Stal- en mestspoor:

mogelijkheden voor reductie via stallen en mestopslagen

Het Onderzoek Veehouderij & Klimaat heeft ook mogelijke oplossingen voor vermindering van methaanemissies door stal- en mesttechnieken in kaart gebracht. Efficiëntie, haalbaarheid en rentabiliteit van de emissie reducerende maatregelen staan daarbij voorop. De mogelijke oplossingen zijn in de praktijk getest in zogenoemde pilot- en demonstratieprojecten. Met als doel het in kaart brengen van het reductiepotentieel van de verschillende technieken.

We hebben vijf verschillende technieken om methaan te verminderen op veehouderijbedrijven onderzocht, namelijk:

Methaanoxidatie

Dichte vloeren

Frequent mixen van mest

Dagontmesting, verdunnen, spoelen en eventueel koelen van mest

Frequent spoelen met ammoniakarme vloeistof

Daarnaast is een literatuurstudie uitgevoerd over:

Mestvergisting

Methaan verminderen
door methaanoxidatie

In mestopslagen komt methaan (CH₄) vrij bij de omzetting van organisch materiaal door bacteriën in de mest. Het is mogelijk om dit methaan onschadelijk te maken door het te oxideren, oftewel te laten reageren met zuurstof. Het methaan wordt dan omgezet naar koolstofdioxide.

De omzetting van methaan kan plaatsvinden door het inzetten van bacteriën die methaan als energiebron gebruiken. Methaan affakkelen (verbranden) met een vlam is een andere techniek. In dit project zijn de mogelijkheden onderzocht om methaan goed op te vangen vanuit een externe mestopslag (dus niet uit de stal), om het vervolgens om te laten zetten door bacteriën of te verbranden.

De drie methoden om methaan om te zetten naar koolstofdioxide die onderzocht zijn:

veldfilter (ondergronds);
biofilter (bovengronds in een bak);
fakkel.

Deze drie technieken zijn gekoppeld (aangeschakeld) aan de mestopslag. Er is gekeken naar het opvangen van methaan uit een silo, een bassin en een mestzak.

Methode veldfilter

Bij een veldfilter wordt het methaan vanuit de mestopslag (in deze pilot een mestzak) passief in drainagebuizen onder geschikte grond gebracht (zie figuur X). Vanuit deze buizen komt het methaan via de grondlaag vrij naar de atmosfeer. Wanneer methaan in de bovenste 20 à 30 cm van de grond is aangekomen, komt het in contact met zuurstof uit de lucht. Dit is het gedeelte waar bacteriën gaan groeien die het methaan als energiebron kunnen gebruiken.

Veldfilter voor omzetting methaan

Methode biofilter

Een biofilter is een bovengrondse bak met grond met daarin bacteriën die het methaan omzetten. Het biofilter wordt aan de mestopslag gekoppeld door een slang. In dit project hebben we een pilot bij een silo met spankap en bij een mestzak uitgevoerd. De lucht boven de mest wordt actief afgezogen door een ventilator. Hierbij wordt een mengsel van methaan en buitenlucht verkregen. De ventilatorsnelheid kan ervoor zorgen dat het mengsel van de buitenlucht en het biogas geen explosief mengsel vormt en goed door de bacteriën in het biofilter kan worden omgezet.

Schematische weergave biofilter

Methode fakkel

Een mestopslag (in deze pilot een mestzak) kan ook aan een fakkel worden gekoppeld. De fakkel wordt dan gekoppeld aan een sensor die meet of er voldoende methaan in de mestzak aanwezig is. Wanneer dit het geval is, ontvlamt de fakkel en wordt in de fakkel lucht gemengd met methaan, zodat het kan verbranden. Het biogas kan indien noodzakelijk eerst door een bak met ijzer worden geleid om de waterstofsulfide (H₂S) weg te vangen.

Resultaten methaanoxidatie

Het onderzoek heeft verschillende inzichten opgeleverd, zie samenvatting in onderstaande tabel. De efficiëntie van het veldfilter wordt onderzocht in oktober 2020. In de herfst 2020 en het voorjaar 2021 wordt de omzettingsefficiëntie van het biofilter gemeten.

