Biogaz – źródło ciepła i energii elektrycznej

Wejście w życie nowelizacji ustawy o odnawialnych źródłach energii z dnia 22 czerwca 2016 r. oraz wprowadzenie wsparcia finansowego dla biogazowni rolniczych w postaci niebieskich certyfikatów spowodowało intensywny rozwój tego rodzaju instalacji w Polsce.

Według sporządzonego przez Agencję Rynku Rolnego rejestru wytwórców biogazu rolniczego z dnia 01.04.2017 r. – w Polsce funkcjonuje 97 biogazowni o łącznej mocy elektrycznej równej 101,314 MW. Nowe, korzystne po 1 lipca 2016 roku, warunki wsparcia spowodowały, że wiele inwestycji jest aktualnie w fazie wstępnego przygotowania dokumentacji lub na nowo „odkurzane” są stare projekty. Ocenia się, że w najbliższych kilku latach może w Polsce ruszyć budowa nawet do 1000 instalacji, a docelowo przed 2030 rokiem nawet 2500.

Łączna moc tych instalacji może z powodzeniem zastąpić planowaną na północy Polski elektrownię jądrową. Należy jednak pamiętać, że biogazownie są instalacjami wykorzystującymi do produkcji energii biologiczny proces fermentacji metanowej. W związku z tym prawidłowe jej działanie zależne jest od zapewnienia odpowiednich warunków technologicznych (środowiskowych i procesowych) oraz wykorzystania odpowiednich środków technicznych od samego dostarczenia substratu, przez jego przygotowanie, fermentację, aż po zagospodarowanie pulpy pofermentacyjnej.

Biogazownie-Budowa-fermentatorow-ze-stali

Pozwoli to ograniczyć ryzyko związane z zatrzymaniem produkcji biogazu i metanu, a w konsekwencji z dużymi stratami finansowymi.

Dostarczenie i magazynowanie substratu

W typowych biogazowniach rolniczych w Europie substrat stanowić może biomasa różnego pochodzenia, m.in. kiszonka z kukurydzy, kiszonki z traw i buraki. Są to jednak drogie substraty, więc opłacają się na rynkach o wysokim wsparciu dla energii z biogazu (np. w Niemczech). Z kolei w Polsce w ostatnich latach widać tendencję do wykorzystania w produkcji biogazu biomasy odpadowej oraz odpadów z przemysłu rolno-spożywczego.

Odpady powstające podczas wytwarzania żywności z materiałów roślinnych i zwierzęcych są często uciążliwe dla środowiska, a ich składowanie i utylizacja wymagają wysokich nakładów finansowych. W związku z tym przetworzenie tego rodzaju produktów ubocznych w biogaz, a następnie energię elektryczną i ciepło, jest opłacalne, a przy tym bardzo korzystne dla środowiska. Należy w tym miejscu zwrócić szczególną uwagę na długość okresu dostawy substratu do biogazowni.

Długookresowy kontrakt na dostarczanie substratu do biogazowni, jest korzystny dla obu stron, bowiem umożliwia zmniejszenie ryzyka ograniczenia produkcji energii w biogazowni wskutek braku surowca, a przedsiębiorstwu zapewnia bezproblemowe pozbywanie się bioodpadów. Podpisanie takiej umowy powinno być poprzedzone laboratoryjnymi badaniami wydajności biogazu, które pozwalają na oszacowanie ilości produkowanego biogazu i metanu z 1 Mg świeżej masy substratu. Pozwalają one dodatkowo na wykluczenie ewentualnego efektu inhibicji procesu fermentacji metanowej z powodu zawartości np. antybiotyków albo agresywnych detergentów.

W przypadku braku własnych substratów całoroczna dostawa wsadu do biogazowni rolniczej jest bardzo istotna dla zapewnienia ciągłości pracy biogazowni (raz uruchomiona biogazownia powinna pracować bez przerwy nawet kilkanaście lat). Ważna jest w tym przypadku kontrola dostarczanego materiału – w celach rozliczeniowych i dokumentacyjnych. Należy dokładnie ewidencjonować masę wsadu oraz okresowo pobierać próby na analizę podstawowych parametrów fizykochemicznych (np. pH, konduktywność, sucha masa, sucha masa organiczna, zawartość azotu amonowego), co pozwoli uniknąć obniżenia jakości produkowanego biogazu spowodowanego nagłym spadkiem jakości samego substratu.

W przypadku biogazowni rolniczych o mocy elektrycznej powyżej 0,5 MW bardzo ważne jest także zapewnienie odpowiedniej powierzchni magazynowej. Warto zwrócić uwagę, że instalacja o mocy 1 MWe wymaga dostarczenia dziennie ok. 40-50 Mg kiszonki z kukurydzy, ponad 100 Mg obornika kurzego lub ok. 60-90 Mg mieszanki odpadów spożywczych. Wielkość powierzchni magazynowej powinna wiązać się ze spodziewanymi ilościami materiału oraz kompensowanymi okresami dostaw.

