Determining the regional potential for a grass biomethane industry

Grass biogas/biomethane has been put forward as a renewable energy solution and it has been shown to perform well in terms of energy balance, greenhouse gas emissions and policy constraints. Biofuel and energy crop solutions are country-specific and grass biomethane has strong potential in countries with temperate climates and a high proportion of grassland, such as Ireland. For a grass biomethane industry to develop in a country, suitable regions (i.e. those with the highest potential) must be identified. In this paper, factors specifically related to the assessment of the potential of a grass biogas/biomethane industry are identified and analysed. The potential for grass biogas and grass biomethane is determined on a county-by-county basis using multi-criteria decision analysis. Values are assigned to each county and ratings and weightings applied to determine the overall county potential. The potential for grass biomethane with co-digestion of slaughter waste (belly grass) is also determined. The county with the highest potential (Limerick) is analysed in detail and is shown to have ready potential for production of gaseous biofuel to meet either 50% of the vehicle fleet or 130% of the domestic natural gas demand, through 25 facilities at a scale of ca. 30ktyr of feedstock. The assessment factors developed in this paper can be used in other resource studies into grass biomethane or other energy crops. © 2010 Elsevier Ltd.

Can grass biomethane be an economically viable biofuel for the farmer and the consumer?

Farm incomes in Ireland are in decline and many farmers would operate at a loss in the absence of subsidies. Agriculture is responsible for 27% of Ireland's greenhouse gas emissions and is the largest contributing sector. Penetration of renewable energy in the heat and transport sectors is falling short of targets, and there is no clear plan for achieving them. The anaerobic digestion of grass to produce biogas or biomethane is put forward as a multifaceted solution, which could help meet energy and emissions targets, reduce dependence on imported energy, and provide additional farm income. This paper addresses the economic viability of such a system. Grass biogas/biomethane fares poorly under the current combined heat and power tariff structure, which is geared toward feedstock that attracts a gate fee. Tariff structures similar to those used in other countries are necessary for the industry to develop. Equally, regulation should be implemented to allow injection of biomethane into the gas grid in Ireland. Blends of natural gas and biomethane can be sold, offering a cost-competitive green fuel. Sale as a renewable transport fuel could allow profitability for the farmer and savings for the consumer, but suffers due to the lack of a market. Under current conditions, the most economically viable outlet for grass biomethane is sale as a renewable heating fuel. The key to competitiveness is the existing natural gas infrastructure that enables distribution of grass biomethane, and the renewable energy targets that allow renewable fuels to compete against each other. © 2010 Society of Chemical Industry and John Wiley & Sons, Ltd.

A biofuel strategy for Ireland with an emphasis on production of biomethane and minimization of land-take

Increasing energy consumption has exerted great pressure on natural resources; this has led to a move towards sustainable energy resources to improve security of supply and to reduce greenhouse gas emissions. However, the rush to the cure may have been made in haste. Biofuels in particular, have a bad press both in terms of competition with good agricultural land for food, and also in terms of the associated energy balance with the whole life cycle analysis of the biofuel system. The emphasis is now very much on sustainable biofuel production; biofuels from wastes and lignocellulosic material are now seen as good sustainable biofuels that affect significantly better greenhouse gas balances as compared with first generation biofuels. Ireland has a significant resource of organic waste that could be a potential source of energy through anaerobic digestion. Ireland has 8% of the cattle population of the EU with less than 1% of the human population; as a result 91% of agricultural land in Ireland is under grass. Residues such as slurries and slaughter waste together with energy crops such as grass have an excellent potential to produce biogas that may be upgraded to biomethane. This biomethane may be used as a natural gas substitute; bio-compressed natural gas may then be an avenue for a biofuel strategy. It is estimated that a maximum potential of 33% of natural gas may be substituted by 2020 with a practical obtainable level of 7.5% estimated. Together with biodiesel from residues the practical obtainable level of this strategy may effect greater than a 5% substitution by energy of transport. The residues considered in this strategy to produce biofuel (excluding grass) have the potential to save 93,000 ha of agricultural land (23% of Irish arable land) when compared to a rapeseed biodiesel strategy. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

