Wykorzystanie biogazu jako niekonwencjonalnego - Eko

Iwona Szparkowska
Wykorzystanie biogazu jako
niekonwencjonalnego źródła energii na obszarze Polski
Tematem artykułu jest wykorzystanie na terenie Polski biogazu jako źródła energii, będącego jednym
z niekonwencjonalnych nośników ciepła i energii elektrycznej.
Obecnie technologie energetycznego wykorzystania biogazu, wytwarzanego na składowiskach
odpadów (głównie do produkcji energii elektrycznej lub w skojarzeniu z produkcją energii cieplnej),
należą do najszybciej rozwijających się gałęzi energetyki odnawialnej.
1. Źródła powstawania biogazu
Proces stabilizacji beztlenowej jest jedną z ekologicznie dopuszczalnych form utylizacji odpadów.
To złożony proces biochemiczny zachodzący w warunkach beztlenowych. Wielkocząsteczkowe
substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste, chemicznie ustabilizowane głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie tego procesu 60% substancji organicznych jest
przetwarzanych w gaz fermentacyjny. Najogólniej proces pozyskiwania biogazu polega na redukcji
ładunku zanieczyszczeń poprzez proces fermentacji beztlenowej, powodowany działaniem bakterii
wytwarzających metan jako produkt ich aktywności.
Biogaz powstaje w procesie fermentacji beztlenowej:
! osadów ściekowych na oczyszczalniach ścieków,
! odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci,
! odpadów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych.
1
odchody
zwierzęce
odpady
organiczne
osad ściekowy
biogazowanie indywidualne
lub scentralizwoane
obornik (30%sm.)
gnojowica (2-105 s.m.)
gnojówka(0,5-1%sm.)
odciek
optymalna wilgotność
3-8%
-odwodnienie
- zagęszczanie
- mieszanie
fermentacja beztlenowa
Osad
Biogaz >40% CH4
frakcja stała
frakcja ciekła
turbiny gazowe
silniki elektryczne
nawóz
kompost
elektryczność
NA POTRZEBY WŁASNE
układ skojarzony
ciepło
SPRZEDAŻ
Rys. 1. Możliwości pozyskiwania i wykorzystania biogazu.
2. Zasoby biogazu w Polsce - stan obecny
Potencjał techniczny wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków do celów energetycznych jest
bardzo wysoki W Polsce od roku 1994 r. zainstalowano w miejskich oczyszczalniach ścieków 20
biogazowni z blokami energetycznymi do produkcji energii elektrycznej, w trakcie budowy są kolejne
obiekty tego typu. Całkowita moc wszystkich instalacji biogazowych na oczyszczaniach ścieków w
Polsce w listopadzie 1999 r. wynosiła 14,5 MW elektrycznych i ok. 24,4 MW cieplnych. Do
bezpośredniej produkcji biogazu najlepiej dostosowane są oczyszczalnie biologiczne, stosowane we
wszystkich oczyszczalniach ścieków komunalnych oraz w części oczyszczalni przemysłowych.
Oczyszczalnie ścieków mają stosunkowo wysokie zapotrzebowanie własne zarówno na energię cieplną,
jak i elektryczną. Wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów ściekowych może w istotny sposób
poprawić ich rentowność.
W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ok. 700 czynnych składowisk odpadów, przy czym na
większości z nich nie ma pełnej kontroli emisji gazu wysypiskowego, który dostając się do środowiska,
powoduje m.in. wiele zagrożeń dla zdrowia i życia ludzi oraz znacząco wpływa na pogłębianie się
2
efektu cieplarnianego. Często, z powodu braku odpowiednich uszczelnień masy składowanych
odpadów, zasoby gazu wysypiskowego możliwe do pozyskania nie przekraczają 30-45% ich
całkowitego potencjału technicznego powstającego na wysypisku. Najlepszym sposobem ograniczenia
zagrożeń dla środowiska spowodowanych emisjami gazu wysypiskowego jest zbudowanie instalacji do
jego odzysku i ewentualnego energetycznego wykorzystania. Wypuszczanie gazu wysypiskowego
bezpośrednio do atmosfery, bez spalenia w pochodniach lub innego sposobu utylizacji, jest dziś - w
świetle obowiązujących umów międzynarodowych i przepisów Unii Europejskiej - niedopuszczalne. W
2000 r. składowiska odpadów w Polsce dały ok. 30 tys. MWh energii Naukowcy obliczyli, iż z jednej
tony odpadów pochodzących z terenu dużego miasta powstaje 200-250 m3 gazu wysypiskowego.
