Elementy składowe biogazowni – co wybrać? Fermentacja i… ogrzewanie

W lipcu 2010 r. rząd przyjął bardzo ważny dla branży OZE dokument pod nazwą „Kierunki rozwoju biogazowni rolniczych w Polsce w latach 2010-2020”. Jednak nawet bez tego dokumentu różne uwarunkowania ekonomiczne i prawne sprawiają, że możemy się w Polsce spodziewać w najbliższych latach budowy nie tylko zakładanych przez rząd ponad 2000 dużych biogazowni do roku 2020, lecz nawet dodatkowych kilku tysięcy mniejszych instalacji na potrzeby rolników i zakładów przetwórczych. Wskazują na to choćby analizy rynkowe wykonane na UP w Poznaniu uwzględniające wprowadzenie wkrótce przez KE dyrektywy antyodorowej (a w dalszej przyszłości dyrektywy opodatkowującej emisję metanu). Aby jednak doszło do gwałtownego rozwoju liczby budowanych i oddawanych do użytku biogazowni, niezbędne jest zejście cenowe z poziomu 3-4 mln euro za 1 MWel mocy oferowanej przez zachodnie firmy i wprowadzenie na szerszą skalę znacznie tańszych, a niekiedy nawet lepszych rozwiązań krajowych. Jest już możliwe zbudowanie biogazowni w cenie znacznie poniżej 10 mln zł za 1 MWel. Trzeba bowiem podkreślić jeden bardzo ważny aspekt kosztów: ta sama biogazownia zbudowana w Polsce może być nawet nieco droższa niż instalacja wykonana w Niemczech. Tymczasem niemiecki właściciel biogazowni rolniczej będzie dostawał co najmniej 180 euro za 1 MWh, a polski tylko niecałe 450 zł. Skoro mimo takiej różnicy w przychodach i tak ponad 1/4 biogazowni niemieckich upadła, tym bardziej trzeba uważnie dokonywać wyborów instalacji i technologii w warunkach polskich.
Różne instalacje i technologie
Istnieje wiele różnych technologii wytwarzania biogazu. Poza podziałem na biogazownie mezofilowe (czyli pracujące z temperaturą wsadu 34-39oC) są jeszcze termofitowe (50-55oC), które z powodzeniem działają w chłodnym klimacie Łotwy czy Danii. Trzeba bowiem pamiętać, że odmiennie niż w południowych Chinach czy Wietnamie, w Polsce nie ma możliwości produkcji biogazu bez podgrzewania fermentującej pulpy. W zasadzie wśród działających obecnie 7 dużych biogazowni rolniczych (w tym pięciu należących do Poldanoru) występuje tylko tradycyjna technologia Nawaro, przy czym Poldanor dokonał własnych modyfikacji.
Typowa biogazownia pracująca w tej technologii ma jeden lub dwa zbiorniki (fermentacji właściwej i wtórnej), które są sukcesywnie zasilane wymieszanym już wsadem. Średni czas fermentacji w temp. 37oC typowej mieszanki jak kiszonka i gnojowica waha się między 25 a 40 dni. Jednak choć technologia Nawaro zdominowała niemiecki rynek, szybko rozwijają się również inne, bardziej zaawansowane rozwiązania, które zwiększają wydajność i skracają czas fermentacji, ale niestety są też porównywalne cenowo, a często nawet droższe. Odpowiedzią na ofertę zachodnią mogą być tańsze i również wydajne technologie rozwijane przez krajowe instytucje naukowe. Oferta Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu zawiera np. dobór sposobu wstępnego przygotowania wsadu i w razie potrzeby także hodowlę szczepów bakterii dedykowanych dla danych substratów, zwłaszcza tych „trudnych” jak odpady zwierzęce, pomiot kurzy czy podłoże popieczarkowe. Generalnie można więc stwierdzić, że wybór technologii powinien być poprzedzony analizą dostępnych substratów i konsultacją ze specjalistami.
Przechowywanie i przygotowanie substratów
