Biogaz – odnawialne ródáo energii

19
X SYMPOZJUM
POSTAWY PROEKOLOGICZNE U PROGU XXI WIEKU
Su ów k/Milicza, 27 wrze!nia 2008
Biogaz – odnawialne ród!o energii
Józef Cebula
Zak ad Studialno-Projektowy BIOTESANIT
Wprowadzenie
Biogaz zaliczany do istotnych odnawialnych !róde energii (OZE), tak jak energia
s oneczna, wiatru, geotermiczna i fal morskich, jest wytwarzany z odpadowych substancji organicznych, g ównie z osadów "ciekowych, sta ych i p ynnych odpadów rolniczych, organicznych odpadów komunalnych. Powstaje on w procesie beztlenowego
rozk adu materia u organicznego przy udziale specyficznego typu bakterii fermentacyjnych; jest mieszanin# gazów ze zdecydowan# przewag# metanu (55–70%), dwutlenku
w$gla (do 40%), wodoru i siarkowodoru. Metan po oczyszczeniu (usuni$ciu siarki i CO2)
ma warto"% kaloryczn# ok. 36 MJ/m3. Jego warto"% u&ytkowa jest porównywalna do
gazów naturalnych, ale wytwarzanie, w formie ubocznego produktu, jest zdecydowanie
ta'sze, a zasoby i mo&liwo"ci jego wytwarzania s# nie ograniczone.
Biogaz wykorzystywany jest nie tylko do celów grzewczych obiektów technologicznych ale i do ogrzewania domów, do wytwarzania energii elektrycznej, zarówno do
celów w asnych, jak i do sieci energetycznej; stosowany te& jako paliwo do silników
wysokopr$&nych.
W krajach rozwini$tych technologicznie (Niemcy, kraje skandynawskie, USA ) produkcja biogazu odbywa si$ na skal$ przemys ow#; ma e fermentownie na potrzeby pojedynczych gospodarstw sta y si$ ogromnie popularne w Chinach (ok. 6 mln obiektów),
w Indiach (ok. 1 mln), w Korei Po udniowej, w Brazylii.
W Szwecji mo&na tankowa% gaz pozyskany ze "cieków miejskich. Kilkadziesi#t miast
w tym kraju, mi$dzy innymi Göteborg, zainstalowa o urz#dzenia do odzyskiwania metanu ze "cieków kanalizacyjnych. Korzystaj# z niego tysi#ce samochodów osobowych i
autobusów, które je&d&# po szwedzkich drogach ju& od kilku lat. Ich spaliny s# bezwonne, paliwo ta'sze ni& benzyna czy olej nap$dowy.
W Polsce powszechne s# biogazownie w oczyszczalniach "cieków (ok. 74% obiektów), gdzie ogrzewa s# ciep em (gor#ca woda) spalanego gazu komory fermentacyjne
osadów "ciekowych; nast$puje rozwój biogazowni rolniczych z produkcj# ciep a i energii
20
Józef Cebula
elektrycznej; budowane s# biogazownie na wysypiskach organicznych odpadów komunalnych (ok. 78,5% obiektów). Dla aktualnej koordynacji i zamierze' przysz o"ciowych opracowane zosta y ró&ne programy dzia a', #cznie z modyfikacj# Prawa Energetycznego, Prawa Ochrony (rodowiska, Prawa Budowlanego, specjalnych Rozporz#dze' i Regulacji Ministra Gospodarki i opracowaniem „ Strategii rozwoju energetyki
odnawialnej” (2001 r.).
Substraty do produkcji biogazu
Osady "ciekowe
Mo&liwo"ci energetycznego wykorzystania biogazu z oczyszczalni "cieków s# ogromne. )ród em biomasy s# osady "ciekowe, które powstaj# g ównie w komunalnych oczyszczalniach "cieków w procesie oczyszczania "cieków. Polska ma 2875 oczyszczalni
komunalnych i ponad 2000 oczyszczalni przemys owych (2004 r., „KPGO 2010”). Ilo"%
powstaj#cych osadów uzale&niona jest od zawarto"ci zanieczyszcze' w "ciekach, przyj$tej i realizowanej technologii oczyszczania, oraz stopnia rozk adu substancji organicznych w procesie tzw. biologicznej stabilizacji.
