BIOGAZOWNIE
KORZYŚCI CZY ZAGROŻENIA Bogdan Szymański współpraca Agnieszka Szymańska
Fundacja Wspierania Inicjatyw Ekologicznych 2012
Wydawca: Fundacja Wspierania Inicjatyw Ekologicznych ul. Czysta 17/4, 31-121 Kraków e-mail: biuro@fwie.pl http://www.fwie.pl Copyrigt ©by Fundacja Wspierania Inicjatyw Ekologicznych Kraków, 2012
SPIS TREŚCI Wstęp ................................................................................................. 6 Co to jest i jak powstaje biogaz ........................................................... 8 Produkcja biogazu w procesie fermentacji beztlenowej ...................... 10 Czynniki wpływające na przebieg fermentacji .................................... 12 Etapy procesu fermentacji ................................................................. 18 Z czego można wytwarzać biogaz, czyli kilka słów o substratach ....... 26 Technologie biogazowe – poznajemy biogazownie ............................... 37 Zalety i wady biogazowni ............................................................. 58 Jakie korzyści niosą biogazownie ........................................................ 62 Biogazownie w Polsce – biogazownie rolnicze .................................... 64
WSTĘP Zmniejszające się zasoby paliw kopalnych wymuszają na nas szukanie alternatywnych źródeł energii. Jest nim między innymi biogaz pozyskiwany w procesie fermentacji. Potencjał biogazu w Polsce jest znacznie większy niż zużycie gazu ziemnego. Surowiec do produkcji tak znacznej ilości biogazu można pozyskać zwłaszcza na polskiej wsi. Do zagospodarowania jest ogromna ilość powstających odchodów w postaci gnojowicy i obornika w fermach chowu zwierząt, olbrzymi areał użytków i nieużytków rolnych, które można przeznaczyć na uprawę roślin energetycznych oraz odpadki roślinne z rolnictwa i przemysłu rolno-spożywczego. Biogazownie przyczyniają się jednocześnie do zwiększenia zatrudnienia na terenach wiejskich a także zapewniają większą stabilizację energetyczną kraju. Wymogi Unii Europejskiej dotyczące zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery w znacznej mierze przyczyniły się do szybkiego rozwoju biogazowni w krajach unijnych. Również promocja i wdrażanie OZE miało duże znaczenie w rozwoju technologii biogazowych. W krajach zachodniej Europy zwłaszcza w Niemczech, Austrii czy Dani wykorzystanie biogazu do produkcji energii jest szeroko rozpowszechnione zarówno w postaci małych lokalnych biogazowni, jak i dużych scentralizowanych obiektów. Szacuje się, że w Polsce ilość dostępnych odpadów z rolnictwa oraz areał
Biogazownia rolnicza
6
rolny możliwy do zagospodarowania jest podobny do tego, jaki występuje w Niemczech. U naszych zachodnich sąsiadów w 2010 roku zlokalizowanych było około 5900 biogazowni rolniczych. Dla porównania w Polsce w 2012 roku zarejestrowanych było jedynie 27 tego typu instalacji. Co w takim razie stoi na przeszkodzie, by w Polsce budować nowoczesne i przyjazne środowisku biogazownie i czerpać z nich korzyści w postaci czystej energii elektrycznej i cieplnej? W niniejszym poradniku postaramy się przybliżyć technologie produkcji biogazu i rodzaje biogazowni. Przedstawione zostaną także korzyści, jakie z biogazowni czerpać mogą inwestorzy oraz ci, którzy produkują surowiec, czyli rolnicy. Poradnik spróbuje dać także odpowiedź, w jakim przypadku biogazownie to korzyść, a w jakim zagrożenie dla lokalnej społeczności.
7
CO TO JEST I JAK POWSTAJE BIOGAZ? Biogaz – zwany także gazem wysypiskowym – powstaje w wyniku fermentacji metanowej (beztlenowej) i jest mieszaniną gazów. Składa się z metanu (CH4), dwutlenku węgla (CO2) oraz innych śladowych domieszek takich jak azot (N2), siarkowodór (H2S) czy amoniak (NH3). Jest to gaz bezbarwny i bezwonny (w zależności od składu może mieć charakterystyczny zapach siarkowodoru), mający szerokie zastosowanie w energetyce oraz przemyśle chemicznym. Substratami do produkcji biogazu są odchody zwierzęce, organiczne części odpadów komunalnych oraz ścieków, odpadki z przemysłu rolno-spożywczego itp. Zgodnie z rozporządzeniem ministra gospodarki z dnia 30 października 2011 roku: „Biogaz rolniczy oznacza paliwo gazowe otrzymywane w procesie fermentacji metanowej z surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów lub pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego lub biomasy leśnej, z wyłączeniem gazu pozyskanego z surowców pochodzących z oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów”. Zawartość metanu w biogazie decyduje o jego kaloryczności, czyli właściwościach energetycznych. Im jest go więcej, tym wartość opałowa jest wyższa, czyli można uzyskać więcej energii. Biogaz o zawartości około 65% metanu ma wartość opałową na poziomie 23 MJ/m3, a po oczyszczeniu może mieć nawet 35 MJ/m3.
Czy wiesz, że... Energia zawarta w 1 m3 oczyszczonego biogazu odpowiada energii zawartej w 0,93 m3 gazu ziemnego lub w 1,25 kg węgla.
?
Skład biogazu w znacznej mierze zależy od rodzaju biomasy poddanej fermentacji, temperatury procesu, pH itp. W szczelnie zamkniętych komorach można uzyskać nawet do 85% metanu w powstałym biogazie, średnio jest to około 65%.
8
Biogazownia rolnicza w Skrzatuszu (Archiwum Biogaz Zeneris Sp. z o.o.)
Tab. 1. Procentowa zawartość składników biogazu Składnik
Zawartość %
Średnia zawartość %
Metan CH4
52–85
65
Dwutlenek węgla CO2
14–48
34,8
Siarkowodór H2S
0,08–5,5
0,2
Azot N2
0,6–7,5
Śladowe ilości
Wodór H2
0–5
Śladowe ilości
Tlenek węgla CO
0–2,1
Śladowe ilości
Tlen O2
0–1
Śladowe ilości
Dane: M. Seppa, Biogazownie rolnicze, IBMER, Warszawa 1988
9
PRODUKCJA BIOGAZU W PROCESIE FERMENTACJI BEZTLENOWEJ Fermentacja beztlenowa (zwana metanową) jest to proces biochemiczny, podczas którego substancja organiczna ulega przekształceniu (rozkładowi) w warunkach beztlenowych przy udziale mikroorganizmów. Wyróżniamy cztery etapy fermentacji, w której produkty z etapu poprzedniego są wykorzystywane w kolejnym: • Hydroliza – następuje rozkład polimerów organicznych do związków o prostszej budowie, m.in.: białek do aminokwasów, lipidów do alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych oraz węglowodanów do cukrów prostych. • Acidogeneza – następuje rozkład produktów powstałych podczas hydrolizy do związków prostszych w budowie, m.in.: powstają kwasy karboksylowe: walerianowy, mrówkowy i propionowy; • Acetogeneza – następuje kolejny rozkład na związki o prostszej budowie, powstaje octan produkowany z glukozy (przez heterotrofy) lub z dwutlenku węgla i wodoru (przez autotrofy) • Metanogeneza – powstaje metan produkowany z octanu lub jako wynik redukcji dwutlenku węgla wodorem.
Czy wiesz, że... Z 1 kg węglowodanów powstaje średnio 0,42 m3 CH4, z białek – 0,47 m3 CH4, z tłuszczów – 0,75 m3 CH4.
10
?
