Management of municipal solid waste is an efficient method to increase resource efficiency, as well as to replace fossil fuels with renewable energy sources due to that (1) waste to a large extent is renewable as it consists of food waste, paper, wood etc. and (2) when energy and materials are recovered from waste treatment, fossil fuels can be substituted. In this paper results from a comprehensive system study of future biological treatment of readily degradable waste in two Swedish regions are presented. Different collection and separation systems for food waste in households have been applied as well as technical improvements of the biogas process as to reduce environmental impact. The results show that central sorting of a mixed fraction into recyclables, combustibles, biowaste and inert is a competitive option compared to source separation. Use of pellets is beneficial compared to direct spreading as fertiliser. Fuel pellets seem to be the most favourable option, which to a large extent depends on the circumstances in the energy system. Separation and utilisation of nitrogen in the wet part of the digestion residue is made possible with a number of technologies which decreases environmental impact drastically, however to a substantial cost in some cases.

Antalet hästar i Sverige ökar och enligt beräknad statistik från Jordbruksverket finns det uppskattningsvis 360 000 hästar i landet. Dessa hästar återfinns i olika typer av verksam­heter (jordbruk, turridning, trav och galopp med mera) och ger upphov till stora mängder hästgödsel. Hästgödsel består av fekalier, urin och strömaterial där olika strömaterial används olika mycket. Hanteringen av hästgödseln medför miljöproblem då miljöstö­rande ämnen avges vid nedbrytning av det organiska materialet, samtidigt som växtnä­ringsämnen inte återförs till kretsloppet. Intresset för att kunna röta hästgödseln och till­verka biogas har ökat i och med ett ökat intresse för biogas som förnybart drivmedel.

Denna studie har haft som mål att belysa miljöpåverkan från olika sätt att hantera häst­gödsel i ett systemperspektiv. Särskild uppmärksamhet har riktats mot inblandningen av olika typer av strömedel och hur det påverkar effektiviteten i olika behandlingsprocesser. Behandlingsmetoderna som undersökts är

1. Okontrollerad kompostering
2. Kontrollerad kompostering
3. Storskalig förbränning i ett avfallskraftvärmeverk
4. Torkning och småskalig förbränning
5. Torrötning
6. Våtrötning med och utan termisk förbehandling

Till följd av betydande dataosäkerhet i undersökningen är resultaten endast indikativa men de pekar ändå på storskalig förbränning som en miljömässigt bra metod. Undantag utgör bidrag till klimatpåverkan där rötning i olika former är att föredra. Utifrån under­sökningen av olika strömaterial framstår pappersströ som ett intressant alternativ att gå vidare med.

Den övergripande slutsatsen är att mer forskning behövs för att säkerställa kvaliteten i kommande undersökningar, det vill säga en samlad forskningsinsats från hästhållning till avfallshantering. 

Horse manure consists of feces, urine, and varying amounts of various bedding materials. The management of horse manure causes environmental problems when emissions occur during the decomposition of organic material, in addition to nutrients not being recycled. The interest in horse manure undergoing anaerobic digestion and thereby producing biogas has increased with an increasing interest in biogas as a renewable fuel. This study aims to highlight the environmental impact of different treatment options for horse manure from a system perspective. The treatment methods investigated are: (1) unmanaged composting; (2) managed composting; (3) large-scale incineration in a waste-fired combined heat and power (CHP) plant; (4) drying and small-scale combustion; and (5) liquid anaerobic digestion with thermal pre-treatment. Following significant data uncertainty in the survey, the results are only indicative. No clear conclusions can be drawn regarding any preference in treatment methods, with the exception of their climate impact, for which anaerobic digestion is preferred. The overall conclusion is that more research is needed to ensure the quality of future surveys, thus an overall research effort from horse management to waste management.

Vid hästhållning alstras hästgödsel som kan användas som växtnäring eller anses vara ett avfall. Hästgödsel utgör både en växtnäringsresurs och en energi resurs. Dessutom styr uppsatta energimål mot att förnybar energi ska ersätta fossila bränslen. Intresset för att öka resursutnyttjandet av hästgödsel ökar på grund av olika incitament för förnybara drivmedel, lagstiftning om gödselhantering och miljöpåverkan från dagens hantering av hästgödsel.

