voornamelijk bepaald door
de verschillende
uitkomsten van het proces. Ofwel wordt gefocust op koolproductie
ofwel op productie van
energie of energiedragers (D. Dickinson, mondelinge
communicatie, 21 december 2012).
Een techno-economische analyse van maïsresten in de VS duidt
snelle pyrolyse aan als
meest rendabele technologie (Brown et al., 2011; McCarl et al.,
2012). Voor groenafval in
Vlaanderen kan grotendeels de zelfde redenering gevolgd worden.
De prijzen voor
elektriciteit zijn hoog en een vergoeding voor het vastleggen
van koolstof in de bodem
ontbreekt. Bovendien lijken de eerste resultaten van
biocharproeven op de
gewasopbrengsten in Vlaanderen geen opbrengstverhogingen aan te
tonen (N. Ameloot,
persoonlijke communicatie, 21 maart 2013). Daarnaast lijkt het
ook zo dat de vraag naar
organische stof verbeteraar beperkt is, af te leiden uit de
vraag naar compost in Vlaanderen.
Biochar zal wellicht net als compost hooguit een nicheproduct
blijven in het landbouwmodel.
5.1.2.5. Basisprincipes snelle pyrolyse
Het belangrijkste kenmerk van snelle pyrolyse is de snelle
opwarming van de biomassa en
tevens afkoeling ervan. Snel opwarmen zorgt voor het snel
ontbinden van de biomassa en
de vorming van een grote hoeveelheid teer. Het snel afkoelen van
de biomassa in
downstream units zorgt voor het abrupt onderbreken van de
ontbindingsreacties. Wanneer
de verblijftijd in de reactor laag is, treden er weinig
secundaire reacties op. Secundaire
reacties zijn polymerisatie tot secundaire char en thermisch en
katalytisch kraken tot
permanente gassen. Het gevolg is de productie van grote
hoeveelheden bio-olie. Deze
viskeuze vloeistof is onstabiel en moet bewaard worden op lage
temperaturen om te
voorkomen dat de secundaire reacties alsnog optreden (zie Tabel
4).
Tabel 4 Verschillen in procesomstandigheden tussen trage en
snelle pyrolyse
(Bahng et al., 2009; Manyà, 2012)
Eigenschap Trage Pyrolyse Snelle Pyrolyse
Temperatuur 300 à 400 °C Circa 500°C
dT/dt Traag (6– 60 K/min) Snelle opwarming van de biomassa
(>200 K/min) en
snelle afkoeling van de dampen “Freezing the reaction”
Verblijftijd dampen Lang (5– 30 min) Kort ( 2 seconden)
Product Maximale kool- en
gasopbrengst
Maximale bio-olie-opbrengst (60-70 gew.% DM)
-
21 Deel 1: Literatuurstudie
Belangrijke parameters in het proces zijn partikeldiameter van
de voeding en verblijftijd van
de damp. Deze moeten respectievelijk klein en laag zijn omdat
snelle warmteoverdracht
noodzakelijk is. Hiervoor wordt een grote hoeveelheid hete,
inerte warmtedrager vermengd
met een kleine hoeveelheid koude biomassa.
Biomassa kan grofweg opgedeeld worden in drie fracties
(hemicellulose, cellulose en
lignine). Deze hebben elk een specifiek thermisch
ontbindingsgedrag (zie Figuur 9). Elke
fractie geeft in verschillende mate aanleiding tot de
eindproducten. Cellulose wordt voor een
groot deel omgezet naar teer. Hemicellulose en lignine worden
omgezet in zowel gas, damp
als kool. Een groot deel van de koolfractie wordt gevormd uit
lignine vanwege de stabiliteit
van dit product.
