Biogazownie rolnicze.doc

Biogazownie rolnicze – wysoce efektywna metoda produkcji energii z biomasy

Biogaz produkowany z biomasy – odnawialnego źródła energii

Obecnie, zmiany klimatu ziemskiego, za sprawą szkodliwej działalności człowieka, już nawet dla niedowiarków stały się faktem. Ogromne emisje dwutlenku węgla (CO2) oraz metanu (CH4) do atmosfery powodują zwiększenie efektu cieplarnianego, czyli podwyższenie temperatury atmosfery ziemskiej. Inwestowanie w rozwój technologii dla pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych takich jak słońce, wiatr, woda biomasa (ogólnie materia organiczna pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego) czy energia geotermalna staje się powoli koniecznością a nie jak przed paru laty tylko alternatywą. Polska podpisując protokół z Kioto w grudniu 1997 roku zobowiązała się do redukcji emisji gazów cieplarnianych jak i również wspierania rozwoju energii odnawialnej. Biogaz to paliwo pozyskiwane na drodze procesów biochemicznych z biomasy. W nomenklaturze polskiej przyjęło się określać biogaz jako produkt fermentacji metanowej wytwarzany celowo w specjalnie do tego celu skonstruowanych obiektach czyli biogazowniach rolniczych lub w komorach fermentacyjnych oczyszczalni ścieków oraz jako produkt uboczny beztlenowych procesów rozkładu organicznej części odpadu zgromadzonego na wysypisku śmieci. Artykuł ten obejmuje swoim zakresem pierwszy z wymienionych, celowych sposobów produkowania energii z substratów organicznych na biogazowniach rolniczych.

Z jakich substratów można produkować biogaz?

Oczywiście nie wszystkie substraty nadają się do produkcji biogazu. Biomasa taka jak drewno czy słoma lub np. rośliny o dużej zawartości substancji trudno rozkładalnych biochemicznie (np. lignina) nadają się bardziej do spalania niż do fermentacji metanowej. To co wyróżnia biogaz wśród innych rodzajów energii odnawialnej pozyskiwanej z biomasy to możliwość zastosowania substratów charakteryzujących się na przykład znaczną zawartością wody lub masy organicznej jak i również takich, które wymagają utylizacji (np. odpady poubojowe).

Biogaz może być wytwarzany z różnych rodzajów oraz typów substratów. Do surowców odnawialnych bardzo dobrze nadających się do zastosowania na biogazowniach rolniczych należą takie materiały jak nawozy naturalne (np: gnojowica, obornik), odpady z produkcji rolnej (np: odpady zbożowe, odpady pasz), celowo hodowane rośliny energetyczne (np: kukurydza, pszenżyto, pszenica, jęczmień, rzepak, lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak cukrowy, ziemniak). Na biogazowniach rolniczych można również przetwarzać na biogaz odpady organiczne pochodzące na przykład z produkcji spożywczej lub biopaliw oraz inne czyste chemicznie odpady organiczne. W obszarze zainteresowań są szczególnie substraty o dużym potencjale energetycznym, charakteryzujące się dużą zawartością masy organicznej oraz tanie do pozyskania. Do takich materiałów należą np: odpady warzyw i owoców, odpady z produkcji żelatyny, skrobi, odpady z piekarni, cukierni, odpady tłuszczy i serów z mleczarni, wytłoki owoców i warzyw, wywar gorzelniany, wysłodziny browarniane, odpady poubojowe jak i również odpady żywności ze stołówek, restauracji, gliceryna itd.

Dobranie odpowiednich rodzajów i proporcji substratów dla fermentacji nie jest łatwym zadaniem z uwagi na różnorodne wydajności produkcji biogazu(tabela 1), dynamikę procesu, jakości uzyskanego z nich biogazu, zawartości substancji hamujących i toksycznych oraz reakcje zachodzące między poszczególnymi materiałami wsadowymi.

