Surowce do produkcji biogazu

Surowce do produkcji biogazu
– uproszczona metoda obliczenia
wydajności biogazowni rolniczej
Andrzej Curkowski
Instytut Energetyki Odnawialnej (EC BREC IEO)
Potencjał energetyczny biomasy z
odpadów i z upraw do roku 2020
Odpady stałe/suche (do spalania) – 237 044 TJ,
Drewno opałowe i odpadowe z lasów państwowych (do spalania) - 34 931 TJ,
Odpady organiczne mokre (do produkcji biogazu) - 175 809 TJ,
z takich przemysłów jak:
• tłuszczowy (makuchy),
• ziemniaczany (osady, odpady skrobiowe),
• cukrowniczy (osady po myciu buraków),
• drobiarski i mięsny,
• owocowo-warzywny,
• spirytusowy i piwowarski,
• odpady z przemysłu biopaliw (gł. faza glicerynowa z estrowni i wywar gorzelniany).
• odpady z hodowli zwierzęcej (gnojowica)
Uprawy energetyczne - 2 259 096 TJ,
• rośliny skrobiowo-cukrowe (do produkcji bioetanolu) - 81 027 TJ
• rzepak (do produkcji biodiesla) - 73 514 TJ
• kiszonki z kukurydzy i uŜytków zielonych (do produkcji biogazu) - 116 625 TJ
• rośliny lignocelulozowe, np. wierzba (do spalenia lub zgazowania) - 208 888 TJ
Potencjał ekonomiczny odnawialnych zasobów
energii oraz stan jego wykorzystania na 2006 rok
Potencjały odnawialnych zasobów
energii
Rodzaje odnawialnych zasobów
energii
Energetyka słoneczna, w tym:
termiczna, w tym:
przygotowanie cwu
ogrzewanie – co
Fotowoltaiczna
Energia geotermiczna, w tym:
głęboka
Płytka
Biomasa, w tym:
odpady stałe suche
biogaz (odpady mokre)
drewno opałowe (lasy)
uprawy energetyczne, w tym:
celulozowe
cukrowo-skrobiowebioetanol
rzepak-biodiesel
kiszonki kukurydzy-biogaz
Energetyka wodna
Energetyka wiatrowa, w tym
na lądzie
na morzu
Razem
Realny potencjał
ekonomiczny- energia
końcowa
Stan wykorzystania
potencjału
ekonomicznego na
2006 r
[TJ]
83 312,2
83 152,9
36 491,9
46 661,0
159,3
12 367,0
4 200,0
8 167,0
600 167,8
165 930,8
123 066,3
24 451,8
286 718,9
145 600,0
[TJ]
149,8
149,6
149,6
0,0
0,2
1 535,0
535,0
1 000,0
192 097,0
160 976,2
2 613,0
24 451,8
4 056,0
0,0
[%]
0,18%
0,18%
0,41%
0,00%
0,11%
12,4%
12,7%
12,2%
32,0%
97,0%
2,12%
100,0%
1,41%
0,00%
21 501,0
37 980,0
81 637,9
17 974,4
444 647,6
377 242,5
67 405,0
2 558,0
1 498,0
0,0
7 351,2
921,6
921,6
0,0
11,90%
3,94%
0,00%
40,90%
0,21%
0,24%
0,00%
1 158 469
202 055
17,4%
Substraty stosowane do
produkcji biogazu
Odpady rolnicze:
• odchody zwierzęce,
• uprawy energetyczne,
• odpady z hodowli roślin,
• ścinki trawy i odpady ogrodnicze,
• resztki jedzenia.
Odpady przemysłowe:
• spoŜywcze,
• mleczarskie,
• cukrownicze,
• farmaceutyczne,
• kosmetyczne,
• biochemiczne,
• papiernicze,
• mięsne.
Kofermentacja
• Proces fermentacji, w którym stosowana jest mieszanina
róŜnych substancji organicznych;
•
Substancje organiczne mają róŜne tempo rozkładu i
róŜnią się pod względem ilości powstałego w wyniku
fermentacji biogazu;
•
Dodanie materiału uzupełniającego o większej
produktywności biogazu zwiększa efektywność
ekonomiczną procesu;
• Fermentacja odchodów zwierzęcych wymaga uzupełnienia
innymi substratami o większej zawartości suchej masy
organicznej w jednostce masy lub objętości odpadów;
• Zawartość suchej masy mieszanki powinna być =< 12 %
dla fermentacji mokrej lub ok. 20-30% dla fermentacji
suchej.
