Burak cukrowy jako substrat do produkcji biogazu

Wstęp
Potencjał uprawy
buraków cukrowych
Buraki cukrowe nie były dotychczas doceniane jako substraty
w biogazowniach. Mimo powszechnej wiedzy o wysokim
potencjale pozyskiwania gazu/kg oTS oraz wydajności
powierzchniowej upraw, buraki cukrowe wykorzystywano
dotąd jako substraty jedynie w nielicznych biogazowniach. Nie
tylko z uwagi na reformę unijnego rynku cukru oraz zmiany
na rynkach surowców, buraki cukrowe zaczęły w ostatnim
czasie coraz częściej pojawiać się w biogazowniach jako
substraty.
Sucha masa buraka cukrowego w ok. 94% składa się z
bezpośrednio
ulegających
procesowi
fermentacji
węglowodanów. Cukier jest bardzo wydajną formą
magazynowania energii. Decydujące znaczenie ma tutaj
szybka przemiana w „energię“ (Rys. 1).
Rys. 1: Szybkość rozkładu grup substancji
Coraz więcej operatorów biogazowni wykorzystuje fakt, Ŝe
buraki znakomicie nadają się do poddawania ich procesowi
fermentacji. Teraz, gdy moŜna dysponować coraz większą
ilością praktycznych doświadczeń, popyt na buraki cukrowe –
szczególnie w zastosowaniu jako uzupełnienia substratów w
biogazowniach jest coraz bardziej widoczny.
Cukry (cukry proste, dwucukry)
Skrobia (cukier złoŜony)
Białka
Pektyny (cukry złoŜone)
Hemicelulozy ( cukry złoŜone)
Celuloza (cukry złoŜone)
Drzewnik
Woski
śywica, garbniki
Zakres techniczno-ekonomicznych
granic czasów rozkładu
Czas rozkładu (HRT)
Źródło: Volmer, 1982 w Eder, Schulz 2006
2|
|3
TakŜe pozostała substancja roślinna – miąŜsz buraka,
znakomicie ulega procesowi fermentacji i tak samo szybko
moŜe być ona przetwarzana w biogazowniach, poniewaŜ nie
zawiera lignocelulozy (zdrewniałych budulców). Tak więc
buraki cukrowe dostarczają energię niemal wprost „na tacy”.
Okazuje się, Ŝe buraki cukrowe wykazują duŜą
konkurencyjność takŜe w porównaniu z substratami w
produkcji biogazu, które aktualnie ciągle jeszcze dominują w
praktyce pozyskiwania energii. Porównanie wydajności
powierzchniowej na hektar buraków i liści bardzo podkreśla
róŜnicę.
W badaniach przeprowadzonych przez LfL Bayern (Rys. 2)
buraki cukrowe wykazują najwyŜszy współczynnik
pozyskiwania metanu na kilogram suchej masy organicznej.
Obecnie, w praktyce korzyść w otrzymywaniu energii na
hektar waha się między plus 20 a 30 % powyŜej kiszonki z
kukurydzy na bazie zbioru buraków bez liści, zaleŜnie od
miejsca i przebiegu procesu (Rys. 3).
Rys. 2: Wartości poszczególnych źródeł pozyskiwania biogazu
Pozyskiwanie metanu (l/kg TM)
700
600
500
400
300
200
100
0
Rosnące
surowce
Nawozy
gospodarcze
Produkty
uboczne
Źródło: wg Podręcznika dot. biogazu, Bayern 2004
Wyniki te potwierdzają badania naukowe, jak np. badania
AMON w 2007 r.
Rys. 3: Pozyskiwanie biogazu na hektar róŜnych polnych roślin uprawnych
Substrat
Pozyskiwanie
t/ha
Metan
cbm/t oTS
Metan
cbm/t ha
kWh/ha
brutto
kWh/ha
netto
Średnio
ZboŜe
8
426
2.749
26.669
9.601
50 %
Kukurydza
60
325
5.496
53.307
19.191
100 %
Buraki cukrowe
70
442
6.757
65.539
23.594
123 %
Liście buraków
42
324
1.306
12.672
4.562
24 %
Buraki + liście
112
417
8.063
78.210
28.156
147 %
Źródło: Mann, LBB Göttingen, Obrady Kuratorium, Baunatal 2008
4|
|5
Specjalistyczne metody
produkcji buraków
cukrowych do
pozyskiwania biogazu
Jeśli buraki cukrowe są uprawiane specjalnie na potrzeby
pozyskiwania biogazu, dzięki specjalnym metodom produkcji
moŜliwe jest wykorzystanie ich dodatkowych potencjałów. W
przeciwieństwie do produkcji cukru, niepoŜądane substancje
tworzące melasę (zawartość potasu, sodu i aminy azotu) nie
wywierają znacznego negatywnego wpływu na produkcję
metanu w biogazowniach – tutaj liczy się zebrana sucha
masa/ha. Jako z cennej biomasy, nie powinno się więc
rezygnować z główki. Buraki mogą być zbierane z główkami i
resztkami liści. Jeśli nie są pozbawiane główek, otrzymuje się
zysk w wielkości ok. 3 - 7 %. Ponadto z uwagi na fakt, Ŝe burak
został mniej naruszony, moŜna go dłuŜej przechowywać.
