Schlussbericht
(Deutsch)
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In der Schweiz werden jährlich gegen 160'000 t Käse produziert, welche seinerseits gegen 1,5 mio. m3 Molke generieren. Traditionellerweise wurde die Molke bisher in der Schweinemast weiterverwendet, da dieses „Abfall“-Produkt über einen hohen Nähr- bzw. Energiewert verfügt. Heutzutage stehen dieser Verwendungsart zwei gewichtige Erschwernisse gegenüber: Auf der einen Seite stehen erweiterte Ueberlegungen betreffend der Wirtschaftlichkeit dieser Verwendung in Anbetracht der Verbilligung anderer Schweinefuttermittel, auf der anderen Seite die Reorganisation der Schweinezuchten im Zusammenhang mit der Beschränkung der Verwendung von Gülle und deren Ausbringung. Unter den möglichen Alternativverwendungen steht die Energierückgewinnung aus dem
Produkt in Anbetracht der heutigen Energiepolitik und der Bekämpfung des
Treibhauseffektes im Vordergrund. Zwei entsprechende Energierückgewinnungsmodelle sind diesbezüglich vorstellbar: Die Produktion von Biogas und die Produktion von Bioethanol. Die erste Phase unseres Projektes verfolgte das Ziel, ein Konzept für die Gewinnung von Biogas in einer Käserei von mittlerer Grösse zu erstellen. Der erste Schritt beinhaltete eine Experimentierstudie, welche mittels einem auf dieses Substrat angepasstem „downflow Anaerobfilter“ Pilotreaktor ausgeführt worden ist. Die
Studie hat uns erlaubt, die optimalen Prozessparameter und Leistungsparameter zu
definieren. Dieses System erlaubte uns 95 % des theoretisch möglichen maximalen Methanertrages zu erreichen. Die anschliessende Analyse der Energieverwendung hat ergeben, dass die Wärmeproduktion mittels Biogas die rentabelste Verwendung ist. Unter Berücksichtung einer optimalen Lagerung der Wärme, konnte mittels dieser Energiegewinnung 2/3 des jährlichen
Heizölverbrauchs der betroffenen Käserei ersetzt werden. Die Resultate betreffend der weiteren Verwendung als Futtermittel der Molke nach der Biogasgewinnung waren negativ. Aufgrund des sehr guten und umfangreichen Abbaus der
Grundmaterie im Zuge der Energiegewinnung, blieb nur wenig Material mit einem sehr tiefen Nährwert zurück. Im weiteren schliesst der sehr starke Geruch der Restprodukte, entstehend aufgrund der Säuren- und Schwefelrückstände, eine vernünftige Weiterverwertung aus.
Die Wirtschaftlichkeitsstudie zeigte auf, dass die Produktion und Wiederaufbereitung von Biogas auf der Basis von Molke auf rund CHF 26.-- pro m3 zu stehen kommt. Diese Lösung dürfte demzufolge kurzfristig interessant werden, da, wie immer häufiger der Fall, die Käsereien CHF 15.-- bis CHF 20.-- pro m3 für die Entsorgung bezahlen müssen. Aufgrund dieser Rechnung wäre die Differenz gegenüber den reinen Entsorgungskosten nur noch CHF 6.-- bis CHF 11.-- pro m3.
Die zweite Phase wurde im Zusammenarbeitung mit unserem Projektpartner, AlcoSuisse, sowie dessen Mandaten dem „Laboratoire des Systèmes Energétiques“ EPFL (Lausanne) durchgeführt. Die Produktion von Bioethanol kann nur in grossen Verarbeitungszentralen vorgesehen werden. In Einheiten, welche bis zu 100 x grössere Mengen verarbeiten als unsere für die Biogasgewinnung ausgewählte Anlage. Das Konzept muss demzufolge zentrale
Sammelstellen sowie den Transport über rund 120 km zur nächsten
Bioethanolproduktionsanlage vorsehen. Das gewonnene Bioethanol könnte 5 % des
herkömmlichen Benzins ersetzen (essEnce5). Die Bioethanol-Produktionskosten, im Rahmen der in der Studie erwähnten Verarbeitungsmethode, belaufen sich auf CHF 27.-- pro m3 Molke (brutto). Mit einem geschätzten Verkaufspreis von CHF 1.40 pro Liter Bioethanol (Zollfreigabe der Bio-Treibstoffe), würden sich die Vergütung pro m3 Molke auf CHF 1.15 belaufen.
