Agroenergetyka.pl

Energetyka, OZE w sieci: Agroenergetyka na FB
OZE grupa na FB / GL / Blog energetyczno - paliwowy
 
 
strona główna  Zarejestruj się  Ogłoszenia  Forum  Kontakt z Redakcją 


Artykuły
BIOGAZ
 

Produkcja energii biogazowni rolniczej

Data: 2010-01-03
Naturalnym źródłem metanu są również odchody zwierzęce, obornik i gnojowica, dlatego odpady te są dobrym surowcem do produkcji biometanu w biogazowniach rolniczych. Jednak w odróżnieniu od dwu opisanych wcześniej technologii, celem funkcjonowania biogazowni rolniczych jest nie tylko redukcja emisji metanu i utylizacja odpadów, ale przede wszystkim produkcja energii elektrycznej i cieplnej. W tym celu wykorzystywane są nie tylko odpady, ale także biomasa z celowych upraw rolniczych. W Niemczech powstają nawet biogazownie rolnicze, w których surowcem jest wyłącznie biomasa roślin z celowych upraw. Właśnie w Niemczech notuje się dynamiczny rozwój biogazowni rolniczych, w Polsce natomiast funkcjonuje obecnie jedna biogazownia rolnicza, jednak obserwuje się rosnące zainteresowanie tą technologią w kraju.

Produkcja biogazu w biogazowniach rolniczych przeprowadzana jest w komorach fermentacyjnych, wyposażonych w instalacje: do mieszania wsadu, grzewczą, dozującą biomasę, gazową. Surowiec ze zbiornika wstępnego dozowany jest do komory fermentacyjnej, skąd po rozłożeniu substancji organicznej jest transportowany do laguny lub zbiornika pofermentacyjnego. Odpad pofermentacyjny wykorzystywany jest do użyźniania pól uprawnych. Biogaz jest kierowany do modułu kogeneracyjnego, w którym energia chemiczna biogazu ulega konwersji na energię elektryczną oraz cieplną. Część energii zostaje zużyta na potrzeby biogazowni (głównie do ogrzania komór fermentacyjnych), nadmiar jest sprzedawany do sieci energetycznej; ciepło również może być sprzedawane odbiorcom zewnętrznym. Ilość energii potrzebnej do zaspokojenia wewnętrznych potrzeb biogazowni zależy od szczegółów technologicznych rozwiązań konstrukcji (wyniesienie lub zagłębienie komór w stosunku do powierzchni ziemi, sposoby izolacji, grubość ścian komór itp.), warunków klimatycznych w danym regionie (zachowanie stabilnej temperatury zimą w Polsce wymaga znacznie większego zużycia energii niż np. w krajach południowej Europy). Przeciętne zapotrzebowanie biogazowni na energię elektryczną stanowi ok. 20% jej ogólnej produkcji, zaś w przypadku energii cieplnej ok. 40% wykorzystywane jest na potrzeby własne. Jeżeli instalacja kogeneracyjna w danym czasie nie pracuje, urządzeniem spalającym biogaz jest pochodnia gazowa. Stany te są najczęściej krótkotrwałe i sporadyczne (wymiana oleju, wymiana filtrów, pomiar luzów, sprawdzanie rozrządu itd.).



Produkcja biogazu
Ilość i skład biogazu zależy głównie od składu chemicznego poddawanych fermentacji związków organicznych, temperatury prowadzenia procesu i czasu przetrzymania substratów w reaktorze. Z 1 kg węglowodanów powstaje średnio 0,42 m3 CH4, z białek 0,47 m3 CH4, tłuszczów 0,75 m3 CH4. W przybliżeniu dla wsadu energetycznego komory można przyjąć łączną produkcję biometanu w oparciu o empiryczny wzór:
V(CH4) = 0,35 x (ChZTw – ChZTo) x Q
gdzie:
V(CH4) - produkcja biometanu [m3/doba]
ChZTw - chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji zasilających [kg O2/kg biomasy]
ChZTo - chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji przefermentowanych [kg O2/kg biomasy]
Q – masowe natężenie przepływu biomasy przez komorę [m3/doba]

Substraty rolnicze wykorzystywane w procesie fermentacji
Podstawowym substratem wykorzystywanym w biogazowni rolniczej jest gnojowica. W zależności od gatunku zwierząt, ilość energii zawartej w biogazie pochodzącym z gnojowicy, okazuje się różna.

Wartość energetyczna biogazu w funkcji liczby DJP (dużych jednostek przeliczeniowych – sztuk dużych)

Na ekonomikę procesu fermentacji ma wpływ stężenie substancji organicznych. Ze względu na niskie stężenie substancji organicznych w gnojowicy uzasadnione jest uzupełnianie wsadu różnymi substratami organicznymi, dostępnymi na lokalnym rynku. Mogą to być odpady z rzeźni, pozostałości z produkcji roślinnej, a także biomasa z celowych upraw polowych. Kosubstraty w procesie fermentacji beztlenowej umożliwiają właściwe obciążenie komory fermentacyjnej, optymalizują kinetykę procesu fermentacji metanowej poprzez lepszą konfigurację proporcji węgla do azotu, polepszając jej efektywność i opłacalność ekonomiczną.