State Estimation for Anaerobic Digesters using the ADM1

The optimization of full-scale biogas plant operation is of great importance to make biomass a competitive source of renewable energy. The implementation of innovative control and optimization algorithms, such as Nonlinear Model Predictive Control, requires an online estimation of operating states of biogas plants. This state estimation allows for optimal control and operating decisions according to the actual state of a plant. In this paper such a state estimator is developed using a calibrated simulation model of a full-scale biogas plant, which is based on the Anaerobic Digestion Model No.1. The use of advanced pattern recognition methods shows that model states can be predicted from basic online measurements such as biogas production, CH4 and CO2 content in the biogas, pH value and substrate feed volume of known substrates. The machine learning methods used are trained and evaluated using synthetic data created with the biogas plant model simulating over a wide range of possible plant operating regions. Results show that the operating state vector of the modelled anaerobic digestion process can be predicted with an overall accuracy of about 90%. This facilitates the application of state-based optimization and control algorithms on full-scale biogas plants and therefore fosters the production of eco-friendly energy from biomass.

Self-cleaning perovskite type catalysts for the dry reforming of methane

Gas-to-liquid processes are generally used to convert natural gas or other gaseous hydrocarbons into liquid fuels via an intermediate syngas stream. This includes the production of liquid fuels from biomass-derived sources such as biogas. For example, the dry reforming of methane is done by reacting CH4 and CO2, the two main components of natural biogas, into more valuable products, i.e., CO and H2. Nickel containing perovskite type catalysts can promote this reaction, yielding good conversions and selectivities; however, they are prone to coke laydown under certain operating conditions. We investigated the addition of high oxygen mobility dopants such as CeO2, ZrO2, or YSZ to reduce carbon laydown, particularly using reaction conditions that normally result in rapid coking. While doping with YSZ, YDC, GDC, and SDC did not result in any improvement, we show that a Ni perovskite catalyst (Na0.5La0.5Ni0.3Al0.7O2.5) doped with 80.9 ZrO2 15.2 CeO2 gave the lowest amount of carbon formation at 800 °C and activity was maintained over the operating time.

Integrated Earth Resistivity Tomography (ERT) and Multilevel Gas Sampling: A Tool to Map Geogenic and Anthropogenic Methane Accumulation on Brownfield Sites

Soil gas emissions of methane and carbon dioxide on brownfield sites are usually attributed to anthropogenic activities; however geogenic sources of soil gas are often not considered during site investigation and risk management strategies. This paper presents a field study at a redeveloped brownfield site on a flood plain to identify accumulations of methane biogas trapped in underlying sediments. The investigation is based on a multidisciplinary approach using direct multi-level sampling measurements and Earth resistivity tomography . Resistivity imaging was applied to evaluate the feasibility of identifying the size and spatial continuity of soil gas accumulations in anthropogenic and naturally occurring deposits. As a result, biogas accumulations are described within both anthropogenic deposits and pristine organic sediments. This result is important to identify the correct approaches to identify and manage risks associated with soil gas emissions on brownfield and pristine sites. The organic-rich sediments in Quaternary fluvial environments of São Paulo Basin in particular the Tietê River, biogas reservoirs can be generated and trapped beneath geogenic and anthropogenic layers, potentially requiring the management of brownfield developments across this region.