Zusätzlich wurde eine Lebenszyklusanalyse erstellt, um die zwei analysierten Varianten aus einem ökologischen Blickwinkel vergleichen zu können. Es wurde die Methode EcoIndicator 99 verwendet, unter ausschliesslicher Berücksichtung der zwei folgenden Einflussfaktoren: Verbrauch von fossilen Energiequellen und der Auswirkung auf den Treibhauseffekt. Für die Stichhaltigkeit der Vergleiche wurden folgende zwei Szenarien berücksichtigt:
- Ersetzung des Heizöls durch Biogas zwecks Wassererwärmung in der Käserei
- Ersetzung von herkömmlichem Benzin durch EssEnce5 (5 % Bioethanol-gehalt) als Fahrzeugtreibstoff
Die erhaltenen Werte der zwei untersuchten und verglichenen Methoden zeigen, innerhalb der angewendeten Vergleichsmodelle, nur sehr kleine, vernachlässigbare Unterschiede. Die Energierückgewinnung von einem m3 Molke in Form von Biogas oder Bioethanol würde die Einsparung von über 20 Liter Edröl Eq. aus fossilen Quellen und der Produktion von 60 kg CO2 Eq. vermeiden.
Die zwei beschrieben Prozesse können demzufolgen als komplementär betrachtet werden und sollten je nach Grösse und/oder Nähe des Produktionsstandortes ausgewählt werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EREP SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Fruteau,de la Clos H.
Membrez,Yves
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Schlussbericht
(Englisch)
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Switzerland produces 160'000 tons of cheese per year, that results in the production of 1.5 millions m3 of cheese whey. This waste product has a high energetic value and has been used up to now for pigs feeding, an utilisation that encounters more and more constraints. Alternative ways to recover the valuable resources of cheese whey are the production of renewable energy by producing biogas or bio-ethanol. The first part of the project presented here aimed to validate a concept for production and use of biogas on-site at a middle-size cheese factory. In a first step, an experimental study was carried out with a down-flow fixed-film bioreactor. This allowed determining the optimal working parameters as well as the performance of the process. The methane yield reached more than 95% of the theoretical potential. Analysis of energy needs of the cheese factory
showed that heat in the form of hot water was the most suitable way to use the biogas formed. With optimal energy storage, the biogas production allows replacing two third of the total annual fuel-oil consumption. The overall costs for biogas production and use in a boiler amount to 26 CHF per m3 whey.
The second part of the project aimed to compare the two processes bio-ethanol and biogas production. It was carried out in collaboration with AlcoSuisse and his mandatory Laboratory of Energy Systems at EPFL. Production of bio-ethanol was supposed to take place in a centralised plant where about 100-times more whey is processed than in the biogas concept. It was further supposed that in a fist step whey will be concentrated and transported to the bio-ethanol production plant and that bio-ethanol can be used to replace conventional gasoline up to 5%. A life cycle assessment (LCA) has been carried out in order to compare the two processes from an environmental point of view. Only two impacts have been
considered: fossil fuel consumption and greenhouse effect. The following two cases were compared: i) replacement of fuel-oil by biogas for heat production and ii) replacement of conventional gasoline by “essEnce5” (5% bio-ethanol). The results showed that there was no significant difference between the two processes. The treatment of one cubic meter of cheese whey allows in either way saving more than 20 litres oil eq. of fossil fuel and 60 kg of CO2 eq. emission.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EREP SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Fruteau,de la Clos H.
Membrez,Yves
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Schlussbericht
(Französisch)
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La Suisse produit chaque année 160'000 tonnes de fromage générant ainsi environ 1.5 millions de m3 de petit-lait. Traditionnellement valorisé en affouragement porcin, le petit-lait a une valeur nutritive, et donc énergétique, élevée. Mais aujourd’hui la filière doit faire face à deux contraintes majeures : d’une part la compétition économique avec d’autres aliments, d’autre part la réorganisation de l’élevage porcin et les limitations de l’épandage des lisiers.