Potencjał produkcji biogazu
Określanie potencjału produkcji biogazu z substratów
Laboratoryjne próby fermentacyjne:
•
•
•
substratów – na etapie doboru substratów, dane gromadzone w atlasach
mieszanin substratów – na etapie doboru technologii
są wykonywane przez specjalistyczne laboratoria (m.in. Uniwersytet Przyrodniczy w
Poznaniu, IBMER Poznań)
Atlasy substratów:
•
•
•
Gromadzą dane na temat substratów
procentowej zawartości s.m. w 1 t substratu
procentowej zawartości s.m.o w s.m.
produktywności metanu z 1 t s.m.o.
Pozwalają na teoretyczną ocenę produkcji biogazu
•
•
Instytucje badawcze zajmujące się tworzeniem atlasów
KTBL (Das Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft)
Atlas substratów Projektu EU Agrobiogas (ponad 200 substancji)
Gnojowica - główny substrat do
produkcji biogazu rolniczego
Skład gnojowicy:
- kał i mocz zwierząt gospodarskich (bydło, trzoda chlewna, drób)
- woda
Właściwości:
- wysoka produktywność biogazu:
dla gnojowicy świńskiej ok. 300 m3 metanu z 1t s.m.o.
- dobre właściwości buforujące
- wysokie uwodnienie
- podstawowy substrat w fermentacji mokrej (s.m. mieszanki =<12%)
Zalety stosowania gnojowicy w kofermentacji:
- utylizacja uciąŜliwego odpadu (odory, niekontrolowane emisje CH4)
- dobry substrat przy produkcji biogazu
- produkcja wartościowego nawozu
Bydło
Parametr
Trzoda chlewna
Drób
Jednostka
Obornik
Gnojowica
Obornik
Gnojowica
Obornik
Gnojowica
t s.m./t
odpadów
0,237
0,095
0,238
0,066
0,303
0,15
s.m.o.
t s.m.o/t s.m.
0,764
0,774
0,799
0,761
0,727
0,756
s.m.o. /SD
kg
s.m.o/DJP/d
Produkcja
biogazu
m3/t s.m.o
249,4
225,5
Produkcja
biogazu
m3/DJP/d
1,5-2,9
średnio: 2,2
0,56-1,5
średnio: 1,03
s.m.
3-5,4
średnio: 4,2
2,5-4
średnio: 3,3
228,0
301,0
0,6-1,25
średnio: 0,93
5,5- 10
średnio: 7,78
230,0
320,0
3,5-4,0
średnio: 3,75
Produkcja biogazu z odpadów
z hodowli zwierzęcej
Odpady z hodowli zwierzęcej
m3/t s.m.o.
% s.m , % s.m.o.
90
350
80
300
70
60
250
50
40
200
30
20
150
10
0
100
gn
oj
ów
ka
a
a
ic
ic
ow
ow
oj
oj
gn
gn
kr
ku
a
ów
rz
m
le
cz
ny
ch
% s.m
% s.m.o.
m3/t s.m.o.
Rośliny energetyczne
Rośliny
korzeniowe i
bulwiaste
Rośliny
kapustne
Rośliny
strączkowe
Trawy i zboŜa
Rośliny oleiste
ziemniaki
kapusta
groch
pszenica
dynia
burak
pastewny
kalafior
bób
owies
rzepak
buraki
cukrowe
gorczyca
koniczyna
jęczmień
słonecznik
kalarepa
Ŝyto
sorgo
kukurydza
trawa
Produkcja biogazu z roślin
energetycznych
Rośliny energetyczne
m3/t s.m.o.
