Lesidee: Energie uit mest

Onderwerp: Elektrische stroom, Thermische processen, Werktuigbouw

Het vergistingsproces van ontlasting vindt normaal gesproken in de vrije natuur plaats.

Een drol op straat wordt mede afgebroken door anaërobe bacteriën. Dat proces wordt vergisting genoemd. Opvallend is dat het hele proces plaatsvindt zonder dat zuurstof een rol speelt. Tijdens het vergisten worden er gassen gevormd. Het vergistingsproces vindt normaal gesproken in de vrije natuur plaats. De gassen komen vanzelf vrij in het vrije veld, in de atmosfeer dus. Het slechte nieuws is dat een deel van de gassen bijdraagt aan het broeikaseffect. Het goede nieuws is dat een deel van het gas brandbaar is. Als je deze pagina bestudeert zul je merken dat je soms geholpen wordt door vragen en animaties.

De leerling maakt kennis met een alternatieve energiebron.De leerling ziet een toepassing waarin de vakken biologie, scheikunde en natuurkunde samenkomen.De leerling kan aan de hand van de vragen en bronnen zelf een theoretisch of praktisch onderzoek starten, waarbij de leerling zelf de mate van diepgang bepaalt.

Van poep naar elektriciteit

Gebruik de knopjes om naar het volgende plaatje te gaan.

Het is inmiddels technisch mogelijk om boerenbedrijven uit te rusten met mestvergistingsinstallaties. Bekijk onderstaande videofragment maar eens.

De installatie op een gemiddelde boerenbedrijf wordt schematisch in beeld gebracht in onderstaande figuren.

In het bovenstaande schema wordt is de afkorting WKK gebruikt. De internetencyclopedie wikipedia geeft voor Warmtekrachtkoppeling (WKK) de volgende definitie: Warmtekrachtkoppeling is de gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit (kracht).

Is de techniek die hierboven is beschreven volgens jou ook een vorm van warmtekrachtkoppeling?nee, als er geen warmte wordt toegevoegd zal het vergistingsproces niet eens op gang komen. Wel elektriciteit dus maar geen warmte.Let op: tijdens het vergisten komt er warmte vrij. De warmte die bij het vergistingsproces zelf vrijkomt wordt gedeeltelijk benut om de vergister op temperatuur te houden. Over de productie van elektriciteit is voldoende gezegd en geschreven.ja, tijdens het vergisten komt er vanzelf warmte vrij. Het blijkt zelfs lastig om de warmteproductie niet te veel te laten oplopen.De warmte die bij het vergistingsproces zelf vrijkomt wordt gedeeltelijk benut om de vergister op temperatuur te houden. De overschot aan warmte kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor ruimteverwarming. De warmte die vrijkomt bij het verbranden van het biogas wordt door de installatie omgezet in elektriciteit.

• Het gevormde biogas bestaat vooral uit methaan (55-80%) en CO2 (20 – 45 %) met daarnaast verontreinigingen van N2 (0 – 2 %), O2 (0 – 0,2 %), NH33 (30 ppm), H2S (200 – 4000 ppm) en waterdamp.
• Methaan heeft een verbrandingswarmte van 35,8 MJ/m3.
• Methaan is een schadelijk broeikasgas (20 maal zo schadelijk als CO2).