Energia z powstającego na wysypiskach biogazu w odpowiedni sposób pozyskana może stać się
istotnym elementem gospodarki energetycznej naszego kraju. Oblicza się, że w okresie 20 lat
składowania z 1 Mg odpadów powstaje od 100 do 400 m3 biogazu. Zawiera on ok. 50 procent
czystego metanu, a jego wartość opałowa wynosi od 17 tys. do 19 tys. kJ/m3.
Surowiec
Biogaz
Drewno
Gaz miejski
Węgiel kamienny
Wartość opałowa (MJ/m3)
20-25
14-19
19-20
38-39
Tabela 1. Porównanie wartości opałowej biogazu w stosunku do innych nośników energii.
Gospodarstwa hodowlane produkują duże ilości odchodów zwierzęcych. Tradycyjnie są one używane
jako nawóz lub niekiedy składowane na wysypiskach. Obydwie metody mogą powodować problemy
ekologiczne związane z zanieczyszczeniem rzek i wód podziemnych, emisje odorów oraz inne
zagrożenia zdrowia. W Polsce, od połowy lat 80 wybudowano ok. 10 biogazowni rolniczych, obecnie
większość z nich nie pracuje, zarówno ze względu na uwarunkowania ekonomiczne, jak i techniczne.
Potencjalnych inwestorów zniechęcają wysokie nakłady inwestycyjne oraz brak dostatecznie
sprawdzonych rozwiązań technologicznych.
Rys. 2 Technologia wytwarzania i wykorzystania biogazu z gnojowicy.
3
W latach 80. kilka ośrodków badawczych prowadziło w Polsce prace nad opanowaniem technologii
fermentacji beztlenowej odchodów zwierząt hodowlanych w celu pozyskania biogazu oraz neutralizacji
środowiskowej gnojowicy. Wobec stosunkowo łagodnych norm ochrony środowiska, w tamtym czasie
produkcję biogazu z wartościowego paliwa uznawano za główną korzyść z biogazowni, przywiązując
znacznie mniejszą wagę do neutralizacji gnojowicy. Wejście Polski do Unii Europejskiej związane jest z
przyjęciem rygorystycznych wymogów prawnych dotyczących ochrony środowiska. Zmienia to zatem
perspektywę oceny i rachunek ekonomiczny potencjalnych inwestycji biogazowych.
Rys. 3 Schemat wykorzystania gazu wysypiskowego.
3. Możliwości przemysłowego wykorzystania biogazu
Gaz fermentacyjny, powstający na oczyszczalniach ścieków, ma szerokie zastosowanie. Zazwyczaj
wykorzystuje się go do ogrzewania komór fermentacyjnych, co pozwala na zmniejszenie ich
pojemności. Może być używany do ogrzewania budynków oczyszczalni, ma zastosowanie w piecach do
spalania skratek. Bywa wykorzystywany również do napędu silników w połączeniu z wtórnym
odzyskiem ciepła. Średnia wartość opałowa gazu wynosi około 23 500 kJ/m3. W wyniku spalania gazu
w silnikach gazowych, odzyskuje się ok. 90% energii, w tym ok. 36% energii elektrycznej i 54%
energii cieplnej. Energia cieplna może pokryć całkowite zapotrzebowanie na ogrzewanie komór
fermentacyjnych, a jej nadmiar zużytkować można na ogrzewanie pomieszczeń oczyszczalni. Energia
elektryczna jest wykorzystywana jako energia napędzająca dla pomp, dmuchaw (dla komór napowietrzania), zgarniaczy, mieszadeł, urządzeń wentylacyjnych, oświetlenia itp. Korzystne jest
instalowanie w oczyszczalniach generatorów dieselgazowych, tak by w okresach niedoboru gazu
można było stosować paliwo ciekłe. Moc tego typu urządzeń oscyluje w zakresie 30 kW (przy
mniejszych oczyszczalniach) do ok. 10 MW w oczyszczalniach ścieków wielkich miast. Istnieje też
możliwość wykorzystania składników gazu jako surowca chemicznego. Jego główny składnik (metan)
może służyć do produkcji etylenu, propylenu, acetylenu, które z kolei są podstawą produkcji mas
plastycznych, rozpuszczalników, czterochlorku węgla, syntetycznego kauczuku i włókna, środków
4
farmaceutycznych itp. Dwutlenek węgla natomiast może być wykorzystywany jako gaz przemysłowy
lub służyć do produkcji sztucznego lodu. Nadmiar gazu jest natomiast spalany w pochodniach.
