article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(92)/2013
Wojciech Gis1, Andrzej Żółtowski2, Paulina Grzelak3
POTENCJAŁ PRODUKCJI BIOGAZU W POLSCE
1. Wstęp
Dyrektywa Unii Europejskiej 2009/28/WE z 5 czerwca 2009 r. dotycząca promocji
odnawialnych źródeł energii, zobowiązuje Polskę do osiągnięcia 15% udziału OZE
w końcowym zużyciu energii w 2020 roku [1]. Wobec tego stwarza szanse rozwoju dla
sektora biogazowego, który może znaleźć bezpośrednie i pośrednie zastosowanie
w odniesieniu do produkcji zarówno energii elektrycznej, ciepła jak również jako paliwo
transportowe. Przygotowywany przez rząd dokument – „Plan działań w zakresie
energetyki odnawialnej do 2020 roku” – jako plan wdrożenia ww. dyrektywy ma
wyszczególnić udziały poszczególnych nośników energii z OZE i technologii
w osiągnięciu krajowego celu wskaźnikowego oraz ich udział w ogólnym, krajowym
bilansie wykorzystania energii. Wprowadzenie nowego systemu wsparcia, w tym
nowego systemu certyfikatów w ramach nowelizacji Prawa Energetycznego, zadecyduje
o opłacalności inwestycji biogazowych w najbliższych latach.
2. Potencjał biogazu w Polsce
2.1. Biogaz z wysypisk
W Polsce w 2000 roku zarejestrowanych było ok. 700 czynnych składowisk
odpadów. Oszacowano, że produkowały one rocznie ponad 600 mln m 3 metanu.
W praktyce zasoby gazu wysypiskowego, możliwe do pozyskania, nie przekraczają
(30 ÷ 45)% całkowitego potencjału powstającego na wysypisku gazu. W takich
warunkach zasoby metanu realnie możliwe do pozyskania z samych wysypisk odpadów
komunalnych są szacowane na (135 ÷ 145) mln m3 biometanu rocznie, co jest
równoważne 5 235 TJ energii elektrycznej. Potencjał ten obecnie wykorzystywany jest
tylko w nieznacznym stopniu [2].
Zakładając wydajność pozyskiwania biogazu na poziomie 200 m3/Mg obliczono, że
produkcja biogazu z organicznych (biodegradowalnych) odpadów w Polsce mogłaby
wynieść 1 mld m3/rok. Przy założeniu 50% zawartości metanu w uzyskanym biogazie
teoretyczna ilość metanu możliwa do wykorzystania maleje do 500 mln m3/rok. Wartość
opałowa biometanu wynosi ok. 36 MJ/m3, a zatem zaniechanie odzysku biogazu
z odpadów organicznych oznacza utratę 18 000 TJ energii w skali kraju [3].
Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z roku 2010, dotyczącymi około
50% rynku polskiego, potencjał produkcyjny biogazu z wysypisk oszacowany został na
33,9 mln m3/rocznie, co stanowi ekwiwalent 565,9 TJ energii elektrycznej przy wartości
opałowej biogazu wynoszącej 16,7 MJ/m3 [4].
Dr inż. Wojciech Gis, kierownik Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu Samochodowego;
Dr inż. Andrzej Żółtowski, z-ca kierownika Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu
Samochodowego;
3
Mgr Paulina Grzelak, specjalista inż.-tech. w Centrum Ochrony Środowiska Instytutu Transportu
Samochodowego.
1
2
13
Finalnie całkowity potencjał produkcyjny biogazu z odpadów komunalnych,
przemysłowych i wysypisk w Polsce oszacowany został na około 0,796 mld m3, w tym:
z wysypisk – 11,5 PJ potencjału energetycznego, co odpowiada 532 mln m3
biogazu,
z odpadów komunalnych – 4,8 PJ potencjału energetycznego, co po
przeliczeniu daje około 222 mln m3 biogazu,
z odpadów „zielonych” – 0,9 PJ potencjału energetycznego, co stanowi
odpowiednik 42 mln m3 biogazu [4].
2.2. Biogaz z surowców rolniczych
Potencjał produkcyjny biogazu w Polsce z surowców rolniczych stanowi najwyższy
udział w całym oszacowanym potencjale biogazu w kraju. Do tego potencjału zaliczają
się zarówno odpady hodowlane, jak np. odchody zwierzęce, uprawy roślin, a także
odpady z upraw, odpady z produkcji spożywczej jak również uprawy energetyczne,
przeznaczone do produkcji nośników energii.