Naast vele fysische parameters heeft ook het asgehalte grote
invloed op de samenstelling
van de eindproducten. Hoewel de onderliggende mechanismen nog
niet opgehelderd zijn,
schijnen voornamelijk het gehalte aan Na, K en in minder mate S,
P en NH4+ belangrijk te
zijn. Hoe hoger het asgehalte, hoe lager de teervorming. Zowel
de hoeveelheid kool als gas
verhoogt (Venderbosch en Prins, 2011). De concentraties van
verschillende chemische
elementen is verschillend per soort biomassa. Sommige metalen,
maar ook andere
elementen bemoeilijken de procesvoering. Voorbehandeling van
biomassa om deze
“stoorelementen” te verwijderen is niet kosteneffectief.
Aanpassingen aan het proces of
nabehandeling kunnen echter de meeste verstoringen
voorkomen.
5.1.3. Emissies
De emissies van pyrolyse-technologie zijn afhankelijk van de
gebruikte grondstof en de
toepassing van de pyrolyse-producten. Bij verbranding van de
eindproducten zijn de
emissies gelijkaardig aan deze van verbrandingstechnologie. De
emissies van NOx, Hg,
dioxines en furanen kunnen wel iets lager zijn dan voor
rechtstreekse verbranding (Pytlar,
2010).
5.2. Pyrolyse-installatie
In deze paragraaf wordt een opstelling van een
pyrolyse-installatie voor groenafval
besproken. Pyrolyse van biomassa wordt tot op heden nog niet
toegepast. Onderstaande
opstelling is een hypothetisch schema van hoe zo‟n installatie
er uit kan zien (D. Dickinson,
mondelinge communicatie, 21 december 2012).
5.2.1. Voorbehandeling
De voorbehandeling bestaat uit een hakselaar om de biomassa te
verkleinen en daarnaast
ook te homogeniseren. Om operationele stabiliteit te verhogen
dient de biomassa ook deels
te worden ontdaan van stoorelementen zoals steengruis of
metalen. Vervolgens wordt de
-
22 Deel 1: Literatuurstudie
biomassa gedroogd tot een vochtgehalte van 20 à 30 % van het
gewicht. Daarna wordt de
biomassa gestockeerd in een voorraadplaats. Drogen en opslag kan
eventueel gelijktijdig
gebeuren.
5.2.2. Drogen
De biomassa wordt verder gedroogd tot een vochtgehalte 10 à 5%
van het vers gewicht. Het
drogen van de biomassa is voornamelijk bedoeld om teer te
bekomen die weinig water bevat
en een hoge calorische waarde heeft. De warmte die nodig is om
de biomassa zo
verregaand te drogen wordt afgetapt van het proces.
5.2.3. Pyrolyse
De voorbehandelde biomassa wordt vervolgens in een pyrolyse-oven
gebracht. Er bestaat
een brede waaier aan pyrolyse-technologie. Wervelbedovens zijn
het meest populair, zowel
circulerend als stationair gefluidiseerd bed, waarbij de
warmtedragers respectievelijk stabiel
in de reactor blijven dan wel continu circuleren.
5.2.4. Nabehandeling
In de nabehandeling worden koolpartikels afgescheiden van de
dampen. De dampen worden
verbrand, de kool wordt geoogst. De warmte die opgewekt wordt
bij de verbranding dient om
de reactor op temperatuur te houden en de biomassa te drogen. De
restwarmte die overblijft
kan gebruikt worden om elektriciteit op te wekken.
De verbrandingsgassen bevatten zowel fijn stof als schadelijke
gassen en dienen te worden
nabehandeld om aan de emissienormen te voldoen.
5.3. Waarde van producten
Hieronder zal voor elk product van het pyrolyse-proces de
gebruikswaarde en mogelijke
toepassingen besproken worden.
5.3.1. Gas
5.3.1.1. Reactorwarmte
Om de reactor op hoge temperatuur te houden, wordt een deel van
de producten verbrand.
Soms wordt hiervoor de gasfractie gebruikt (Bain en Broer, 2011;
Dayton et al., 2011).