Techniki oddzielania liści będą w przyszłości wyzwaniem dla
NiŜsze straty magazynowania dzięki zoptymalizowanej
technice zbiorów
Cel produkcji:
Cukier
Biogaz
Metoda zbioru:
„usuwanie
liści
z główką”
„usuwanie
liści
W jaki sposób przygotowuje się i przechowuje
buraki cukrowe ?
W celu wykorzystania świeŜo zebranych lub magazynowanych
buraków cukrowych waŜne jest, by zostały one drobno pocięte.
Zastosowanie odnajdują tu między innymi urządzenia
stacjonarne, które mogą być zaopatrywane np. ładowaczem
czołowym. W praktycznych testach KWS, po drobnych
przeróbkach narzędzi, równie dobre okazały się rozdrabniarki
recyklingowe, zieleni i kompostowe. Technika musi być
oczywiście dostosowana do moŜliwości urządzenia. Czynnikiem
obniŜającym wydajność bywa często ładowarka kołowa, gdyŜ
buraki cukrowe łatwo ulegają rozdrobnieniu.
Aby zapewnić dostępność przez cały rok, buraki cukrowe
mogą być kiszone np. razem z kukurydzą. 30 % buraków w
zawartości materiału nie stanowi Ŝadnego problemu i zostało to
potwierdzone w pierwszych doświadczeniach. Z czasów
wykorzystywania kiszonek mieszanych z burakami znane są juŜ
kiszonki z dodatkiem kukurydzy, a stosowana w ich przypadku
technika jest jeszcze częściowo dostępna na rynku maszyn
uŜywanych.
Zasadniczo moŜliwe jest przechowywanie buraków cukrowych w
stertach (w zaleŜności od warunków pogodowych) do lutegomarca. W celu ochrony buraków przed mrozem obowiązują takie
same zasady jak w przypadku przechowywania roślin w stertach
na obrzeŜach pola, przed dostawą do fabryki cukru.
bez główki“
Rys. 4: Odpowiednia struktura świeŜo rozdrobnionych
buraków cukrowych (wielkość pudełka od zapałek)
zajmujących się tym tematem producentów rolnych.
Ponadto, aby podwyŜszyć zysk moŜna lekko zwiększyć
stopień nawoŜenia azotem. Powszechnie uwaŜa się, Ŝe
lepsza dostępność azotu przekłada się w pierwszej
kolejności na wytwarzanie liści, zatem nie powinno się teŜ
popadać w przesadę. Wysoki stopień pochłaniania azotu jest
takŜe w dyskusjach publicznych oraz w kwestiach certyfikacji
kolejnym istotnym plusem na korzyść buraków cukrowych.
4|
|7
W biogazowni
Bakterie powinny być najpierw wolno przyzwyczajane do
nowego substratu. TakŜe wielkość sieczki ma znaczenie dla jej
przetworzenia Obowiązuje ogólna zasada: im większe cząstki,
tym dłuŜej trwa rozkład. Drobna sieczka ulegnie szybkiej
przemianie, jednak równie szybko zmieni kwasowość w
komorze fermentacyjnej. W praktyce okazywało się, Ŝe
optymalne jest rozdrabnianie do wielkości pudełka od zapałek.
Wpływ buraków zostanie z pewnością szybko zauwaŜony na
podstawie zwiększonego pozyskiwania gazu.
Obecność ziemi
Obecność ziemi była dotąd w wielu biogazowniach
kryterium
wykluczającym
zastosowanie
buraków
cukrowych. W przypadku obecności ziemi naleŜy
sprecyzować, z jakim typem podłoŜa ma się do czynienia.
Buraki zebrane z piaszczystego pola mają mniejszy
dodatek ziemi niŜ buraki rosnące w podłoŜu gliniastym czy
ilastym. Jednak sypki dodatek ziemi mógłby się łatwiej
osadzić w komorze fermentacyjnej niŜ miałoby to miejsce w
przypadku podłoŜa gliniastego i ilastego. Minerały zawarte w
glinie i ile pyłowym wykazują mniejszą ziarnistość oraz
właściwości płynne (nie opadanie). Niekorzystnie zebrane
buraki cukrowe, na których moŜna zauwaŜyć znaczną
obecność ziemi mogą zostać wykluczone juŜ przed
transportem do biogazowni. Nie moŜna jeszcze
jednoznacznie określić jak duŜo ziemi ostatecznie się osadzi i
jak duŜa część będzie fermentowała, ale zaleŜy to równieŜ
od konsystencji cieczy w komorze fermentacyjnej. Projekty
badawcze KWS obejmują takŜe i tę kwestię. W przypadku
komór fermentacyjnych z urządzeniami separującymi
piasek wzgl. oddzielaczami piasku, ziemia jest usuwana
automatycznie, a osady są znikome.