I den här avhandlingen beskrivs hästgödselhantering i ett livscykel­perspektiv genom att (1) identifiera olika faktorer vid hästhållningen som påverkar möjligheten att utvinna biogas ur hästgödsel och återföra näringen till jordbruksmark, (2) analysera faktorer i biogasprocessen som påverkar den specifika metanmängden och innehållet av växtnäring i gödseln och (3) jämföra olika gödselhanteringsmetoders miljöpåverkan. Metoderna i avhan­dlingen har varit litteraturstudier, systematisk kombination av teori och em­piri samt simulering. Resultaten visar att utfodringen, om och hur hästarna hålls inomhus och utomhus och hur hästgödsel lagras påverkar mängden hästgödsel och dess egenskaper, och därmed också hur den fungerar som ett biogassubstrat. Trans­porterna har betydelse för hur mycket gödsel som kan samlas in och spridas, medan gödselspridningen påverkar näringsförluster och närings återföring.

Resultaten från simuleringarna indikerar högst metanutbyte och bäst energi­balans från papper som strömaterial, medan halm och torv gav högre växt­näringsinnehåll i biogödseln. De högsta resultaten på specifik metanmängd nåddes med låg andel strö, vilket också var positivt för växtnäringsinnehållet vid scenarierna med spån och papper. Samtidigt indikerar resultaten att en hög andel strömaterial ger den bästa energibalansen. Miljöpåverkansbedöm­ningen indikerar att potentialen för klimatpåverkan minskar om hästgödsel behandlas i en biogasprocess jämfört med förbränning eller kompostering.

Antalet hästar i samhället ökar och idag finns det enligt Jordbruksverket drygt 360 000 hästar i Sverige, där tre fjärdedelar återfinns inom tätorter eller i tätortsnära miljöer. Alla dessa hästar skall enligt beräkningar ge upphov till en total gödselmängd på uppemot 1,4 miljoner ton per år. Om denna gödsel rötas effektivt motsvarar detta en årlig biogaspro­duktion på 641 GWh, vilket är knappt hälften av all biogas som producerades i Sverige 2010. Även om det föreligger en del praktiska begränsningar i hur mycket av potentialen som kan utnyttjas så finns här trots allt en betydande potential till ökad användning av förnybar energi. Genom att samla in gödseln och röta den uppnås tre miljövinster:

1. Utsläppen från konventionell hantering där gödseln ligger kvar eller komposteras upphör.
2. Rötning av gödseln ger upphov till biogas som kan användas för att generera el och värme eller, efter rening, som fordonsbränsle; därigenom kan utsläpp från fossila bränslen reduceras.
3. Den efter processen uppkomna biogödseln kan användas inom jordbruket och däri­genom ersätta konstgödsel varigenom ytterligare miljövinster uppstår.

Trots alla dessa möjligheter finns det dock en del hinder och kunskapsluckor. I denna rapport görs en systematisk genomgång av kunskapsläget angående hästgödselhantering, förbehandlingsmetoder, rötningsmetoder för hästgödsel samt aspekter på spridning av biogödsel från hästgödsel. I denna del görs i huvudsak kvalitativa beskrivningar medan kommande rapporter redovisar indikativa beräkningar av miljövinsterna med olika sätt att ställa om hanteringen.

Slutsatserna är att det finns många faktorer som talar för att utvinna energi från häst­gödsel som t.ex. att det finns betydande gödselmängder relativt nära tätorter, att halm som strömaterial ger ett tillskott i biogasproduktionen, att det finns gott om mark för spridning av biogödsel och att en förbättrad hästgödselhantering även är en bra vattenskyddsåtgärd. På den negativa sidan finns att rötning av hästgödsel är relativt oprövat och att det är svårt att bedöma hur ökade kostnader för avfallshantering påverkar hästnäringen. En annan slutsats är att det överlag saknas kunskap om hästgödsel ur ett miljöperspektiv på en sådan nivå som krävs för tillförlitliga miljöbedömningar. Vi hoppas trots detta kunna föreslå systemlösningar som i högre utsträckning än tidigare ska kunna visa sig fungera tekniskt och vara genomförbara ekonomiskt. Om dessa systemlösningar omsätts i praktisk verklighet kan miljövinster göras genom minskad klimatpåverkan, minskad övergödning, ökad biologisk mångfald och minskad användning av ändliga resurser.