Essentieel is een goede afvangst van de externe mestopslag. Vanwege vele mogelijke lekkages is een mestbasin niet ideaal. De gasafvangmogelijkheden van een silo met drijfdek worden nog onderzocht.
Geschatte waarde, indien het systeem goed is gedimensioneerd. Bij veldfilter en biofilter worden nog metingen gedaan. Bij de fakkel wordt uitgegaan van bijna volledige verbranding omdat de luchttoevoer automatisch wordt afgestemd op methaanaanbod aan de fakkel.
Nog geen praktische ervaring mee opgedaan. Filter zit in opstartfase.
In principe volledig automatische affakkeling mogelijk.

Ervaringen pilot methaanoxidatie

Methaan opvangen blijkt in de praktijk een lastige opgave. Veel mestopslagen zijn moeilijk gasdicht te maken. Daardoor lekt er methaan uit de mestopslag en kan je niet alle methaan uit de mest opvangen. Vooral mestbassins hebben vaak lekplekken die niet goed te dichten zijn. Twee technieken voor het afvangen blijken het beste te werken:

Het biogas dat ontstaat in een mestzak bouwt uit zichzelf druk op en vloeit dan naar de aangeschakelde techniek (het veldfilter, het biofilter of de fakkel);
Het biogas dat ontstaat in een silo met spankap actief afzuigen boven de mest (met een pompje) en in de nageschakelde techniek (in dit geval het biofilter) blazen.

Schematisch overzicht van de beide koppelingen.

Links weergave van de luchtstroom en biogasverplaatsing in een mestsilo naar de pomp die aan een biofilter kan worden gekoppeld. Rechts de mestzak waar het ontstane biogas direct naar een veldfilter kan of naar een fakkel (met bijmenging van lucht in de fakkel zelf).

Methaan verminderen
door frequent mixen

Melkveestallen in Nederland zijn traditioneel uitgerust met roostervloeren boven een mestkelder. Deze drijfmest in de kelder bevat de micro-organismen die zorgen voor de vorming van methaan in de opgeslagen mest en de nieuwe mest die door de roosters valt. Door de afwezigheid van zuurstof in de drijfmest vindt er een vergistingsproces plaats. Dit zorgt ervoor dat er naast methaan ook andere schadelijke stoffen vrijkomen, zoals zwavelwaterstof en ammoniak.

In het Verenigd Koninkrijk en Ierland bestaan systemen die door middel van luchtbellen de mest mixt. Daardoor komt de drijfmest elke dag kort in contact met lucht. In dit project is het effect van regelmatig mixen (met of zonder lucht) op de methaanemissie onderzocht. De metingen hebben plaatsgevonden op Dairy Campus in Friesland.

Hoe werkt mest mixen?

Mixen van mest gebeurt meestal door een mechanische, trekker aangedreven mixer in de mestopslag te plaatsen. Hierdoor komt een stroming in de mest op gang waardoor deze wordt gehomogeniseerd. Dit gebeurt gemiddeld één keer per drie maanden. Bij het mixen van de mest met lucht wordt er dagelijks lucht via een buizenstelsel op de bodem van de kelder in de mest geblazen. De opstijgende bellen homogeniseren de mest en breken de drijvende korst bovenop de mest.

In twee rondes van ongeveer twee maanden is het effect van mixmethoden op de emissies gemeten. De emissies van methaan, lachgas, koolstofdioxide en ammoniak zijn hierbij continu geregistreerd.

Afwisselend zijn in de vier beschikbare afdelingen de volgende behandelingen toegepast

Geen (referentiemeting)
Frequent mechanische mixen (dagelijks)
Frequent mixen met lucht (4x per dag 1 uur)
Frequent mixen met lucht (4x per dag 2 uur)

Voorlopige resultaten pilot frequent mixen

De metingen zijn afgerond. Momenteel wordt gewerkt aan dataverwerking, -analyse en rapportage. Hierdoor kunnen voorlopige resultaten nog veranderen. Op basis van de voorlopige resultaten lijken de verschillende mixmethoden veelal geen reducerend effect te hebben op de emissies. Uitzondering is mogelijk het effect van het mixen met lucht op de emissie van methaan. De emissies van lachgas en ammoniak zijn op basis van de voorlopige resultaten bij mixen met lucht juist hoger.