Przygotowanie substratu do fermentacji

Odpowiednie przygotowanie (obróbka wstępna) materiałów do procesu fermentacji metanowej może być kluczem do zwiększenia wydajności biogazowej i metanowej, a w konsekwencji do zwiększenia przychodu wynikającego ze sprzedaży wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła. Znajduje ona zastosowanie w szczególności dla substratów lignocelulozowych, które ze względu na złożoną budowę są dość oporne na proces fermentacji.

Stosuje się obecnie cztery rodzaje obróbki: fizyczną (polegającą na poddaniu działaniu wysokiej temperatury i/lub ciśnienia, np. przy zastosowaniu ekstruderów czy kawitacji), chemiczną (z wykorzystaniem kwasów i alkaliów czy enzymów), biologiczną (wykorzystującą odpowiednie konsorcja bakteryjne lub grzyby i drożdże) oraz mieszaną (łączącą m.in. dwie wcześniej wymienione metody). Przykładem metody mieszanej może być zastosowanie polskiego rozwiązania technicznego – specjalistycznej przystawki do biogazowni (Akceleratora Procesów Biotechnologicznych) oferowanej przez firmę Dynamic Biogas.

Urządzenie to pozwala na przyspieszenie procesu rozkładu bioodpadów (nawet o ok. 40-50%) w stosunku do powszechnie stosowanych na rynku technologii oraz zwiększenie wydajności fermentacji metanowej (o 15-30% w zależności od wykorzystanego substratu).

Prowadzenie procesu fermentacji metanowej

Proces fermentacji metanowej jest procesem biochemicznym, składającym się z czterech następujących po sobie etapów: hydrolizy, kwasogenezy, octanogenezy i metanogenezy. W pierwszym z nich złożone związki organiczne, tj. węglowodany, białka i tłuszcze, rozkładane są przez bakterie hydrolityczne do związków prostych (cukrów prostych, aminokwasów i kwasów tłuszczowych). Następnie podczas kwasogenezy produkty pierwszego etapu przekształcane są do kwasów organicznych, alkoholi i gazów (dwutlenku węgla i wodoru). W fazie octanogenezy produkty te przetwarzane są do octanów.

Ostatnim etapem fermentacji jest metanogeneza, kiedy przez bakterie metanogenne produkowany jest metan. Jednakże istotne jest, że wszystkie te etapy zachodzą bez zakłóceń, gdy w zbiorniku fermentacyjnym zapewnione zostaną odpowiednie parametry i warunki procesowe. Należy również dodać, że proces fermentacji metanowej jest procesem beztlenowym, a produkowany metan jest gazem łatwopalnym, w związku z tym instalacja biogazowa podlega dozorowi UDT i musi być szczelna gazowo. Brak odpowiedniego nadzoru technologicznego i podstawowych parametrów pracy instalacji prowadzi często do zmniejszenia produkcji biogazu.

Jednym z najważniejszych parametrów, który musi być kontrolowany podczas pracy instalacji, jest temperatura (optymalna w fermentacji mezofilowej jest na poziomie 40-41ºC). Czynnik ten znacząco wpływa na wzrost mikroorganizmów oraz stabilną i wydajną produkcję biogazu. W związku z tym każda awaria systemu ogrzewania musi zostać w możliwie najszybszym czasie naprawiona. W przeciwnym wypadku może dojść do zatrzymania produkcji biogazu.

Innym, równie istotnym parametrem procesu fermentacji metanowej jest pH. Każda komora fermentacyjna w instalacji biogazowej powinna być wyposażona w pH-metr. Optymalna wartość tego czynnika dla wszystkich bakterii fermentacji metanowej mieści się w przedziale 7,3-7,5. Spadek pH w typowych biogazowniach poniżej 6,8 powoduje zatrzymanie procesu fermentacji i zakwaszenie zbiornika. Wiąże się to z koniecznością ponownego rozruchu biogazowni, który może trwać nawet kilka miesięcy – i stratami sięgającymi setek tysięcy złotych. Zatem bardzo ważne jest również, aby prawidłowo i okresowo skalibrować pH-metr oraz traktować jego wskazania jako niezwykle ważne dla zapewnienia stabilności procesu.

Ponadto, aby zapewnić bakteriom odpowiednie warunki do rozwoju, należy dostarczyć wszystkie niezbędne mikro- i makroelementy (węgiel, azot, fosfor, siarka, nikiel, kobalt, wolfram, żelazo, selen i molibden). Prawidłowy stosunek dwóch najważniejszych pierwiastków (węgla i azotu) powinien mieścić się w przedziale 20-35. Należy również pamiętać, aby do reaktora fermentacyjnego nie zostały wprowadzone substancje mogące przy niewielkim stężeniu powodować zahamowanie całego procesu. Substancje te mogą zostać dostarczone do zbiornika wraz z podawanymi substratami, m.in. ze środkami dezynfekującymi, środkami ochrony roślin, rozpuszczalnikami oraz antybiotykami.