Tabela 1 Różnorodne substraty i ich wydajności produkcji biogazu[1]

Szczególne zainteresowanie budzi w Polsce wykorzystywanie na biogazowniach rolniczych osadów ściekowych z komunalnych lub przemysłowych oczyszczalni ścieków. Zastosowanie tego typu substratu jest problematyczne z uwagi na fakt wykorzystania pozostałości pofermentacyjnej jako nawozu. W osadach ściekowych mogą znajdować się substancje zawierające materiały szkodliwe i uniemożliwiające zastosowanie przetworzonego substratu w produkcji rolnej. Dla producenta energii z biogazu zastosowanie osadów ściekowych wiąże się wiec z dodatkowymi nakładami na badanie obecności i zawartości niedozwolonych substancji oraz kosztowną utylizacją przefermentowanego osadu w razie braku możliwości jego wykorzystania jako nawozu.

Jak zbudowana jest biogazownia rolnicza ?

Typowa biogazownia rolnicza składa się urządzeń i obiektów do przechowywania, przygotowania oraz dozowania substratów. W zależności od zastosowanych substancji wejściowych, wyróżniamy trzy rodzaje budowli magazynowych takich jak silosy przejazdowe, zbiorniki oraz hale (substraty charakteryzujące się emisją nieprzyjemnych zapachów). Substraty w formie stałej wprowadza się do komór fermentacji za pomocą specjalnych stacji dozujących, natomiast materiały płynne mogą być dozowane techniką pompową. Niektóre substraty wymagają również rozdrabniania oraz higienizacji lub pasteryzacji w specjalnie do tego celu zaprojektowanych ciągach technologicznych.

Najczęściej stosowanym obecnie rozwiązaniem konstrukcyjnym komory fermentacyjnej jest żelbetowy, izolowany zbiornik wyposażony w foliowy, gazoszczelny dach samonośny. Zbiornik taki pełni rolę fermentatora jak i również „zasobnika” biogazu. Zawartość zbiornika jest ogrzewana systemem rur grzewczych przy wykorzystywaniu ciepła procesowego, powstałego przy chłodzeniu kogeneratora. Urządzenia mieszające zainstalowane w komorze spełniają bardzo ważną rolę. Mieszanie powoduje równomierny rozkład substratów i temperatury w zbiorniku oraz ułatwia uwalnianie się metanu.

Pozostałość pofermentacyjna jest wysoko-wartościowym nawozem gromadzonym w zbiorniku magazynowym, którego objętość jest tak dobrana aby wystarczyła na przechowywanie substratu na czas zakazu jego rozrzucania na polu (okres zimowy).

W budynku gospodarczym umieszczone są trzy bardzo istotne elementy biogazowni takie jak pompownia obsługująca transport substratów oraz pozostałości pofermentacyjnej pomiędzy poszczególnymi zbiornikami, sterownia wraz z pomieszczeniem szaf sterowniczych będąca „mózgiem” całego obiektu oraz urządzenie przetwarzające energię biogazu na energię cieplna i/lub elektryczną czyli na przykład kogenerator wytwarzający w sposób skojarzony prąd elektryczny i ciepło.

Coraz częściej elementem integralnym wielu biogazowni stają się systemy (obiekty i instalacje budowane celowo) pozwalające na wykorzystania energii cieplnej i uzyskanie z tego tytułu dodatkowych dochodów: suszarnie zboża, trocin, drewna, sieci cieplne zasilające pobliskie budynki, chłodziarki absorpcyjne wytwarzające zimno z ciepła itd.

Na ilustracji 1 widoczna jest biogazownia rolnicza przetwarzająca na biogaz głównie kiszonkę kukurydzy, odpady zbożowe oraz gnojowicę.

Ilustracja 1 Biogazownia rolnicza firmy EnerCess GmbH

W jakich warunkach powstaje biogaz? Jak można je utrzymywać i kontrolować?