11
CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PRZEBIEG FERMENTACJI Prawidłowo dobrane parametry do procesu fermentacji mogą korzystnie wpłynąć na ilość i jakość powstałego biogazu oraz na stopień neutralizacji i przetworzenia surowego wsadu. Czynnikami mającymi wpływ na proces fermentacji są m.in.: temperatura, pH, zawartość suchej masy, czas przebywania substratu w komorze (hydrauliczny czas retencji), stosunek węgla do azotu, czynniki toksyczne (inhibitory), sposób mieszania wsadu. Temperatura Bardzo istotne jest utrzymanie stałej temperatury procesu. Zazwyczaj zakres temperatur jest utrzymywany w przedziale 28–32oC, ale w szczególnych przypadkach temperatura może być inna. Przekroczenie określonego zakresu temperatur może doprowadzić do zahamowania procesu lub do jego całkowitego zaprzestania na skutek wyginięcia bakterii. Każdy szczep bakterii potrzebuje innego zakresu temperatur, w którym może się rozmnażać, z tego względu wyróżniamy fermentacje: • psychrofilną – zachodzi w temperaturze 10–25oC – produkcja biogazu jest nieopłacalna, • mezofilną – zachodzi w temperaturze 26–42oC – najczęściej stosowana, • termofilną – zachodzi w temperaturze 43–57oC – stosowana, gdy część substratu wymaga wcześniejszej higienizacji, np. odpady poubojowe, resztki spożywcze. Prowadzenie procesu powstawania biogazu w zakresie mezofilnym (temp. 26–42oC) jest najbardziej rozpowszechnione i najkorzystniejsze z punktu ekonomicznego. Można wtedy uzyskać relatywnie największą ilość biogazu z jednoczesnym zachowaniem dużej stabilności procesu. W celu zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu i utrzymania stałej temperatury zazwyczaj wsad jest ogrzewany. W przypadku awarii i obniżenia temperatury, zaczynają się gromadzić kwasy na skutek działania bakterii octowych i hydrolizujących, bardziej odpornych na niższe temperatury i spadek pH. Aby zapobiec takim sytuacjom nie powinno się wprowadzać nowej porcji substratu do komory fermentacyjnej. pH – odczyn wsadu Bakterie uczestniczące w procesie fermentacji mają różny zakres tolerancji pH. Bakterie metanowe oraz produkujące kwas octowy wymagają środowiska obojętnego w zakresie 6,8–7,5. Niewielka zmiana odczynu, zwiększenie kwasowości może przyczynić się do zmniejszenia produkcji biogazu lub nawet jego zahamowania. W przypadku zakwaszenia wsadu konieczne jest podanie wapna jako CaO lub Ca(OH)2 bądź zaprzestanie 12
podawania świeżej porcji wsadu, aby umożliwić bakteriom rozkład nagromadzonych kwasów. Zawartość suchej masy Rozróżniamy dwa rodzaje fermentacji w zależności od zawartości suchej masy. Fermentacja sucha to taka, gdy zawartość suchej masy przekracza 12% (może dochodzić do 15%), a mokra, gdy zawartość suchej masy wynosi mniej niż 12% (wsad do biogazowni jest pompowalny). Częściej stosuje się fermentację mokrą, gdyż substraty krócej przebywają w komorze. Natomiast nie powinno się prowadzić fermentacji jedynie na gnojowicy, gdyż bakterie rozwijające się potrzebują stałego podłoża, w którym mogą się namnażać. Czas przebywania substratu w komorze (hydrauliczny czas retencji) Jest to okres, kiedy substraty przebywają w zbiorniku fermentacyjnym. Najdłuższy czas retencji mają substancje zawierające duże ilości celulozy, hemicelulozy czy ligniny np. kiszonka z kukurydzy czy wytłoki z rzepaku. Ich rozkład można przyśpieszyć stosując rozdrabnianie lub zwiększoną temperaturę i ciśnienie podczas obróbki wstępnej. Przykładowo czas retencji dla gnojowicy trwa 20 dni a dla roślin energetycznych 60 dni. Stosunek węgla i azotu (C:N) Duże stężenie azotu w substracie może powodować powstawanie amoniaku. To z kolei sprawia, że proces fermentacji może zostać zaburzony, a bakterie mogą wyginąć. Z tego powodu stosunek węgla do azotu nie powinien przekraczać 100:3. Ważne jest również dostarczenie bakteriom składników pokarmowych i pierwiastków śladowych, m.in.: żelaza, niklu, kobaltu, selenu, molibdenu i wolframu w celu utrzymania ich optymalnego wzrostu. Czynniki toksyczne (inhibitory) Są to różnego typu substancje toksyczne niekorzystnie wpływające zarówno na bakterie metanowe, jak i na cały proces fermentacji. Mogą być dostarczone wraz z osadem (na skutek zanieczyszczenia osadu np. związkami metali ciężkich) oraz powstawać podczas źle prowadzonego procesu fermentacji.
13
Sposób mieszania wsadu Mieszanie wsadu ma na celu: • utrzymanie jednakowej temperatury i konsystencji, • niedopuszczenie do powstawania kożuchów na powierzchni, • ułatwienie pozbycia się nagromadzonych gazów w tym dwutlenku węgla, • zwiększenie dostępu bakterii do cząstek substancji organicznej, • zapewnienie jednorodności procesu fermentacji w całej komorze, • zapewnienie równomiernego rozprowadzenia nowej porcji substratu w komorze, • niedopuszczenie do powstawania tzw. martwego pola - miejsc, gdzie bakterie nie mogą dotrzeć. Nie należy zbyt często i zbyt intensywnie prowadzić mieszania wsadu, ponieważ może to doprowadzić do zakłócenia procesu. Najłatwiejszym sposobem mieszania jest ciągłe podawanie nowej porcji substratu. Gdy jest to niewystarczające, stosuje się aktywne mieszadła mechaniczne, urządzenia pneumatyczne lub pompy hydrauliczne. Najtańszym rozwiązaniem i zarazem najprostszym jest montaż mieszadeł mechanicznych wewnątrz komory.
Komora fermentacyjna z urządzeniem dozującym wsad
14
Fermentacja może być prowadzona w sposób ciągły – gdy substraty są dostarczane stale do komory fermentacyjnej lub okresowy – gdy substraty są wprowadzane partiami. Najczęściej stosuje się okresowy załadunek. Sposób wprowadzania produktu jest dobierany indywidualnie podczas projektowania danej instalacji i zależy głównie od rodzaju użytych substratów. Na jakość i ilość powstałego biogazu ma również wpływ liczba komór fermentacyjnych. Wielokrotny proces fermentacji, jest znacznie korzystniejszy ze względu na powstawanie większej ilości biogazu, niestety wiąże się to ze zwiększonymi nakładami inwestycyjnymi podczas budowy biogazowni.
?
Czy wiesz, że... 1 metr sześcienny (m3) znormalizowanego biogazu ma wartość kaloryczną 0,6 l oleju opałowego.
15
Biogazownia rolnicza
16
17
ETAPY PROCESU FERMENTACJI Prawidłowo przeprowadzony proces fermentacji pozwala na uzyskanie dużej ilości biogazu. Proces technologiczny zarówno w biogazowni rolniczej, jak i utylizacyjnej jest praktycznie taki sam. Niewielkie różnice występują na etapie przygotowania wsadu w biogazowniach utylizacyjnych, o czym będzie szerzej w następnych rozdziałach. Generalnie rzecz biorąc, w biogazowniach można wyróżnić pięć etapów procesu technologicznego. 1. Dostarczenie, przygotowanie i składowanie substratów Substraty mogą być magazynowane przy biogazowni w specjalnych zbiornikach (np. gnojowica) lub silosach (np. kiszonka z kukurydzy), albo mogą być regularnie dostarczane bezpośrednio z miejsca, w którym powstają. Wsad wprowadzany do zbiornika fermentacyjnego powinien być stosunkowo jednorodny, z tego względu substraty muszą być uprzednio rozdrobnione i wymieszane. W przypadku utylizacji w instalacji biogazowej odpadów poubojowych kategorii 2 i 3 wymagana jest ich wcześniejsza higienizacja w wysokiej temperaturze. 2. Wprowadzenie substratów do komory fermentacyjnej Substraty ciekłe zazwyczaj transportuje się do komór fermentacyjnych szczelnymi rurociągami, co ogranicza emisję odorów. Substraty o niskim uwodnieniu dostarczane są do zbiornika taśmociągiem i podajnikiem ślimakowym, który jednocześnie je rozdrabnia. 3. Wytwarzanie biogazu Proces fermentacji metanowej, czyli wytwarzanie biogazu, odbywa się w zbiornikach wykonanych z żelbetu, stali lub tworzywa sztucznego (rzadko). Zbiorniki takie powinny być dobrze ocieplone, a wewnątrz mogą mieć zainstalowane dodatkowo instalacje ogrzewające wsad. Zbiorniki powinny być również zaopatrzone w mieszadła. Wytworzony biogaz może gromadzić się w szczytowej części komory pod dachem (często stosowane są dachy membranowe, które mogą zwiększać objętość) lub w osobnym zbiorniku.
18
Zielonka zmagazynowana w balach przy biogazowni
Widok komory fermentacyjnej wewnątrz – biogazownia w Skrzatuszu (Archiwum Biogaz Zeneris Sp. z o.o.)