Parmi les filières alternatives, la valorisation énergétique s’inscrit bien dans le cadre de la politique énergétique et de la lutte contre l’effet de serre. Deux filières sont envisageables :
la production de biogaz et la production de bio-éthanol.
La première partie du projet avait pour but de valider un concept de production et de
valorisation de biogaz au niveau d’une fromagerie de taille moyenne. Dans un premier temps une étude expérimentale a été réalisée sur un méthaniseur pilote
adapté à ce substrat, de type « lit fixé à flux descendant ». Elle a permis de déterminer les paramètres de fonctionnement optimaux ainsi que les performances du procédé. Ainsi le rendement en méthane atteint représente plus de 95% du maximum théorique. L’analyse des consommations énergétiques de la fromagerie a montré que la production de chaleur représentait la meilleure voie de valorisation du biogaz. En intégrant un stockage optimisé de l’énergie, le biogaz produit à partir du petit-lait permet de substituer les 2/3 du mazout total consommé chaque année par la fromagerie. Concernant une possible valorisation du petit-lait digéré en alimentation animale, les résultats sont négatifs. Du fait de la très bonne biodégradabilité du petit-lait il ne reste que très peu d’éléments nutritifs après la digestion. De plus l’odeur du produit, due essentiellement à la présence d’acides résiduels et de produits soufrés, est rédhibitoire. L’étude économique, réalisée sur la base des résultats obtenus, a montré que le coût total de la production et de la valorisation du biogaz à partir de petit-lait se monte à 26 CHF environ par m3 de petit-lait. Cette solution pourrait donc rapidement s’avérer économiquement intéressante dans le cas, de plus en plus fréquent, où la fromagerie doit payer pour la prise en charge du petit-lait des montants qui atteignent actuellement déjà 15 à
20 CHF/m3. Ainsi le surcoût de la méthanisation s’élèverait à 6 -11 CHF/m3.
La deuxième partie a été réalisée en collaboration avec AlcoSuisse, partenaire du projet, et son mandataire le Laboratoire de Systèmes Energétiques de l’EPFL.
La production de bio-éthanol ne peut s’envisager que dans une installation centralisée :
l’unité de production envisagée dans cette étude traite plus de 100 fois plus de petit-lait que la fromagerie de référence de la filière biogaz. La filière implique une étape de concentration puis de transport sur 120 km du petit-lait concentré vers l’unité de production de bioéthanol. Celui-ci peut être utilisé pour substituer de l’essence dans une limite de 5% (essEnce5). Le coût de production de bio-éthanol dans les conditions de la présente étude correspond à 27 CHF par m3 de petit-lait brut. Avec un prix de marché estimé en Suisse à 1.40 CHF/litre de bio-éthanol (détaxe sur les bio-carburants) le petit-lait pourrait être rémunéré à1.15 CHF par
m3. Une analyse de cycle de vie (ACV) a été réalisée pour comparer les deux filières d’un point de vue environnemental. La méthode employée est EcoIndicator 99, mais seulement deux types d’impact sont considérés ici : la consommation des ressources en énergie fossile et l’impact sur l’effet de serre. Pour la pertinence de la comparaison on a retenu les deux cas suivants :
- substitution du mazout par du biogaz pour la production d’eau chaude sur la
fromagerie
- substitution de l’essence par de l’essEnce5 (5% de bio-éthanol) comme carburant véhicule
Les résultats montrent, dans les conditions retenues pour l’étude, une différence non significative entre les deux filières pour les impacts considérés : la valorisation énergétique d’un m3 de petit-lait en bio-carburant ou en bio-combustible permet d’économiser plus de 20 litres pétrole eq. d’énergie fossile et d’éviter le production de 60 kg CO2eq. On pourrait imaginer que ces deux filières soient complémentaires, en fonction de la taille et/ou de la proximité des fromageries.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
EREP SA
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Fruteau,de la Clos H.
Membrez,Yves
Zugehörige Dokumente
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