Typowe przykłady energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego obejmują produkcję energii
elektrycznej głównie w silnikach iskrowych, produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach
gazowych oraz produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych. Inne technicznie
dopracowane możliwości (niestosowane w Polsce) obejmują dostarczanie gazu wysypiskowego do
sieci gazowej, wykorzystanie gazu jako paliwa do silników oraz wykorzystanie gazu w procesach
technologicznych, np. w produkcji metanolu.
Jeżeli na terenie wysypiska lub w okolicznych budynkach istnieje zapotrzebowanie na ciepło, można w
jeszcze większym stopniu poprawić opłacalność systemu przeznaczonego do pracy na wysypisku dzięki
opcji kogeneracyjnej. Układy kogeneracyjne pozwalają na produkcję energii elektrycznej i cieplnej w
skojarzeniu (kogeneracja) w tak zwanych systemach zdecentralizowanych, to znaczy tam, gdzie
istnieje zapotrzebowanie na obie formy energii. Układy kogeneracyjne dysponują optymalną
sprawność transformacji energii przy minimalnym zanieczyszczeniu środowiska.
Aby uzyskać około 1 kWh energii elektrycznej i 1,25 kWh energii cieplnej, potrzeba następujących
ilości "surowców" będących podstawą produkcji energii ze źródeł odnawialnych:
! 5- 7 kg odpadów biomasy,
! 5-15 kg odpadów komunalnych,
! 8-12 kg obornika i odpadów organicznych,
! 4- 7 m3 ścieków komunalnych.
Obliczone wartości zostały uzyskane na podstawie przykładowych parametrów technicznych zestawu
kogeneracyjnego: moc elektryczna 1000 kWe (sprawność elektryczna 40%), moc cieplna 1250 kWt
(sprawność cieplna 48%).
Zaznaczyć należy, że opłacalność inwestycji wykorzystujących biogaz jest ściśle związana ze stabilnymi
warunkami sprzedaży energii. Rozporządzenie ministra gospodarki w sprawie obowiązku zakupu
energii elektrycznej i cieplnej ze źródeł niekonwencjonalnych oraz zakresu tego obowiązku reguluje
szczegółowo zakres obowiązku zakupu energii odnawialnej przez przedsiębiorstwa energetyczne
i określa górną granicę cen za tę energię. Zmiana ustawy Prawo energetyczne (DzU 2000 nr 48, poz.
555) zobowiązuje ministra gospodarki do wydania nowego rozporządzenia określającego zakres obowiązku zakupu energii ze źródeł odnawialnych, z uwzględnieniem technologii wytwarzania energii,
wielkości źródła energii oraz sposobu uwzględniania w taryfach kosztów jej zakupu. Rozporządzenie to
znajduje się w fazie projektu.
W przypadku biogazu z oczyszczalni ścieków rozporządzenie o obowiązku zakupu energii ze źródeł
odnawialnych ma nieco mniejsze znaczenie, ponieważ w większości przypadków instalacje biogazowe
produkują energię w całości wykorzystywaną na potrzeby własne oczyszczalni.