Komora fermentacyjna
19
4. Uzdatnianie i zagospodarowanie osadów pofermentacyjnych Produktem ubocznym procesu fermentacji jest przefermentowana substancja organiczna, czyli tzw. osad pofermentacyjny, zwany również pulpą pofermentacyjną. Jest to wysokiej jakości nawóz naturalny, który po stabilizacji może być wykorzystywany do nawożenia pól. Osad ten charakteryzuje się dużą płynnością i może być transportowany na pola w takiej właśnie postaci lub można oddzielić frakcje stałą od płynnej. Powstały kompost jest łatwiejszy w składowaniu i dalszej dystrybucji. Zaletą powstałego osadu jest duża zawartość związków biogennych łatwo przyswajalnych dla roślin i mniejszych emisjach zapachu niż gnojowica i inne nawozy naturalne. Jest także bezpieczniejszy w nawożeniu (nie zawiera żadnych patogenów chorobotwórczych, a także nie powoduje wypalania roślin). Odciek można wykorzystać jako nawóz lub zawrócić do komory fermentacyjnej (w celu rozrzedzenia wsadu). 5. Uzdatnianie i wykorzystanie biogazu Powstały biogaz w procesie fermentacji jest wykorzystywany głównie do celów energetycznych. Zazwyczaj jest spalany w agregacie kogeneracyjnym w celu wytworzenia energii elektrycznej i cieplnej. Wykorzystanie powstałej energii jest indywidualne dla konkretnej biogazowni. Jeżeli za-
Rozprowadzanie nawozu pofermentacyjnego na polach
20
wartość metanu jest powyżej 40%, to może być on również wykorzystywany do innych procesów technologicznych. Biogaz można wykorzystać do: • produkcji energii cieplnej w kotłach gazowych, • produkcji energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach, • produkcji energii cieplnej i elektrycznej w kogeneracji (np. wykorzystując silniki tłokowe), • pojazdów i silników trakcyjnych – może stanowić paliwo, • sieci gazowej – po wzbogaceniu może być do niej wtłaczany • produkcji metanolu (może być wykorzystywany również w innych procesach technologicznych).
?
Czy wiesz, że... W Sztokholmie pod koniec 2009 r. zarejestrowanych było 130 autobusów na gaz i 500 na etanol (35% wszystkich autobusów w Sztokholmie).
21
Samochód, który alternatywnie może być zasilany biogazem
22
23
24
25
Z CZEGO MOŻNA WYTWARZAĆ BIOGAZ, CZYLI KILKA SŁÓW O SUBSTRATACH Ze względu na źródło pochodzenia surowce do produkcji biogazu możemy podzielić na źródło rolnicze, odpady z wysypisk śmieci oraz oczyszczalni ścieków, odpadki przemysłu spożywczego oraz z upraw roślin energetycznych.
26
Biogaz można produkować praktycznie ze wszystkich odpadów i produktów ubocznych powstających w fermach chowu zwierząt oraz w przemyśle spożywczym i rolniczym. Również rośliny energetyczne mogą być wykorzystywane do produkcji biogazu. Każdy produkt wyjściowy zawiera różne ilości białka, tłuszczów czy węglowodanów, więc ilość powstałego biogazu nie jest jednakowa. W tabeli 2 podano uzysk metanu dla poszczególnych substratów wyjściowych do produkcji biogazu, w przeliczeniu na tonę świeżej masy.
Odpadki z przemysłu spożywczego
Uprawy roślin energetycznych
Pochodzenie rolnicze
Tab. 2. Zawartość biogazu i metanu w substratach wykorzystywanych w biogazowniach Substrat wyjściowy do produkcji biogazu
Uzysk biogazu [m3/tśm]
Zawartość CH4 [% obj.]
Gnojowica bydła
20–30
60
Gnojowica świń
20–35
60–70
Obornik bydła
40–50
60
Obornik świń
55–65
60
Obornik kurzy
70–90
60
Osad ściekowy
35–280
60–72
Odpady z terenów zielonych
150–200
55–65
Odpady organiczne z wysypisk
200–250
45–65
Odpadki kuchenne, przeterminowane produkty spożywcze
50–480
45–61
Kiszonki traw
170–200
54–55
Kiszonki kukurydzy
170–200
50–55
Żyto
170–220
ok 55
Burak cukrowy
170–180
53–54
Nać buraka
ok 70
54–55
Burak pastewny
75–100
53–54
Wysłodziny browarniane
105–130
59–60
Wywar zbożowy
30–50
58–65
Wywar ziemniaczany
36–42
58–65
Wytłoki owocowe
250–280
65–70
Wytłoki winorośli
250–270
65–70
Serwatka
55 lub 34
b.d.
27
Zbiór zielonki z kukurydzy
28
29
Klasyczne biogazownie rolnicze wykorzystują do produkcji biogazu zazwyczaj kiszonki z kukurydzy oraz odchody zwierzęce. Nie zawsze jednak jest możliwe pozyskanie tego typu substratów w ilości wystarczającej, dlatego też pozyskuje się inne odpady organiczne. Wśród tak wielu substratów kilka z nich warto poznać bliżej. Są to kiszonka z kukurydzy, gnojowica bydlęca i świńska, buraki cukrowe, osady ściekowe, odpady organiczne z wysypisk śmieci. Kiszonka z kukurydzy Wśród kiszonek roślinnych najczęściej stosowana jest kiszonka z kukurydzy. Kukurydza charakteryzuje się średnimi wymaganiami glebowymi, dając w zamian wysokie plony z hektara, średnio rocznie 45 ton masy zielonej / ha. Fermentacji poddaje się kiszonkę kukurydzy lub zielonkę kukurydzy, a także rozdrobnione kolby (CCM) i łodygi. Kiszonka powstaje w około sześć tygodni. Badania wykazały, że rozdrobniona kiszonka z kukurydzy daje o około 15% więcej biogazu niż kiszonka nierozdrobniona. Dodatkowo kukurydza stosowana w procesie fermentacji korzystnie wpływa na utylizację (przefermentowanie) gnojowicy oraz osadów ściekowych.
Czy wiesz, że... W 2011 roku w Polsce do produkcji biogazu wykorzystano 108 876,14 ton kiszonki z kukurydzy oraz 265 960,7 ton gnojowicy.
?
Gnojowica bydła i świń Gnojowica bydła i świń stosowana jest w biogazowniach głównie rolniczych. Wykorzystanie ich w biogazowniach przynosi podwójne korzyści. Gnojowica nie może być samodzielnym substratem ze względu na jej dużą płynność i stosunkowo niski uzysk biogazu na poziomie 20–35 m3/tśm. Z drugiej strony dzięki jej płynności można ją łączyć z innymi substratami o większej zawartości suchej masy np. kiszonką z kukurydzy czy roślinami energetycznymi. Zutylizowana gnojowica pozbawiona jest zarówno przykrego zapachu, patogenów, jak i swego palącego działania na glebę i może być wykorzystywana jako nawóz.
Czy wiesz, że... Jedna sztuka bydła (DJP – duża jednostka przeliczeniowa) produkuje dziennie obornik wystarczający na wytworzenie 1,7 m3 biogazu.
30
?
Ferma bydła – źródło gnojowicy
31
Buraki cukrowe i pastewne Zarówno buraki cukrowe, jak i pastewne ze względu na wysoką wydajność w produkcji biogazu na poziomie 170 m3/tśm mogą być z powodzeniem wykorzystywane do jego produkcji. Dodatkowo wysokie plony ok. 50 do 60 t/ha buraka cukrowego i ok. 60 do 70 t/ha pastewnego, skłaniają do jego energetycznego wykorzystania. Obecnie buraki jako surowiec dla biogazowni są pozyskiwane na niewielką skalę. Problem stanowi ich przechowywanie ponieważ bulwy buraków są podatne na gnicie i mogą ulegać samoistnej fermentacji alkoholowej zamiast metanowej, tak samo jak odpadki z przetwórstwa z przemysłu cukrowniczego. Dalsze badania nad odpowiednim przechowywaniem i zakiszaniem buraków i ich odpadków z przemysłu spożywczego mogą przyczynić się do zwiększenia ich wykorzystania w procesie produkcji biogazu, zwłaszcza w kontekście ograniczenia przez Unię Europejską produkcji cukru. Osady ściekowe Osady ściekowe powstają podczas oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych i gospodarczych. Ich udział w ściekach komunalnych dopływających do oczyszczalni to około 2–3%. Największe znaczenie mają osady powstałe w oczyszczalniach biologicznych. Osady ściekowe są niebezpieczne pod względem sanitarnym, zawierają bakterie chorobotwórcze, wirusy oraz pasożyty, a podczas zagniwania rozsiewają nieprzyjemny zapach. Z tego względu ich unieszkodliwienie oraz stabilizacja ich składu chemicznego jest konieczna.
Czy wiesz, że... Budowanie biogazowni przy oczyszczalni ścieków opłacalne jest jedynie tedy, gdy ta przyjmuje średnio 8000–10000 m3 ścieków/dobę (dla 125–155 tys. gospodarstw domowych).
?
Odpady organiczne ze składowiska odpadów Odpady organiczne stanowią znaczny udział w odpadach komunalnych. Obecnie na terenie Polski zlokalizowanych jest ponad 578 wysypisk zarejestrowanych, a także kilkaset nielegalnych, na których składuje się około 10 tys. ton odpadów rocznie. Średnio z jednej tony świeżych odpadów komunalnych można otrzymać około 200–250 m3 biogazu, co w skali roku daje miliony metrów sześciennych biogazu, który można wykorzystać do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Gdy ilość biogazu pozyskanego na składowisku nie jest wystarczająca i jego energetyczne wykorzystanie nie jest opłacalne, jest on spalany w pochodniach (bez odzysku zawartej w nim energii). Pozyskiwanie i wykorzystanie gazu wysypiskowego przyczynia się do poprawy stanu środowiska, a także zapobiega samozapłonom składowisk odpadów.
