Working Towards Carbon Neutrality with Biogas from the Kongshaugen Wastewater Treatment Plant

Abstract

Avløpsrenseanlegg er store energiforbrukere og bidrar til klimagassutslipp. Biogassproduksjon fra anleggene kan være et tiltak for å dekke deler av energibehovet og samtidig redusere klimagassutslippet. Ved å erstatte energi fra strømnettet med energi fra biogass, kan driftskostnadene potensielt reduseres.

EU har nylig vedtatt et direktiv med strengere krav som medfører omfattende infrastrukturtilpasninger i Norge. I tillegg har FN satt mål om karbonnøytralitet innen 2050. For å oppnå disse kravene har kommunene Ålesund og Sula gått sammen om å etablere et nytt avløpsrenseanlegg: Kongshaugen renseanlegg. Anlegget vil behandle avløpsvann fra områder i Sula og Ålesund, men dette er et kostbart og krevende prosjekt.

Denne rapporten undersøker hvordan energi fra Kongshaugen kan utnyttes. Anlegget er fortsatt i plan- og prosjekteringsfasen, og vil ikke være i drift før det forventes ferdigstilt i 2028 i Sula, Norge. Åse avløpsrenseanlegg er et av de eksisterende anleggene som i dag behandler deler av det samme avløpsvannet som på sikt skal behandles på Kongshaugen. Referansedata fra Åse er benyttet for å estimere avløpsvannsammensetning og renseprosesser på Kongshaugen.

Forhøyede fosfornivåer ved KWTP utgjør en risiko for resipienten og bør håndteres i renseprosessen. Selv om de fleste tungmetaller er innenfor trygge grenser, kan høyere konsentrasjoner av kvikksølv, kobber og sink gjøre slammet uegnet for gjenbruk i landbruket.

Termisk hydrolyse prosess av Cambi kombinert med en Antec-reaktor er forventet å gi mest biogass ved Kongshaugen, men dersom kostnad er en begrensning, er termisk hydrolyse prosess sammen med en standard fordøyelsestank og membranseparator fortsatt et godt alternativ.

Det er utarbeidet tre scenarier, alle med utgangspunkt i KWTP. Scenario 1 – Uten Anarobisk fordøyelse: Basert på opprinnelig plan uten anaerob rensing. Scenario 2 – Intern Energi Forsyning: Med biogassproduksjon for å dekke anleggets eget energibehov. Scenario 3 – Biodrivstoff: Utnyttelse av biogass for produksjon av biodrivstoff.

Videre er det gjort beregninger av energibehov og -produksjon for Kongshaugen både med og uten biogassproduksjon. Deretter er det gjennomført en livsløpsvurdering (LCA) for å illustrere klimagassutslipp, energibehov og energiproduksjon i de to tilfellene. I tillegg er det utført en økonomisk evaluering av investeringskostnader til utstyr for biogassproduksjon ved Kongshaugen versus kostnader til kjøp av strøm fra nettet. Kostnaden for å de to alternativene, med og uten biogassproduksjon, er sammenlignet. I tillegg er det gjort en sensitivitetsanalyse av strømprisene basert på deres sterke variasjon i Norge.

Totalt sett var energibehovet i Kongshaugen større enn den totale energiproduksjonen fra biogassen. Sensitivitetsanalysen viste at ved høyere strømpriser blir besparelsen ved biogassutnyttelse større.

For biogassproduksjon ved Kongshaugen er følgene teknologier brukt i analysen: Cambis termisk hydrolyse prosess, anaerob fordøyelsesprosess i serie og membranseparasjon. Resultatene fra kostnadsanalysen indikerer at det er lønnsomt å installere biogassproduksjon ved et avløpsrenseanlegg. Scenario 2 - Intern Energi Forsyning ga de høyeste verdiene for klimagassutslipp sammenlignet med de andre scenarioene, fulgt av Scenario 1 - Uten anarobisk fordøyelse. Scenario 3 - Biodrivstoff ga det laveste utlsippet siden det erstatter diesel, som er et fossilt brennstoff.

Wastewater treatment plants (WWTPs) are both significant consumers of energy and contributors to greenhouse gas (GHG) emissions. Biogas production from WWTP can be a solution for meeting energy demands and reduce GHG emissions in WWTPs. Replacing the energy from the grid with energy from the biogas will potentially reduce operational costs.

EU has a new directive which gives strict regulations which requires huge infrastructure upgrades around in Norway. In addition, the UNs has set goal for carbon neutrality by the year of 2050. To comply with these regulations and UN goals, Ålesund and Sula have collaborated on a new WWTP; Kongshaugen Wastewater Treatment Plant (KWTP). KWTP will treat wastewater from areas including both of the municipalities, but is a costly and consuming project.

This thesis explores utilizing energy from KWTP. KWTP is still in the initial stages, and is not operating yet. KWTP will be located in Sula, Norway, with intent of being completed by 2028. Åse wastewater treatment plant (ÅWTP) is one of the WWTP that treats some of the wastewater that will in the future directed towards KWTP. Reference data from ÅWTP were used for finding expected values in the wastewater and treatment process of KWTP.

Elevated phosphorus levels at KWTP highlight a risk to the recipient environment and should be addressed in the treatment process. While most heavy metals are within safe limits, higher concentrations of mercury, copper, and zinc might make the sludge unsuitable for agricultural reuse.

Thermal hydrolysis process from cambi combined with an Antec reactor is expected to produce the most biogas at KWTP, but if cost is a limitation, thermal hydrolysis process with a standard digestion tank and membrane separator is still a strong alternative.

Three different scenarios were made, all based on KWTP. The first scenario, Scenario 1 - Without AD, is based on the original plan for KWTP. The second scenario, Scenario 2 - Internal Energy Recovery, is based on producing biogas at KWTP and utilizing the energy for the wastewater plant. The last scenario, Scenario 3 - BioFuel, looks at utilizing biogas at KWTP for producing biofuel.

Calculations were done on energy demand and production for KWTP with and without biogas production. Then, a life cycle assessment were made to illustrate the GHG emissions, energy demand and energy production in KWTP, with and without biogas production. Additionally, an economic evaluation was conducted to evaluate the costs of equipment needed for biogas production at KWTP and the costs of buys electricity from the grid. The costs were compared from KWTP with biogas production and for KWTP without biogas production. A sensitivity analysis were done for the electricity costs, due to the varying price of electricity in Norway.

The energy demand for KWTP were larger than the energy produced from the biogas. The sensitivity analysis on the cost for electricity showed that for higher electricity prices, there were more to save on utilizing biogas for energy demand.

The technologies that were used for the analysis were Thermal Hydrolysis Process from Cambi, anaerobic digester in series, and Membrane separation. The results of the cost analysis shows that it is a positive investment to install biogas production in a WWTP. Scenario 2 - Internal Energy Recovery had the largest GHG emissions in total compared to the other scenarios, due to the low GHG emissions in Norways electricity grid.