anaerobic digestion pl

8/2/2019 Anaerobic Digestion Pl

1/23

0. Podstawowe dane dotyczce opisu technologii

Tytu: Fermentacja beztlenowa

Data: Marzec 2010Imi i nazwisko osoby/osb: Erik Fischer

Instytucja (e): DBFZ- German Biomass Research Centre

Adres (y) e-mail: [email protected]

1. Podsumowanie

Obecnie wiedza z zakresu produkcji biogazu jest bardzo obszerna i stosowane technologies zaawansowane technicznie. Odpowiedni dobr urzdze oraz rozwizatechnologicznych opartych na wiedzy fachowej i optymalnym wyborze, co pozwala na

uzyskanie systemw produkcji biogazu charakteryzujcych si niskim poziomem emisji iwysokim stopniem bezpieczestwa procesowego.

Prowadzone prace badawcze i rozwojowe nad technologiami otrzymywania biogazuukierunkowane snie tylko na bardziej efektywne wykorzystanie surowcw naturalnych leczrwnie na wykorzystanie w bardziej wydajny sposb bioodpadw.

Ciepo uzyskiwane z procesw spalania biogazu moe by wykorzystywane w rny sposbprzy zastosowaniu rnorakich technologii, w zalenoci od lokalizacji wytwrni biogazu.Mona oczekiwa, e due wytwrnie biogazu dostarcza bdpaliwo gazowe (biologicznieotrzymywany metan) do ju istniejcych lokalnych czy regionalnych sieci gazu ziemnego.Poza tym, bardzo wane moe by zastpienie konwencjonalnych rde energii biogazem

do produkcji energii elektrycznej.Biogaz stanowicy rdo energii, wytwarzany jest w wyniku fermentacji masy organicznejbez dostpu tlenu (proces beztlenowy). Porwnywalny proces zachodzi w waczu zwierztprzeuwajcych. W zbiorniku fermentacyjnym, stanowicym podstawowy element kadejwytwrni biogazu, obornik, odpady organiczne lub roliny energetyczne przetwarzane snagaz zawierajcy metan. Biogaz posiadajcy warto opaow rednio do 5,5 kWh/m3,stanowi nonik energii, ktry moe by wykorzystywany na kilka rnych sposobw.Pozostao po fermentacji jest wysokiej jakoci nawozem, ktry wykorzystywany jestponownie na terenie gospodarstwa rolnego. Otrzymywany biogaz jest obecnie najczciejwykorzystywany do otrzymywania ciepa i energii elektrycznej w kogeneratorachnapdzanych silnikiem. Uzyskana energia elektryczna doprowadzana jest do krajowej sieci

energetycznej w cenach zgodnie z umowami zawieranymi z lokalnymi dostawcami energiilub zgodnie z zapisami prawnymi (np. niemiecka ustawa o odnawialnych rdach energii).Cz uzyskanego ciepa wykorzystywana jest w celu zapewnienia wymaganej temperaturyw zbiorniku fermentacyjnym. Pozostaa ilo ciepa moe by przeznaczona na ogrzewaniebudynkw lub wykorzystywana jako ciepo technologiczne. Oprcz stosowania biogazu wkogeneratorach do produkcji energii elektrycznej, moliwe jest rwnie inne wykorzystywaniebiogazu. Po odpowiednim oczyszczeniu biogaz moe by podawany do sieci gazu ziemnegolub wykorzystany bezporednio jako paliwo do pojazdw.