Czy wiesz, że... Z 1 t odpadów otrzymuje się ok 200 m3 biogazu, co daje ok. 380 kWh energii elektrycznej i ok. 600 kWh energii cieplnej (wody o temp. 90oC). 32
?
Uprawa buraka cukrowego
Osad ściekowy
Składowisko odpadów komunalnych
33
TECHNOLOGIE BIOGAZOWE – POZNAJEMY BIOGAZOWNIE Najprościej można powiedzieć, że biogazownia to miejsce, w którym z odchodów zwierzęcych czy z roślin celowo uprawianych, zwanych substratami, produkowany jest biogaz – mieszanina gazów, której głównym składnikiem jest metan tak samo jak w gazie ziemnym po-
Komory fermentacyjne w biogazowni rolniczej
34
wszechnie dostępnym w naszych domach. W zależności od tego, jaki substrat stanowi wsad w biogazowni wyróżniamy różne typy tych instalacji. Produkcja biogazu to bardzo elastyczna technologia, która oferuje możliwość utylizacji wielu uciążliwych odpadów z jednoczesną produkcją użytecznej energii odnawialnej. Odnawialnej w tym względzie, że źródło materiału wsadowego do biogazowni stale się odnawia zarówno poprzez sezonowy wzrost roślin, jak też ciągłą produkcję odpadów podczas produkcji żywności czy hodowli zwierząt.
35
Komory fermentacyjne
36
37
Ideowy schemat biogazowni
Istotną zaletą i cechą wspólną wszystkich biogazowni jest możliwość zagospodarowania różnych grup odpadów, a zwłaszcza odpadów płynnych, np. gnojowicy, co nie jest możliwe w przypadku innych metod ich utylizacji, np. spalania. Istnieją jednak pewne ograniczenia technologiczne funkcjonowania biogazowni, które sprawiają, że wykorzystanie niektórych surowców do produkcji biogazu jest trudne i nieopłacalne. Generalnie biogazownie możemy podzielić na: • rolnicze, • rolniczo – utylizacyjne, • inne np. wykorzystujące osad ściekowy lub zlokalizowane na składowisku odpadów. Biogazownie innego typu zostały wyróżnione ze względu na definicję biogazu. Według rozporządzenia z dnia 30 października 2011 roku biogaz powstający na składowisku odpadów lub w oczyszczaniach ścieków nie jest biogazem rolniczym. Nie zmienia to jednak faktu, że gaz powstający w wyżej wymienionych miejscach jest paliwem produkowanym ze źródeł odnawialnych.
38
Biogazownia rolnicza – prąd, ciepło i nawóz Biogazownie rolnicze stają się coraz bardziej popularne zwłaszcza w dużych gospodarstwach rolnych, gdzie możliwe jest zagospodarowanie znacznych terenów pod uprawy surowca do biogazowni oraz powstaje dużo odpadów w fermach chowu zwierząt. W biogazowni rolniczej wsadem do produkcji biogazu są: • surowce rolnicze np. buraki cukrowe i pastewne, kukurydza, słoma, • produkty uboczne rolnictwa np. liście buraczane, • płynne i stałe odchody zwierzęce, • produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego. Odpady organiczne to bardzo korzystne „paliwo” głównie dla małych elektrowni biogazowych, gdyż charakteryzuje je łatwość pozyskania i niska cena. Odpady z przeróbki roślin, łęty (badyle) ziemniaczane i inne nadgniłe rośliny często oddawane są przez rolników za darmo, gdyż ich utylizacja jest dla nich kłopotliwa. W klasycznej biogazowni rolniczej najczęściej wykorzystuje się kiszonkę z kukurydzy w 70%, resztę stanowi gnojowica. Miejscem przetwarzania surowca w biogazowni jest zbiornik fermentacyjny, w którym zachodzą reakcje biochemiczne prowadzące do powstania biogazu, o którym szerzej pisano w rozdziale 1. Instalacje do produkcji biogazu rolniczego mogą się różnić między sobą pod względem doboru elementów ciągu technologicznego. Już w fazie planowania biogazowni należy uwzględnić przede wszystkim ilość i rodzaj dostępnych substratów, sposób zagospodarowania powstałego biogazu oraz osadu pofermentacyjnego. Rodzaj, ilość i jakość substratów ma znaczący wpływ na wielkość komór fermentacyjnych i innych instalacji oraz mocy agregatów kogeneracyjnych produkujących energię cieplną i elektryczną. Możliwe konfiguracje stosowane w biogazowniach rolniczych przedstawiono w tabeli 3. Tab. 3. Możliwe technologie stosowane w biogazowniach Kryterium
Opcje technologiczne
Liczba etapów procesu technologicznego
- jednostopniowa (standard) - dwustopniowa (odpady tłuszczowe) - wielostopniowa (substancje trudno rozkładalne)
Temperatura procesu technologicznego
- psychrofilna 10–25°C (nie stosuje się) - mezofilna 32–42°C (najczęściej stosowana) - termofilna 50–57°C
Zawartość suchej masy w substratach
- fermentacja mokra do 12% s.m. (standard) - fermentacja sucha: powyżej 12% s.m.
Tryb napełniania materiałem
- nieciągły (okresowy) - quasi-ciągły - ciągły (standard) 39
Biogazownia rolnicza
40
Prowadzenie dwustopniowego procesu fermentacji jest konieczne w przypadku wprowadzania jednorazowo dużej ilości odpadów tłuszczowych, których rozkład może zakwasić środowisko wewnątrz komory fermentacyjnej i zagrozić żyjącym tam bakteriom. Również wtedy, gdy odpady zawierają dużo ligniny, celulozy i hemicelulozy – związków trudno rozkładalnych, konieczne jest prowadzenie fermentacji dwustopniowej. Typowe biogazownie rolnicze składają się z: • urządzeń i elementów koniecznych do składowania i obróbki wstępnej odpadów Zaliczamy do nich m.in.: zbiorniki magazynujące, płyty, rękawy foliowe lub silosy na kiszonkę i inne odpady, zbiornik na odpady płynne, zbiornik mieszania, rozdrabniacze, wagę, dozownik, przenośniki taśmowe lub ślimakowe oraz tabor samochodowy. • instalacji wodno-kanalizacyjnej Zaliczamy do niej m.in.: pompy i armaturę, rurociągi wodne i ściekowe, przepompownie oraz studzienki. • instalacji gazowej Zaliczamy tutaj m.in.: zbiorniki na gaz, filtry do oczyszczania biogazu, ciśnieniomierze, sprężarki, pochodnie do spalania nadwyżki
Rurociągi ciepłownicze w biogazowni w Skrzatuszu
42
biogazu, instalacje do oczyszczania biogazu do wysokich standardów, rurociągi. • systemu grzewczego Zaliczamy tutaj: agregaty kogeneracyjne lub/i kotły grzewcze, rozdzielnie ciepła i rurociągi ciepłownicze, wymienniki ciepła oraz armaturę. • instalacji elektrycznej i elektroenergetycznej Zaliczamy tutaj: generator elektryczny (w agregacie kogeneracyjnym), urządzenia do chłodzenia generatorów, stacje transformatorową, liczniki pomiarowe, przyłącze do GPZ, instalacje: elektryczne, przeciw-przepięciowe, odgromowe. • urządzeń do przechowywania i obróbki osadu pofermentacyjnego Zaliczamy tutaj m.in.: laguny, zbiorniki na osad, pokrycia zbiorników, urządzenia do osuszania osadu, prasy, urządzenia do granulacji nawozu, pojazdy do transportu i rozprowadzania osadu i nawozu płynnego.
Fot. Archiwum Biogaz Zeneris Tech Sp. z o.o.
• innych obiektów Należą tutaj: budynki socjalne, aparatura kontrolno-pomiarowa, laboratoria, infrastruktura oraz drogi.
43
Plac do odbioru substratów w biogazowni
Zainteresowanie biogazowniami rolniczymi rośnie z roku na rok. Jedną z przyczyn tego stanu rzeczy jest rządowy projekt „Biogazownia w każdej gminie”, który przewiduje powstanie około 2 tys. zakładów produkujących biogaz do 2020 roku. Realizacja tego programu ułatwiona jest przez możliwość uzyskania dotacji w ramach Programu Zielonych Inwestycji, a także pożyczek z Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Według danych ARR (Agencji Rynku Rolnego) w Polsce w październiku 2012 roku było zarejestrowanych 27 biogazowni rolniczych.
Czy wiesz, że... W 2011 roku w Polsce wyprodukowano 36,64 mln m3 biogazu rolniczego, z którego otrzymano 73,43 GWh energii elektrycznej i 82,63 GWh energii cieplnej.
Ideowy schemat biogazowni rolniczej
46
?
Tab. 4. Biogazownie rolnicze w Polsce (dane: Agencja Rynku Rolnego, 2012 r.) Lokalizacja
Rok oddania instalaji
Właściciel
Moc instalacji MWe/MWt
1
Pawłówko
2005
Poldanor S.A.