A transition to renewable energy sources and a circular economy has increased interest in renewable resources not usually considered as energy sources or plant nutrient resources. Horse manure exemplifies this, as it is sometimes recycled but not often used for energy purposes. The purpose of this study was to explore horse manure management in a Swedish municipality and prospects for energy recovery. The case study includes a survey of horse manure practices, environmental assessment of horse manure treatment in a biogas plant, including associated transport, compared to on-site unmanaged composting, and finally a simplified economic analysis. It was found that horse manure management was characterized by indoor collection of manure most of the year and storage on concrete slabs or in containers, followed by direct application on arable land. Softwood was predominantly used as bedding, and bedding accounted for a relatively small proportion (13%) of the total mix. Anaerobic digestion was indicated to reduce potential environmental impact in comparison to unmanaged composting, mainly due to biogas substituting use of fossil fuels. The relative environmental impact from transport of manure from horse facilities to anaerobic digestion plant was small. Results also indicate a relatively high cost for horse keepers to change from composting on site to anaerobic digestion in a centralized plant.

Hantering av hästgödsel är sällan föremål för energiåtervinning. I det aktuella projektet ska lösningar för energiåtervinning av hästgödsel, med fokus på biogasproduktion eftersom processen inte bara återvinner energi utan också sluter näringsämnenas krets­lopp, identifieras och bedömmas ur ett miljöperspektiv. Antalet hästar i samhället ökar. Idag finns det enligt SCB mer än 360 000 hästar i Sverige, varav tre fjärdedelar återfinns i städer eller stadsnära miljöer. Med en torrsubstanshalt på 40 %, motsvarar detta 1 360 ton hästgödsel per år vilket motsvarar en årlig biogasproduktion om 641 GWh, vilket utgör nästan 40 % av all biogas som producerades i Sverige under 2013. Även om det finns vissa praktiska begränsningar för hur stor del av denna potential som kan utnyttjas så är detta fortfarande en betydande potential för ökad användning av förnybar energi. Genom att samla in hästgödsel och röta det uppnås tre miljömässiga fördelar:

1. Utsläpp från konventionell hantering, där gödseln läggs på hög och lagras, eller genom­går spontan kompostering och bryts ned, undviks.
2. Rötning av gödsel producerar biogas som kan användas för (1) att generera elektri­citet och/eller värme eller (2) efter uppgradering (rening och tryckökning) användas som fordonsbränsle. Därigenom kan utsläppen från fossila bränslen minskas.
3. Efter processen kan den biogödseln användas i jordbruket, och därmed ersätta konstgödsel vilket kan ge ytterligare miljöfördelar.

Syftet med detta projekt är att hitta en större bredd av systemlösningar än tidigare, lös­ningar som visat sig fungera tekniskt och ekonomiskt genomförbara. Om dessa system omsätts i praktisk verklighet kan miljövinster göras, till exempel genom minskad miljö­påverkan såsom minskad övergödning och minskad användning av ändliga resurser.

Denna rapport dokumenterar en datainventering inför en avslutande livscykelanalys (LCA) av hästgödselhanteringssystem i Gävleborgsregionen i Sverige. Det övergripande resultatet är att data är knappa för alla delar av systemet, från råmaterialets egenskaper till behandlingsmetoder samt utnyttjande av biogödsel. Det finns få anläggningar för torr-rötning, åtminstone som använder hästgödsel som substrat, och lite är känt om utsläpp från nuvarande gödselhantering. Dessutom, eftersom antalet och placeringen av hästarna är svårt att uppskatta, så kommer den avslutande systemanalysen göras för en hypotetisk mängd hästgödsel och utsläpp etc. måste uttryckas per ton VS. Med tanke på dessa osä­kerheter kommer systemanalysen endast ge vägledande resultat.