Voorlopige resultaten pilot frequent mixen

Emissie van CH₄, N₂O en NH₃ in kg per dierplaats per jaar en als percentage van de referentie (=100%)

Bron: Onderzoek Effect van het frequent mixen van mest op emissies, WUR (publicatie verwacht in 2021)

Methaan verminderen door dagontmesting, verdunnen, spoelen en eventueel koelen van mest in varkensstallen

Methaanemissie in de varkenshouderij komt voornamelijk uit de mestopslag en niet uit het dier zelf. De geschatte emissiereductie die de varkenshouderij kan behalen met de uitvoering van het klimaatakkoord is 0,4 Mton CO₂-equivalenten.

De Keten Duurzaam Varkensvlees (KDV) wil de emissie van haar stallen bij de bron aanpakken door een combinatie van dagontmesting, het verkleinen van het mestoppervlak, het spoelen van mest en eventueel aangevuld met mestkoeling. Dit wordt gecombineerd met mestscheiding en -vergisting.

Doorsnede proefstal vleesvarkens

De verwachting vooraf was dat hierdoor tot 90% methaanemissiereductie uit de mest kan worden gerealiseerd in vergelijking met langdurige mestopslag. Op stalniveau betekent dit een methaanreductie van ca. 80%. Deze combinatie van maatregelen zal ook resulteren in een lagere ammoniak- en geuruitstoot, en dus een betere luchtkwaliteit in de stallen.

Eerste resultaten pilot

De indicatieve emissiereducties op basis van de emissiemetingen tot nu toe zijn als volgt:

Ammoniak

vleesvarkens: 0,6 kg NH₃/dierplaats/jr = 80 % reductie ten opzichte van de Regeling Ammoniak Veehouderij
gespeende biggen 0,1 kg NH₃/dierplaats/jr = 85 % reductie ten opzichte van de Regeling Ammoniak Veehouderij

Methaan

vleesvarkens 3,5 kg CH₄/dierplaats/jr = 75 % reductie ten opzichte van de controle (15 kg ch4/dp/jaar)
gespeende biggen 1,5 kg CH₄/dierplaats/jr = 85 % reductie ten opzichte van de controle (11,8 kg CH₄/dp/jaar)
Geur: ca. 50 % tov de controleafdelingen
Fijnstof: geen reductie, aanvullend systeem nodig om reductie te bewerkstelligen

Deze meetresultaten laten zien dat het stalsysteem van Keten Duurzaam Varkensvlees (KDV) werkt om emissies bij de bron aan te pakken door een combinatie van dagontmesting, het verkleinen van het mestoppervlak, verdunning en eventueel mestkoeling.

Fijnstof blijkt een problematiek die niet via de huidige toegepaste brongerichte maatregelen in de stal wordt opgelost. Dit betekent dat een aanvullende techniek nodig is om fijnstof te reduceren.

Het effect van de maatregelen van KDV is dat niet alleen de emissies uit de stal, maar ook de lucht in de stal schoner wordt. Dit betekent een betere luchtkwaliteit voor de varkens in de stal en dat verbetert de diergezondheid. Minder luchtwegproblemen betekent praktisch gezien ook minder antibioticagebruik.

Komende periode wordt ingezet om het geoptimaliseerde stalsysteem door te meten volgens de meetprotocollen voor het vaststellen van emissiefactoren. Dit maakt het mogelijk dat daarna andere veehouders het stalsysteem kunnen toepassen.

Methaan verminderen door frequent spoelen met ammoniakarme vloeistof in varkensstallen

Om een bijdrage te leveren aan de gestelde milieudoelstellingen in de agrarische sector heeft Agrifirm Exlan een stalsysteem voor de vakenshouderij ontworpen dat met een integrale aanpak zowel methaanemissie als andere emissies kan verminderen. WUR doet onderzoek naar de emissies.