0,946 / 1,101
2
Płaszczyca
2008
Poldanor S.A.
0,625 / 0,680
3
Kujanki
2008
Poldanor S.A.
0,330 / 0,342
4
Koczała
2009
Poldanor S.A.
2,126 / 2,206
5
Liszkowo
2009
Elektrownie Wodne Sp. z o.o.
2,126 / 1,198
6
Niedoradz
2009
Biogaz Agri Sp. z o.o.
0,252 / 0,291
7
Nacław
2010
Poldanor S.A.
0,625 / 0,686
8
Świelino
2010
Poldanor S.A.
0,625 / 0,686
9
Kalsk
2010
Spółka Rolna Kalsk Sp. z o.o.
1,140 / 1,060
10
Giżyno
2010
Poldanor S.A.
1,063 / 1,081
11
Uniechówek
2011
Poldanor S.A.
1,063 / 1,081
12
Grzmiąca
2011
Eko - Energia Grzmiąca Sp. zo.o.
1,600 / 1,600
13
Skrzatusz
2011
Biogaz Zeneris Sp. z o.o.
0,526 / 0,505
14
Uhnin
2011
Bioelektrownia Sp. z o.o.
1,270 / 1,160
15
Świdnica
2011
BIO-WAT Sp. z o.o.
0,900 / 1,100
16
Łany Wielkie
2011
BIO-BUT Sp. z o.o.
0,526 / 0,540
17
Konopnica
2012
Bioenergy Project Sp. z o.o.
1,998 / 2,128
17
Mełno
2012
Allter Power Sp. z o.o.
1,600 / 1,800
18
Śiedliszczki
2012
Wikana Bioenergia Sp. z o.o.
0,999 / 1,040
19
Zbiersk Cukrownia
2012
AWW Wawrzyniak Sp. j.
1,600 / 1,620
20
Boleszyn
2012
Biogal Sp. z o.o.
1,200 / 1,220
21
Klępsk
2012
Gospodarstwo Rolne Kargowa - Klępsk Ryszard Maj
1,000 / 1,400
22
Szklarka Myślniewska
2012
P.P.-H.-U. „SERAFIN” Sp. z .o.o.
0,660 / 0,640
23
Bielany Wrocławskie,
2012
Cargill (Polska) Sp. z o.o.
0,526 / 0,581
24
Piekoszów
2012
Elektrociepłownia Bartos Sp. z o.o.
0,800 / 0,855
25
Zalesie
2012
Polskie Biogazownie "Energy-Zalesie" Sp. z o.o.
2,000 / 2,016
26
Liszkowo
2012
DOBITT ENERGIA Sp. z o.o.
2,126 / 1,198
27
Liszkowo
2012
DOBITT ENERGIA Sp. z o.o.
2,126 / 1,198 47
Biogazownia rolnicza w Koczale
Fot. Archiwum Poldanor S.A.
Biogazownia rolniczo-utylizacyjna. Energia z odpadów Biogazownia utylizacyjna, która nazywana jest także przemysłową, z założenia służy zagospodarowaniu i przetworzeniu, czyli utylizacji odpadów organicznych pochodzących z przemysłu rolno-spożywczego oraz komunalnego. Z tego względu w biogazowniach utylizacyjnych do produkcji biogazu mogą słyżyć m.in.: • odpady przemysłu spożywczego, przetwórstwa owoców i warzyw, • odpady poubojowe kategorii K2 i K3, • odpady restauracyjne i cateringowe – resztki jedzenia, • odpady z przemysłu gorzelniczego, • uboczne produkty hodowli zwierząt jak np. gnojowica, obornik, • odpady pochodzące z produkcji roślinnej, Odpady K2 są to odpady wysokiego ryzyka i zaliczamy tutaj np. obornik i treść przewodu pokarmowego, zwierzęta ubite w celu likwidacji epidemii choroby. Odpady K3 są to odpady niskiego ryzyka np. części zwierząt po uboju nienadające się do spożycia przez ludzi, skóry,kopyta,rogi, wycofane środki spożywcze pochodzenia zwierzęTreść żołądka krowy
50
cego i inne. Biogazownia utylizacyjna, oprócz elementów typowych dla biogazowni rolniczej, ma rozbudowany system odbioru i przygotowania surowca będącego wsadem do produkcji biogazu. Ważnym elementem podczas przygotowania surowca do fermentacji jest jego higienizacja. Dotyczy to głównie odpadów pochodzących z ubojni zwierząt kat. K2 i K3. Odpady takie, uznawane za niebezpieczne dla środowiska, przed wprowadzeniem do komory fermentacyjnej muszą zostać poddane higienizacji, która przebiega w wysokiej temperaturze (70 oC lub 133oC w zależności od klasy odpadów), oraz działaniu odpowiedniego ciśnienia w określonym czasie. Technologia przygotowania odpadów jest indywidualnie dobierana do konkretnej grupy odpadów. Koszt wybudowania biogazowni utylizacyjnej jest porównywalny do biogazowni rolniczej. Dodatkowe koszty poniesione na stację odbioru odpadów niebezpiecznych oraz ich higienizację są równoważone przez mniejsze nakłady na budowę innych obiektów biogazowni. Wynika to z faktu, że w biogazowniach utylizacyjnych o tych samych mocach, co rolnicze komory fermentacyjne i pofermentacyjne mają znacznie mniejsze wymiary, czyli koszty ich postawienia są zdecydowanie niższe. Ideowy schemat biogazowni rolniczo-utylizacyjne
51
Biogazownia rolniczo-utylizacyjna w Skrzatuszu
52
53
Fot. Archiwum Biogaz Zeneris
Biogaz ze ścieków Biogazownie wykorzystujące osady ściekowe są szczególnym rodzajem biogazowni utylizacyjnych. Wyróżnia je to, że jedynym wsadem do komory fermentacyjnej jest osad powstały podczas oczyszczania ścieków komunalnych. W Polsce funkcjonuje ponad 2800 biologicznych oczyszczalni ścieków komunalnych i przemysłowych. Każdy z tych obiektów jest źródłem dużej ilości osadów ściekowych powstałych w wyniku oczyszczania, a te są doskonałym surowcem do produkcji biogazu. Nie zawierają bowiem metali ciężkich czy substancji toksycznych, za to mają wiele substancji organicznej stanowiącej dobrą bazę do fermentacji metanowej. Z osadów ściekowych, w zależności od składu osadu, można uzyskać od 0,310 do nawet 0, 740 m3 biogazu na każdy kilogram suchej masy osadu. W Polsce, podobnie jak w innych krajach europejskich, zauważalny jest wyraźny wzrost wytwarzanych osadów ściekowych, co wynika głównie z budowy nowoczesnych oczyszczalni ścieków zastępujących stare instalacje. Osad otrzymany po fermentacji można stosować np. w rolnictwie jako nawóz, do rekultywacji terenów zdegradowanych. W zależności od przeznaczenia produktów pofermentacyjnych muszą one spełniać określone warunki jakościowe wymagane przez prawo. Przykładowo ze względów sanitarnych nie mogą być stosowane osady, które zawierają bakterie z rodzaju Salmonella. W ostatnich latach zachodzą pozytywne zmiany w gospodarce osadowej. Przejawiają się one obniżeniem zawartości metali ciężkich w osadach (nadal jednak ich ilość jest ponad określoną normę). Utylizacja materiału pofermentacyjnego, w przypadku braku zgody na wykorzystanie do produkcji nawozów, wiąże się z koniecznością ich spalania, co generuje koszty – minimum 700 zł/t. Brak możliwości wykorzystania osadów przesądza praktycznie o braku opłacalności ekonomicznej tego typu inwestycji. Produkcja biogazu ze ścieków z roku na rok staje się coraz bardziej popularna. Szacuje się, że ponad połowa działających w kraju biogazowni wykorzystuje ścieki jako surowiec do produkcji biogazu.
Czy wiesz, że... W biogazowni o mocy 0,5 MW powstaje około 3660 ton rocznie mniej zanieczyszczeń (wliczając CO2, CO, SO2, NOx oraz pyły) niż w elektrowni opalanej węglem o tej samej mocy.
54
?