Potencjał produkcji biomasy na trwałych użytkach zielonych (po zabezpieczeniu
potrzeb paszowych na obecnym poziomie produkcji zwierzęcej) wynosi ogółem
ok. 2,3 Tg rocznie przy poziomie minimalnym i produkcji ekstensywnej. Natomiast przy
maksymalnym poziomie przy produkcji intensywnej wynosi 3,4 Tg rocznie. W Polsce
uprawy roślin energetycznych w sezonie 2007/2008 zajmowały łącznie powierzchnię
1,8 mln ha. Rośliny oleiste zajmowały 63,6% powierzchni upraw ogółem, zboża 20,4%,
natomiast kukurydza 11%. Pozostałą powierzchnię zajmowały plantacje trwałe (wierzba
energetyczna i inne) oraz trawy, rośliny okopowe i pozostałe [5].
Potencjał dostępnych surowców do wytwarzania biogazu rolniczego szacowany jest
przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi na (2 ÷ 5,5) mld m3 ogółem. Głównie są to
uprawy specjalne i pozostałości 1,9 mld m3, łąki i pastwiska 1,7 mld m3 oraz produkty
uboczne produkcji rolnej 1,5 mld m3. Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi ma
w planach wybudowanie 2 500 biogazowni rolniczych o mocy (2000 ÷ 3000) MW
do 2020 roku [6].
Według danych Agencji Rynku Energii w Polsce, w oparciu o dane dotyczące około
50% rynku polskiego, na dzień 1 stycznia 2010 r., potencjał produkcyjny biogazu
rolniczego szacuje się na 3,6 mln m3, co odpowiada 78,4 TJ energii, przy wartości
opałowej biogazu równej 21,6 MJ/m3 [4].
Ostatecznie potencjał biogazu z rolnictwa w Polsce oszacowany został na
ok. (2 ÷ 5,5) mld m3.
Potencjał produkcji biogazu w rozróżnieniu na typy surowców jest przedstawiony
na rysunku [5].
14
6
RAZEM
5,5
Potencjał produkcyjny biogazu
mld m 3
5
4
3
Łąki
i pastwiska
1,7
Odpady
z produkcji rolniczej
1,5
Uprawy
energetyczne
i odpady
2,0
2
1
Odchody
zwierzęce
0,2
Odpady
z przetwarzania
żywności
0,1
0
Rys. Potencjał produkcyjny biogazu rolniczego w Polsce (w mld m3)
(opracowano na podstawie [5])
2.3. Biogaz z oczyszczalni ścieków
Potencjał techniczny dla wykorzystania biogazu na cele energetyczne z osadów
ściekowych w oczyszczalniach ścieków jest bardzo wysokie. Z jednego metra
sześciennego osadu ściekowego (ok. 4% suchej masy) można uzyskać 10 m3 do 20 m3
biogazu zwierającego 60% metanu. W Polsce jest około 4 000 komunalnych
i przemysłowych oczyszczalni ścieków i liczba ta wciąż rośnie. Aktualnie w Polsce
występuje 76 oczyszczalni ścieków z instalacjami odzysku biogazu z osadu ściekowego
(całkowita moc wszystkich instalacji to 41,167 MW) [7].
W związku z tym, że oczyszczalnie ścieków wykazują względnie duże
zapotrzebowanie na energię elektryczną i ciepło, energetyczne wykorzystanie biogazu
uzyskanego z fermentacji osadu ściekowego może znacznie poprawić rentowność tych
instalacji. Ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych
jest uzasadnione tylko dla większych oczyszczalni ścieków przyjmujących średnio
ponad (8 ÷ 10) tys. m3/dobę [2].
Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii w Polsce z 2010 roku, potencjał produkcji
biogazu z osadów ściekowych jest szacowany na 96,9 mln m3, co stanowi ekwiwalent
ok. 2 PJ energii elektrycznej, o wartości opałowej równej 21,4 MJ/m3. Z wytworzonego
w 2008 roku w Polsce biogazu pochodzącego z oczyszczalni ścieków otrzymano
94,9 GWh energii elektrycznej i 733 TJ ciepła [4].
W oparciu o powyższe dane potencjał produkcji biogazu z osadu ściekowego
w oczyszczalniach ścieków został oszacowany na 0,0969 mld m3/rok.
15
2.3. Całkowity potencjał biogazu
Zgodnie z danymi prezentowanymi przez Urząd Regulacji Energetyki w grudniu
2012 r. w Polsce istnieje 199 biogazowni, w tym:
- 29 biogazowni rolniczych,
- 76 biogazowni produkujących biogaz w oczyszczalni ścieków,
- 94 biogazowni produkujących biogaz na wysypiskach [7].
Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi określiło, że w 2020 roku potencjał
produkcji biogazu wyniesie (2 ÷ 5,5) mld m3 [5]. Natomiast według szacunków Instytutu
Transportu Samochodowego, jakie poczynione zostały przy okazji realizacji projektu
europejskiego „Baltic Biogas Bus” potencjał biogazu w Polsce został określony na
poziomie (2,9 ÷ 6,4) mld m3 [4].
W tabeli 1 przedstawiono produkcję biogazu w Polsce w podziale na źródła jego
pozyskiwania.
Tabela 1. Produkcja biogazu w podziale na źródła jego pozyskiwania w Polsce (2009) na
tle potencjału produkcyjnego biogazu (opracowano na podstawie [4])
z rolnictwa/innych źródeł
Energetyczna
wartość
produkcji
biogazu
z odpadów komunalnych/
wysypisk odpadów
0,19
1,49
PJ
z oczyszczalni ścieków
2,42
razem
4,10
Energetyczna wartość potencjału
produkcyjnego biogazu
PJ
Wykorzystanie biogazu
%
52,3 ÷ 115
średnio: ~84
3,6 ÷ 7,8
średnio: 5,7
W 2009 roku najwięcej biogazu pozyskiwano w oczyszczalniach ścieków. Jednakże
ilość biogazowni rolniczych rok rocznie gwałtownie rośnie – w styczniu 2010 było ich
zaledwie 6, teraz jest ich już aż 29 (dane na koniec 2012 r.) [7]. Biorąc pod uwagę
produkcję i szacowany średni potencjał biogazu w Polsce można powiedzieć, że potencjał
biogazu w naszym kraju wykorzystywany jest aktualnie jedynie w około 5,7%.
W tabeli 2 przedstawiono potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego
pozyskiwania. Z uwagi na to, że Polska jest krajem rolniczo-przemysłowym, potencjał
biogazu właśnie ze źródeł rolniczych jest w naszym kraju największy, bo szacuje się,
że stanowi on aż ok. 69% całego potencjału biogazu. Potencjał biogazu z odpadów
komunalnych i wysypisk stanowi natomiast 27%, a z oczyszczalni ścieków – ok. 4%
potencjału produkcyjnego biogazu w Polsce [4].
16
Tabela 2. Potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania [4]
Biogaz
z rolnictwa
Biogaz
z wysypisk
Biogaz
z oczyszczalni
ścieków
RAZEM
Udział w całkowitej produkcji biogazu
Potencjał produkcyjny biogazu z rolnictwa [mld m3/rok]
Udział w całkowitej produkcji biogazu
Potencjał produkcyjny biogazu z wysypisk [mld m3/rok]
Udział w całkowitej produkcji biogazu
Potencjał produkcyjny biogazu z oczyszczalni ścieków
[mld m3/rok]
Całkowity potencjał produkcyjny biogazu [%]
Całkowity potencjał produkcyjny biogazu[mld m3/rok]
69%
2,0 ÷ 5,5
27%
0,796
4%
0,0969
100%
2,9 ÷ 6,4
3. Podsumowanie
Polska jako kraj przemysłowo-rolniczy ma względnie duży potencjał produkcji
biogazu. Również ogromna ilość niezagospodarowanych odpadów (organicznych),
a także osad ściekowy z oczyszczalni ścieków stanowić mogą doskonały substrat do
produkcji biogazu. Może być on wykorzystywany przy produkcji energii elektrycznej
i ciepła (lub również chłodu) w układach kogeneracyjnych, trigeneracyjnych
i poligeneracyjnych, a po jego oczyszczeniu do jakości gazu ziemnego (min. 95%
zawartości metanu) może być również stosowany jako gazowe paliwo transportowe.
Dostosowanie gospodarki paliwowo-energetycznej do wymagań europejskich
dyrektyw, szczególnie Dyrektywy 2009/28/EC w sprawie promowania odnawialnych
źródeł energii, nakłada konieczność dokonania znaczących zmian celem zwiększenia
potencjału energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych a także z substancji
odpadowych.
Czynnikiem, który może powodować utrudnienia w tworzeniu rozbudowanych
kompleksów biogazowni rolniczych na terenie Polski z pewnością jest rozproszony
charakter produkcji oraz dyspersja surowców, jak również niski potencjał (surowcowy)
indywidualnych gospodarstw rolnych. Dlatego możliwość i plan budowy około 2 500
małych biogazowni w Polsce w perspektywie roku 2020, o których po raz pierwszy
wspomniano na Washington International Renewable Energy Conference WIREC 2008,
wydaje się być realna.
