Färska och lagrade grödor - ett nytt sätt att organisera substratförsörjningen året runt för en biogasanläggning

Detta projekt genomfördes som en fallstudie för två grödbaserade biogasanläggningar i Jordberga och Örebro som båda ägs av Gasum AB, tidigare Swedish Biogas International (SBI). Det övergripande syftet med projektet var att minska substratkostnaderna med minst 10 % genom att organisera tillförseln av grödor på ett nytt sätt som kombinerar färska och ensilerade grödor. Det under- liggande antagandet är att substratkostnaderna kan minskas genom att under skördeperioden an- vända färska grödor i biogasprocessen och därigenom minska kostnaderna för lagring och undvika förluster av torrsubstans under ensilering och lagring.

Målet med projektet var att förbättra kostnadsberäkningarna och utveckla en optimeringsmodell för substrattillförsel för att analysera hur olika färska och ensilerade grödor bäst bör kombineras för att minimera substratkostnaderna under olika tider på året. I det tidigare f3-finansierade projektet ”Optimerad logistik för biogasproduktion” utvecklades en modell baserad på linjärprogrammering för optimering och strategisk planering av logistiken för biogasanläggningar. I detta projekt vidareutvecklades modellen för att optimera tillförseln under olika perioder av året i stället för på årsbasis som i det tidigare projektet.

I den första delen av projektet inventerades vilka grödor som ska inkluderas i fallstudierna samt de- ras egenskaper såsom skördetider, torrsubstansavkastning och metanutbyte. En geografisk inventering av fallstudieområdena genomfördes med hjälp av GIS och baserat på Jordbruksverkets block- databas. Åkermarken runt biogasanläggningarna delades in i två klasser, små fält (1-5 hektar) och stora fält (> 5 ha). För varje fält beräknades verkligt transportavstånd till biogasanläggningen. Fälten delades sedan in i 7 zoner med olika transportavstånd från 0-100 km och för varje zon summerades arealen för de två fältklasserna små och stora fält. Det genomsnittliga transportavståndet för alla fält i varje zon beräknades.

Baserat på inventeringen av grödor beräknades odlingskostnaderna. För att ta hänsyn till produktionspotentialen hos de grödor som annars odlas på fältet beräknades ett markvärde som också inkluderades i substratkostnaden. Skördesystem anpassade till om grödorna odlades på stora eller små fält togs fram. För varje avståndszon beräknades kostnader för transport med traktor eller last- bil och det billigaste alternativet användes sedan i optimeringsmodellen. För grödor skördade med hackvagn adderades sedan en förbehandlingskostnad (bioextrudering) för att tillräckligt reducera partikelstorleken. För ensilerade grödor beräknades en lagringskostnad för ensilering i plansilo. Hänsyn togs även till torrsubstansförlusterna under lagring.

En optimeringsmodell utvecklades som minimerar kostnaderna för tillförseln av färska och lagrade grödor under olika perioder av året för att producera 80% av den totala årliga metanproduktionen på biogasanläggningarna. Från perioden maj till november, när färska grödor fanns tillgängliga, de- lades tillförseln upp i perioder om en vecka, medan resten av året delades i två perioder när endast lagrade grödor fanns tillgängliga, vilket återspeglar lagringsbehovet hos olika grödor. Baserat på de valda grödorna gjordes en lista över substrat, där grödans egenskaper för varje möjlig period för färsk skörd och varje period då en lagrad gröda fanns, representerades av en unik post. De lagrade grödorna antogs ha skördats vid den tidpunkt som resulterade i lägst substratkostnad per m3 producerad metan. För fallstudien för Jordberga biogasanläggning fanns 27 olika grödkombinationer att välja mellan och eftersom många var tillgängliga under flera perioder resulterade det i en lista med 255 potentiella substrat. Motsvarande siffror för fallstudien för biogasanläggningen i Örebro var 15 grödor vilket resulterade i 237 potentiella substrat. Transportkostnaderna beräknades för 14 zoner där zon A1-A7 representerar åkermark på stora fält och B1-B7 åkermark på små fält.

Scenarier med olika villkor för markanvändning och grödkombinationer undersöktes och jämfördes med ett referensscenario (1) utan optimering innehållande de grödor som används idag vilket är ensilerad helsäd och majs i Jordberga och ensilerad helsäd och klövergräsvall i Örebro. I scenario 2 gjordes en optimering där endast ensilerade grödor inkluderades vilket möjliggjorde jämförelse av optimalt resultat med och utan färska grödor. I scenario 3 inkluderades såväl ensilerade som färska grödor med (3a) och utan (3b) restriktionen att maximalt 1/3 av grödorna som tillfördes fick vara färska, detta för att undvika eventuella negativa effekter av endast färska grödor på biogasprocessen. I scenario 4a undersöktes effekten av att endast tillåta grödor och restprodukter godkända för produktion av andra generationens biodrivmedel. I scenario 4b undersöktes om vall blir mer kon- kurrenskraftigt som biogassubstrat om hänsyn tas till det positiva värdet som vall har på andra grödor i spannmålsdominerade växtföljder. Resultatet av optimeringarna sammanfattas i nedanstående tabell.