2/23

2. Spis rozdziaw

1. Proces produkcji biogazu

2. Substraty nadajce si do wykorzystania3. Wytwrnia biogazu

4. Mokra fermentacja

5. Sucha fermentacja

6. Pomiary i kontrola procesu

7. Magazynowanie biogazu

8. Wykorzystywanie biogazu

9. Biogaz Kogeneracja

10. Mikroturbiny biogazowe

11. Ogniwa paliwowe pracujce na biogazie

12. Biometan jako substytut gazu ziemnego

3. Szczegowy opis technologii

3.1 Opis technologii krok po kroku

Proces produkcji biogazu

Biogaz powszechnie wystpuje w naturze. Biogaz powstaje zawsze tam, gdzie nastpuje

rozkad substancji organicznej bez dostpu tlenu (proces zwany fermentacj beztlenow),np. na bagnach, na dnie jezior lub w odkach przeuwaczy. W tych warunkach materiaorganiczna jest prawie cakowicie przetwarzana na biogaz. Proces w wyniku, ktregowytwarzany jest biogaz obejmuje skomplikowan interakcj pomidzy rnymimikroorganizmami i odbywa si w czterech etapach (patrz Rysunek 1). Pierwszym etapemrozkadu jest faza hydrolizy w ktrej zwizki organiczne o dugich acuchach (np. tuszcze,wglowodany) rozkadane s do prostszych zwizkw i substancji rozpuszczalnych (np.aminokwasy, kwasy tuszczowe, cukry). Produkty hydrolizy w drugim etapie (zakwaszania acydogenezy) przetwarzane s przez bakterie acydogeniczne do krtkoacuchowychkwasw tuszczowych (np. kwasy octowy, propionowy oraz kwas butanowy). Dochodzi tu dotworzenia innych substancji takich jak: sole kwasu octowego, wodr i dwutlenek wgla, ktrepeni rol produktw wstpnych do wytworzenia metanu. Na etapie acetogenezy kwasyorganiczne i alkohole zostajrozoone na kwas octowy, wodr i dwutlenek wgla. Produktyte peni rol substratu dla mikroorganizmw metanogenicznych. W czwartym, ostatnimetapie, w trakcie ktrego wytwarza si metan (metanogeneza), produkty z poprzedzajcychfaz przetwarzane s w metan za porednictwem mikroorganizmw metanogenicznych(archeany). Produktem kocowym fermentacji jest palny biogaz, ktry gwnie skada si znastpujcych zwiazkw:

50 75% metan (CH4)

25 45% dwutlenek wgla (CO2)

7 % woda (H20)

< 2% tlen (O2)


3/23

< 2% azot (N2)

< 1 % amoniak (NH3)

< 1 %siarkowodr (H2S).

Rysunek 1.:Schemat powstawania biogazu /FNR/

Warto energetyczna biogazu uzaleniona jest bezporednio od zawartoci w nim metanu.Im wysza zawarto substancji takich jak tuszcze i skrobia, ktre ulegaj atwemurozpadowi w sfermentowanej masie, tym wyszy bdzie uzysk biogazu. Jeden metrszecienny (m3) metanu posiada warto energetyczn na poziomie okoo dziesiciukilowatogodzin (9,97 kWh). I tak, dla biogazu o zawartoci 60% metanu, warto opaowawynosi okoo 6 kWh/3, co stanowi rwnowarto okoo 0,6 litra oleju opaowego.


4/23

Substraty nadajce si do wykorzystania

Do produkcji biogazu mona zastosowa wiele rodzajw substratw organicznych. Wwytwrniach znajdujcych si na terenie gospodarstw rolnych, gwnie wykorzystuje si dotego celu jako podstawowy substrat odchody zwierzce (np. gnojowica bydlca lubwieprzowa). W celu zwikszenia produkcji biogazu mog by rwnie stosowane innemateriay organiczne (patrz Zacznik), takie jak roliny, ktre s uprawiane w celu ichenergetycznego wykorzystania (tzw. roliny energetyczne). Roliny energetyczne, ktremogby uprawiane rwnie na ugorach stanowiwane odnawialne rdo biomasy, ktramoe by wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej, ciepa i paliwa.Wykorzystywanie tych substratw stopniowo si zwiksza. Surowce odnawialne obejmujzbiory zb, traw, kukurydz, proso, sonecznik i wiele innych. Obok surowcwodnawialnych, substraty pochodzenie nierolniczego, takie jak pozostaoci organicznepochodzce z przemysu spoywczego (np. wytoczyny, gorzelny zacier odfermentowany,pozostaoci z oddzielania tuszczu), odpadki warzywne z hurtowni, odpadki ywnociowe