Typowe biogazownie rolnicze wykorzystują jako wsad kiszonki i gnojowicę. Przy budowie biogazowni można w zasadzie wykorzystać już istniejącą infrastrukturę w danym gospodarstwie, czyli zbiorniki na gnojowicę i silosy na kiszonkę. Uszczelnienie instalacji gnojowicowej i bezpośrednie podłączenie jej do biogazowni może znacząco zmniejszyć, a nawet wyeliminować emisję odorów. Z kolei silosy betonowe (przejazdowe) są znacznie tańszym rozwiązaniem niż składowanie kiszonki w rękawach foliowych, ale powodują większe straty w jakości surowca. Bardzo istotne jest to, aby unikać składowania (nawet przejściowego) wsadu bezpośrednio na glebie lub na płycie zanieczyszczonej glebą, gdyż ziemia dostająca się do zbiorników fermentacyjnych stanowi później wielki problem, a ponadto zawiera bakterie gnilne, które wpływają niekorzystnie na proces fermentacji. Ze względu na ogromną różnorodność surowców, które można zastosować w biogazowniach, bardzo trudno jest sformułować ogólne zasady ich przechowywania. W przypadku każdego typu substratu generalnie należy przestrzegać dwóch zasad: przechowywać tak, aby straty masy i jakości były jak najniższe oraz aby maksymalnie ograniczyć emisję odorów. Dotyczy to zwłaszcza odpadów tzw. kłopotliwych, czyli np. z przetwórstwa rolno-spożywczego (serwatka, wywary, łuska cebulowa, odpady rzeźnickie czy garbarskie).
Przygotowanie wsadu
Mieszanka wsadu wtłaczana do biogazowni powinna być rozdrobniona i wymieszana. Można to uzyskać dzięki zastosowaniu standardowych urządzeń jak choćby zwykły wóz paszowy. Ale uwaga: czasem bardziej opłaca się zastosować dodatkowe urządzenia, które podnoszą koszt inwestycji i eksploatacji, ale skutkują przyspieszeniem procesu fermentacji i wzrostem wydajności. Przykładowo, zwykła sieczka słomy dodana do zbiorników fermentacyjnych rozłoży się w ciągu kilkudziesięciu dni (może przy tym spowodować problemy z owinięciem się wokół mieszadeł). Tymczasem ta sama słoma mocniej rozdrobniona i poddana np. procesowi sterylizacji, działaniu ultradźwięków albo steam explosion (rozerwaniu łańcuchów włókien wskutek gwałtownego obniżenia ciśnienia i temperatury) może rozłożyć się w znacznie krótszym czasie. Dla zapewnienia stabilności flory biologicznej w komorach warto zastosować na wejściu sterylizator wsadu, który nie tylko likwiduje konkurencyjne szczepy bakterii, ale również ułatwia rozkład substratów. Sterylizator jest niezbędny w przypadku stosowania niektórych odpadów zwierzęcych, np. resztek z rzeźni. Opis procesu sterylizacji takich odpadów podaje szczegółowo rozporządzenie 1774/2002 Rady Europy.
Zbiorniki
Spotyka się głównie dwa rodzaje zbiorników fermentacyjnych: stalowe i betonowe. W Chinach większość zbiorników biogazowni zbudowana jest z tworzyw sztucznych, ale ze względu na inne uwarunkowania (tani materiał, mniejsze rozmiary, brak dogrzewania) te rozwiązania nie mogą być bezpośrednio przeniesione na polski rynek. Bardzo trudno określić, który materiał do budowy komór fermentacyjnych jest lepszy. Na pewno musi być wytrzymały na agresywne oddziaływanie wsadu, bowiem otwarcie komory i jej opróżnienie w celu renowacji wiąże się z koniecznością rozruchu procesu fermentacji przez okres 2-5 miesięcy, a w przypadku biogazowni 1 MW to strata rzędu 0,4-0,8 mln zł. Zarówno beton, jak i stal mają swoje wady i zalety. Każdy z tych materiałów jest mniej lub bardziej wrażliwy na korozję.