Do produkcji biogazu nadaje się zarówno gnojowica pochodząca z ferm trzody chlewnej, jak i bydła. Porównanie jednostkowej wydajności tych substratów wypada na korzyść gnojowicy świńskiej (tab. 1). Ponadto biogaz z gnojowicy bydlęcej charakteryzuje się niższą zawartością biometanu. Różnice te wynikają z faktu, że w żołądkach bydła, a więc zwierząt przeżuwających, zachodzi już wstępna fermentacja związków organicznych, przez co gnojowica jest nieco uboższa.



Nie tylko gnojowica może być surowcem z produkcji zwierzęcej, ale również odchody o większej zawartości suchej masy, jak obornik czy odchody drobiu. O ile obornik znajduje obecnie w Polsce w całości wykorzystanie w rolnictwie jako nawóz organiczny, o tyle kurzeniec często nastręcza problemy, gdyż fermy kurze prowadzące chów bezściółkowy nie potrzebują gruntów, na których mógłby on być stosowany. W tej sytuacji fermentacja jest racjonalnym sposobem utylizacji odchodów i zmniejszenia obciążenia środowiska biogenami wprowadzanymi wraz ze świeżym kurzeńcem. Ze względu na fakt, że odchody drobiu charakteryzują się dość wysokim stężeniem (zawartość suchej masy na poziomie 25-40% w zależności od systemu utrzymania zwierząt), niezbędne jest zastosowanie kosubstratów płynnych, które pozwolą na odpowiednie rozcieńczenie wsadu do poziomu poniżej 15%, co jest wartością graniczną dla procesu fermentacji mokrej. W technologii proponowanej przez firmę PolHoSt do rozcieńczania odchodów proponowana jest woda, której część jest następnie zawracana z odcieku do komory fermentacyjnej, co pozwala ograniczyć wykorzystanie czystej wody w celach produkcyjnych. Zamiast wody można też zastosować inne ciecze, jak np. serwatka, jednak wówczas należy uwzględnić zawartość poszczególnych składników w ciekłym kosubstracie, gdyż mogą one wpływać znacząco na przebieg procesu, choćby wskutek zmiany stosunku C:N. Budowa biogazowni przy fermie drobiu pozwala zagospodarować ciepło do ogrzewania budynków inwentarskich. Zagospodarowanie pozostałości po fermentacji nastręcza znacznie mniej problemów w porównaniu z odchodami świeżymi, dzięki zmianie ich właściwości: zmniejszeniu uciążliwości zapachowej, ograniczeniu emisji amoniaku do atmosfery, lepszej przyswajalności składników przez rośliny. Istnieje też możliwość suszenia odpadu pofermentacyjnego i stosowaniu go jako biomasy stałej w procesie spalania.

Poszukiwanie bazowych substratów do produkcji biogazu w otoczeniu rolnictwa może nas zaprowadzić do zakładów przetwarzających płody rolne, jak gorzelnie i browary, gdzie powstają produkty uboczne: wywar gorzelniany i młóto (wysłodziny) browarnicze. Właśnie wywar jest podstawowym substratem w technologii proponowanej w Polsce przez Aufwind Schmack Nowa Energia. Jako kosubstraty znajdują zastosowanie odpady z przetwórstwa warzyw i biomasa z celowych upraw kukurydzy. Koncepcja łączenia biogazowni z gorzelnią jest racjonalna pod warunkiem stabilnej sytuacji krajowego gorzelnictwa, co niestety ostatnio stało się problematyczne. Jednak w przypadku jednostek, których funkcjonowanie nie jest zagrożone, jest to bardzo korzystny mariaż. Gorzelnia wówczas jest z jednej strony dostawcą podstawowego kosubstratu, z drugiej zaś odbiorcą ciepła z biogazowni, co znacząco podnosi efektywność ekonomiczną inwestycji. Nadmiar energii cieplnej powstającej w biogazowni jest często poruszanym problemem, a jego racjonalne zagospodarowanie nastręcza kłopoty. Stały odbiorca tej energii, jakim byłaby gorzelnia, to ogromny atut tego rozwiązania technologicznego. W zależności od zapotrzebowania gorzelni, mogłaby ona zagospodarowywać nie tylko nadmierną część ciepła z kogeneratora, ale też np. spalać część biogazu w kotle parowym. Biogazownia będzie też być dostawcą energii elektrycznej dla gorzelni, uniezależniając ją od dostawców zewnętrznych. Rozwiązanie to ma również zalety środowiskowe: zmniejszenie zużycia energii konwencjonalnej i węgla, utylizacja wywaru, zmniejszenie uciążliwości związanych z jego stosowaniem w przypadku rozlewania na polach, eliminacja odoru, zmniejszenie zawartości suchej masy, podwyższenie stopnia mineralizacji składników, a dzięki temu wzrost ich biodostępności.