Istniejąca technika oferuje takŜe moŜliwości wstępnego
oczyszczania lub ewentualnie partia moŜe być wielokrotnie
oczyszczana za pomocą ładowaczy czyszczących, albo teŜ
buraki mogą być myte przed rozdrabnianiem na terenie
biogazowni, wzgl. na polu. W tym celu istnieje duŜo róŜnych
moŜliwości – włącznie z myjniami ziemniaków i innych
5|
warzyw.
Liście buraków
TakŜe liście buraków są odpowiednim substratem dla
biogazowni.
Jeśli
dostępna jest technika
umoŜliwiająca zbiór liści,
ta
organiczna
masa
będzie mogła równieŜ
zostać
poddana
procesowi
kiszenia.
NaleŜy
uwzględnić
warunki przygotowywania
i otrzymywania kiszonek,
np. powstawanie soku,
konieczność
dodatkowego zbijania masy poprzez jazdę na polu itp.
Dotychczasowe
doświadczenia
praktyczne
KWS z powodzeniem wspierał i towarzyszył ałoŜeniu kilku juŜ
instalacji do fermentowania buraków cukrowych. Praktyka
pozwoliła na wyciągnięcie następujących wniosków:
• materiał, jaki stanowią buraki cukrowe, bardzo
szybko przekształca się w metan
• wzrasta wydajność gazu
• stęŜenie metanu w biogazie przy dodatku 25 - 30 %
wzrasta o ok. 2 %
• wyrównywanie wahań wydajności z „karmy
podstawowej“ jest bardzo efektywne, jakościowo zła
kiszonka jest optymalizowana
• moŜliwość szybkiej reakcji na zakłócenia pracy
• dzięki burakom cukrowym fermentująca masa moŜe być
znacznie lepiej wykorzystywana
• zastosowanie buraków stabilizuje proces, co moŜna
sprawdzić za pomocą korzystniejszych wartości
FOS/TAC
|9
• biogazownie stają się bardziej chętne na podaŜ nowych
substratów (ładunek nie zwiększa kwasowości)
• buraki są wydajną alternatywą dla śrutu zboŜowego do
produkcji biogazu
6|
|9
Wiosenny zbiór buraków
Kreatywne spełnianie wymogów
Prawdziwy sukces buraków cukrowych w roli substratów
biogazowych dopiero nastąpi – korzyści mówią same za
siebie. Oczywiście naleŜy się jeszcze uporać z róŜnymi
wyzwaniami. Główne aspekty stanowi obecność ziemi i
całoroczne zaopatrywanie w buraki cukrowe. Odnośnie
oczyszczania z ziemi oraz po stronie urządzeń czy teŜ
samej techniki oczyszczania jest juŜ dostępnych wiele
rozwiązań. Aby zapewnić całoroczne zaopatrzenie, istnieje
moŜliwość rozwinięcia i ulepszenia metod przechowywania
buraków. Koncepcje mieszanych kiszonek w połączeniu z
innymi substratami oraz zoptymalizowane magazynowanie
obiecują interesujące rozwiązania.
Dodatkowo KWS opracowuje nowe koncepcje upraw,
dzięki którym buraki będą mogły być dostępne takŜe na
wiosnę. Wiosenne zbiory buraków stanowią tu bardzo
ciekawy pomysł. Buraki te uprawia się jak międzyplony –
wysiew latem, po Ŝniwach zbóŜ. Po przetrwaniu zimy
mogą być one zbierane w maju, aŜ po zakończenie fazy
intensywnego wzrostu, do świeŜego zaopatrzenia
biogazowni.
Wysiew: 10.08.2007
Wysiew: 03.09.2007
Buraki cukrowe KWS na terenie hodowli Seligenstadt, zdjęcie z 7 października 2007:
obiecujące plony wcześniejszego wysiewu
Energia przyszłości – przebieg czasowy hodowli buraków
ZboŜe lub
GPS
10 |
Burak cukrowy
jako międzyplon
Wysiew: 19.07.2007
Kukurydza
lub proso
ZboŜe lub
GPS
Spełnianie wymogów z
kreatywnością i rozmachem
– to motto pomogło naszym
naukowcom i specjalistom
opracować wiele
inteligentnych rozwiązań
dotyczących buraków. Być
moŜe właśnie ten fakt
stanowi o największych
zaletach buraków w
pozyskiwaniu biogazu.