Komory fermentacyjne w oczyszczalni ścieków
Biogaz z odpadów gorzelnianych Od ponad 20 lat działają biogazownie zasilane wywarem z gorzelni. Surowcem do produkcji biogazu w tego typu instalacjach oprócz samego wywaru mogą być ścieki i nadwyżki drożdży z fermentacji alkoholu z ziemniaków, ziaren zbóż, kukurydzy, a także melasy. Biogazownie współpracujące z gorzelnią podobnie jak zlokalizowane w oczyszczalniach ścieków zaliczane są do biogazowni utylizacyjnych. Ze względu jednak na specyfikę całego procesu oraz rodzaju wsadu warto przyjrzeć się im bliżej. Z uwagi na specyfikę technologii produkcji gorzelnie idealnie nadają się do współpracy z biogazowniami. Zarówno produkowana energia cieplna, jak i elektryczna może być wykorzystana w trakcie pracy gorzelni, redukując jej zapotrzebowanie na dodatkową energię z zewnątrz. Doskonała współpraca biogazowni i gorzelni wynika z faktu, że składniki wywaru są wstępnie rozpuszczane przez drożdże w czasie fermentacji alkoholowej, dlatego też surowiec ten ma stały skład i nie wymaga podgrzewania przed jego wprowadzeniem do biogazowni. Idealny przepływ masy i energii w gorzelni
Powstałe osady pofermentacyjne gorzelni zazwyczaj są gromadzone, przechowywane i wykorzystywane jako dodatek do pasz dla zwierząt gospodarskich. Mogą również byś składnikiem nawozów organicznych. Składniki mineralne, takie jak wapń, fosfor, azot są w dużej ilości zachowane w płynie pofermentacyjnym. Dzięki temu po nawożeniu nimi pól obserwuje się lepsze wyniki niż po nawożeniu świeżym wywarem pogorzelnianym. 56
Gorzelnia
57
ZALETY I WADY BIOGAZOWNI Zalety • Biogaz jest paliwem produkowanym ze źródeł odnawialnych, przyjaznym dla środowiska • Kontrolowana produkcja i wykorzystanie biogazu przyczynia się do redukcji metanu, dostającego się do atmosfery z dzikiej, niekontrolowanej fermentacji • Zagospodarowanie obornika i gnojowicy przyczynia się do poprawy stanu higieniczno – sanitarnego środowiska • Zagospodarowanie gnojowicy i osadów ściekowych zmniejsza nieprzyjemny zapach powietrza • Zmniejsza się powierzchnia składowisk i innych sposobów unieszkodliwiania odpadów (np. spalania odpadów z ubojni zwierząt) • Istnieje możliwość wykorzystania różnorodnych substratów – ograniczenie skażenia środowiska • Proces fermentacji jest procesem rozkładu biochemicznego – nie są konieczne żadne związki chemiczne do prowadzenia procesu • Wykorzystanie przefermentowanego osadu, jako nawozu zmniejsza wykorzystanie nawozów sztucznych • Zniszczenie nasion chwastów podczas fermentacji powoduje redukcję wykorzystania pestycydów w rolnictwie • Wykorzystywanie roślin energetycznych aktywizuje lokalny rynek rolny, zwiększa się zatrudnienie • Rośnie bezpieczeństwo energetyczne kraju, następuje uniezależnienie się od dostaw paliw kopalnych z innych krajów • Nadwyżki energii elektrycznej sprzedawane są do sieci, a nadwyżki ciepła okolicznym mieszkańcom • Dzięki rozproszonym źródłom energii istnieje możliwość budowania biogazowni w miejscu powstawania odpadów • Wzbogacony biogaz można wprowadzać do sieci lub wykorzystać jako paliwo do pojazdów • Możliwość regulowania produkowanej mocy w zależności od zapotrzebowania w danej chwili • Wytwarzanie mocy nie jest zależne od warunków atmosferycznych • Następuje rozwój lokalnej infrastruktury
58
Wady • Wysokie koszty inwestycyjne związane z budową komór fermentacyjnych, kupna kogeneratora czy aparatury kontrolno-pomiarowej • Konieczność stałej dostawy substratów • Możliwość uciążliwego zapachu w okolicy biogazowni związanego z dostawą substratów, a także z błędnie zaprojektowaną lub obsługiwaną biogazownią • Brak kontroli nad szybkością produkowanego biogazu • Biogaz jest gazem wybuchowym – konieczność zachowania ostrożności w procesie produkcji, przechowywaniu i wykorzystaniu biogazu, a także przestrzeganie odpowiednich przepisów • Bariery prawne oraz skomplikowane procedury dofinansowania • Zły stan infrastruktury energetycznej, kłopoty z przyłączeniem instalacji do sieci gazowej • Niebezpieczeństwo upraw monokulturowych (np. kukurydzy) może prowadzić do wyjaławiania gleby • Budowa biogazowni może wpływać na zmianę cen surowców oraz cen energii elektrycznej • Biogaz zawiera zanieczyszczenia w postaci siarki mogące działać negatywnie na silnik spalinowy
Nawóz – produkt uboczny procesu fermentacji
59
Wiele kontrowersji związanych jest z obawą rozprzestrzeniania się nieprzyjemnego zapachu, który może być uciążliwy dla sąsiadów biogazowni. Prawidłowo zaprojektowana i funkcjonująca biogazownia nie emituje nieprzyjemnych zapachów bądź ich poziom jest niewielki i okresowy (np. w trakcie załadunku substratu do komory fermentacyjnej). Zastosowane rozwiązania technologiczne zarówno podczas transportu, składowania, przetwarzania czy przechowywania sprawiają, że biogazownia, jako obiekt jest obojętna dla otoczenia pod względem wydzielania fetoru. Po pierwsze transport substratów do biogazowni powinien odbywać się w szczelnych cysternach i kontenerach. Dzięki temu nie są one uciążliwe dla mieszkańców terenów, przez które muszą przejeżdżać. Dodatkowo utrzymanie pojazdów w czystości sprawia, że za pojazdami nie „ciągnie się smród”. Dobrym rozwiązaniem jest transportowanie substratów rurociągami, co jest możliwe, gdy biogazownia jest zlokalizowana blisko miejsca ich powstawania np. gorzelni, chlewni itp. Rozładunek powinien odbywać się w specjalnych halach wyposażonych w biofiltry. Pozwalają one na wyłapanie i oczyszczenie powietrza przed wypuszczeniem go do atmosfery. Wiadomo, że sam proces fermentacji musi przebiegać w szczelnie zamkniętych komorach. Każda usterka zbiornika nie tylko przyczynia się do zanieczyszczenia atmosfery, ale również do strat finansowych, na co biogazownia jako zakład nie może sobie pozwolić. Kolejnym źródłem nieprzyjemnego zapachu może być osad pofermentacyjny. Aby ograniczyć rozciągający się zapach, osad powinien być składowany w odstojnikach lub lagunach przykrytych specjalną gazoszczelną membraną. Dofermentowany osad ma zapach podobny do organicznych nawozów. Jakiekolwiek zaniedbania i odstępstwa od przyjętej technologii mogą przyczynić się do zwiększonego wydzielania nieprzyjemnego zapachu. Najbardziej dokuczliwy jest fetor wydzielany z substancji znajdującej się na odkrytych lagunach, w przypadku gdy substrat został nieprzefermentowany w całości w komorze fermentacyjnej (zbyt krótki czas przebywania w komorze fermentacyjnej, niedostosowanie substratów do technologii biogazowni itp.). Jednak w większości biogazownie nie tylko nie emitują „smrodu”, ale dodatkowo przyczyniają się do zmniejszenia emisji nieprzyjemnego zapachu z np. gnojowicy czy odpadów poubojowych (stosowanych jako substraty). Rolnicy zagospodarowują potencjalny surowiec dostarczany do biogazowni, zwłaszcza odchody zwierzęce, deponując je na polach jako naturalny nawóz. Przechowywanie ich na powietrzu bez jakichkolwiek zabezpieczeń lub deponowanie ich na wysypisku odpadów również przyczynia się do dalszego emitowania z nich odoru. Do tego jednak społeczeństwo przyzwyczaiło się, a nieuzasadniony strach przed fetorem z biogazowni często przekreśla plany inwestorów. Rzetelne konsultacje przeprowadzone wśród społeczeństwa mogą pozytywnie nastawić potencjalnych sąsiadów biogazowni.