W Polsce sektor energetyki odnawialnej jest obecnie zbyt słaby, by bez wsparcia państwa konkurować
z silnie rozbudowanym sektorem paliw kopalnych (zwłaszcza przy uwzględnieniu istniejącej nadwyżki
mocy w elektrowniach konwencjonalnych). "Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej" postuluje
uchwalenie ustawy, określającej politykę państwa w zakresie energetyki odnawialnej. Ustawa taka
potrzebna jest zarówno z punktu widzenia zapewnienia stabilnych warunków rozwoju całemu
sektorowi, jak i wzmocnienia pozycji konkurencyjnej niezależnych dostawców energii ze źródeł
odnawialnych na rynku krajowym i międzynarodowym.
W ostatnich latach zanotowano bardzo znaczący i rzeczywisty postęp w procesie fermentacji
beztlenowej. Znane modyfikacje procesu, a przede wszystkim konsekwentny rozdział fermentacji
kwaśnej od metanowej, bardzo usprawniły ten proces.
W czasach stale zmniejszających się zasobów źródeł energii, koniecznością staje się poszukiwanie i
rozwój technologii, które efektywnie mogą wykorzystywać odnawialne źródła energii. Technologia
skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej (kogeneracja) jest w powyższym aspekcie
ekologicznie i ekonomicznie korzystna, jeśli założymy wykorzystanie biogazu jako paliwa uzyskiwanego
ze źródeł odnawialnych.
Korzyści płynące z wykorzystania odnawialnych źródeł energii.
! W niewielkim stopniu oddziałują na środowisko,
! przy odpowiednim zagospodarowaniu - praktycznie niewyczerpalne,
! dostępne lokalnie, dzięki czemu unika się dodatkowego użycia energii na transport,
! technologie wykorzystujące odnawialne źródła energii są znacznie bardziej wydajne niż
ekosystemy spalające paliwa kopalne.
Technologie wykorzystujące odnawialne źródła energii powinny w najbliższym czasie znaleźć swe
odbicie w dokumentach prawnych dotyczących wprowadzania określonych mechanizmów
5
sprzyjających upowszechnieniu oraz łatwiejszemu do nich dostępowi. Istnieje jednak wiele barier
dotyczących odnawialnych źródeł energii. Dlatego też w celu wdrażania "Strategii..." oraz podjęcia
kroków formalnoprawnych, mających za zadanie zwiększenie konkurencyjności OZE w stosunku do
paliw kopalnych, konieczne jest wsparcie wysokiej rangi urzędów państwowych.
Podsumowując, należy stwierdzić, że gaz fermentacyjny zajmuje dziś jeszcze marginalny zakres
produkcji energii z surowców odnawialnych. Jednak dzięki uniwersalnej zdolności jego wykorzystania
oraz gospodarce recyklingowej jego znaczenie będzie w przyszłości wzrastać. Zaznaczyć należy
ponadto, że niewystarczająca rentowność urządzeń do produkcji biogazu równoważona jest tzw.
rentownością pośrednią - ochroną środowiska oraz daleko planowym wykorzystaniem surowców
energetycznych.
Literatura
[1] T Bacza: "Energetyczne wykorzystanie biogazu ", Internet
[2] Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej - Raport Ministerstwa Środowiska, 8 07.1999 r.
[3] H. Piotrowska, A. Wojciechowski, B. Litwin: Gospodarka stałymi odpadami komunalnymi w
miastach. Agencja Wydawnicza Instytutu Gospodarki Przestrzennej i Komunalnej, Warszawa 1993 r.
[4] Bałtycka Agencja Poszanowania Energii SA, Internet.
[5] Gaz z odpadów organicznych, Internet
[6] R. Braun: Energia z masy biologicznej, gaz biologiczny, fermentacja, Instytut Mikrobiologii
Stosowanej Universitat fur Bodenkultur- Wiedeń. SYMPOZJUM "Różnorodność modeli jako szansa
polskiego rolnictwa w Unii Europejskiej - prognozy naukowo-teoretyczne i doświadczenia praktyczne ",
Wiedeń 11-13 listopada 1.999 I..
.................................................................................................................................................
Źródło: kwartalnik EKOTECHNIKA, 1 (29) 2004
Wydawnictwo LEKTORIUM
6