Badania nad możliwościami oczyszczania i wykorzystania biogazu do celów
transportowych mogą determinować wykorzystanie oczyszczonego biogazu (biometanu)
jako paliwa w maszynach oraz urządzeniach rolniczych, jak również do napędu silników
spalinowych pojazdów transportowych. W warunkach polskich do celu upowszechniania
biometanu jako paliwa transportowego może posłużyć dobrze rozwinięta sieć gazu
ziemnego, a rozwój tego paliwa zapewni efektywniejsze wykorzystanie dotychczas
istniejących stacji tankowania sprężonego gaz ziemnego CNG (Compressed Natural
Gas) oraz będzie stymulował powstawanie nowych stacji.
Literatura:
[1]
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia
2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych
zmieniająca i uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
[2]
EC BREC: Odnawialne źródła energii jako element rozwoju lokalnego, 2003.
[3]
Pozyskiwanie biogazu z odpadów komunalnych, Redakcja agroenergetyka.pl:
http://agroenergetyka.pl/?a=article&idd=149.
17
[4]
[5]
[6]
[7]
Biernat K., Dziołak P., Gis W., Żółtowski A.: The Baltic Biogas Foresight: Desk
study on wider range of biogas production options and experiences including
production potential scenarios for the Baltic Sea Region. Baltic Biogas Bus
European Project, Warszawa 2012.
Żmuda K.: Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Energetyka odnawialna
w polityce Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Bydgoszcz, 24 czerwca 2009 r.
Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Założenia Programu rozwoju biogazowni
rolniczych, stanowiące propozycję Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi przekazaną
Ministrowi Gospodarki do programu „Innowacyjna Energetyka, Rolnictwo
Energetyczne”, Warszawa 2009.
Mapa Odnawialnych Źródeł Energii, Urząd Regulacji Energetyki, dane na
31.12.2012: http://www.ure.gov.pl/uremapoze/mapa.html.
Streszczenie
Dyrektywa 2009/28/EC dotycząca promocji odnawialnych źródeł energii wskazuje na
korzyści płynące z wykorzystywania odpadów dla produkcji paliw transportowych,
ograniczania emisji gazów cieplarnianych, a przy tym zobowiązuje kraje członkowskie
Unii Europejskiej do stosowania tzw. paliw odnawialnych. Również parę innych
czynników, takich jak: bezpieczeństwo energetyczne, kończące się zasoby kopalnych
źródeł energii, wzrost cen konwencjonalnych paliw, jak również uzależnienie od paliw
importowanych, mają wpływ na konieczność poszukiwania nowych źródeł energii.
Jednym z odpowiednich rozwiązań tego problemu jest wdrożenie biogazu jako źródła
energii w produkcji energii w kogeneracji oraz, w postaci rafinowanej biogazu
(biometanu), jego wprowadzenia jako odnawialnego paliwa dla transportu.
W artykule zaprezentowano analizę potencjału produkcyjnego biogazu w Polsce.
Przedstawiono aktualny stan rozwoju przemysłu biogazowego w Polsce wraz z podaniem
istniejących instalacji do produkcji biogazu. Określony został potencjał produkcyjny
biogazu dla różnych źródeł jego otrzymywania, takich jak surowce i odpady rolnicze,
odpady komunalne i wysypiska odpadów, jak również osad ściekowy powstający w
oczyszczalniach ścieków. Finalne uśrednione wartości szacowanych potencjałów podane
zostały w oparciu o różne krajowe źródła danych.
Słowa kluczowe: biogaz, biometan, potencjał, odnawialne źródła energii.
POTENTIAL OF BIOGAS PRODUCTION IN POLAND
Abstract
Directive 2009/28/EC on the promotion of renewable energy sources, indicates the
benefits of using waste for the production of transport fuels, reduction of GHG emission
and requires UE Member States to use renewable fuels. Also some different factors such
as: energy security of the country, ending the fossil energy sources, increase of the prices
of conventional energy sources and dependence on imported fuels, has an influence on the
need to seek new energy sources. One of the good solutions of this problem is
implementation of biogas, as an energy source for electricity production in cogeneration
and, in refined form of biogas (biomethane), its introduction as renewable fuel for
transport needs.
The paper presents the analysis of biogas production potential in Poland. There were
presented the current state of development of biogas industry in Poland, together with
18
the number of existing installations for the production of biogas. There was identified the
potential of biogas production from different sources, such as agricultural raw materials
and waste, municipal waste and landfill waste, and sludge formed in sewage treatment
plants. The final average values of the biogas potential are based on different national
data sources.
Keywords: biogas, biomethane, potential, renewable energy sources.
19