Przyj$te jest, &e z 1 m3 osadu o zawarto"ci 5% suchej masy uzyskuj$ si$ 10–20 m3
biogazu. Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje si$ w oczyszczalniach biologicznych, które s# stosowane w wi$kszo"ci oczyszczalni komunalnych i w cz$"ci oczyszczalni przemys owych. Oczyszczalnie "cieków maj# wysokie zapotrzebowanie w asne na energi$ ciepln# oraz elektryczn#, dlatego odzysk cz$"ci energii z biogazu ma istotny
wp yw równie& na rentowno"% tych zak adów; ze wzgl$dów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest op acalne tylko w wi$kszych obiektach, oczyszczaj#cych "rednio ponad 8 do 10 tys. m3/dob$ "cieków.
Odpady organiczne
Stanowi# one jeden z g ównych sk adników (od 25–40%) odpadów komunalnych
(ok. 14 mln ton w 2003 r. wg GUS). Ulegaj# one naturalnemu procesowi biodegradacji,
czyli rozk adowi na proste zwi#zki organiczne. W warunkach optymalnych z jednej tony
odpadów komunalnych mo&e powsta% oko o 400–500 m3 gazu wysypiskowego. Jednak
w rzeczywisto"ci nie wszystkie odpady organiczne ulegaj# pe nemu rozk adowi, a przebieg fermentacji zale&y od szeregu czynników. Dlatego te& przyjmuje si$, &e z jednej
Tabela 1. Ilo"ci komunalnych osadów "ciekowych wytwarzanych w Polsce w latach 1999–2004
Rok
Ilo"% osadów wytwarzanych
[tys. Mg s.m.]
Odsetek ludno"ci obs ugiwanej
przez oczyszczalni$ [%]
1999
354
48
2002
435
56,7
2004
476
59
21
Biogaz – odnawialne ród!o energii
tony odpadów mo&na pozyska% maksymalnie do 200 m3 gazu wysypiskowego. Szacuje
si$, &e rocznie odpady „produkuj#” ponad 600 mln m3 metanu. W praktyce zasoby gazu
wysypiskowego mo&liwe do pozyskania nie przekraczaj# 30–45% ca kowitego potencja u powstaj#cego na wysypisku gazu. W takich warunkach zasoby metanu realnie
mo&liwe do pozyskania z wysypisk odpadów komunalnych s# szacowane na 135-145
mln m3 metanu rocznie, co jest równowa&nikiem 5235 TJ.
W Polsce zarejestrowanych by o w 2007 r. 929 czynnych sk adowisk odpadów komunalnych, 304 posiada o instalacje odgazowywania (w 2000 r. tylko 96), w tym 237
z gazem uchodz#cym do atmosfery. Nadal niewielka ich cz$"% (tylko 12) posiada instalacj$ odgazowywania z odzyskiem energii cieplnej, a 44 z odzyskiem energii elektrycznej (w 2000 r. liczba sk adowisk z wymienionymi instalacjami wynosi a odpowiednio
2 i 11 sk adowisk).
Na "wiecie dzia a tysi#ce instalacji energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym wzgl$dem Wielka Brytania,
gdzie w 2000 roku moc zainstalowana wynosi a 292 MWh.
Odpady rolnicze
Surowcem do produkcji biogazu mog# by% prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne ze wzgl$du na sk ad s# odchody zwierz$ce w
postaci gnojowicy lub obornika.
Mo&liwo"ci pozyskiwania biogazu w gospodarstwach rolnych z odchodów produkcji zwierz$cej w warunkach polskich kszta tuj# si$, wg danych GUS z 2000 r., nast$puj#co:
Ilo"ci wytwarzanej gnojowicy
38 mln m3/rok
Ilo"ci wytwarzanego obornika
85 mln m3/rok
Ogó em roczny potencja produkcji biogazu
3,3 mld m3
W przeliczeniu na metan
1,8–2,3 mld m3/rok
Tabela 2. Charakterystyka odchodów zwierz$cych
Odpad
gnojowica "wi'ska
Zawarto"%
Zawarto"%
wody
substancji org.
[%]
[% s.m.]
Zawarto"%
azotu
[% s.m.]
Iloraz
C/N
–
3–10
Prod. biogazu
[m3/kg s.m.]
