analiza rozwiązań instalacji biogazowych dla gospodarstw

INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE 9
ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS 9
Wacław Romaniuk, Andrzej Głaszczka, Katarzyna Biskupska
ANALIZA
ROZWIĄZAŃ INSTALACJI BIOGAZOWYCH
DLA GOSPODARSTW
RODZINNYCH I FARMERSKICH
ANALYSIS
OF THE BIOGAS INSTALLATION SOLUTIONS
FOR THE FAMILY FARMS
AND FARMING ENETERPRISES
Falenty 2012
WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
DYREKTOR INSTYTUTU
prof. dr hab. Edmund Kaca
Oddział w Warszawie
ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50
Kierownik Oddziału
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki
KOLEGIUM REDAKCYJNE
prof. dr hab. Aleksander Szeptycki – przewodniczący
prof. dr hab. J.Lech Jugowar
prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki
prof. dr hab. Jan Pawlak
prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki
Recenzenci
prof. dr hab. Józef Szlachta, dr hab. Marek Gaworski, prof. nadzw. SGGW
Redakcja naukowa
prof. dr hab. Wacław Romaniuk
Kierownik Działu Wydawnictw: dr inż. Halina Jankowska-Huflejt
Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt
Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska
Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka
© Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2012
ISBN 978-83-62416-53-0
ISSN 2083-9545
Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn
tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: [email protected]
Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna „Gimpo”
02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 6,5. Nakład 200 egz.
Spis treści
1. WPROWADZENIE ......................................................................................................5
1.1. Informacje ogólne .................................................................................................5
1.2. Omówienie procesu fermentacji metanowej .......................................................7
2. PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIA INSTALACJI BIOGAZOWYCH ..........................23
2.1 Rozwiązania krajowe ..........................................................................................23
2.2. Rozwiązania zagraniczne ..................................................................................36
3. BADANIA INSTALACJI BIOGAZOWEJ W GOSPODARSTWACH
RODZINNYCH ..........................................................................................................44
3.1. Założenia badawcze ..........................................................................................44
3.2. Cel i zakres pracy ..............................................................................................45
3.3. Metody badań ....................................................................................................46
3.4. Ocena techniczno-ekonomiczna parametrów biogazowni ................................48
3.5. Ocena ekonomiczna instalacji biogazowej z zastosowaniem stopy
dyskonta .............................................................................................................52
4. WYNIKI BADAŃ BIOGAZOWNI W STUDZIONCE ..................................................54
4.1 Opis techniczny biogazowni w Studzionce .........................................................54
4.2. Badania laboratoryjne ........................................................................................55
4.3. Badania eksploatacyjne .....................................................................................57
4.4. Efektywność energetyczna ................................................................................60
4.5. Ocena ekonomiczna ..........................................................................................62
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI .................................................................................74
5.1. Dane wstępne ....................................................................................................74
5.2. Propozycje rozwiązań technicznych instalacji biogazowych .............................74
5.3. Wnioski końcowe ...............................................................................................87
6. BIBLIOGRAFIA .........................................................................................................89
Streszczenie...................................................................................................................91
Contents
1. INTRODUCTION .........................................................................................................5
1.1. General information ..............................................................................................5
1.2. Description of methane fermentation process .....................................................7
2. EXEMPLARY SOLUTIONS OF BIOGAS INSTALLATIONS ....................................23
2.1. Local solutions ....................................................................................................23
2.2. Foreign solutions ................................................................................................36
3. INVESTIGATIONS OF BIOGAS INSTALLATION IN THE FAMILY FARMS ...........44
3.1. Brief foredesign of the research .........................................................................44
3.2. Aim and scope of the research ..........................................................................45
3.3. Methodology of the research ..............................................................................46
3.4. Technical-economic evaluation of biogas plant parameters .............................48
3.5. Economic evaluation of a biogas plant on the basis of discount rate ................52
4. RESEARCH RESULTS .............................................................................................54
4.1. Technical description of the biogas plant at Studzionka ....................................54
4.2. Laboratory tests ..................................................................................................55
4.3. Investigations of biogas plant at Studzionka ......................................................57
4.4. Energetic efficiency of the installation depending on the substrate ...................60
4.5. Economic evaluation ..........................................................................................62
5. RECAPITULATION ...................................................................................................74
5.1. Initial data ...........................................................................................................74
5.2. Proposals of technical solutions for biogas plants .............................................74
5.3. Final conclusions ................................................................................................87
6. BIBLIOGRAPHY ........................................................................................................89
Summary .......................................................................................................................93
Streszczenie
Jednym z najbardziej uciążliwych dla środowiska sektorów produkcji rolnej jest intensywny chów zwierząt, będący odpowiedzią na wzrastającą konsumpcję mięsa we
współczesnych społeczeństwach oraz efektem specjalizacji w rolnictwie. Wiąże się
to z koniecznością przeznaczania coraz większych obszarów rolnych na paszę dla
zwierząt oraz produkcją ogromnych ilości gnojowicy, stanowiącej znaczne obciążenie
dla środowiska.
