Project Algen op Vlieland
Onderzoek naar de haalbaarheid van energieproducerende algenkweek op Vlieland
De Gemeente Vlieland heeft de ambitie om zelfvoorzienend te worden, wat aansluit op Provincie Friesland’s wens om de Waddeneilanden van duurzame energie te voorzien. Van Hall Training & Consultancy is actief op het gebied van energie-innovatie. Dit geeft de mogelijkheid tot de onderzoeksopdracht: Onderzoek wat er op Vlieland mogelijk is met de teelt van algen op het gebied van duurzame energie.
Onderzoeksvraag
Wat kan algenteelt bijdragen aan de energievoorziening van Vlieland?
Algen
Om te bepalen wat algen kunnen bijdragen aan duurzame energie, en welke algensoort hiervoor het meest geschikt is, is eerst meer kennis over algen nodig.
Algen worden gedefinieerd als een- of meercellige plantachtige organismen met celkern (eukaryoot), die tot fotosynthese in staat zijn doordat ze chloroplast bevatten. Algen hebben geen bladeren of wortelen, waarmee ze verschillen van de groep ‘hogere planten’. Bekende vormen zijn fytoplankton en wieren.
Fytoplankton is een verzamelnaam voor alle in het water zwevende plantaardige organismen. Door de eigenschappen van aanmaken van organische stoffen, zuurstofproductie door fotosynthese en snelle reproductie staat fytoplankton aan de basis voor alle leven in de zeeën.
Er zijn twee soorten fytoplankton: Flagellaten hebben een zweephaar dienend voor voortbeweging en drijfvermogen. Diatomeeën hebben een pantser waardoor ze ook kiezelwieren worden genoemd, en hebben geen zweepstaart. Fytoplankton is o.a. door aanwezigheid van een olieachtige stof in staat veel energie vast te leggen.
Wieren zijn het meest ontwikkeld van de algen, maar behoren niet tot de hogere planten.
Algen zijn betrokken in meerdere klinglopen, de belangrijkste zijn:
- De koolstofkringloop, in het bijzonder het proces van fotosynthese, waarbij CO2 onder invloed van zonlicht word omgezet in bouwstoffen als glucose en O2, die essentieel zijn voor consumenten. Het word aangenomen dat algen en cyanobacteriën voor een groot deel van de initiële zuurstofproductie op aarde verantwoordelijk zijn.
- De stikstofkringloop, stikstof is een onderdeel van veel organisch verbindingen, onder andere DNA. Cyanobacteriën zijn in staat zuurstof uit de lucht om te zetten naar ammonium, wat een belangrijke voedingsstof voor planten is. Dieren consumeren deze planten weer als stikstofbron.
Algen kunnen op verschillende manieren ingezet worden voor de opwekking van duurzame energie. Niet alle algen zijn hier echter voor geschikt.
Er word onderscheid gemaakt tussen microalgen, die snel groeien en een hoog drogestofgehalte hebben, en macroalgen, die veelal voor voedsel worden gebruikt, maar minder geschikt zijn voor teelt. Microalgen zijn dus beter geschikt voor energieopwekking.
Voor commerciële doeleinden zijn dit vaak diatomeeën, doordat ze olie bevatten, en snel groeien. Als algen gevoed worden met afvalwater zijn ze niet langer geschikt voor consumptie.
Soorten Algenkweek-installaties
Er zijn meerdere kweekmethoden die verschillen in kosten en opbrengst, het gekozen systeem moet geschikt zijn voor de locatie en de algensoort.
Een open systeem is te beschrijven als een open vijver. Deze is dus ook gevoelig voor invloeden van buitenaf. Een variant hiervan is de High Rate Algal Pond(HRAP), die wordt gevoed door afvalwater voor nutriënten en een constante stroming heeft. Het werkt door een symbiose van bacteriën en algen. Dit systeem heeft een hogere efficiëntie dan een gewoon open systeem.
Een halfopen systeem werkt als een soort kas, waardoor het klimaat binnen stabiel kan worden gehouden. Ook wordt op deze manier zonnewarmte beter benut.
Een gesloten systeem is een reactor, waarbinnen de omstandigheden exact kunnen worden gereguleerd om een optimaal klimaat te behouden. Ook zijn er geen invloeden van buitenaf. Doordat deze in de hoogte kunnen worden gebouwd zijn ze zeer ruimte-efficiënt. De installatie is echter wel duur in aanschaf en onderhoud.
Productie
De beste keuze alg valt bij op Botryococcus braunii, omdat deze veel olie produceert en goed groeit in het Nederlandse klimaat.
