Energy efficient biogas production by recirculation of nutrients and complete ulilisation of resources (COMPLETE)

Det norske selskapet Biokraft AS åpnet verdens største fabrikk for produksjon av flytende biogass drivstoff på Skogn i Trøndelag 2.september 2018. Drivstoffet selges til Aga og skal benyttes i norsk og skandinavisk transportsektor, bl.a. på busser, ferger og til tungtransport. Biogassen blir laget av avfall fra næringsmiddelindustri, landbruk, havbruk og treforedling, og er et nullutslipp drivstoff som kan bidra vesentlig i omstillingen fra fossil til fornybar energi. I IPN-prosjektet COMPLETE, finansiert av Biokraft og ENERGIX-programmet, er målet å utforske ulike måter å gjøre produksjon av biogass enda mer klimavennlig. En ting som skal undersøkes er hvordan næringsstoffer i avfallet som benyttes til biogassproduksjon kan resirkuleres og utnyttes bedre, enten i de prosessene som er direkte relatert til produksjonen av biogass, og/eller i andre sammenhenger. Ved produksjon av biogass dannes det foruten metangass også en næringsrik biorest. Denne er spesielt rik på nitrogen, og i COMPLETE skal den derfor testes som fôr i produksjon av proteinrike fôrorganismer som børstemark eller som gjødsel i produksjon av fett- og proteinrike mikroalger. Disse vil så kunne anvendes som fôrråstoff til den raskt voksende fiskeoppdrettsnæringen. En slik bioproduksjon representerer en ny måte å produsere protein- og fettrike organismer på, gjennom resirkulering av næringsstoffene. COMPLETE representerer også CO2-fangst, ved produksjon av makro- og mikroalger som tar opp CO2 fra dyrkingsomgivelsene og bygger det inn i ny biomasse. Forskningspartnere i COMPLETE er SINTEF Ocean, NTNU, NIBIO og Scandinavian Biogas Fuels og prosjektet varer i 2016-19. COMPLETE vil demonstrere et nytt konsept for sirkulær bioøkonomi som skaper flere verdier av råstoffene og som kommer nærmest mulig en total resirkulering av næringsemnene. Bruk av ressurser på en slik (sirkulær) måte kan skape risiko for akkumulering av skadelige komponenter som smittestoffer, tungmetaller og miljøgifter, og overføring av disse til fôrorganismer og produksjonsdyr som skal brukes som menneskeføde. For å være bedre i stand til å vurdere disse utfordringene har COMPLETE derfor et tett samarbeid med Mattilsynet og er i dialog med Nærings- og Fiskeridepartementet om regelverksutfordringene knyttet til sirkulær bioøkonomi. Prosjektet gjør en analyse av massebalansen i systemet, der flyt av næringsstoffer og skadelige komponenter kvantifiseres. Kjemiske analyser av fraksjoner og produkter blir brukt i denne analysen, samt litteraturverdier der prosjektet foreløpig mangler egenproduserte egnede data. For utnyttelse av avvannet biorest til børstemarkproduksjon er det utført fôringsforsøk med børstemark hentet fra Trondheimsfjorden. Ulike dyrkingsbetingelser og blandinger av fôr er testet ut for å finne fram til hva som gir best vekst av børstemark og størst forbruk av biorest som fôr. Forsøkene viser at børstemark spiser biorest og COMPLETE har dermed demonstrert at det kan ligge store potensialer i en slik ny bioproduksjon. Regelverket tillater imidlertid ikke bruk av rester etter biogassproduksjon som fôr i ny bioproduksjon når matavfall og dødfisk er brukt som substrat i gassproduksjonen. Det er utført dyrkingsforsøk med mikroalger med flytende biorest som næringsmedium. Disse viste at algene vokser i dette mediet, men også at det behøves tilførsel av mye kunstig lys på grunn av mørk farge på mediet. De tekno-økonomiske analysene viser at lønnsomheten blir for lav dersom flytende biorest skal brukes til produksjon av omega-3 rike mikroalger, og det er derfor jobbet med utblanding av dyrkingsmediet samt dyrkingstester med mikroalger som har særlig høy produksjon av verdifulle pigmenter. Restfraksjoner fra prosessering av tare er et mulig substrat som vil kunne inngå i biogassproduksjonen på Skogn. Restfraksjon etter ekstraksjon av protein fra dyrket sukkertare har blitt testet som substrat for biogassproduksjon men resultatene viser at denne gir lavt utbytte på grunn av lavt karboninnhold. Prisen på proteinkonsentrat er dessuten lav og prosjektet anbefaler derfor heller å endre fokus til høyverdiprodukter fra tare. Matematisk modellering er brukt til å identifisere de beste dyrkingslokalitetene utenfor Biokraft på Skogn, samt produksjonspotensialet på disse. Resultatene viser at sammenlignet med sjøområdene på yttersiden av Trondheimsfjorden er dyrkingspotensialet inne i fjorden svært lavt. COMPLETE har utforsket nye substrat for biogass, som slam fra lakseoppdrett og trevirke, og en mer energieffektiv måte for å øke biogassutbyttet. Dampeksplosjon og termisk hydrolyse brukes på fast biorest og ligninrike tre-rester, videre er "Power-to-gas"-teknologi testet for å syntetisere metan fra CO2 og H2. Varmeenergi som produseres i denne prosessen kan kombineres med dampeksplosjon (en CAMBI-prosess) og AD-biogassproduksjon, og COMPLETE har utført en systemanalyse for å optimalisere energieffektiviteten ved bruk av disse teknologiene hos Biokraft på Skogn.