% s.m, % s.m.o
600
100
90
550
80
500
70
60
450
50
400
40
30
350
20
300
10
0
250
t ra
% s.m
% s.m.o.
m3/t s.m.o.
w
t ra
a
–
ki
w
sz
o
a
nk
a
s ia
no
ku
ce
bu
bu
bó
rz
bu
ep
ra
ra
b
ku
la
-k
ki
k
ak
ry
pa
cu
dz
isz
st
kis
kr
a
on
ew
ow
-k
z
k
o
ny
a
is
e
nk
zo
a
nk
a
Kiszonka kukurydziana
•
wysoka wydajność produkcji
biogazu w porównaniu do
innych roślin zboŜowych,
•
mniejsze koszty pozyskania w
porównaniu z innymi uprawami,
Składowanie kiszonki
•
•
nie wymaga zmiany dotychczas
stosowanej techniki uprawy i
zbioru,
łatwe długookresowe
magazynowanie.
Dozowanie kiszonki do komory
fermentacyjnej
Odpady poubojowe
• Substrat o wysokiej produktywności biogazu
• Podczas fermentacji wydzielane są związki H2S
• Konieczność zastosowania instalacji do odsiarczania
• Wymóg higienizacji wg Rozporządzenia nr 1774/2002
Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 3 października
2002 r. ustanawiającym przepisy sanitarne dotyczące
produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego nie
przeznaczonych do spoŜycia przez ludzi [OJ L 273
10.10.2002 p.0001-0095 z późn. zm.]
Produkcja biogazu z odpadów
poubojowych
Odpady poubojowe
% s.m, %s.m.o
m3 CH4/t s.m.o.
750,00
90,00
80,00
70,00
700,00
650,00
600,00
550,00
60,00
500,00
50,00
450,00
40,00
400,00
30,00
350,00
300,00
20,00
10,00
% s.m
% s.m.o.
m3/t s.m.o.
250,00
200,00
Produkcja metanu
Stanowi ok. 65% całkowitej produkcji biogazu.
Roczna produkcja metanu w biogazowni obliczana
jest wg formuły:
M = O x SM x SMO x P [m3/rok], gdzie:
•
•
•
•
M - roczna produkcja metanu [m3/rok]
O – roczna ilość odpadów [t/rok]
SM - procentowa zawartość suchej masy w 1 t substratu [%]
SMO - procentowa zawartość suchej masy organicznej w
suchej masie organicznej [%]
• P - potencjał produkcji metanu [m3/t s.m.o.]
Wytwarzanie energii
•
wartość kaloryczna metanu:
9,17 kWh/m3,
•
sprawność agregatu (w zaleŜności od producenta):
cieplna: 40-43%, elektryczna: 30-40%,
•
czas pracy agregatu w ciągu roku:
7.500-8.300 h/r, (dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%, średnio 8.000 h),
•
ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto:
całkowita produkcja ciepła brutto pomniejszona jest o zuŜycie ciepłą na cele technologiczne.
Przyjmuje się, Ŝe w skali roku ciepło wykorzystywane na potrzeby własne to 25-40%
całkowitej produkcji ciepła.
•
ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto:
całkowita produkcja energii elektrycznej pomniejszona jest o zuŜycie na potrzeby
technologiczne (mieszadła, pompy, układ sterowania, oświetlenie etc.), średnio ok. 9%
wyprodukowanej energii.
•
ze względu na mechanizmy wsparcia dla zielonej energii elektrycznej zazwyczaj całą
wyprodukowana energię przekazuje się do sieci elektro-energetycznej, a na potrzeby
procesowe kupuje się energię elektryczną po niŜszej cenie.
Kalkulator do obliczeń biogazowni
• Substraty (ponad 100 pozycji,
moŜliwość dodawania substratów własnych)
• Produkcja energii
• Nakłady inwestycyjne
• Ekonomika
Kalkulator do obliczeń biogazowni
• Produkcja biogazu [m3/r]
• Produkcja metanu [m3/r]
• Zawartość suchej masy
w mieszaninie substratów [% s.m]
• Teoretyczna moc elektryczna [MWe]
• Teoretyczna moc cieplna [MWt]
• Produkcja energii elektrycznej (netto, brutto) [MWh/r]
• Produkcja ciepła (netto, brutto) [GJ/r]
• Nakłady inwestycyjne (min, śr, max) [mln PLN]
• Prosty okres zwrotu inwestycji [lata]
Dziękuję za uwagę
[email protected]