lub skrawki trawy, a take odpady organiczne ze skadowania odpadw komunalnych, srwnie stosowane do produkcji biogazu. Stosowanie fermentacji materiaw resztkowych(zwanej wspfermentacj) daje moliwo zamknicia cyklu produkcyjnego w wynikuktrego generowana jest minimalna ilo odpadw i osignicia wysokiego poziomuhigienicznego. Rysunek 2 przedstawia uzysk biogazu w 1m3 oraz zawarto w nim metanu wzalenoci od stosowanych substratw (w odniesieniu do 1 tony wieej masy substratu).

Rysunek 2. uzysk biogazu w m3oraz zawartow nim metanu w zalenoci od stosowanychsubstratw (w odniesieniu do 1 tonywieej masy substratu). /Handreichung Biogaz/

Proces fermentacji beztlenowej jest niezwykle wraliwy na zakcenia. Zakcenia te mogby spowodowane przyczynami technicznymi lub czynnikami opniajcymi. Czynniki te,nawet w niewielkich ilociach, mogmie negatywny wpyw na bakterie, a std te na proces


5/23

rozkadu. Zwizane on mogby z substratem podawanym do komory fermentacyjnej z lubpochodz z produktw porednich poszczeglnych etapw rozkadu. Na przykad,podawanie zbyt duych iloci substratu do komory fermentacyjnej moe hamowa proces

fermentacji, poniewa, obecno zbyt duego stenia jakiegokolwiek skadnika w substraciemoe mie szkodliwy wpyw na bakterie. Istniej rwnie substancje, ktre nie sprzyjajwytwarzaniu biogazu, a ich zbyt due stenie, moe by toksyczne dla bakterii, pomimoposiadania pewnej tolerancji przez mikroorganizmy w odniesieniu do tych substancji.Szczeglnie w przypadku rodkw dezynfekujcych i detergentw, antybiotykw,rozpuszczalnikw, rodkw chwastobjczych, soli lub metali cikich, ktrych nawetniewielkie iloci moghamowa proces fermentacji. Z drugiej strony, siarkowodr, ktry jestproduktem procesu fermentacji, moe by trujcy dla mikroorganizmw w roztworze i moerwnie hamowa proces rozkadu. Niemniej jednak, ladowe iloci siarki w substancjachmineralnych s istotne dla bakterii metanogenicznych. Zbyt due stenie amoniaku rwniemoe hamowa wytwarzanie metanu i dlatego te obornik drobiowy czy czasami gnojowicawieprzowa srozcieczane lub mieszane ze wspsubstratami o niskiej zawarto azotu.

Wytwrnia biogazu

Biogazownie rolnicze skadaj si gwnie z magazynu gnojowicy, ukadu dozowaniasubstancji w stanie staym, komory fermentacyjnej, w ktrej nastpuje fermentacja orazzbiornika do magazynowania przefermentowanych pozostaoci (odpad powstajcy poprocesie rozkadu beztlenowego). W przypadku stosowania innego rodzaju substratu, np.rolin biorcych udzia we wspfermentacji zaistnieje konieczno doowania, rozdrabniania,usuwania zanieczyszcze oraz pasteryzacji. Wyprodukowany gaz w zalenoci od metodjego wykorzystania podawany jest do zbiornikw i instalacji jego oczyszczania.