Produkcja i wykorzystanie energii pochodzenia rolniczego to szansa na dywersyfikację i wzrost przychodów rolniczych oraz bezpieczeństwa energetycznego wsi,
a także poprawa ochrony środowiska na terenach rolniczych.
Według zaleceń Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, rozważając możliwość wykorzystania na cele energetyczne biomasy pochodzenia rolniczego, należy mieć na
uwadze długoterminową perspektywę i zadania stawiane przed rolnictwem. Zakłada
się, że do 2050 r. w skali świata produkcja żywności powinna zostać dwukrotnie
zwiększona. Cel ten wymaga nie tylko wzrostu produkcji jednostkowej, ale również
utrzymywania dostępnego rolniczego potencjału produkcyjnego we właściwej kulturze
do czasu, kiedy zostanie on w całości przeznaczony do produkcji żywności. Sprzyja
temu obecne przeznaczenie nadwyżek produkcji na cele energetyczne do momentu,
kiedy rozwój technologii umożliwi wykorzystanie innych odnawialnych nośników energii.
Rolnik może i powinien być nie tylko dostawcą surowca, ale również producentem
energii elektrycznej i cieplnej, czy też dostawcą do gazowych sieci dystrybucyjnych
biogazu oczyszczonego do jakości gazu ziemnego.
W Polsce jest miejsce zarówno dla mikrobiogazowni rolniczych poniżej 100 kW zainstalowanej mocy, jak i dla obiektów wielokrotnie większych. Ostateczna decyzja
inwestycyjna powinna wynikać z wszechstronnego rachunku możliwości i potrzeb.
W wyniku potrzeb realizacji polityki dywersyfikacji źródeł energetycznych biogazownie rolnicze są szansą na zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Biogazownie rolnicze o mocy 100–500 kW z zastosowaniem 50–70% nawozu naturalnego,
pochodzącego z własnego gospodarstwa, są opłacalne ekonomicznie.
Biogazownie o mocy 100–200 kW mogą być opłacalne ekonomicznie w warunkach
zbilansowania substratu pochodzącego z własnego gospodarstwa i świadectw pochodzenia na „zieloną” energię.
W pracy przedstawiono podstawowe założenia do projektowania małych biogazowni
rolniczych o mocy do 200 kW, przeznaczonych dla gospodarstw rodzinnych i farmerskich.
Przedstawiono również podstawowe wyniki badań energetycznych instalacji biogazowej w Studzionce w zakresie następujących głównych parametrów: wyprodukowanej energii netto, masy substratu poddawanego fermentacji w okresie 21 dni,
współczynnika efektywności energetycznej w różnych okresach badań. W celu porównania wyników badań podano dane techniczne instalacji biogazowej GAEC
(Francja) o mocy kogeneratora 70 kW.