The aim of this work was to study the dilute acid pretreatment of rice straw (RS) and fermentable sugar recovery at high solid loadings at pilot scale. A series of pretreatment experiments were performed on RS resulting in >25 wt% solids followed by enzymatic hydrolysis without solid-liquid separation at 20 and 25 wt% using 10 FPU/g of the pretreated residue. The overall sugar recovery including the sugars released in pretreatment and enzymatic hydrolysis was calculated along with a mass balance. Accordingly, the optimized conditions, i.e. 0.35 wt% acid, 162 °C and 10 min were identified. The final glucose and xylose concentrations obtained were 83.3 and 31.9 g/L respectively resulting in total concentration of 115.2 g/L, with a potential to produce >50 g/L of ethanol. This is the first report on pilot scale study on acid pretreatment of RS in a screw feeder horizontal reactor followed by enzymatic hydrolysis at high solid loadings.

Utsläppen av växthusgaser måste minska snabbt under de kommande åren. Sveriges mål är att uppnå nettonollutsläpp till år 2045. Industrisektorn spelar en avgörande roll i omställningsarbetet genom att minska sitt energibehov och fasa ut sin användning av fossila bränslen, teknikutvecklingen måste gå mot mer klimatsmarta och hållbara produkter och produktionsmetoder. Omställningen kommer att kräva ett mer robust och tillförlitligt energisystem där dagens centraliserade system kompletteras med mindre decentraliserade produktionsanläggningar så att effekt- och energibehov kan tillgodoses i alla lägen. Att producera el och värme närmare användaren bidrar till minskade överföringsförluster. Småskalig kraftvärmeproduktion (CHP) baserad på biobränslen eller restvärmeresurser kan vara en del av lösningen för att minska utsläppen av växthusgaser.

Syftet med det här examensarbetet är att undersöka möjligheten för ett medelstort svenskt industriföretag att producera sitt eget basbehov av värme och el med hjälp av den konventionella Rankinecykeln. Samt att undersöka hur produktionskostnaderna av el och värme förändras beroende på anläggningens storlek.

Arbetet har bestått av datainsamling från olika tillverkare av turbiner och pannor, en beräkningsmodell skapades i Excel där anläggningar av olika storlek har jämförts vid olika driftscenarion. Ekonomiska kalkyler har gjorts med hjälp av Pay-off metoden och Nuvärdesmetoden.

Resultatet visar att produktionskostnaderna för anläggningar med turbiner i storleksordningen 10 – 100 kWel ligger på en relativt jämn nivå och betydligt lägre än priserna på köpt el och fjärrvärme. Den ekonomiska bedömningen visar generellt på positiva resultat med korta pay-offtider och positiva nuvärden.

En jämförelse av anläggningarna visar att elverkningsgraden är låg och att totalverkningsgraden i vissa fall blir lägre än för företagets befintliga värmeleverantör. Detta visar att trots att det ur ett ekonomiskt perspektiv kan vara en lönsam investering kan det ur ett systemperspektiv vara ett sämre alternativ då en lägre verkningsgrad leder till en ökad primärenergianvändning.

Det är många parametrar som påverkar en CHP-anläggnings prestanda och ekonomiska lönsamhet, men en av de viktigaste är drifttiden. Att ha en kontinuerlig drift under större delen av året har stor påverkan på anläggningens ekonomiska prestanda. Anläggningens låga elverkningsgrad gör också att största besparingen hamnar på värmeproduktionen vilket gör att anläggningen bör dimensioneras så att den ersätter så stor del som möjligt av företagets värmebehov.

Most developing countries of the world still uses biomass for domestic energy, this is mostly used in the rural areas and using our case study which is Nigeria and China. We have been able to establish the potential of biomass production energy use by looking at calorific values of some biomass such As-harvested wood, Dry wood, Straw Miscanthus Coal  which was discussed on the introduction part of this thesis.

Cotton stalk is a holocellulose rich, inexpensive agricultural residue available in surplus without any competitive uses neither as food nor as animal fodder. These aspectshold high potential for cotton stalk as a biomass to be suitable for ethanol production. Dilute acid pretreatment conditions on bench scale have been optimized for cotton stalk by Response Surface Methodology (RSM) using Central Composite Design (CCD). Effect of four pretreatment process variables viz. temperature, acid concentration, time of reaction and stirring speed has been optimized for maximum enzymatic sugar release during the subsequent enzymatic saccharification. Under the optimized pretreatment conditions, i.e., temperature: 157. °C, acid concentration: 1.07% (w/w),and time: 20 min, enzymatic sugar releasewas found to be 684 mg/g of dry pretreated biomass. A correlation of hemicellulose removal and inhibitor formation with combined severity factor (CSF) was drawn. Mass balance carried out for the pretreatment step under optimized conditions resulted in 68.35 and 8.31% of xylose and glucose saccharificationyieldsrespectively. Subsequent enzymatic saccharification yieldsofglucose and xylose were 93.56 and 19.93% respectively. The overall saccharification yield integrating pretreatment and enzymatic hydrolysis of cotton stalk was 91.06%. Physicochemical characterization of native and pretreated biomass was carried out by compositional analysis, FT-IR and XRD revealing significant changes in biomassproperties responsible for improved saccharification efficiency.