60
Dostarczanie do biogazowni odpadów
61
JAKIE KORZYŚCI NIOSĄ BIOGAZOWNIE? Budowanie biogazowni jak i każdego innego zakładu przemysłowego, niesie ze sobą korzyści i zagrożenia. Jednak dobrze wybrana lokalizacja – blisko źródła odpadów wykorzystywanych w biogazowni – oraz poprawnie zaprojektowana i wykonana instalacja może się okazać bardzo korzystna zarówno dla inwestora, lokalnej społeczności, jak i dla całej gminy oraz dla środowiska. Korzyści dla inwestora: • Sprzedaż do sieci pozyskanej energii elektrycznej i cieplnej • Sprzedaż certyfikatów Korzyści dla lokalnych mieszkańców – rolników • Nowy rynek zbytu dla lokalnej produkcji rolnej • Dywersyfikacja źródeł dochodów rolniczych – biogaz może stanowić stałe dochody w rolnictwie
Składowanie przykrytej kiszonki w pryzmach
62
• Zagospodarowanie nieuprawianych areałów pod uprawę roślin energetycznych • Nowe miejsca pracy • Wykorzystywanie osadu pofermentacyjnego ogranicza wykorzystanie nawozów sztucznych oraz pestycydów • Poprawa środowiska życia poprzez zmniejszanie ilości składowanych odpadów • Zmniejszenie wydatków na zakup energii elektrycznej i cieplnej • Niezależność od dużych dostawców energii elektrycznej i cieplnej – bezpieczeństwo energetyczne zwłaszcza podczas awarii sieci Korzyści dla Gminy: • Zagospodarowanie powstających odpadów z gospodarstw rolnych i zakładów przetwórstwa rolno-spożywczego, stanowiących uciążliwy odpad • Źródło dochodu z podatków • Biogazownie podnoszą atrakcyjność ekologiczną okolicy • Zwiększenie rozwoju gminy i terenów wiejskich – możliwość pozyskania większych dotacji z Unii Europejskiej • Poprawa lokalnej infrastruktury
63
BIOGAZOWNIE W POSLCE BIOGAZOWNIE ROLNICZE Biogazownia w Pawłówku Jest to pierwsza biogazownia rolnicza należąca do spółki Poldanor S.A. Uruchomiona została 9 czerwca 2005 roku w Pawłówku w woj. pomorskim. Została wybudowana według technologii duńskiej. Rocznie biogazownia przetwarza prawie 40 tys. ton odpadów m.in.: gnojowicę, kiszonkę z kukurydzy, odpady mięsne poubojowe oraz glicerynę. W ciągu roku powstaje około 1.500,000 m3 biogazu o zawartości metanu około 65%. W skład obiektu wchodzą: zbiornik wstępny ze stacją pomp, dwa zbiorniki fermentacyjne o łącznej pojemności 1500 m3, budynek techniczny z higienizatorem odpadów kat. 3, dwa zbiorniki pofermentacyjne ziemne, dwa moduły kogeneracyjne oraz kocioł gazowy.
Biogazownia w Pawłówku
64
Wyprodukowana energia elektryczna w 20% wykorzystywana jest na potrzeby własne, pozostałe 80% sprzedawane jest do sieci (pokrywa zapotrzebowanie ponad 1800 gospodarstw domowych). Zaś 40% z wytworzonej energii cieplnej pokrywa potrzeby własne biogazowni, a reszta wykorzystywana jest do ogrzewania ferm i budynków technicznych. Biogazownia kosztowała ponad 7 mln złotych.
Fot. Archiwum Poldanor S.A.
Dane techniczne biogazowni: • 38 500 ton surowca na rok, w tym: - 29 000 ton/rok gnojowicy, - 5 500 ton/rok kiszonki z kukurydzy, - 3 000 ton/rok odpadów poubojowych, - 1 000 ton/rok gliceryny, • roczna produkcja biogazu około 1,5 mln m3, • roczna produkcja energii elektrycznej około 3 mln kWh, • roczna produkcja energii cieplnej około 3,9 mln kWh.
65
Biogazownia w Koczale Instalacja biogazowa została uruchomiona 15 kwietnia 2009 roku. Jest to biogazownia typu rolniczego należąca do firmy Poldanor S.A. W skład obiektu wchodzą: dwukomorowy zbiornik wstępny o pojemności 4000 m3, zbiornik na komponenty o pojemności 615 m3, zbiornik mieszania o pojemności 352 m3, trzy zbiorniki fermentacyjne o poj. 9030 m3, 2 zbiorniki pofermentacyjne o pojemności 7980 m3, plac na komponenty, budynek techniczny, stacja transformatorowa, przepompownia. Biogazownia wyposażona jest w dwa moduły kogeneracyjne o łącznej mocy elektrycznej 2126 kW i cieplnej 2206 kW oraz kocioł gazowy o mocy cieplnej 1900 kW. Wyprodukowana energia cieplna wykorzystywana jest na potrzeby własne fermy, zaś elektryczna jest wykorzystywana również na potrzeby własne fermy trzody chlewnej oraz wytwórni pasz, nadwyżka jest sprzedawana do sieci. Inwestycja kosztowała 15 mln zł.
Biogazownia w Koczale
66
Fot. Archiwum Poldanor S.A.
Dane techniczne biogazowni: • 110 000 ton surowca na rok w tym: - 56 000 ton/rok gnojowicy, - 25 000 ton/rok kiszonki z kukurydzy, - 10 000 ton/rok gliceryny, • Biogaz około 7 800 000 m3, • Energia elektryczna – około 18 000 000 kWh/rok, • Energia cieplna – około 19 500 000 kWh/rok.
67
Biogazownia w Skrzatuszu Biogazownia w Skrzatuszu, w województwie wielkopolskim uruchomiona została w marcu 2011 roku. Jest to biogazownia rolniczo-utylizacyjna, wykorzystująca odpady pochodzące z rolnictwa jak i przemysłu spożywczego. Należą do nich płynne odpady z gorzelni, kiszonki z traw, kiszonki z kukurydzy, odpady białkowo-tłuszczowe (nienadające się do produkcji żywności i pasz zwierzęcych), odpady poubojowe. Wytworzona energia elektryczna wykorzystywana jest na potrzeby własne, zaś reszta sprzedawana jest do sieci. Nadmiar wyprodukowanej energii elektrycznej pozwala na zaspokojenie potrzeb około 2000 indywidualnych gospodarstw domowych. Produkowana energia cieplna wykorzystywana jest na potrzeby własne oraz na potrzeby sąsiadującej z biogazownią gorzelni, która jest głównym dostawcą odpadów do produkcji biogazu. Od września 2011 roku biogazownia działa na 100% mocy. W skład biogazowni wchodzą: komora fermentacyjna, zbiornik wstępny, zbiornik mieszalnikowy, stacje przyjęć odpadów wymagających higienizacji, zbiornik na osady tłuszczowe płynne, zasobnik na kiszonkę, budynek techniczny, laguna na osad przefermentowany, pochodnia do spalania biogazu. Należy podkreślić, że biogazownia ta dzięki swej linii technologicznej i możliwości wykorzystania zarówno odpadów rolniczych, jak i odpadów
Biogazownia w Skrzatuszu
68
z przemysłu rolno-spożywczego daje większe możliwości produkcji biogazu. Pozyskiwanie surowców z samego rolnictwa wymaga znacznych nakładów finansowych, natomiast wykorzystywanie odpadów niebezpiecznych dla środowiska niesie ze sobą nie tylko oszczędności, ale również dodatnie korzyści finansowe dla biogazowni. Odpady z przemysłu spożywczego pozyskiwane do procesu fermentacji mogą być pozyskiwane nieodpłatnie, a nawet można pobierać opłaty za ich utylizację. Instalacja w Skrzatuszu kosztowała 13 mln zł.
Fot. Archiwum Biogaz Zeneris Sp. z o.o.
Dane techniczne biogazowni: • 85,5 ton odpadów na dobę w tym: - 43 tony/dobę wywar gorzelniany, - 7 ton/dobę wytłoki z marchwi, - 15 ton/dobę pulpa ziemniaczana, - 15 ton/dobę kiszonka z kukurydzy, - 5,5 tony/dobę odpady białkowe, • Moc elektryczna 526 kWe, • Moc cieplna 505 kWt, - z chłodzenia silnika 300 kWt, - z kotła parowego 205 kWt.
69
Biogazownia w Liszkowie – poligon doświadczalny? W niniejszym opracowaniu należy również wspomnieć o biogazowni, która niestety w wyniku pewnych niedociągnięć nie jest kojarzona z instalacją proekologiczną. Mowa tutaj o biogazowni w Liszkowie. Biogazownia w Liszkowie, w województwie kujawsko-pomorskim została uruchomiona 19 września 2009 roku. Zbudowana przez firmę Agrogaz w oparciu o technologię niemieckiej firmy Schmack Biogas. W styczniu 2010 roku biogazownia została sprzedana firmie Enea S.A. Jest to największa biogazownia na terenie Polski, jej moc wynosi 2,126 MW. Biogazownia ta od momentu rozruchu nie osiągnęła pełnej mocy ze względu na trudności w pozyskaniu surowca. Substratem dla biogazowni miały być odpadki pogorzelniane, gorzelni znajdującej się w okolicy oraz inne odpady pochodzenia roślinnego z okolicznych zakładów i od rolników. Niestety zamknięcie gorzelni sprawiło, że biogazownia miała trudności w pozyskaniu substratów. Ponieważ linia technologiczna nie była do końca dostosowana do innych surowców, proces fermentacji w biogazowni Liszkowo został zaburzony. Dostarczanie i składowanie substratów na terenie biogazowni spowodowało, że w okolicy pojawił się nieprzyjemny zapach, wręcz fetor. Niezabezpieczone laguny również przyczyniły się do roznoszenia nieprzyjemnego zapachu (zapach ten powstawał z niedofermentowanej substancji, która trafiała na laguny, ze względu na nieprawidłową eksploatację biogazowi, a także z innych miejsc, w których popełniono błędy konstrukcyjne). Problemy występujące w biogazowi Liszkowo nie powinny negatywnie nastawiać społeczeństwa do tego typu instalacji. Analiza problemów występujących w biogazowni powinna przyczynić się do zapobiegania w przyszłości takim sytuacjom, a nie całkowicie przekreślać ich rozwój w naszym kraju. Mikrobiogazownia w Studzionce Biogazownia w Studzionce w województwie śląskim jest pierwszą tego typu inwestycją w Polsce. Zlokalizowana jest w gospodarstwie rolnym Grzegorza i Bibiany Pojdów. Uruchomiona została w listopadzie 2009 roku. Postawienie zakładu trwało dwa lata, a roboty budowlane zostały wykonane przez firmę Wolf System. Do produkcji biogazu wykorzystywane są obornik kurzy – pochodzący z gospodarstwa oraz gnojowica świńska. Moc biogazowni wynosi 30 kW. Wyprodukowana energia elektryczna wykorzystywana jest na potrzeby biogazowni i gospodarstwa, natomiast uzyskana równolegle energia cieplna ogrzewa budynek mieszkalny oraz budynki inwentarskie. Nadwyżki energii elektrycznej przesyłane są do sieci. Zawartość metanu w powstałym biogazie wynosi ok. 55%. Osad pofermentacyjny rozprowadzany jest na polach gospodarzy – właścicieli biogazowni. Całkowity koszt inwestycji wyniósł 400 000 zł i pokryty został w całości ze środków własnych gospodarzy.