Efektem badań biogazowni w Studzionce jest opracowanie innowacyjnej metody
fermentacji odchodów naturalnych, pochodzących z własnej produkcji zwierzęcej
i substratów.
Rozwiązanie to polegało na wytworzeniu biogazu ze stałych odchodów gromadzonych na płycie obornikowej, w „oborze głębokiej” i przepłukiwanie ich w komorze
fermentacyjnej gnojowicą lub wodą gnojową podczas fermentacji metanowej. Biogazownia składa się z dwóch komór fermentacyjnych oraz zbiornika wstępnego i pofermentacyjnego, a także niezbędnych urządzeń towarzyszących, według schematu
przedstawionego na rysunku 5.2.
Schemat urządzenia według zgłoszenia patentowego do wytwarzania biogazu może
być jednym z rozwiązań modelowych biogazowni dostosowanych do warunków
gospodarstwa rolnego i elementów infrastruktury w nim występujących.
Słowa kluczowe: biogaz, instalacja, energia, postęp, technologia
Summary
Intensive breeding of the animals, as a response to increasing meat consumption by
the present-day societies and an effect of specialization in agriculture, is one of agricultural production sectors most nuisant to the environment. It is connected with the
necessity of providing larger and larger agricultural areas for cropping animal feeds,
and with production of very large amounts of slurry, creating strong environmental
loading.
Generation and usage of agricultural origin energy, give some chances to diversify
and increase the agricultural incomes and rural energetic security, as well as to improving the environment protection on agricultural terrains.
According to the Ministry of Agriculture, at considering the possibilities of using biomass of agricultural origin for energy purposes, long-term prospects and tasks for
the agriculture should be taken into account. It has been assumed that until the year
2050 food production on the world scale ought to be doubled. Such an aim requires
not only increasing the unitary production, but also supporting the accessible potential of agricultural production at proper culture, until it will be intended in total to food
production. It is promoted by actual assignment of production surpluses for energy
purposes, until the moment, when advanced technology will enable to use the other
renewable energy carriers.
In many cases, a farmer can and should not only supply the raw material, but also
produce the electric and thermal energy, or be a supplier of biogas purified to the
quality of natural gas, to the gas distribution network.
In Poland, there is the space for either, the micro-biogas plants (below 100 kW power installed), and much larger objects, as well. The final investment decision should
result from comprehensive calculations of the needs and possibilities.
Considering the needs to diversification of energy sources, the agricultural biogas
plants give the chance to ensure energetic security. Agricultural biogas plants of the
power 100–500 kW, at using 50–70% of natural manure from the own farm, are
economically feasible.
Biogas plants of the power 100–200 kW may be cost-effective at balancing the substrate from own farm and certificates of origin for “green” energy.
Basic draft foredesigns were elaborated to designing small agricultural biogas plants
(power up to 200 kW) provided for the family farms and farming enterprises.
This publication presents the basic results of energetic investigations for biogas installation at Studzionka, concerning following main parameters: net energy generated,
mass of substrate digested within the period of 21 days, coefficient of energetic efficiency in various investigation periods. Obtained results were compared with the technical data of GAEC biogas installation (France), of co-generator power 70 kW.
Investigations of the biogas plant at Studzionka resulted in elaboration of innovative
digestion method for natural excreta from own animal production and the substrates.
Mentioned solution will consist in generation of biogas from solid excreta collected
on a dung plate, in “deep-litter cow-barn”, and flushing them in digestion chamber
with the slurry or dung-water during methane fermentation. Biogas plant consists of
the two digestion chambers, initial and post-fermentation tanks, as well as of the
necessary attached facilities, according to the diagram in fig. 5.2.
The scheme of installation to biogas generation, in accordance with the patent application, may be one of the model solutions of biogas plants. Well fitted to conditions
of agricultural farm and to the elements of its infrastructure.
Key words: biogas, installation, energy, generation, technology, progress