The environmental sustainability of cellulosic ethanol production from rice straw in India is conducted using life cycle assessment (LCA). Greenhouse gas (GHG) emissions, net energy ratio (NER) and net energy balance (NEB) are studied for ethanol production system using two diverse pretreatment technologies, i.e. dilute acid (DA) and steam explosion (SE) followed by separate hydrolysis and fermentation. 1 ton of rice straw is the reference flow of study and 1 MJ transportation fuel is the functional unit while comparing the results with gasoline. The inventory data is collected based on several experiments conducted at our pilot plant and is a novel contribution to country specific LCA. Using DA and SE, the ethanol yields from the processing of 1 ton straw are 239 and 253 L and life cycle GHG emissions are 292 and 288 kg CO₂ eq./ton straw respectively. The results indicated that production of enzyme used in hydrolysis is the major contributor to GHG emissions in both DA (54%) and SE (57%) methods of ethanol production. The net energy input during the life cycle of ethanol is 1736 and 1377 MJ/ton straw in DA and SE respectively. The major GHG emissions and energy benefits are obtained using lignin produced in the plant to generate electricity resulting in displacement of the coal based electricity. With a higher xylose recovery in the SE, it gives larger amount of ethanol and also generates more surplus electricity. Enzyme production and its use are identified as GHG emission and energy consumption hotspot in the ethanol production process. While comparing the results with gasoline, DA and SE resulted in a reduction of 77 and 89% GHG emissions and NER of 2.3 and 2.7 respectively. The E5 blending would reduce GHG emissions by 4.3% (DA) and 4.8% (SE) whereas; E20 blend would lead to a reduction of 17.4% (DA) and 18.8% (SE) respectively. Sensitivity analysis indicates that with every 12.5% increase in the price of rice straw from the base case, there is a 2.3% increase in GHG emissions and vice versa. 1 FPU/g WIS increase during hydrolysis gives 2.9% increase in ethanol production, but at the same time there is an increase of 5% emissions from enzyme production. The results of the study conclude that cellulosic ethanol production technology in India is sustainable from GHG reduction and energy efficiency perspective.

Dilute acid (DA) pretreatment results in the formation of inhibitory compounds and pseudo-lignin along with the burden of unnecessary materials like ash, extractive, lignin or their condensed products that reduces the conversion efficiency of cellulose to monomeric sugar. Indian Oil Corporation Limited (IOCL) has developed a modified pretreatment (MP) in order to reduce the enzyme dosage during ethanol production. This method uses extraction of biomass in water and varying alkali concentration of 0.2, 0.4 and 0.5%, prior to pretreatment as a strategy to reduce the enzyme dosage and improve the ethanol yield. The environmental and economic impact of these MP scenarios in comparison with conventional pretreatment (CP) is studied. The ethanol production increases from 218 to 267 L using MP. The introduction of extraction step prior to DA pretreatment fulfills the objective of reducing enzyme dosage by 23–39%. However, overall life cycle assessment (LCA) results revealed that performance of MP2, MP3 and MP4 is on a negative side in all the environmental impact categories as compared to CP due to the use of alkali, where a huge amount of emissions are released during the production stage. Overall, MP1 using water as a media for extraction is the most environmentally suitable pretreatment process for ethanol production. Life cycle costing (LCC) results showed that cost of 1 L ethanol production could be lowered down from 0.87 to 0.70 United States Dollar (USD) using MP1 scenario. From an environment and economic perspective, it is recommended to use only water as an extraction media for biomass, as this can reduce the enzyme dosage, emissions and cost.