COMPLETE revealed that several concepts for new resource use, bioproduction and substrate supply are highly interesting for implementation at Skogn. The liquid digestate as a nutrient source in the digestion of steam exploded lignocellulosic hydrolysate as well as in the aerobic wastewater treatment for production of bacterial biomass was demonstrated to work well. Salmon sludge was confirmed as a good biogas substrate in the factory and mixed with solid digestate also a feed for brush worms. COMPLETE suggests two options for profitable bioproduction at Skogn: 1) to further develop microalgae cultivation based on the liquid digestate fraction using surface reactors for production of a biomass with high-value product potential, or 2) to start aquaculture of organisms that are already well established in the world market, such as e.g. tropical shrimp, that have a high price, can utilize Skogn's resources and last but not least have well-known production protocols.

Biokraft AS has started the building of Stage 1 of an anaerobic digestion (AD) plant at Skogn, north of Trondheim, with a designed capacity output of 12,5 MNm3 per year of liquid biomethane, making it the largest in Scandinavia. To meet the increasing demand for bioenergy, the company envisages a further doubling of the production capacity to 25 MNm3 per year. A significant increase in resource utilization and feedstock supply will thus be needed. To meet these challenges, COMPLETE seeks to develop technology and biological processes to enable a total utilization of the feedstocks through recirculation of nutrients in the residual digestate for new bioproduction as well as an introduction of new biogas substrates from Norwegian aquaculture and new bioproduction industry at Skogn. The major bottle neck for a biogas plant of the size under construction is the utilization of the digested sludge, which traditionally is allocated for use as low valued fertilizer in agriculture. With COMPLETE, Biokraft will focus on the development of new bioproduction of high-value protein- and lipid rich bristle worms and microalgae for increased utilization of solid and dissolved waste fractions, respectively. The project will also evaluate whether a macroalgae farm to produce protein-rich biomass while the residuals are utilized as substrate for renewable biogas production can be setablished outside the factory. This farm could also utilize nutrients released to the recipient. Macroalgae biomasses will be evaluated as fish feed ingredients or as feedstock for production of high-value products like pigments and bioactive compounds. With COMPLETE, Biokraft aims to develop a new standard for climate friendly and sustainable biogas production. The project will contribute to increased resource utilization through the development of innovative solutions for recirculation of nutrients and complete use of resources in biogas production yielding a positive climate impact both through energy savings and production of more renewable energy and new biomasses.