Raad eens, hoeveel liter biogas kan door vergisting gewonnen worden uit 1 kg organische materiaal?1 liter 1 kubieke meter50 liter500 liter
Dit is een technisch ontwerp van een vergistingsmachine. Het ontwerp is door leerlingen van een Nederlandse middelbare school gemaakt.
Wat is volgens jou de verbrandingswarmte van biogas? 110 MegaJoule per kubieke meter. dat kan toch niet waar zijn. Biogas bestaat voor een deel uit koolstofdioxide en dat brand heel erg slecht.21,5 MegaJoule per kubieke meter. het moet inderdaad minder zijn dan 35,8 MegaJoule per kubieke meter. Biogas bestaat namelijk voor een deel uit gassen die niet kunnen verbranden.Daar kan ik niets over zeggen, heb geen BINAS bij de hand. Dat kan je wel, als je naar de samenstelling van biogas kijkt.De bacteriën die verantwoordelijk zijn voor het vergistingsproces worden ook wel anaërobe bacteriën genoemd. Wat betekent het woord anaëroob eigenlijk?Anaëroob betekent ‘eet mest’. Anaërobe organismen hebben mest nodig om te kunnen leven. Anaëroob betekent 'zonder lucht'. Anaërobe organismen hebben geen zuurstof nodig om te kunnen leven.Anaëroob betekent ‘organisch’. Daar gaat dit hele verhaal toch over…

Methaan en het broeikaseffect.

In een mestvergistingsinstallatie wordt het gevormde methaan opgevangen. Methaan is een prima brandstof waarmee elektriciteit en warmte kan worden opgewekt. In een biogasinstallatie wordt dus voorkomen dat het schadelijke methaan in de buitenlucht terecht komt. Tegelijkertijd wordt een grote hoeveelheid warmte en elektriciteit geproduceerd. De opgewekte warmte en elektriciteit kunnen op het eigen bedrijf worden gebruikt.

In de introductie wordt aangegeven dat methaangas een bijdrage levert aan het broeikaseffect. Als je hieronder op 'deze link' klikt wordt in een Engelstalige animatie kort uitgelegd wat de bijdrage van oa. methaan is aan het broeikaseffect. Het broeikaseffect wordt stapsgewijs uitgelegd. Klik op deze link.

Vertaal de gebruikte termen die je in de Engelstalige animatie tegenkomt naar het Nederlands, leg in eigen worrden uit wat de animatie jou vertelt.

Door de vermindering van de methaanuitstoot en de besparing op aankoop van elektriciteit en warmte daalt de totale uitstoot van broeikasgassen. De opgewekte elektriciteit kan ook aan het openbare net worden geleverd. Aangezien er sprake is van duurzame energiewinning wordt deze stroom aangemerkt als “groene elektriciteit”.

Het vergistingsproces

Mest is een organisch materiaal. Onder organisch materiaal verstaat men materiaal dat afkomstig is van materiaal dat ooit levend is geweest. Als je iets leest over biomassa wordt daar ook organisch materiaal mee bedoeld. Bij vergisting of anaërobe digestie wordt de mest (in afwezigheid van zuurstof) omgezet in biogas. Dit biologisch proces bestaat uit 4 stappen:

  1. hydrolyse, dit is het proces waarbij de organische ketens gesplitst worden.
  2. verzuring of fermentatie, omzetting van deze organische ketens naar vetzuren.

CH3(CH2)4COO- + 4 H2O → 3 CH3COO-+ 2 H++ 4 H2

  1. acetogenese, omzetting hogere vetzuren naar azijnzuur + waterstofgas + koolstofdioxide.

CH3(CH2)COO- + 2 H2O → 2 CH3COO-+ H++ 2 H2
voorbeeld van omzetting van byturaat

  1. methanogenese, dit is het proces waarbij de schadelijke en deels bruikbare broeikasgassen worden gevormd.

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O

en

CH3COOH → CH4 + CO2

Download bestand(PDF)
Genoemde reactie vergelijkingen zijn overgenomen uit chemie en microbiologie van de anaërobe vergisting, gepubliceerd door "Platform anaerobe vergisting in Vlaanderen". Het originele document gaat veel dieper in op de chemie van het vergisten. Het originele bestand (pdf) kun je hier downloaden.