Avaliação técnica e econômica de um biodigestor de fluxo tubular: estudo de caso do modelo implantado na etec "orlando quagliato" em Santa Cruz do Rio Pardo, SP

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Diagnóstico ambiental de uma queijaria e proposta de melhorias

O presente trabalho tem como objectivo o diagnóstico ambiental da empresa Lacticinios do Paiva, S.A, a avaliação da água do processo e da ETARI e o estudo da fermentação do soro de queijo com o intuito de produção de bioetanol. No diagnóstico ambiental da empresa, observou-se que 18.227.731 litros de leite usados anualmente geram 5.031 ton/ano de queijo, 7.204 ton/ano de soro de queijo, 74.201 m3/ano de efluente liquido, 14 ton/ano de plástico e 20 ton/ano de cartão. Os principais problemas com necessidade de optimização são a recuperação de água das lavagens, avaliação da produção de biogás no digestor anaeróbio, recuperação do volume de leite que é desperdiçado na produção de queijo fresco de longa duração, avaliação da eficiência energética da empresa, valorização das natas e do soro de queijo. Decidiu-se neste trabalho avaliar a possibilidade de reciclagem das águas de lavagem, avaliar o funcionamento da ETARI face à legislação existente e estudar a possibilidade de valorização do soro de queijo. Na avaliação das águas de processo das lavagens para posterior reciclagem, verifica-se que relativamente ao pH e aos sólidos suspensos não existe problema, podendo encarar-se a hipótese de reciclagem directa. No entanto, no que respeita à carga orgânica das águas de lavagem do sistema de ultrafiltração do queijo fresco de longa duração, constata-se que esta não poderia ser utilizada novamente, uma vez que apresenta valores elevados de CQO. Para a sua reutilização, será necessário remover a CQO, hipótese que se estudou com resultados positivos. Verificou-se que, um tratamento por adsorção em carvão activado precedido de microfiltração, reduz a CQO de forma significativa permitindo admitir a hipótese de reciclagem da água, nomeadamente para as 1ª e 3ª águas de lavagem. As outras águas teriam necessidade de mais tempo de contacto com o carvão activado. No sentido de avaliar o funcionamento da ETARI, foram analisadas várias correntes da mesma, em particular a do efluente final, no que respeita a parâmetros como: pH, Sólidos Suspensos Totais, Carência Química de Oxigénio, Carência Bioquímica de Oxigénio, Turvação, Nitratos, Fósforo Total, Azoto Kjeldalh, Azoto Amoniacal e Cloretos. Observou-se que os valores para o efluente final da ETARI são os seguintes: pH compreendido entre [7,21 – 8,69], SST entre [65,3 – 3110] mg/L, CQO entre [92,5 – 711,5] mg/L, CBO5 entre [58 – 161] mg/L, NO3- entre [10,8 – 106,7] mg/L, fósforo total entre [8,3 – 64,3] mg/L, turvação entre [67,7 – 733,3] FTU e cloretos entre [459,9 – 619,81] mg/L; pode-se dizer que os parâmetros analisados se encontram quase sempre dentro da gama de valores impostos pela Câmara Municipal de Lamego pelo que o efluente pode ser lançado no Colector Municipal de Cambres. Relativamente à fermentação alcoólica do soro de queijo, verifica-se que a levedura Kluyveromyces Marxianus consegue degradar praticamente todo o açúcar presente no permeado produzindo assim uma quantidade razoável de etanol. Quando se utilizou a levedura Saccharomyces Cerevisiae, a produção de etanol foi muito reduzida, como esperado, dado que esta levedura apresenta dificuldades na metabolização da lactose. Constatou-se assim que a melhor levedura para a fermentação do permeado do soro de queijo é a Kluyveromyces Marxianus, estimando-se em 150 mg a produção de etanol por L de soro.