5.3.1.2. Warmte en elektriciteit
Door de gassen te verbranden in een turbine, een motor of in een
boiler, kan elektriciteit
geproduceerd worden. Een boiler en een motor zijn vrij
ongevoelig aan onzuiverheden in het
gas, een turbine daarentegen niet. De restwarmte kan nog nuttig
worden ingezet via een
-
23 Deel 1: Literatuurstudie
aansluiting op een warmtenet of door te voorzien in warmtevraag
op de site zelf (Bain en
Broer, 2011; Dayton et al., 2011).
5.3.1.3. Zuiver gas
Het proces kan zo bewerkt worden dat enkel waterstofgas of
methaan wordt geproduceerd.
In geval van methaan spreekt men over substitute natural gas
(SNG). Waterstofgas kan
verwerkt worden in brandstofcellen en wordt door sommigen
(Rifkin, 2002) aanzien als de
universele energiedrager van de toekomst. Dit concept wordt ook
wel de waterstofeconomie
genoemd (Bain en Broer, 2011; Dayton et al., 2011).
5.3.1.4. Fischer-Tropsch-vloeistoffen
Door de gassen katalytisch te bewerken, kunnen er verschillende
koolwaterstoffen worden
gevormd via het Fischer-Tropsch-proces. Dit katalytisch proces
is niet selectief en
produceert een veelheid aan stoffen. Uit de
Fischer-Tropsch-vloeistof kunnen door destillatie
zuivere koolwaterstoffen worden gewonnen zoals methanol, ethanol
en dimethylether
bijvoorbeeld (Bain en Broer, 2011; Dayton et al., 2011).
5.3.2. Char
5.3.2.1. Landbouwwaarde
Wanneer de kool gebruikt wordt als bodemverbeteraar wordt deze
biochar genoemd. De
definitie van biochar volgens de International Biochar
Initiative (2012) luidt als volgt:
―A solid material obtained from thermochemical conversion of
biomass in an oxygen-limited
environment.‖
De bodemverbeteraar heeft een aantal positieve eigenschappen
gelijkaardig aan compost.
Biochar heeft invloed op zowel fysische, chemische als
biologische eigenschappen van de
bodem maar meest op de fysische bodemeigenschappen (Chan et al.,
2007). Net als bij
compost is er een verbeterde aggregaatstabiliteit in bodems.
Volgens Ekeh et al. (1997)
heeft biochar een intensiever effect op de aggregaatstabiliteit
dan een zelfde dosis compost.
Verbeterde aggregaatstabiliteit verhoogt de bulkdensiteit en de
micro- en macroporositeit,
wat tot een verbeterde percolatiesnelheid zorgt en tevens de
bodem beschermt tegen erosie.
Daarnaast vermindert ook de tensile strength, met als gevolg een
betere wortelgroei. Door
een verhoogde microporositeit verhoogt het waterbergend vermogen
van een bodem. Dit
leidt tot een betere waterbeschikbaarheid voor de planten en
vermindert de uitspoeling naar
het grondwater (Chan et al., 2007; Glaser et al., 2002; Ekeh et
al., 1997).
Pyrolyse van biomassa zorgt voor een opconcentratie van de
oorspronkelijke minerale
bestanddelen. Een uitzondering is stikstof, dat deels
vervluchtigt en deels geïncorporeerd
-
24 Deel 1: Literatuurstudie
wordt in de aromatische koolstofstructuren. Mineralen worden
fysisch en chemisch
vastgelegd in de kool en blijven langer in de bodem door
interactie en complexatie aan het
oppervlak van de kool (Shackley en Sohi, 2010). De mineralen
bevatten veel basische
kationen. Gebruik van biochar kan daarom de alkaliniteit in de
bodem verhogen en maakt het
mogelijk om hierdoor de chemische bodemvruchtbaarheid van een
verzuurde bodem te
herstellen.
De effecten op de biologische functie van de bodem zijn divers
maar nog slecht begrepen
(Lehmann et al., 2011). Het effect op microbiële biomassa is in
tegenstelling tot andere
bodemverbeteraars niet significant. Door de stabiele aard van de
koolstof neemt de
microbiële biomassa, na een korte groei door aanwezigheid van
labiele componenten, niet
toe (Bolan et al., 2012).