Fermentacja mokra

Magazyn gnojowicy wykorzystywany jest do tymczasowego przechowywania substratufermentacji. Substraty w formie staej wymagaj odpowiednich urzdze dozujcych. Wprzypadku wykorzystywania rwnie innych substratw, wymagane mog by dodatkowebudynki przeznaczone do ich przyjmowania i oczyszczania, w zalenoci od ich waciwoci.Oprcz rozdrabniania, usuwanie zanieczyszcze ma szczeglny wpyw prawidowyprzebiegu procesu, jak rwnie na jakoci odpadu powstajcego po procesie rozkadubeztlenowego. W przypadku stosowania substratw do wspfermentacji takich jak m. in:odpady organiczne, odpady pochodzce z przetwrstwa zwierzt i przetwrstwaspoywczego, a mogcych stanowi zagroenie sanitarne (chorobotwrcze), przestrze ichprzyjcia, magazynowania i przetwarzania musi by odpowiednio zabezpieczona zwydzieleniem obszaru strefy brudnej i czystej. Ponadto, urzdzenia do pasteryzacji muszzapewnia podgrzewanie substratw do temperatury nie wikszej ni 70C przez co najmniej60 minut. Proces ten powoduje likwidacj patogenw w substracie, ktre stanowizagroenie dla zdrowia. Komora fermentacyjna (reaktor) to podstawowy element wytwrnibiogazu, ktry zasilany jest substratami do fermentacji. W zalenoci od rodzaju pracykomory, substraty podawane sw sposb cigy lub okresowo. Z tego powodu wytwrniebiogazu mona podzieli na:

cige

niecige.


6/23

W przypadku niecigego procesu produkcji biogazu rwnie znanego jako procesperiodyczny lub okresowy komora fermentacyjna jest cakowicie wypeniona wieymsubstratem i jest zamknita hermetycznie. Substrat pozostaje w zbiorniku do koca

wymaganego czasu retencji, bez dodawania czy usuwania jakiegokolwiek substratu.Nastpnie komora fermentacyjna zostaje oprniana i napeniana ponownie nowymsubstratem. Po napenieniu komory rozpoczyna si proces wytwarzania biogazu. Ilouzyskanego biogazu wzrasta powoli osigajc maksimum, nastpnie ilo biogazustopniowo maleje. Okresowa produkcja biogazu jest procesem najszerzej stosowanym wprzypadku suchej fermentacji.

Procesy cige charakteryzuj si regularnym zasilaniem komory fermentacyjnej. Komorafermentacyjna rwnie spenia rol zbiornika do przetrzymywania odpadu powstajcego poprocesie rozkadu beztlenowego do momentu jego usunicia. Wad tego rodzaju procesujest wysokie zuycie energii zuywanej na ogrzewanie duego pomieszczenia, w ktrymusytuowana jest komora. Zaletami natomiast s niskie nakady inwestycyjne oraz

wykorzystywanie biogazu z fermentacji wtrnej. Fermentacja pciga jest obecnienajbardziej rozpowszechnionym procesem stosowanym w Europie Zachodniej. Rysunek 3przedstawia schemat rolniczej wytwrni biogazu realizujcej proces mokrej fermentacji.

Rysunek 3.: Schemat rolniczej wytwrni biogazu z wykorzystaniem wspsubstratu /FNR/

Kilka razy dziennie substrat ze zbiornika gnojowicy wpompowywany jest do komoryfermentacyjnej. Ilo podawanego wieego substratu rwna iloci masy pofermentacyjnejusuwanej do zbiornika pozostaoci. Tak prowadzony proces pozwala na uzyskanie w miarstaej iloci wytwarzanego biogazu, co nie jest bez znaczenia w przypadku produkcji energiielektrycznej. Po odpowiednim czasie retencji pozostaoci po fermentacji wprowadzane s

do zbiornika magazynowania odpadu. Stosowane s rne rodzaje modeli komr


7/23

fermentacyjnych (stalowe lub betonowe, prostoktne lub cylindryczne, poziome lubpionowe). Podstawowym wymogiem jest wodoszczelno i gazoszczelno, jak rwniecakowita nieprzezroczysto komory fermentacyjnej. Zastosowane urzdzenie mieszajce