Projecto de pré-dimensionamento de uma ETAR em Luanda - Angola

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Hidráulica

Auditoria energética às unidades de cogeração e central térmica

A tese de mestrado teve como objetivo o estudo e análise do funcionamento das centrais de cogeração e térmica da fábrica da Unicer em Leça do Balio, com o intuito de melhorar a sua eficiência, propondo alterações processuais. O trabalho realizado consistiu no reconhecimento das instalações, seguido da formulação e resolução dos balanços de energia globais. Com o acompanhamento diário do funcionamento foi possível propor melhorias sem custos que se revelaram muito benéficas, registando-se um aumento nas recuperações térmicas e por consequência no Rendimento Elétrico Equivalente (R.E.E.), na eficiência da instalação da cogeração e da central térmica. Na cogeração registou-se um aumento de 36,2% na potência recuperada em água quente, aproximadamente 600 kW, sendo já superior à prevista pelo projeto. Na caldeira recuperativa registou-se um ligeiro aumento de 4,0% na potência recuperada. Deste modo o rendimento térmico da central aumentou 6,4%, atingindo os 40,8% e superando os 40,4% projetados. O rendimento global final foi de 83,1% o que representa um aumento de 6,3%. O R.E.E. em Maio de 2014 foi de 76,3%, superior ao valor em Junho de 2013 em 8,7%. Tendo como referência o valor alvo de 70,5% para o R.E.E. apontado no início do estágio, nos últimos 8 meses o seu valor tem sido sempre superior e em crescimento. Existe ainda a possibilidade de aproveitar a energia térmica de baixa temperatura que está a ser dissipada numa torre de arrefecimento, no mínimo 40 kW, num investimento com um período de retorno de investimento máximo de 8,1 meses. Na central térmica registou-se um aumento do rendimento para a mesma quantidade de energia produzida na central, pois esta é a principal variável do processo. Em 2014 a produção de energia apresentou um valor inferior a 2013, 6,9%, e a eficiência registou um acréscimo de 2,0%. A incorporação de biogás na alimentação de combustível à caldeira bifuel não pareceu comprometer significativamente a eficiência da central térmica, pelo que a sua utilização é benéfica. Com o aumento das recuperações térmicas na central de cogeração foram estimadas poupanças de gás natural equivalentes a 3,3 GWh, o que significa 120.680€ economizados nos últimos 11 meses do trabalho. É esperado uma poupança de 18.000€ mensais com a melhoria do funcionamento obtida nas duas centrais.

Redes Neuronais Artificiais na Otimização do Processo de Digestão Anaeróbia - Aplicação a uma ETAR da AdCL

Numa sociedade com elevado consumo energético, a dependência de combustíveis fósseis em evidente diminuição de disponibilidades é um tema cada vez mais preocupante, assim como a poluição atmosférica resultante da sua utilização. Existe, portanto, uma necessidade crescente de recorrer a energias renováveis e promover a otimização e utilização de recursos. A digestão anaeróbia (DA) de lamas é um processo de estabilização de lamas utilizado nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e tem, como produtos finais, a lama digerida e o biogás. Maioritariamente constituído por gás metano, o biogás pode ser utilizado como fonte de energia, reduzindo, deste modo, a dependência energética da ETAR e a emissão de gases com efeito de estufa para a atmosfera. A otimização do processo de DA das lamas é essencial para o aumento da produção de biogás. No presente relatório de estágio, as Redes Neuronais Artificiais (RNA) foram aplicadas ao processo de DA de lamas de ETAR. As RNA são modelos simplificados inspirados no funcionamento das células neuronais humanas e que adquirem conhecimento através da experiência. Quando a RNA é criada e treinada, produz valores de output aproximadamente corretos para os inputs fornecidos. Uma vez que as DA são um processo bastante complexo, a sua otimização apresenta diversas dificuldades. Foi esse o motivo para recorrer a RNA na otimização da produção de biogás nos digestores das ETAR de Espinho e de Ílhavo da AdCL, utilizando o software NeuralToolsTM da PalisadeTM, contribuindo, desta forma, para a compreensão do processo e do impacto de algumas variáveis na produção de biogás.