5.3.2.2. Energie
De warmte die nodig is om de reactor op temperatuur te houden
wordt soms gegenereerd
door de gasfractie te verbranden, in andere gevallen wordt de
koolfractie verbrand.
De mogelijkheid bestaat ook om de kool te oogsten en deze te
gebruiken als brandstof voor
verwarming of in elektriciteitscentrales. In België is er een
gelijkaardig project door het bedrijf
4 Energy Invest stopgezet. Hun installatie voor torrefactie van
houtskool kon
noodgedwongen maar op 40% van de geïnstalleerde capaciteit
draaien. Bijkomende
investeringen zijn nodig om de problemen op te lossen. Door
tekort aan fondsen zijn de
activiteiten stopgezet (4Energy Invest, 2010; 4Energy Invest,
2012).
5.3.2.3. Andere
Zowel productie van biochar voor landbouwkundige toepassingen
als ter substitutie van
steenkool zijn onder de huidige marktomstandigheden niet
winstgevend. Toepassingen in
nichemarkten kunnen eventueel een uitweg bieden aan het
economische struikelblok en als
opstap dienen voor de verdere uitbouw van de sector. Volgens
González et al (2012) zijn er
twee mogelijke nichemarkten: Control Release Fertiliser (CRF) en
biochar als medium voor
enzymes of mo.
CRF worden voornamelijk gebruikt in niet-landbouwkundige
toepassingen en hebben een
waarde die drie tot vier keer hoger ligt dan de conventionele
kunstmeststoffen. Door de grote
CEC van biochar is het geschikt om NPK-meststoffen voor langere
tijd reversibel te binden.
Een andere mogelijkheid bestaat er in om een stikstof te
incorporeren in de biochar. Dit kan
door biochar samen met een stikstofbron te verhitten of deze
reeds toe te voegen bij het
begin van het pyrolyse-proces.
-
25 Deel 1: Literatuurstudie
De porositeit en het groot specifiek oppervlak van biochar maakt
het een interessant product
voor immobilisatie. Activatie van biochar maakt deze
eigenschappen nog meer uitgesproken
maar verhoogt tevens de kosten. Immobilisatie van enzymes
gebeurt door adsorptie aan het
oppervlak van biochar en actieve kool. Dit oppervlak is tevens
een geschikte plaats voor de
kolonisatie van mo. Een aantal mogelijke toepassingen zijn:
groeimedium in waterzuivering,
carrier voor inoculatie van verontreinigde bodems, groeimedium
bij microbiële synthese en
dergelijke (González et al., 2012).
5.3.3. Olie
5.3.3.1. Brandstof
Bio-olie kan verbrand worden in boilers voor het leveren van
warmte en elektriciteit. De
lagere verbrandingswarmte en het verschil in verbrandingsgedrag
vergeleken met fossiele
olie moeten in rekening gebracht worden, maar bij het ontwerp
zelf is er geen wezenlijk
probleem.
Een toepassing met hogere waarde is het gebruik als
transportbrandstof in dieselmotoren.
Standaard dieselmotoren zijn echter niet geschikt voor bio-olie
door problemen met corrosie,
erosie van de injectoren, cokeafzetting in de cilinders,
verstopping van het injectie systeem,
... Door de aanpassing van zowel de motor (materiaalkeuze,
injectorsysteem…) als de
brandstof (cetaanverbeteraars, hydrotreatment) is dit echter wel
mogelijk. Stationaire
dieselmotoren en dieselmotoren met grote plunjers (boten,
vrachtwagens en andere zware
motoren) zijn wegens de relatieve ongevoeligheid aan vervuiling
het meest geschikt.
Verregaande opwerking (hydrotreatment) van de brandstof maakt
ook gebruik in standaard
dieselmotoren mogelijk.
Bio-olie kan potentieel ook kerosine of gas vervangen in een
turbine. Opnieuw dienen er
aanpassingen te gebeuren aan de technologie (schoepen,
verbrandingskamer en
doseringsysteem) om