De voornaamste grondstof die te winnen is uit algen, is botryococcene. Dit is een koolwaterstof, die na verwerking biogas oplevert, waarmee elektriciteit kan worden opgewekt.
Botryococcene kan op twee manieren worden gewonnen, pyrolyse, dat een vrij duur proces is, en extractie d.m.v. hexaan, waarbij de olie wordt opgelost, waarna door filtratie en distillatie het hexaan weer word gescheiden.
Daarnaast vormen deze algen veel biomassa, dat kan worden omgezet tot energie. Ook hierbij zijn meerder mogelijkheden: verbranden, vergassen, vergisten en fermentatie. Door het hoge vochtgehalte is vergisting echter de beste oplossing voor algen.
Kweekinstallatie
De keuze valt op de HRAP, door de relatief lage kosten ten opzichte van de opbrengst. Mocht dit nodig zijn kan deze worden verbouwd tot een halfopen systeem. Het systeem zal een capaciteit van 650 m³, of 650 ton kweekwater hebben. Dit heeft een geschatte jaarlijkse opbrengst van 19500 kg aan droge stof, komend tot 53 kg droge stof per dag.
Het volume van de vergistingreactor moet, gebaseerd op 53 kg droge stof per dag en een verblijftijd van 30 dagen, zo’n 23 m³ bedragen.
Na vergisting van de biomassa en verwerking van de olie is door middel van de Bushwellvergelijking een jaarlijkse methaanproductie van zo’n 23 miljoen m³ berekend. Omgezet in een warmtekrachtkoppeling met een rendement van 30% levert dit 2,45 MJ elektrische energie per jaar op.
Naast de RWZI op Vlieland is een groot stuk open ruimte, waar de HRAP kan worden gebouwd. Zo is er een eenvoudige toegang tot het nutriëntenrijke influent van de RWZI.
Uit CBS gegevens is afgeleid dat het influent niet voldoende nutriënten bevat. De exacte waarden moeten echter door een meting worden bepaald.
Een andere belangrijke stof voor de groei van algen is CO2. Dit is niet in het influent aanwezig. Echter, een berekening wijst uit dat de oplosbaarheidcoëfficiënt van CO2 hoog genoeg is dat bij de optimumtemperatuur van de algen dit voldoende uit de lucht kan worden opgenomen.
Om de warmte die vrijkomt van de warmtekrachtkoppeling zo efficiënt mogelijk te gebruiken, kan deze het beste dicht bij het naburige industrieterrein worden geplaatst, om energieverlies door warmtetransport zo veel mogelijk te beperken.
Kosten/Baten
De kweekinstallatie is een vrij weinig voorkomende installatie, en een prijsschatting is niet mogelijk. Wel kan er contact worden opgenomen met leveranciers zoals GreenFuelSystems en Algaelink. Voor de productie van biomassa zelf liggen de kosten op zo’n 2 tot 4 €/kg droge stof.
De in de vergister opgewekte elektriciteit levert zo’n 10 cent per kWh op bij teruglevering aan het energienet. Doordat elektriciteit 20 ct/kWh kost bij afname, is het voordeliger de opgewekte energie deels zelf te gebruiken, en deels te leveren aan bedrijven in de buurt, tegen een voor beide partijen voordelig tarief.
Voor een totale begroting zal verder onderzoek moeten worden uitgevoerd.
Conclusies
Algenkweek is een duurzame oplossing om energie op te wekken, mede doordat afvalwater als voedingsbron kan worden gebruikt.
De meest kostenefficiënte kweekmogelijkheid is een open installatie, en wel een High Rate Algal Pond met een inhoud van 650m³.
De beste keuze alg is de Botryococcus braunii , omdat deze veel van de olie Botryococcene produceert, en goed groeit in het Nederlandse klimaat.
Door middel van hexaan kan de olie worden afgescheiden en verder worden verwerkt tot biogas. Ook komt er bij de algenkweek biomassa vrij, die in een vergister kan worden omgezet tot biogas.
Het geproduceerde biogas wordt in een warmtekrachtkoppeling omgezet in elektriciteit, dat kan worden teruggeleverd aan het energienet, voor eigen gebruik kan worden gehouden, of verkocht kan worden aan bedrijven.
De exacte kosten zijn niet berekend. Dit heeft verder onderzoek nodig.
Onderzoeksproducten
Uit dit onderzoek zijn de volgende producten voortgekomen:
- Onderzoeksrapport
- Presentatie