Innym odpadem powstającym przy przerobie surowców pochodzenia rolniczego jest serwatka. Jako uboczny produkt powstający w zakładach mleczarskich podczas wytwarzania serów twardych i twarogów, jest złożoną mieszaniną wielu wartościowych składników: węglowodanów (zwłaszcza laktozy), bia¬łek, tłuszczu, kwasów organicznych, witamin i soli mineralnych. Z całkowitej objętości mleka wykorzystywanego do produkcji serów blisko 80–90% opuszcza proces technologiczny jako ser¬watka. Pomimo istnienia wielu możliwości przemysłowego zago¬spodarowania serwatki, stanowi ona w mleczarniach olbrzymi problem. Dlatego wciąż poszukuje się nowatorskich i efektywnych metod transformacji serwatki do użytecznych produktów. Serwatka jest doskonałym substratem fermentacyjnym. Ocenia się, że w Polsce objętość powstającej serwatki wynosi blisko 2 mln m3/rok. Ilość energii, jaką można uzyskać z takiej ilości serwatki w procesie fermen¬tacji metanowej mieści się w przedziale 198–560 GWh/rok.

W związku z tym, że w zasadzie każdy rodzaj substratów organicznych podlega tym samym przemianom w warunkach beztlenowych, wybór substratów dla biogazowni uwarunkowany jest przede wszystkim ich ceną i dostępnością. Najmniejsze koszty ponoszone są w przypadku zastosowania różnego rodzaju odpadów: z produkcji zwierzęcej, roślinnej czy przemysłu rolno-spożywczego. Szeroko dostępnym surowcem ubocznym jest gnojowica, dlatego wiele biogazowni powstaje właśnie przy fermach trzody chlewnej i bydła. Fermentacja gnojowicy pozwala na jej odpowiednie zagospodarowanie, poprawę jakości tego naturalnego nawozu, a równocześnie przynosi dodatkowy dochód dla gospodarstwa. Właśnie gnojowica jest podstawowym substratem w pierwszych rolniczych biogazowniach, jakie powstały w Polsce, należących do firmy Poldanor. Jednak doświadczenia biogazowni duńskich, które służyły za przykład dla Poldanoru, a także słabe wyniki uzyskiwane przed laty w krajowych biogazowniach IBMER-u wskazują, że fermentacja samej gnojowicy jest nieefektywna. Aby zintensyfikować proces należy zwiększyć zawartość suchej masy w komorze, przez dodanie kosubstratów. Często w tym celu wykorzystuje się biomasę z celowych upraw: kukurydzy, żyta, sorgo, lucerny itp. Mogą być to również odpady z przetwórni owoców, warzyw, a nawet substraty pochodzenia zwierzęcego z ubojni i rzeźni, odpadowy tłuszcz, frakcja glicerynowa itp. Istotne jest zachowanie proporcji pomiędzy węglem i azotem (stosunek C:N). Jeśli ta relacja jest za wysoka (dużo C i mało N), nie może dojść do całkowitej przemiany węgla, a tym samym nie można uzyskać możliwego potencjału metanu. W odwrotnym przypadku, przy nadmiarze azotu, może dojść do powstania amoniaku (NH3), który już w niewielkich stężeniach hamuje wzrost bakterii. Do prawidłowego przebiegu procesu stosunek C:N powinien mieścić się w zakresie 10–30. Ważne są też relacje pomiędzy zawartością fosforu i siarki. Aby bakterie otrzymywały dostateczną porcję substancji pokarmowych, stosunek C:N:P:S powinien wynosić 600:15:5:1. W składzie substratów niezbędne jest też występowanie pierwiastków śladowych i składników pokarmowych, takich jak żelazo, nikiel, kobalt, selen, molibden i wolfram, koniecznych do wzrostu i przetrwania bakterii.

W rolnictwie i jego otoczeniu powstaje wiele surowców, które można przeznaczyć do efektywnej produkcji biogazu. Wybór optymalnej technologii powinien być poprzedzony uważnym rozpoznaniem tych zasobów, ich jakości, ilości, stabilności dostaw, kosztów pozyskania, przechowywania i transportu. Oferty poszczególnych firm oferujących usługi w zakresie budowy biogazowni pozwalają wybrać odpowiednią technologię, zaś specjaliści pomogą zoptymalizować proces tak, aby był możliwie wydajny w warunkach konkretnej lokalizacji.
 
strona główna | polityka prywatności | nota prawna | partnerzy | kontakt | mapa serwisu | REKLAMA
Projekty HVAC | turbiny wiatrowe | Forum OZE
Copyright © Agroenergetyka.pl | design: Projekty internetowe