zapewnia jednorodno substratu poniewa - w zalenoci od materiau wyjciowego substrat posiada wiksz lub mniejsz tendencj do rozdzielania si na warstw pywajc isedymentacyjn. Mieszado w komorze fermentacyjnej gwarantuje rwne rozprowadzeniesubstratu w jej obrbie oraz poprawia warunki odgazowywania masy fermentacyjnej. Wprzypadku tworzenia si warstwy sedymentacyjnej, co wystpuje przy fermentacji obornikadrobiowego lub odpadw organicznych ulegaj fermentacji, warstwa ta musi bysystematycznie usuwana za pomoc odpowiednich urzdze. Poniewa ilo ciepawytwarzanego przez mikroorganizmy podczas fermentacji jest niewystarczajca doprawidowego przebiegu procesu, komora fermentacyjna musi by zaizolowana i podgrzanaod zewntrz w celu stworzenia idealnych dla bakterii warunkw pod wzgldem temperatury.Temperatura fermentacji jest wanym parametrem procesu, ktry ma istotny wpyw naszybko przebiegu fermentacji beztlenowej. W zasadzie mona rozrni dwa przedziaytemperatury:

Wikszo rolniczych wytwrni biogazu (patrz Rysunek 4) dziaa w zakresie mezofilnym. Wprzypadku wykorzystywania do produkcji biogazu biomasy, ktra stanowi moe zagroeniez punktu widzenia sanitarnego lub celem procesu jest osignicie wysokiej wydajnocibiogazowi stosuje si proces fermentacji termofilnej. Jednym z istotnych parametrwprocesu jest hydrauliczny czas retencji (HRT). Parametr ten okrela redni czas przebywaniasubstratu w komorze fermentacyjnej i obliczany jest na podstawie roboczej pojemnocikomory fermentacyjnej oraz iloci biomasy jaka jest codziennie do niej zaadowywana.Celem dziaania biogazowi jest uzyskanie maksymalnej wydajnoci produkcji gazu lubcakowita fermentacja materii organicznej zawartej w substracie. Jeeli powadzony jestproces w kierunku cakowitego rozkadu skadnikw organicznych, co wie si zodpowiednio dugim czasem retencji, zastosowany musi by reaktor o odpowiednichgabarytach. Wanym parametrem operacyjnym jest wielko zaadunku. Okrela on ilekilogramw suchej masy organicznej moe zosta zaadowanych do komory fermentacyjnejna 1m3 objtoci na jednostk czasu. Po zakoczeniu procesu fermentacji, substratprzechodzi do zbiornika magazynowego odpadu powstajcego po procesie rozkadubeztlenowego. Zbiornik ten powinien by szczelnie zamknity tak, aby moliwe byoodzyskanie resztek biogazu, jak rwnie, w celu zapobieenia zanieczyszczeniu rodowiskai wydostawaniu si przykrych odorw. Wielko zbiornika do magazynowania odpadu poprocesie rozkadu beztlenowego determinowana jest przez wymagany okres jegoprzechowywania, po ktrym materia ten moe by bezpiecznie wykorzystywany w rolnictwie.


8/23

Rysunek 4.: Wytwrnia biogazu z dachem wykonanym z folii, speniajcy rolzintegrowanego zbiornika na gaz

Sucha fermentacja

Obecnie dziaajce wytwrnie biogazu w Europie Zachodniej oparte sprawie bez wyjtkuna fermentacji mokrej. Stosowanie substancji w stanie staym (np. surowce odnawialne) jestrwnie moliwe lecz w ograniczonym zakresie. Podzia procesu fermentacji na mokr isuch z biologicznego punktu widzenia jest niezbyt dokadny, poniewa w obydwuprzypadkach bakterie uczestniczce w procesie fermentacji wymagaj fazy ciekej. Niemniejjednak, proces suchej fermentacji nie wymaga podstawowego substratu w formie ciekej.Stosowanie suchej fermentacji jest rozwizaniem w przypadku braku gnojowicy lubjakichkolwiek innych substratw podstawowych w formie ciekej, lecz duej iloci biomasyprzystosowanej do ukadania w stosy. W przeciwiestwie do mokrej fermentacji, substratwykorzystywany w suchej fermentacji nie moe by przepompowywany w procesiewytwarzania biogazu substrat nie jest mieszany. Jednake, podobnie jak w mokrejfermentacji, proces ten wymaga wilgotnego rodowiska. Proces suchej fermentacjipierwotnie wykorzystywany do unieszkodliwiania odpadw organicznych i odpadwpoprodukcyjnych znalaz teraz zastosowanie w sektorze rolniczym. Biomasa o zawartocisuchej masy na poziomie pomidzy 20 a 40% moe zatem zosta poddana fermentacji.Wykorzystywane substraty to: obornik w formie ciaa staego, surowce odnawialne (takie jakkiszonka paszowa z kukurydzy, zbir zboowy czy trawa) oraz pozostaoci plonw (takie jaksoma i odpady zboowe), jak rwnie odpady zielone i organiczne. Obecnie stosowanych

wiele technologii, ktre mona waciwie mona podzieli na dwie grupy: systemy cige (np.komora fermentacyjna z przepywem tokowym) i niecige. Procesy suchej fermentacjistanowi alternatyw dla szeroko stosowanych procesw fermentacji mokrej, a taketechnologie te posiadajcharakter przyszociowy gwnie ze wzgldu na nieskomplikowanerozwizania techniczne oraz e umoliwiaj one fermentacj, bez potrzeby stosowaniagnojowicy (patrz Rysunek 5).


9/23

Pomiary i kontrola procesu

Fermentacja beztlenowa organicznych substratw jest procesem bardzo zoonym iwieloetapowym. Na proces ten ma wpyw dua liczba czynnikw mikrobiologicznych,chemicznych i fizycznych. Z tego wzgldu kontrola tego procesu wymaga rejestrowania wieluparametrw. Dodatkowkomplikacj stanowi fakt, e poszczeglne etapy procesu posiadajrn dynamik, ktra w znacznym stopniu zaley od skadu wykorzystanych substratw.Podstawowe parametry procesu wytwarzania biogazu to:

temperatura w komorze fermentacyjnej,

warto pH w komorze fermentacyjnej,

ilo wytworzonego gazu,

zawartoci metanu, siarkowodoru i tlenu w gazie,

stosunek lotnych kwasw organicznych do cakowitego wgla nieorganicznego w komorzefermentacyjnej (warto VOA/TIC).

Rwnie wanymi parametrami sskad chemiczny substratu, ilo podawanej biomasy oraz

zawarto w niej suchej masy i suchej masy organicznej. Ze wzgldu na istotny wpywmetanu na klimat, wytwrnie wytwarzajce powyej 20 m3 biogazu/godz. powinny bywyposaone w instalacj unieszkodliwiania gazu (np. palnik gazowy) lub pochodni, ktraumoliwi spalanie wytwarzanego biogazu w sytuacji braku jego odbioru awaria skojarzonejsiowni (elektrociepowni). Poniewa biogaz jest materiaem atwopalnym i wybuchowym wmieszaninie z 6 12% powietrza dlatego te bezwzgldnie powinny by przestrzeganeprzepisy bezpieczestwa dla rolniczych wytwrni biogazu oraz stosownych przepiswprawnych (standardw, itp.). cise przestrzeganie przepisw zapewnia poziombezpieczestwa prac z biogazem porwnywalny do poziomu bezpieczestwa w pracach zgazem ziemnym dziaa.

Rysunek 5.: Wytwrnia biogazu metodsuchej fermentacji /FNR/


10/23

Magazynowanie biogazu

Zbiorniki magazynowe biogazu speniaj rol buforu dla skompensowania rnic pomidzyiloci wytwarzanego gazu a jego zuyciem. Stosowane jest rozwizanie zintegrowanegozbiornika gazu z komor fermentacyjn. Komora fermentacyjna zamknita jest szczelnie odgry foli. W przestrzeni nad lustrem substratu, a przykryciem foliowym magazynowany jestniskocinieniowy gaz. Istniej rwnie inne rozwizanie polegajce na stosowaniu tanichzbiornikw wykonanych z folii, w ksztacie balonu, jako zewntrznych zbiornikw gazu(oddzielne wydzielone i zabezpieczone miejsce). Przed wykorzystaniem, z gazu muszbyusunite czstki i kondensat. Wany rwnie jest proces odsiarczania gazu w celuwyeliminowania korozji agregatw elektrociepowni. Dla rolniczych biogazowi dopuszczalnejest stosowanie niedrogiego sposobu odsiarczania, polegajce na podawaniu 35%powietrza do komory fermentacyjnej. Przy prawidowym prowadzeniu instalacji, stosowanietej operacji pozwala na osignicie stopienia odsiarczania na poziomie do 95%.

Rysunek 6.: Schemat rnych sposobw zastosowania biogazu oraz etapy jegooczyszczania /FNR/

Wykorzystywanie biogazu

Odsiarczony i oczyszczony biogaz podobnie jak gaz ziemny, moe by wykorzystywany nawiele rnych sposobw. Jeden metr szecienny biogazu moe zastpi okoo 0,6 l olejuopaowego. Obecnie najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniem biogazu jestwytwarzanie energii elektrycznej w elektrociepowni. Biogaz jest jednak uniwersalnymrdem energii, a moliwoci jego zastosowania przedstawiono na rysunku poniej (patrzRysunek 6).

Biogaz - elektrociepownia

Wykorzystanie biogazu w kierunku wytwarzania energii elektrycznej i ciepa jestrozwizaniem najpopularniejszym. Elektrociepownia skada si z silnika spalinowegozasilanego biogazem, ktry napdza generator do wytwarzania energii elektrycznej (patrzRysunek 7). Ciepo z ochadzania silnika i spalin wykorzystywane jest do ogrzewania komory


11/23

fermentacyjnej oraz o ile to moliwe do ogrzewania domw mieszkalnych, a takeprzekazywane do innych odbiorcw energii cieplnej. Dostpnych jest kilka modeli silnikw ornych systemach pracy. Silniki przystosowane do zasilania gazem (zasada silnika

czterosuwowego Otto) wykorzystywane s podobnie jak jednostki z zaponem iskrowym.Silniki tego typu sw stanie pracowa na gazie o zawartoci metanu co najmniej 45%. Silnikio zaponie iskrowym, z drugiej strony, wymagaj dla prawidowego spalania biogazudodatkowego paliwa, ktrego ilo nie powinna przekracza 10%. Przy wyborze silnikanaley wzi pod uwag jego sprawno i odporno na uszkodzenia. Szczeglnie wprzypadku korzystania z biogazu pochodzcego ze wspfermentacji, mog wystpiwahania w jakoci i jakoci gazu, co moe spowodowa uszkodzenie silnika.Zabezpieczeniem przed tego rodzaju sytuacjami moe by zastosowanie systemuelektronicznej kontroli silnika. Pena kontrola dziaania wytwrni biogazu znaczniepodwysza pene wykorzystania nadwyki ciepa pochodzcego z elektrociepowni. Przystosowaniu technologii konwencjonalnej, do 45% energii zawartej w biogazie moe zostaprzetworzonej na energi elektryczn. W przypadku wykorzystania caej nadwykisprawno caego ukadu mona podnie do okoo 85%. Nadwyk ciepa monawykorzysta do ogrzewania domw mieszkalnych, szk lub jako ciepo technologiczne,zastpujc w ten sposb paliwo kopalne.