Same zbiorniki fermentacyjne, dzięki rozwojowi nowych technologii budowlanych oraz wykorzystaniu wytrzymałych materiałów (stali kwasoodpornej, szkliwionej, tworzyw sztucznych itp.), budowane są z wykorzystaniem nowych rozwiązań. Jeszcze kilka lat temu najbardziej popularne były zbiorniki betonowe oraz żelbetonowe. Ich zaletą jest możliwość wykonania w dość tani sposób – nawet we własnym zakresie.

Należy jednak pamiętać, że wewnątrz zbiornika zachodzą procesy (np. korozja chemiczna) oddziałujące na zbiornik. W związku z tym należy wnętrze reaktora zabezpieczyć odpowiednimi materiałami i wykorzystać beton o odpowiednich właściwościach. W ostatnich latach na popularności zyskały zbiorniki wykonane ze stali kwasoodpornej lub z tworzyw sztucznych. Wynika to z ich wysokiej odporności na warunki atmosferyczne i korozję oraz szczelność i trwałość. Dodatkową ich zaletą jest możliwość montażu bez wykorzystania maszyn ciężkich.

Produkt uboczny

Jednym z produktów ubocznych procesu fermentacji metanowej jest pulpa pofermentacyjna, która może stanowić świetnej jakości nawóz, który nie niesie za sobą zagrożeń dla środowiska naturalnego. Produkt ten cechuje się zdecydowanie niższym ładunkiem ChZT i BZT5 w porównaniu do materiału przed wejściem do biogazowni (np. wywaru gorzelnianego lub gnojowicy). Innym sposobem zagospodarowania pofermentu może być jego wysuszenie i produkcja biopaliw stałych (brykietu lub peletu). Paliwa te charakteryzują się wartością opałową wynoszącą ok. 15-17 MJ/kg, dzięki czemu mogą być wykorzystywane do ekologicznego ogrzewania domów lub gospodarstw.

Wykorzystanie wyprodukowanego biogazu

Najczęściej stosowanym, ze względu na wysoką sprawność (ok. 87%), sposobem wykorzystania powstającego w procesie fermentacji metanowej biogazu jest jego spalenie w silnikach kogeneracyjnych. W wyniku tego działania uzyskuje się energię elektryczną (wykorzystywaną na potrzeby własne instalacji i gospodarstwa, a nadwyżkę sprzedawaną do sieci energetycznej) oraz ciepło. Zagospodarowanie ciepła odpadowego jest obecnie jednym ze sposobów poprawy bilansu ekonomicznego inwestycji biogazowej. Może być ono również zastosowane jako źródło ogrzewania okolicznych gospodarstw lub suszarni.

Biogazownie-Agregat

Drugim sposobem zagospodarowania biogazu może być jego oczyszczenie z dwutlenku węgla, siarkowodoru oraz amoniaku i wtłoczenie do lokalnej sieci gazowniczej. W tym celu konieczne jest spełnienie warunków przyłączenia określonych przez operatora systemu dystrybucyjnego. Procedury przyłączenia instalacji wprowadzającej biogaz do sieci gazowej uregulowane zostały w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 24 sierpnia 2011 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku potwierdzania danych dotyczących wytwarzania biogazu rolniczego wprowadzanego do sieci dystrybucyjnej gazowej.

Innym rozwiązaniem wykorzystania wytworzonego w instalacji biogazu jest jego zastosowanie jako paliwa napędowego do samochodów lub ciągników rolniczych. W tym przypadku konieczne jest również oczyszczenie biogazu do zawartości metanu powyżej 90% (choć np. firma Mercedes, dla swojego modelu Sprinter Biogas, wymaga biogazu o zawartości metanu jedynie na poziomie 80%). Silniki zasilane metanem generują mniejsze ilości hałasu, a spalenie paliwa następuje w sposób całkowity, dzięki czemu paliwo to uznawane jest za ekologiczne i przyjazne dla zdrowia ludzi i zwierząt.

Podsumowanie

Proces fermentacji może być efektywnym energetycznie i uzasadnionym ekonomicznie sposobem zagospodarowania produktów ubocznych z rolnictwa i przemysłu rolno-spożywczego. Należy jednak pamiętać, że ostateczny uzysk produkcji biogazu zależy od wielu czynników (m.in. pH, temperatura), których codzienna kontrola wraz z odpowiednim nadzorem technologicznym jest kluczowa do sukcesu inwestycji. Należy również już na etapie planowania i projektowania inwestycji uwzględnić rodzaje substratów, które mogą być wykorzystane w biogazowni celem odpowiedniego zaprojektowania powierzchni magazynowej, rodzaje materiałów wykorzystanych do budowy zbiorników fermentacyjnych, sposoby zagospodarowania pulpy pofermentacyjnej i produkowanego biogazu.

Kamil Kozłowski

dr hab. inż. Jacek Dach, prof. nadzw.

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