Molecular simulation of gas adsorption equilibria in nanoporous materials

This work is divided into two distinct parts. The first part consists of the study of the metal organic framework UiO-66Zr, where the aim was to determine the force field that best describes the adsorption equilibrium properties of two different gases, methane and carbon dioxide. The other part of the work focuses on the study of the single wall carbon nanotube topology for ethane adsorption; the aim was to simplify as much as possible the solid-fluid force field model to increase the computational efficiency of the Monte Carlo simulations. The choice of both adsorbents relies on their potential use in adsorption processes, such as the capture and storage of carbon dioxide, natural gas storage, separation of components of biogas, and olefin/paraffin separations. The adsorption studies on the two porous materials were performed by molecular simulation using the grand canonical Monte Carlo (μ,V,T) method, over the temperature range of 298-343 K and pressure range 0.06-70 bar. The calibration curves of pressure and density as a function of chemical potential and temperature for the three adsorbates under study, were obtained Monte Carlo simulation in the canonical ensemble (N,V,T); polynomial fit and interpolation of the obtained data allowed to determine the pressure and gas density at any chemical potential. The adsorption equilibria of methane and carbon dioxide in UiO-66Zr were simulated and compared with the experimental data obtained by Jasmina H. Cavka et al. The results show that the best force field for both gases is a chargeless united-atom force field based on the TraPPE model. Using this validated force field it was possible to estimate the isosteric heats of adsorption and the Henry constants. In the Grand-Canonical Monte Carlo simulations of carbon nanotubes, we conclude that the fastest type of run is obtained with a force field that approximates the nanotube as a smooth cylinder; this approximation gives execution times that are 1.6 times faster than the typical atomistic runs.

Développement de méthodes d’analyse directe de polluants organiques volatils à l’état de traces dans l’air et les biogaz

Il est reconnu que le benzène, le toluène, l’éthylbenzène et les isomères du xylène, composés organiques volatils (COVs) communément désignés BTEX, produisent des effets nocifs sur la santé humaine et sur les végétaux dépendamment de la durée et des niveaux d’exposition. Le benzène en particulier est classé cancérogène et une exposition à des concentrations supérieures à 64 g/m3 de benzène peut être fatale en 5–10 minutes. Par conséquent, la mesure en temps réel des BTEX dans l’air ambiant est essentielle pour détecter rapidement un danger associé à leur émission dans l’air et pour estimer les risques potentiels pour les êtres vivants et pour l’environnement. Dans cette thèse, une méthode d’analyse en temps réel des BTEX dans l’air ambiant a été développée et validée. La méthode est basée sur la technique d’échantillonnage direct de l’air couplée avec la spectrométrie de masse en tandem utilisant une source d’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI-MS/MS directe). La validation analytique a démontré la sensibilité (limite de détection LDM 1–2 μg/m3), la précision (coefficient de variation CV < 10%), l’exactitude (exactitude > 95%) et la sélectivité de la méthode. Des échantillons d’air ambiant provenant d’un site d’enfouissement de déchets industriels et de divers garages d’entretien automobile ont été analysés par la méthode développée. La comparaison des résultats avec ceux obtenus par la technique de chromatographie gazeuse on-line couplée avec un détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) a donné des résultats similaires. La capacité de la méthode pour l’évaluation rapide des risques potentiels associés à une exposition aux BTEX a été prouvée à travers une étude de terrain avec analyse de risque pour la santé des travailleurs dans trois garages d’entretien automobile et par des expériences sous atmosphères simulées. Les concentrations mesurées dans l’air ambiant des garages étaient de 8,9–25 µg/m3 pour le benzène, 119–1156 µg/m3 pour le toluène, 9–70 µg/m3 pour l’éthylbenzène et 45–347 µg/m3 pour les xylènes. Une dose quotidienne environnementale totale entre 1,46 10-3 et 2,52 10-3 mg/kg/jour a été déterminée pour le benzène. Le risque de cancer lié à l’exposition environnementale totale au benzène estimé pour les travailleurs étudiés se situait entre 1,1 10-5 et 1,8 10-5. Une nouvelle méthode APCI-MS/MS a été également développée et validée pour l’analyse directe de l’octaméthylcyclotétrasiloxane (D4) et le décaméthylcyclopentasiloxane (D5) dans l’air et les biogaz. Le D4 et le D5 sont des siloxanes cycliques volatils largement utilisés comme solvants dans les processus industriels et les produits de consommation à la place des COVs précurseurs d’ozone troposphérique tels que les BTEX. Leur présence ubiquitaire dans les échantillons d’air ambiant, due à l’utilisation massive, suscite un besoin d’études de toxicité. De telles études requièrent des analyses qualitatives et quantitatives de traces de ces composés. Par ailleurs, la présence de traces de ces substances dans un biogaz entrave son utilisation comme source d’énergie renouvelable en causant des dommages coûteux à l’équipement. L’analyse des siloxanes dans un biogaz s’avère donc essentielle pour déterminer si le biogaz nécessite une purification avant son utilisation pour la production d’énergie. La méthode développée dans cette étude possède une bonne sensibilité (LDM 4–6 μg/m3), une bonne précision (CV < 10%), une bonne exactitude (> 93%) et une grande sélectivité. Il a été également démontré qu’en utilisant cette méthode avec l’hexaméthyl-d18-disiloxane comme étalon interne, la détection et la quantification du D4 et du D5 dans des échantillons réels de biogaz peuvent être accomplies avec une meilleure sensibilité (LDM ~ 2 μg/m3), une grande précision (CV < 5%) et une grande exactitude (> 97%). Une variété d’échantillons de biogaz prélevés au site d’enfouissement sanitaire du Complexe Environnemental de Saint-Michel à Montréal a été analysée avec succès par cette nouvelle méthode. Les concentrations mesurées étaient de 131–1275 µg/m3 pour le D4 et 250–6226 µg/m3 pour le D5. Ces résultats représentent les premières données rapportées dans la littérature sur la concentration des siloxanes D4 et D5 dans les biogaz d’enfouissement en fonction de l’âge des déchets.

Anaerobic Digestibility of Microalgae : Fate and Limitations of Long Chain Fatty Acids in the Biodegradation of Lipids

La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel un consortium microbien complexe fonctionnant en absence d’oxygène transforme la matière organique en biogaz, principalement en méthane et en dioxyde de carbone. Parmi les substrats organiques, les lipides sont les plus productifs de méthane par rapport aux glucides et aux protéines; mais leur dégradation est très difficile, en raison de leur hydrolyse qui peut être l’étape limitante. Les algues peuvent être une source importante pour la production de méthane à cause de leur contenu en lipides potentiellement élevé. L’objectif de cette étude était, par conséquent, d’évaluer la production en méthane des microalgues en utilisant la technique du BMP (Biochemical méthane Potential) et d’identifier les limites de biodégradion des lipides dans la digestion anaérobie. Le plan expérimental a été divisé en plusieurs étapes: 1) Comparer le potentiel énergétique en méthane des macroalgues par rapport aux microalgues. 2) Faire le criblage de différentes espèces de microalgues d’eau douce et marines afin de comparer leur potentiel en méthane. 3) Déterminer l'impact des prétraitements sur la production de méthane de quelques microalgues ciblées. 4) Identifier les limites de biodégradation des lipides algaux dans la digestion anaérobie, en étudiant les étapes limitantes de la cinétique des lipides et de chacun des acides gras à longues chaines. Les résultats ont montré que les microalgues produisent plus de méthane que les macroalgues. Les BMP des microalgues d'eau douce et marines n'ont montré aucune différence en termes de rendement en méthane. Les résultats des prétraitements ont montré que le prétraitement thermique (microonde) semblait être plus efficace que le prétraitement chimique (alcalin). Les tests de contrôle du BMP faits sur l'huile de palme, l’huile de macadamia et l'huile de poisson ont montré que l'hydrolyse des huiles en glycérol et en acides gras à longues chaines n'était pas l'étape limitante dans la production de méthane. L'ajout de gras dans les échantillons de Phaeodactylum dégraissée a augmenté le rendement de méthane et cette augmentation a été corrélée à la quantité de matières grasses ajoutées.