Integraal duurzame stal

In een integraal-duurzame stal kunnen varkens en dierverzorgers in een prettige omgeving met weinig ammoniak, geur, fijnstof en broeikasgassen verblijven en werken. De dierverblijven zijn zo ingericht dat de varkens een bolle ligruimte hebben met vloerverwarming en -koeling. Bij vleesvarkens wordt gebruik gemaakt van smalle diepe hokken, met boven het mestkanaal metalen roosters voor een betere mestafvoer. De verse mest wordt daarbij opgevangen in een ammoniak-arme vloeistof. Deze vloeistof zorgt er voor dat de ammoniak wordt verdund en om de paar dagen kan worden afgevoerd.

Meststripper

Om de spoelvloeistof te maken is het nodig de mest eerst te scheiden in een dunne en dikke fractie. De dikke fractie wordt afgevoerd naar een vergister. De dunne fractie wordt ammoniakvrij gemaakt door een ‘meststripper’ waarbij veel lucht door de dunne fractie wordt geblazen. De ammoniak vliegt er dan uit, en wordt vervolgens weggevangen door een chemische combi-luchtwasser. Door de toepassing van een meststripper verdampt er bovendien veel water. Berekeningen laten zien dat het mestvolume met ca. 40% verkleind kan worden. De toepassing van een meststripper in combinatie met een luchtwasser reduceert ook de emissies van fijn stof en geur.

Eerste resultaten pilot frequent spoelen

De onderzoeksvraag bij dit stalontwerp was: is frequent spoelen met een ammoniakarme vloeistof effectief om ammoniak- en methaanemissie te reduceren? Door met water te spoelen kon deze onderzoeksvraag worden beantwoord. De metingen zijn uitgevoerd in november en december 2019. De resultaten zijn weergegeven in de onderstaande figuren en tabel.

Tijdens de metingen waren de varkens aan het eind van de groeiperiode. Na de metingen zijn ze afgeleverd. Omdat de stikstofuitstoot van zware vleesvarkens hoger is dan gemiddeld over een groeitraject, geven de reducties een vertekend beeld van wat in een volledige groeiperiode of in een heel jaar de reductie zou kunnen zijn geweest.

Er is een maand gemeten op het einde van de groeiperiode van de varkens. De resultaten laten zien dat regelmatig spoelen (ca. 3 x per week) met water een substantiële reductie van de ammoniakemissie oplevert. Ook de methaanemissie reduceerde flink. De controleafdelingen waren echter onderling nogal verschillend, waardoor de reductiepercentages uiteenliepen.

Het niveau van de methaanemissie van de ‘gespoelde’ afdelingen, was op het niveau dat verwacht wordt van de enterische emissie van de varkens in het maagdarm-kanaal. Dit betekent dat de emissie van methaan uit de mest in de stal bij deze afdelingen verwaarloosbaar was.

Emissies van ammoniak en methaan bij spoelen met water

Gram NH₃ en CH₄ per dierplaats per dag bij twee proefopstellingen en twee controlestallen in december 2019.

Bron: Onderzoek Innovatieve technieken van mestverwijdering en mestbehandeling voor vleesvarkensstallen, WUR (publicatie verwacht in 2021)

Het spoelen met water werkt dus om de emissies van methaan en ammoniak te reduceren. De volgende stap is dus om die ammoniakarme vloeistof uit mest te maken, zodat geen water aan de mest hoeft te worden toegevoegd. Het vervolgonderzoek richt zich daarom op het optimaliseren van de productie van ammoniakvrije vloeistof met de eerdergenoemde scheider en de meststripper. Voor beiden systemen geldt dat de uitvoering op boerderijschaal moet functioneren en zo gebruikersvriendelijk en eenvoudig mogelijk moet zijn.

04/16/2021 10:44:40

Stal- en mestspoor:

mogelijkheden voor reductie via stallen en mestopslagen

Methaan verminderen door methaanoxidatie

Methode veldfilter

Methode biofilter

Methode fakkel

Resultaten methaanoxidatie

Ervaringen pilot methaanoxidatie

Methaan verminderen door dichte vloeren

Renovatieopties en vrijloopstal

Vijf type stalvloeren onderzocht

Resultaten pilot dichte vloeren

Methaan verminderen door frequent mixen