0,25–0,50
Zawarto"%
metanu
w gazie
[%]
90–97
70–80
70–80
gnojowica bydl$ca
88–95
75–85
–
6–20
0,20–0,30
55–75
odchody kurze
70–90
57–60
–
3–10
0,35–0,60
60–80
obornik ko'ski
60–80
65–95
1,4–2,3
22–50
0,35
22
Józef Cebula
Proces fermentacji metanowej
Fermentacja beztlenowa jest z o&onym procesem biochemicznym, w którym zwi#zki organiczne pochodzenia naturalnego takie jak w$glowodany (celuloza, skrobia, pektyny, hemiceluloza, cukry, oraz bia ka i t uszcze ro"linne i zwierz$ce rozk adane s# na
metan i dwutlenek w$gla. Proces ten mo&e by% stosowany do ró&norodnych "cieków,
odpadów przemys owych i komunalnych, a tak&e w rolnictwie do odpadów z hodowli
ro"lin, odchodów zwierz$cych i ro"lin energetycznych.
W beztlenowym rozk adzie substancji biologicznych uczestniczy kilka grup mikroorganizmów:
– bakterie fermentacyjne rozk adaj#ce materia biologiczny (biomas$, materia celulozowy) do kwasów, alkoholi, wodoru i dwutlenku w$gla,
– bakterie kwasotwórcze rozk adaj#ce alkohole, kwasy do kwasu octowego, wodoru i
CO2 – zwykle wymagaj# niskiego st$&enia rozpuszczonego wodoru,
– bakterie metanowe przerabiaj#ce kwas octowy, wodór i dwutlenek w$gla do metanu.
W procesie beztlenowego rozk adu substancji organicznej w komorze fermentacyjnej wyró&ni% mo&na cztery fazy :
I hydroliza (uwolnienie wielocz#stkowych zwi#zków organicznych) – rozk ad spolimeryzowanych nierozpuszczalnych zwi#zków organicznych (bia ka, w$glowodany, t uszcze) przy udziale zewn#trzkomórkowych enzymów.
II faza kwa"na – acetogenna (produkcja kwasów organicznych) – rozk ad produktów hydrolizy do krótko a'cuchowych kwasów organicznych, g ównie (76%)do lotnych kwasów t uszczowych (mrówkowy, octowy, propionowy, mas owy, walerianowy,
kapronowy), alkoholi (metanol, etanol), aldehydów i produktów gazowych CO2 i H2
III faza acetogenna (produkcja lotnych kwasów t uszczowych) – przetwarzanie etanolu oraz lotnych kwasów t uszczowych do octanów oraz CO2 i H2 przez bakterie acetogenne, których czas generacji jest stosunkowo d ugi (84 h). Zahamowanie aktywno"ci tych bakterii prowadzi do kumulacji lotnych kwasów organicznych, co prowadzi do
obni&enia odczynu i zahamowania wzrostu bakterii metanogennych.
IV faza metanogenna (rozk ad lotnych kwasów t uszczowych do CH4 i CO2) – produkcja metanu przez bakterie metanowe (autotroficzne i heterotroficzne); 2/3 metanu
powstaje z octanów lub alkoholi.
Strategia rozwoju energetyki odnawialnej
Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej zosta a zatwierdzona przez polski Sejm
w sierpniu 2001 roku. Jest to najwa&niejszy dokument dla rozwoju odnawialnych !róde
energii w naszym kraju. Wskazuje on podstawowe cele i mo&liwo"ci rozwoju energetyki odnawialnej do roku 2020. Strategia zak ada zwi$kszenie udzia u energii ze !róde
odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14%
dziesi$% lat pó!niej – wskazuje to na trzykrotny wzrost w stosunku do roku 1999. W
23
Biogaz – odnawialne ród!o energii
Tabela 3. Scenariusz rozwoju technologii produkcji biogazu przy za o&eniu 7,5% udzia u OZE
w bilansie energii pierwotnej w Polsce w 2010 r.
*#czna produkcja energii z OZE
w Polsce w 2010 r.