70
Schemat technologiczny biogazowni w Studzionce
Biogazownia w oczyszczalni ścieków „Kujawy” w Krakowie Do produkcji energii z biogazu powstającego w oczyszczalni ścieków „Kujawy” w Krakowie służy system CHP (moduł kogeneracyjny do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu) firmy CES. Początki produkcji biogazu w oczyszczalni sięgają 2002 roku, gdy w oczyszczalni zamontowano trzy moduły kogeneracyjne typu MBk 2876L1. Każdy z modułów ma moc elektryczną 173 kW i cieplną 289 kW. W 2011 roku wymieniono jeden z kogeneratorów na typ MB3066L4/GC192B5 o mocy elektrycznej 192 kW i cieplnej 214 kW. Obecnie moc elektryczna wynosi więc 538 kW, a moc cieplna 792 kW. Dzięki zautomatyzowaniu całego układu w zależności od zapotrzebowania na energię cieplną i energię elektryczną możliwa jest regulacja stanu pracy urządzeń. Zainstalowane w oczyszczalni agregaty kogeneracyjne zostały zsynchronizowane z siecią energetyczną, a cały układ jest sterowany i monitorowany (głównie parametry układu CHP) dzięki zainstalowanej szafie sterowania nadrzędnego.
71
Oczyszczalnia ścieków „Kujawy” w Krakowie
72
73
Fot. Archiwum MPWiK S.A. w Krakowie
Wykorzystanie biogazu na składowisku odpadów w Toruniu Składowisko odpadów znajduje się w Toruniu przy ulicy Kociewskiej. Składowisko z końcem 2009 roku zakończyło swoją działalność. Podlega ono Spółce Biogaz Inwestor Spółka z o.o. Na składowisku o powierzchni 14 ha zostały wykopane 82 studnie biogazowe. Rurociągami gaz składowiskowy transportowany jest od studni do agregatów prądotwórczych za pomocą dwóch modułów pompująco-regulujących MPR-1 i MPR-2. Na składowisku zainstalowano trzy agregaty prądotwórcze o łącznej mocy elektrycznej 1320 kWe oraz mocy cieplnej 1220 kWt. Dwa z nich AP-1 marki Jenbacher oraz AP-3 marki Perkins wytwarzają energię cieplną i elektryczną w skojarzeniu, zaś AP-2 marki MDE tylko energię elektryczną. Wyprodukowana energia dostarczana jest mieszkańcom Torunia za pośrednictwem lokalnych operatorów sieciowych. W 2011 roku pozyskano 3 550 603 Nm3 gazu składowiskowego o zawartości ok. 51,7 % metanu, który posłużył do wytworzenia 5 927 MWh energii elektrycznej i 20 454 GJ ciepła (tyle, co z ok. 2 880 ton węgla kamiennego). Dzięki temu do atmosfery w ciągu roku dostało się mniej zanieczyszczeń, w tym: ok. 60 ton dwutlenku siarki, 170 ton tlenku węgla, 5 ton tlenków azotu i 85 ton pyłów.
74
Agregat prądotwórczy AP-3 Perkins na składowisku odpadów w Toruniu
Fot. Archiwum Biogaz Inwestor Sp. z o.o. w Toruniu
Fot. Agregat prądotwórczy AP – 3 Perkins na składowisku odpadów w Toruniu (archiwum Biogaz Inwestor Sp. z o.o. w Toruniu)
75
WNIOSKI W 2020 roku Polska ma osiągnąć 15-procentowy udział odnawialnych źródeł energii w produkcji energii krajowej. Inwestowanie w biogazownie w procesie długofalowym pozwoli Polsce na wywiązanie się z tych zobowiązań i osiągnięcie zamierzonego celu, a także przyczyni się do ochrony środowiska. Pierwsze biogazownie zbudowane przez firmę Poldanor S.A. zlokalizowane zostały w okolicy ferm hodowlanych. Spowodowane to było dostępnością gnojowicy, która z jednej strony stanowiła wsad, do biogazowni a z drugiej wymagała utylizacji. Produkowana energia elektryczna i cieplna jest wykorzystywana na potrzeby własne. Obecnie biogazownie mają szansę powstawać również przy zakładach przemysłu rolno-spożywczego (gorzelniach, mleczarniach czy zakładach przetwórstwa owoców i warzyw) oraz mięsnych, zwłaszcza ubojniach. Różnorodność substratów sprawia, że areał przeznaczony pod uprawy roślin energetyczych dla biogazowni nie zwiększy się aż tak znacząco, żeby zagrażać produkcji rolnej. Wręcz przeciwnie, wzrost ilości biogazowni ma szansę przyczynić się do lepszego zagospodarowania tych odpadów, które stanowią czasami uciążliwy odpad dla rolników i przedsiębiorców zakładów spożywczych.
Biogazownia
76
Dla biogazowi o mocy 1 MW potrzeba kukurydzy zebranej z ok. 500 ha. Duża liczba gmin rolniczych w Polsce ma taki areał i chętnie przeznaczyłaby go pod uprawę roślin energetycznych z przeznaczeniem dla biogazowni. Ze względu na rozdrobnienie polskiego rolnictwa będą także powstawać mikrobiogazownie o mocach elektrycznych kilkudziesięciu kilowatów, dostosowane do niewielkich gospodarstw rolnych. Z finansowego punktu widzienia dopiero konkretna poprawa warunków wsparcia dla tego typu instalacji pozwoli na dynamiczny rozwój biogazowni. W Polityce energetycznej Polski do roku 2030 (PEP 2030), biogaz, jako substrat do produkcji energii elektrycznej, ustępuje biomasie i energetyce wiatrowej. Z tego też względu biogazownie potrzebują większego wsparcia, aby osiągnąć zamierzony cel – przynajmniej jedna biogazownia w każdej gminie. Przedstawione w poradniku przykłady funkcjonujących już biogazowni powinny być dowodem na to, że inwestowanie w biogazownie ma sens i przy odpowiednim wsparciu państwa da więcej korzyści niż zagrożeń.
77
LITERATURA 1. Steppa M. Biogazownie rolnicze, IBMER, Warszawa 1988 2. Buraczewski G., Bartoszek B.: Biogaz – wytwarzanie i wykorzystanie, PWN, Warszawa 1990 3. Głodek E.: Pozyskiwanie i energetyczne wykorzystanie biogazu rolniczego, IMMB, Opole 2007 4. Głaszczka A., Wardal W. J., Romaniuk W., Domasiewicz T.: Biogazownie rolnicze, Warszawa 2010 5. Oniszk-Popławska A., Owsik M., Wiśniewski G.: Produkcja i wykorzystanie biogazu rolniczego, Gdańsk – Warszawa 2003 6. Lewandowski W. M.: Proekologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa 2006 7. Fugol M., Pilarski K.: Burak cukrowy jako substrat do biogazowni, Inżynieria Rolnicza 5(130)/2011 8. Fugol M., Prask H.: Porównanie uzysku biogazu z trzech rodzajów kiszonek: z kukurydzy, lucerny i trawy, Inżynieria Rolnicza 9(134)/2011 9. Fugol M., Szlachta J.: Zasadność używania kiszonki z kukurydzy i gnojowicy świńskiej do produkcji biogazu, Inżynieria Rolnicza 1(119)/2010 10. Kalandyk K.: Biogaz energia z przyszłością, GLOBEnergia 2/2011 11. Kalandyk K.: Biogazownie rolnicze, GLOBEnergia 3/2011 12. Szeremeta J.: Biogazownie krok po kroku, GLOBEnergia 5/2011 13. www.arr.gov.pl 14. www.biogaz.com.pl 15. www.biogaz.torun.pl 16. www.mpo.krakow.pl 17. www.mpwik.krakow.pl 18. www.poldanor.com.pl