Biogaz na biogazowni rolniczej powstaje w zamkniętej komorze (bez dostępu powietrza oraz światła) w procesie fermentacji metanowej w przedziałach temperatur od 35 – 40oC (fermentacja mezofilowa – większość obecnych biogazowni rolniczych pracuje w tym przedziale temperatur) oraz od 45 – 55 oC (fermentacja termofitowa). Aby utrzymać substrat w możliwej do pompowania fazie płynnej, zawartość suchej pozostałości w komorach fermentacji nie powinna przekraczać 12 – 15 %. Bardzo istotną wielkością mierzoną w komorze fermentacji jest odczyn pH. Jego wartość w przypadku stabilnej fermentacji powinna wynosić od 7 do 7,7. Niestabilność procesu spowodowana na przykład dozowaniem zbyt dużej ilości łatwo rozkładalnej materii organicznej może spowodować nagły spadek wartości pH a w konsekwencji nawet unicestwienie większości organizmów odpowiadających za fermentację metanową, a co za tym idzie długą przerwę w pracy biogazowni. Oczywiście pH obok np: składu biogazu, czy zawartości suchej pozostałości i azotu amonowego jest jedną z wielu wielkości jakie należy obserwować i analizować. Z tego powodu na nowoczesnych biogazowniach rolniczych wykorzystujących 100% mocy wytwórczych ogromną rolę dla stabilności procesu fermentacji metanowej odgrywa zastosowanie aparatury kontrolno-pomiarowej oraz automatyki i sterowania pozwalającej na kontrolowanie jej pracy także zdalnie, np. poprzez złącza internetowe.

Co przemawia za wytwarzaniem energii odnawialnej na biogazowni rolniczej?

Biogazownie rolnicze produkują energię w sposób wysoce efektywny. Skojarzona produkcja energii cieplnej oraz elektrycznej pozwala na osiągnięcie sprawności przetworzenia energii zawartej w biogazie nawet do około 87 % z czego ca. 37 % stanowi energia elektryczna natomiast ca. 50 % energia cieplna, które praktycznie bez strat mogą być wykorzystane w obszarze danej lokalizacji. Dla porównania energia elektryczna z dużych elektrowni kondensacyjnych docierająca do odbiorcy stanowi 36 % energii pierwotnej zawartej w paliwie, natomiast łączna energia (ciepło i prąd) dostarczana do odbiorcy z dużych elektrociepłowni to około 80% energii pierwotnej (przy relatywnie niskiej sprawności około - 29 % dla produkcji energii elektrycznej). W przyszłości będzie również powszechnie możliwe wprowadzanie uzdatnianego biogazu do sieci gazu ziemnego oraz jego przesył na większe odległości. Obecnie trwają prace badawcze na pierwszych tego typu instalacjach w skali 1:1 w Niemczech, Austrii i w Szwecji.

W porównaniu do innych źródeł energii odnawialnej jej produkcja z biomasy przetwarzanej w procesie fermentacji metanowej pozwala na c oraz sterowalną produkcję, co oznacza oszczędności przy eksploatacji sieci oraz możliwość wytwarzania energii w momencie zapotrzebowania.

Biogazownie rolnicze produkują wysoko-wartościowy nawóz zawierający pierwiastki biogenne w formie łatwiej przyswajalnej dla roślin oraz o zredukowanych w porównaniu do nawozów naturalnych emisjach zapachu i wyeliminowaniu niektórych szkodliwych dla roślin właściwości (np: wypalanie roślin przez gnojowicę).

Biogazownie to obiekty o stosunkowo małej mocy (od 100 do 2000 kWel.), idealnie nadające się do efektywnego, zdecentralizowanego zaopatrzenia w energię, na przykład obszarów wiejskich, charakteryzującego się niskimi stratami na przesyle, brakiem konieczności szeroko zakrojonej rozbudowy istniejących sieci oraz możliwością wykorzystania powstałego ciepła na miejscu.

Biogazownie rolnicze to również nowe miejsca pracy dla lokalnej społeczności przy produkcji substratów, budowie i obsłudze, oraz nowe firmy dostarczające przychodów do budżetu lokalnych władz.

Potencjał produkcji energii z biogazu w Europie według niemieckiej Agencji Surowców Odnawialnych (Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe) w krajach Unii Europejskiej wynosi 469 bilionów m3 metanu rocznie co stanowi około ¾ rosyjskiej produkcji gazu ziemnego[2]. W Niemczech działa obecnie prawe 4000 biogazowni dostarczając 1,1 GWel. mocy. W Polsce tak naprawdę obecnie jedna.

...