Udzia energii
wyprodukowanej
w OZE
[%]
Dodatkowa moc
zainstalowana
w latach 2000–2010
[MW]
elektrycznej
[GWh]
cieplnej
[TJ]
razem
[TJ]
Biogazownie komunalne
500
2000
5000
12 200
5,2
Biogazownie rolnicze
30
120
150
582
0,2
Gaz wysypiskowy
60
360
420
1716
0,7
19 592
14 082
174 470
235 000
100
Technologia OZE
Razem OZE
strategii tej przygotowano trzy scenariusze zak adaj#ce udzia energii elektrycznej ze
!róde odnawialnych na trzech poziomach procentowych: 7,5%, 9% i 12,5% ca kowitej
produkcji energii elektrycznej w Polsce w roku 2010. Scenariusz pierwszy (7,5%) jest
zgodny z Rozporz#dzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Spo ecznej w sprawie obowi#zku zakupu energii elektrycznej i ciep a z odnawialnych !róde energii. Zak ada on wzrost mocy jednostek produkuj#cych energi$ z biogazu o 590 MW, w czym
maj# pomóc przede wszystkim biogazownie komunalne przerabiaj#ce osady "ciekowe
i odpady, które maj# produkowa% 5,2% energii pochodz#cej ze !róde odnawialnych.
Przyk!ady rozwi#za$
Na rynku krajowym dzia a kilka firm posiadaj#cych wypróbowane technologie biogazowe, mo&na równie& uzyska% dofinansowanie projektu. W zakres inwestycji wchodzi: komora fermentacyjna, zbiornik przefermentowanej biomasy, zbiornik biogazu, izolacja, hydraulika do przesy u ciep a, hydraulika biomasy, ogrzewanie komory, przygotowanie kosubstratu, roboty monta&owe i budowlane oraz generator 43 kW. Okres zwrotu
takiej inwestycji wynosi ok. 7,7 lat.
Mimo znacz#cych dzia a' edukacyjnych i stworzenia formalno-prawnych podstaw
do budowy biogazownii w kraju, realizacja takich inwestycji rozwija si$ niezwykle
powoli. Procentowy udzia ró&nych typów biogazowni w Polsce w 2006 r.:
• na wysypiskach organicznych odpadów komunalnych – ok. 78,5% obiektów,
• w oczyszczalniach "cieków – ok. 73 % obiektów,
• rolnicze (g ównie gnojowica z ferm hodowlanych) – ok. 1%; dzia aj# praktycznie
dwie biogazownie:
– ma a biogazownia w Grudzi#dzu, od roku 1995, wspó pracuj#ca z sieci# energetyczn# regionu,
– biogazownia firmy Poldanor (technologia du'ska) w Paw ówku, od 2005 roku,
produkuj#ca 1,4 MWh energii elektrycznej i 2,6 MWh energii cieplnej do ogrzewania 350 domków jednorodzinnych rocznie.
24
Józef Cebula
Produkcja ciep a w biogazowniach istniejacych:
• wysypiskowe
52,8 GWh (16%),
• "ciekowe
275,5 GWh (83%),
• rolnicze
ok. 3 GWh (ok. 1%).
Produkcja energii elektrycznej w biogazowniach istniej#cych:
• wysypiskowe
109,6 GWh (44%),
• "ciekowe
135 GWh (55%),
• rolnicze
ok. 1,6 GWh (ok. 1%).
Przyk adowe rozwi#zania technologiczne mo&na znale!% pod adresem www.ieo.pl
oraz www.poldanor.com.pl
Literatura
[1] Buraczewski G., Fermentacja metanowa. PWN, Warszawa, 1989.
[2] Cebula J. i inni, Bio-technological conversion of sludge into organic fertilizers. EC „INCO-Copernicus Scientific Cooperation Projects”. Contract No.: ERB IC15 CT CT980112, 2002.
[3] Chynoweth D.P., Owens J.M.Legrand R., Renewable methane from anaerobic digestion of biomass.
„Renewable Energy”, 2001, 40.
[4] J$drczak A., Haziak K., Okre"lenie wymaga# dla kompostowania i innych metod biologicznego przetwarzania odpadów. Pracownie Badawczo-Projektowe, Ekosystem Sp. z o.o., Ekosystem.
[5] Kujawski O., Nowoczesna biogazownia rolnicza. Ener CessGmbH. Poleko 2006.
[6] Kutera J., Gospodarka gnojowic$. Wydawnictwo AR Wroc aw, 1994.
[7] Ledakowicz S., Krzystek L., Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemys!u
rolno-spo%ywczego, „Biotechnologia”, 2005, 3.
[8] Miksch K., Biotechnologia "cieków. WP(, Gliwice, 2000.
[9] Ministerstwo (rodowiska, Strategia rozwoju energetyki odnawialnej. Warszawa, 2002.