För Jordberga bestod den optimerade lösningen med endast ensilerade grödor (scenario 2) av endast helsäd som odlades på 2754 ha. Detta kan jämföras med 1000 ha majs och 1500 ha helsäd i referensscenariot. Om både färska och ensilerade grödor inkluderades i optimeringen utan begränsningar (scenario 3b) tillkom utöver ensilerad helsäd även färsk helsäd och färsk sockerbetsblast i den optimala lösningen. Årskostnaderna minskade till 90% av referensscenariot. Det innebar att projektets mål att sänka kostnadskostnaderna med 10% uppnåddes i detta scenario. När andelen färska grödor begränsades till maximalt 1/3 av behovet i varje period (scenario 3a) var de årliga substratkostnaderna 5.5% lägre än i referensscenariot. Maximalt transportavstånd var 15 km.

Biogasanläggningen i Örebro använder idag ensilerad helsäd och klövergräs (scenario 1). Den optimerade lösningen för endast ensilerade substrat (scenario 2) inkluderade helsäd odlad på 1219 ha i zon 1-3 upp till 15 km transportavstånd. När färska grödor inkluderades i optimeringen (scenario 3a) inkluderades förutom lagrad helsäd även färsk helsäd i den optimala lösningen och kostnaderna minskade med 17% jämfört med referensscenariot.

I den föreslagna uppdateringen av EU: s förnybarhetsdirektiv (RED) krävs att biogasanläggningar som idag producerar drivmedel från grödor hittar alternativa grödor godkända för produktion av s.k. avancerade biodrivmedel. I scenario 4a och 4b inkluderades därför endast klövergräsvall, naturmarksgräs, grönråg, mellangrödor och sockerbetsblast (endast i Jordberga) enligt Energimyndighetens definition av livsmedelsbaserade biodrivmedel Majs, helsäd och sockerbetor uteslöts. För Jordberga resulterade optimeringen i att ensilerad grönråg var huvudgröda följt av klövergräsvall från stora fält. Dessutom inkluderades de färska grödorna sockerbetsblast, naturmarksgräs och grönråg. För att förse biogasanläggningen med grödor ökade det maximala transportavståndet till 100 km. När klövergräsvallens växtföljdsvärde inkluderades (scenario 4b) blev istället vall den huvudsakliga ensilerade grödan i den optimerade lösningen. För Örebro biogasanläggning resulterade optimeringen i scenario 4a i att helsäd ersattes huvudsakligen med vall från stora fält samt en del grönråg och mellangrödor

Avancerade biobränslegrödor som sockerbetsblast, grönråg, naturmarksgräs och vall är intressanta alternativ för biogasproduktion men de innebär ökade substratkostnader. I vår analys ökade substratkostnaderna med 26% jämfört med nuvarande grödor som används vid Jordberga biogasanläggning. Motsvarande värde för Örebro biogasanläggning var 17%.

Vall var en mer konkurrenskraftig biogasgröda i Örebro jämfört med i Jordberga. I Örebro var den huvudgröda både i det avancerade biodrivmedelsscenariot 4a och i scenariot när vallens mervärden i växtföljden beaktades (4b). I Jordberga var grönråg och klövergräsvall huvudgrödor i scenariot med avancerade biodrivmedelsgrödor. Färsk vall skördad med ett anpassat system med låg kapacitet kunde inte konkurrera kostnadsmässigt med ensilerad vall skördad med ett system med hög kapacitet, varken i Jordberga eller Örebro.

Jämfört med de nuvarande systemen för grödbaserad biogasproduktion med endast ett fåtal grödor visade analysen av de avancerade biodrivmedelsscenarierna att antalet grödor ökade och innehöll både färska och ensilerade grödor. Detta ökar komplexiteten hos skörde-, transport- och lagringssystemet och möjliga för- och nackdelar med detta behöver studeras ytterligare.

De presenterade resultaten är exempel på hur en optimeringsmodell kan användas som verktyg för strategisk planering och för att undersöka avvägningar mellan kostnadsbesparingar och process- och hanteringsrelaterade begränsningar för tillförseln. Ytterligare arbete och specifika tester behövs för att studera effekter på biogasprocessens stabilitet vid användning av färska substrat.