Wat is volgens jou de invloed van de temperatuur op het vergistingsproces? Er ontstaat bij een hogere temperatuur meer biogas.Dat zou je dan toch terug moeten zien in de reactie vergelijkingen? Er ontstaat bij een hogere temperatuur minder nutteloze maar schadelijke koolstofdioxide.Dat zou je dan toch terug moeten zien in de reactie vergelijkingen?Het vergisting proces verloopt sneller waardoor er eerder biogas vrijkomtDe meeste vergisters op veehouderijbedrijven zijn zogenaamde mesofiele vergisters. In deze vergisters bereikt de mest een temperatuur tot 37°C om de gasproductie sneller te laten verlopen. Bij de zogenaamde thermofiele vergisting verloopt het proces nog sneller, omdat de mest hierbij een temperatuur bereikt tot 55°C. Thermofiele vergisting heeft het voordeel dat de mest korter in de vergister hoeft te blijven (10 - 20 dagen) ten opzichte van mesofiele vergisting (28 - 50 dagen).

Rendement van het proces

De gasopbrengst is afhankelijk van de soort mest die wordt gebruikt: melkkoeien-,vleesvarkens-, zeugen- of kippenmest. Hoe meer organische stof de mest bevat, hoe hoger de gasopbrengst. De hoeveelheid organische stof in de vergister is ook te verhogen door organische bijproducten aan de mest toe te voegen. Deze toegevoegde stoffen zorgen voor toename van de gasopbrengst. In de co-producten zit namelijk voeding voor de methaangasbacteriën, die hier weer gas van maken.

Het toevoegen van verschillende producten aan mest beïnvloed de gasproductie. De Nederlandse overheid heeft een zogenaamde positieve lijst (witte lijst in de volksmond) opgesteld met schone co-producten. In deze figuur zie je de bijdrage die co-producten leveren aan de biogasproductie.
Waar moet volgens jou een product aan voldoen wil het kans maken om op de witte lijst terecht te komen?het product mag geen organisch materiaal zijn.het nieuwe mengsel (combinatie van mest en co-product) draagt voornamelijk bij aan de productie van koolstofdioxide. Let wel; koolstofdioxide kan bijdragen aan het broeikaseffect.het nieuwe mengsel is mogelijk schadelijk is voor mens, dier en milieu.het mengsel heeft geen invloed op de bodemvruchtbaarheid.het product verhoogt de productie van methaangas. Let wel; methaangas kan bijdragen aan het broeikaseffect.

Om het rendement van de vergistingsinstallatie te bepalen heb je in elk geval de volgende formules nodig:

Q = m • c • ΔT
Q is de hoeveelheid warmte die nodig is om de biomassa op de juiste temperatuur te houden, c is de soortelijkewarmte van de biomassa, ΔT is de verschiltemperatuur t.o.v. de omgeving.Q = m • C
Q is hier de warmte die vrijkomt bij de verbranding van het biogas, C is de verbrandingswarmte van het biogas.η = Eelek./Q
η is het rendement nadat het biogas is omgezet in elektriciteit, Q is de verbrandingswarmte, Eelek. is de afgenomen elektrische energie.

Verder hangt het totale rendement natuurlijk af van het gebruik van co-producten en het zinvol benutten van de overtollige warmte die bij het vergisten vrij komt.

De opdracht.

a) Werk naar eigen inzicht het principe van energie uit mest uit. Presenteer je bevindingen in een verslag of met behulp van een presentatie. Deze pagina moet worden gezien als een startpagina voor de opdracht. Je kunt deze pagina gebruiken als start voor een practische opdracht of een theoretisch onderzoek. De vragen en bronnen helpen je in elk geval goed op weg.
Teus Zandsteeg

Kijk ook eens op:
ScienceSpace ScienceSpace.nl Exact wat je zoekt ExactWatJeZoekt.nl

Cookie-instellingen

Deze website maakt gebruik van functionele en analytische cookies, die noodzakelijk zijn om deze site zo goed mogelijk te laten functioneren. Hieronder kan je aangeven welke andere soorten cookies je wilt accepteren.