Co prawda jest też na rynku oferta firmy wykonującej komory biogazowni ze stali szkliwionej (takie instalacje pracują już w Austrii), ale horrendalny koszt takiego materiału nie daje w zasadzie szans na biogazownię pracującą z zyskiem w warunkach polskich. Stal kwasoodporna jest również wytrzymałym rozwiązaniem, ale jest znacznie droższa niż zwykła. Dobrą alternatywą wydaje się więc zastosowanie zbiornika ze zwykłej stali, ale zabezpieczonego odporną warstwą antykorozyjną, na przykład z tworzyw sztucznych. Warto podkreślić, że w takim zbiorniku przez wiele lat krąży gęsta ciecz (zawartość suchej masy na poziomie 8-10%) o temperaturze dochodzącej do 40oC, zawierająca agresywne związki chemiczne (choćby siarkowodór czy amoniak). Dlatego warstwa zabezpieczająca zbiornik musi być wytrzymała i odporna na ścieranie. Ściany betonowe mogą również korodować w tych warunkach, dlatego warto stosować zabezpieczenia antykorozyjne.

Układ grzewczy w zbiornikach betonowych musi być umieszczony od wewnątrz bocznych ścian, z kolei w zbiornikach metalowych jest on z reguły na stronie zewnętrznej. Oczywiście oba typy zbiorników w polskim klimacie muszą posiadać izolację termiczną. Dobrym rozwiązaniem może być zastosowanie ogrzewania podłogowego w dnie zbiornika. Spotyka się również podgrzewanie wsadu za pomocą wymiennika ciepła umieszczonego na zewnątrz zbiornika. To rozwiązanie ma tę zaletę, że strumień pulpy wstrzykiwanej do komory może pełnić także rolę mieszadła hydraulicznego. Zbiorniki fermentacyjne muszą być przykryte, przy czym spotyka się generalnie dwa rodzaje okryć: stałe (betonowe lub metalowe), stanowiące integralną część konstrukcji zbiornika oraz elastyczne przykrycia z tworzyw sztucznych. Stałe przykrycie umożliwia umieszczenie centralnego mieszadła pionowego (lub systemu 4 mieszadeł), z kolei w zbiornikach z przykryciem elastycznym mieszadła muszą być umieszczone poziomo lub skośnie w ścianach bocznych. Spotyka się również w zbiornikach wieżowych mieszadła pneumatyczne, w których biogaz zasysany jest spod kopuły i wtłaczany od dołu, powodując cyrkulację cieczy, jednak to rozwiązanie ma wiele wad i jest gorsze od choćby mieszania hydraulicznego. Trzeba zwrócić uwagę na odpowiednie dobranie systemu mieszania, bowiem właściwe wymieszanie gwarantuje lepszy przebieg fermentacji, a ponadto jest to często proces mocno energochłonny, co obniża efektywność pracy biogazowni. Warto podkreślić, że zastosowanie łatwo rozkładalnych oraz mocno rozdrobnionych substratów wpływa na zmniejszenie energii niezbędnej do prawidłowego mieszania pulpy fermentacyjnej.
Oczyszczanie i spalanie biogazu
Biogaz nie może być skierowany bezpośrednio do agregatów kogeneracyjnych, gdyż doprowadziłoby to w krótkim czasie do zniszczenia silnika (taka sytuacja miała miejsce w ubiegłym roku w jednej z oczyszczalni ścieków w południowej Polsce i skończyła się postępowaniem sądowym wobec firmy montującej instalację). Biogaz musi być odwodniony, a także pozbawiony nadmiaru siarkowodoru i amoniaku, bowiem siarkowodór w połączeniu z parą wodną (podobnie jak amoniak) działa niezwykle agresywnie na elementy silnika. W tym celu stosuje się różnego rodzaju instalacje zawierające m.in. filtry biologiczne lub chemiczne. Agregaty kogeneracyjne wykorzystywane do spalania biogazu mają moc od kilkudziesięciu kW do nawet ponad 1 MW. Oferta zachodnich producentów jest bardzo szeroka, przy czym trzeba zauważyć, że ceny wyrobów znanych firm zachodnich są w polskich realiach bardzo wysokie, gdy uwzględni się fakt, że za wytwarzaną energię polski inwestor dostaje blisko połowę niższą cenę w porównaniu do niemieckiego. Są jednakże wyroby znacznie bardziej atrakcyjne cenowo. Najtańsze są agregaty chińskie, ale uwaga – mają one znacznie niższą wydajność niż europejskie (z 1 m3 biogazu wytwarzają 1,5-1,7 kWh energii elektrycznej, podczas gdy typowy agregat europejski daje wynik 2,5-2,7 kWh).

Dość atrakcyjne cenowo, a przy tym solidne, są za to wyroby czeskie i koreańskie. Dostępne są też agregaty krajowej produkcji.
Jedna z firm oferuje np. nowoczesny agregat 300 kVA z innowacyjnym systemem zasilania i chłodzenia ładunku. Poza wymienionymi wyżej elementami należy pamiętać, że dla prawidłowej pracy biogazowni potrzebne są również instalacje do przepompowania pulpy, pofermentu, transportu biogazu czy też cieplika z agregatu kogeneracyjnego. Biogazownia musi być też wyposażona w kompletny system sterująco-monitorujący, który umożliwia kontrolę jej pracy z dowolnego miejsca na Ziemi z wykorzystaniem Internetu. Dodatkowo, w przypadku braku możliwości wylewu pulpy pofermentacyjnej na pole, niezbędne jest wdrożenie instalacji do separacji, suszenia i ewentualnie peletowania (lub brykietowania) pofermentu.
dr inż. Jacek Dach

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij