Comparison of biogas production in France and Norway

Abstract

Formålet med masteroppgaven er å sammenligne franske og norske produksjonssystemer for biogass på flere områder. For å gjøre dette er det gjennomført en materialstrømsanalyse (MFA) basert på et lignende system for begge land. For å kunne diskutere alle aspekter av interesse når det gjelder biogass, er det utviklet tre ulike lag i MFA-studien:

• Et masselag som sammenligner materialvolumet i vekt, • Et energilag som sammenligner energiproduksjon og tap, • Et næringslag som sammenligner næringsstoffgjenvinning,

Først er det utviklet en matematisk modell for hvert lag med tilhørende beregninger. Deretter er det gjennomført en usikkerhetsanalyse ved hjelp av et Python-program og en Monte-Carlo-simulering, som gjorde det mulig å avstemme data ved hjelp av STAN-programvaren. Til slutt ble det gjennomført en sensitivitetsanalyse av viktige strømmer for å få en bedre forståelse av hvordan de to biogassproduksjonssystemene fungerte. Etter denne komplette MFA-studien fikk jeg en klar oversikt over likhetene og forskjellene i de to landenes strategier og politikk.

Resultatene viser at Frankrike satser mye mer på råtnerest enn Norge, med en råtnerestproduksjon på 347 kg/innbygger i Frankrike mot 175 kg/innbygger i Norge. I Frankrike var det til og med grunnen til at biogass vokste frem. Mange bønder bruker råtnerest som organisk gjødsel, noe som reduserer avhengigheten av utenlandske kunstgjødselprodusenter. I Norge er bruk av råtnerest svært uvanlig på grunn av strenge sikkerhetsforskrifter og administrative begrensninger.

Bioavfall fra husholdninger er også en viktig forskjell. Mens Norge kildesorterer og behandler bioavfall separat, sender Frankrike det fortsatt til forbrenning sammen med restavfall. I Norge utgjør for eksempel bioavfall 24 % av avfallsmiksen, mens det i Frankrike bare utgjør 4 % (i masse). For Frankrike vil det bli obligatorisk å satse på denne sektoren fra neste år, ettersom EU-forordningen vil tvinge statene til å foreslå en kildesorteringsmulighet for bioavfall for alle innbyggere, både i store byer og i små landsbyer. Totalt sett er energiproduksjonen og mengden næringsstoffer som tilbakeføres til jorda fra biogassproduksjon, selv om effektiviteten er interessant, svært lav sammenlignet med bruken av fossilt brensel og mengden kunstgjødsel.

I dag utgjør den årlige produksjonen av elektrisitet og biometan fra biogass mindre enn 1 % av det årlige nasjonale forbruket av elektrisitet og naturgass i begge land. Når det gjelder næringsstoffer, enten det er nitrogen, fosfor eller kalium, dekker mengden som tilbakeføres til jorden fra biorest mindre enn 2 % av det nasjonale jordbehovet i begge land. Det gjenstår fortsatt mye arbeid for å redusere karbonavtrykket fra energisektoren og avhengigheten av gjødselprodusenter i begge land. Vi kommer imidlertid til å se at biogassproduksjon er et effektivt middel for å løse problemet med avfallshåndtering.

The objective of the Master’s Thesis is to compare French and Norwegian biogas production system on several aspects. To do so, a Material Flow Analysis (MFA) study has been carried out, based on a similar system for both countries. In order to discuss about every aspect of interest when it comes to biogas, three different layers have been developed in the MFA study:

• A Mass Layer comparing the volume of materials in weight, • An Energy Layer comparing the energy production and losses, • A Nutrient Layer comparing the nutrient recovery,

First, a mathematical model has been built for each layer with associated calculations. Then, an uncertainty analysis has been held thanks to a Python program and a Monte-Carlo simulation, which allowed data reconciliation using the STAN software. Finally, sensitivity analysis has been led on key flows to understand better how the two biogas production systems were functioning. After this complete MFA study, I was able to have a clear overview of the similarities and differences in the strategies and policies of the two countries. The results show that France develop much more the digestate aspect compared to Norway with a digestate production of 347 kg/capita in France against 175 kg/cap in Norway. In France, it was even the reason why biogas has emerged. Many farmers are using digestate as an organic fertilizer, reducing their dependence on foreign chemical fertilizer producers. In Norway, digestate use is very uncommon because of heavy safety regulations and administrative constraints.

Biowaste from households is also an important difference. While Norway is source sorting and treating separately biowaste, France is still sending it to incineration alongside residuals. As an example, Norway relies on biowaste for 24% of their intrant mix while for France, it is only 4% (in mass). For France, putting efforts on this sector will be mandatory for next year as the EU regulation will force States to propose a source sorting possibility for biowaste for every citizen, be it in important cities or in small villages. Especially as in France, biogas from biowaste could be an interesting source of energy as it could cover around 2% of the annual natural gas consumption.

Overall, energy production and quantity of nutrients back in soil from biogas production, even if efficiencies are interesting, are very low compared to fossil fuel use and chemical fertilizer volume. Nowadays, annual electricity and biomethane production from biogas account for less than 1% of annual national electricity and natural gas consumption for both countries. For nutrients, be it nitrogen, phosphorus or potassium, the quantity back in soil from digestate covers less than 2% of the national soil requirements in both countries.

A lot of efforts still need to be done to reduce the carbon footprint of the energy sector and the dependence to fertilizer producers in both countries. However, we will see that biogas production is an efficient weapon to tackle the issue of waste management.