Mikroturbiny biogazowe

Mikroturbina gazowa to alternatywa do zalecanego do tej pory rozwizania napdugeneratora silnikiem na gaz. Mikroturbiny gazowe lub mikroturbiny to mae, wysokoobrotowe,niskotemperaturowe i niskocinieniowe turbiny gazowe o mocy do 200 kW. W turbinachgazowych, sprone powietrze i podawany biogaz spalane s w komorze spalania. Wwyniku wzrostu temperatury wzrasta cinienie gazw, ktre rozprajc si napdza wirnikturbiny, co z kolei napdza generator do wywarzenia energii elektrycznej. Wszelkiegorodzaju zanieczyszczenia w biogazie mogpowodowa uszkodzenia turbiny, dlatego te gazprzed wykorzystaniem w turbinach gazowym powinien by oczyszczony i osuszony. Gazpodawany do mikroturbin gazowych powinien zawiera minimum 35% metanu. Sprawnomikroturbin gazowych jest stosunkowo niska i wynosi okoo 28%, natomiast sprawnooglna caego ukadu wynosi moe okoo 82%. Poniewa proces spalania w komorzeturbiny zachodzi przy niskim cinieniu i z odpowiednim nadmiarem powietrza, dlatego temikroturbiny gazowe charakteryzujsi znacznie niszemisjspalin ni silniki. Czasokresypracy turbin gazowych pomidzy poszczeglnymi postojami technologicznymi (przegldy,remonty, itp.) s o wiele dusze ni w przypadku turbin na gaz ziemny. Naley jednakzaznaczy, e na chwil obecn brak jest dowiadczenia z rzeczywistym zastosowaniem

mikroturbnin gazowych.

Ogniwa paliwowe pracujce na biogazie

Jednym z przyszociowych rozwiza jest zastosowanie biogazu w ogniwach paliwowych,ktre s w stanie przetworzy energi chemiczn pochodzc z przetworzonego biogazubezporednio na energi elektryczn. Zagadnienie to jest w trakcie bada. W ogniwiepaliwowym wodr (H2) z biogazu jako paliwo wchodzi w reakcj z tlenem (O2), dajc wod(H2O), rwnoczenie wytwarzajc energi elektryczn i ciepo. Gaz uyty do tej reakcji musizosta uzdatniony poprzez usunicie H2S oraz zwikszenie koncentracji metanu. Ogniwapaliwowe w obecnie s drogie, jednak zalet ich jest cicha praca ukadu oraz osiganie

sprawnoci elektrycznej do 50%. Technologia ogniw paliwowych (z wyjtkiem systemw


12/23

przenonych) jest nadal szczegowo badana i moe w przyszoci odegra znaczcrol wwykorzystaniu biogazu.

Biometan jako substytut gazu ziemnego

Biogaz oprcz swojej konwencjonalnej/typowej roli polegajcej na wytwarzaniu energiielektrycznej i ciepa moe by rwnie wykorzystywany jako substytut gazu ziemnego.Wykorzystanie biogazu jako substytutu gazu ziemnego wymaga jednak zastosowaniakosztownego procesu oczyszczania go do poziomu standardw gazu, ktry jako biometanmoe by wprowadzany do sieci gazowej. Rozwizanie takie jest dobr alternatyw dlapowszechnie stosowanego systemu zdecentralizowanego wykorzystania elektrociepowni ijest szczeglnie dobrym rozwizaniem dla biogazowi, ktre nie posiadaj moliwociwykorzystania nadmiarowego ciepa w miejscu, w ktrym biogaz przetwarzany jest naenergi elektryczn. Biometan moe by przesyany na dowolne odlegoci za

porednictwem istniejcej infrastruktury sieci gazowej. Przykadowo gaz ten moe zostaprzetworzony na energi elektryczn tam, gdzie nadwyka ciepa jest faktycznie potrzebna.Uzyskanie minimalnej wymaganej jakoci biogazu uzalenione jest gwnie od stosowanejtechnologii oraz jakoci gazu w lokalnej sieci dystrybucji. Gwnym zagadnieniem obokodsiarczania i usuwania zanieczyszcze jest wzbogacanie gazu o metan z poziomu okoo60% do ponad 87%. Tak przygotowany biometan dostarczany jest do sieci na stacjachwprowadzajcych. To tutaj okrela si skad gazu oraz jego kompatybilno z sieci lokaln.Pomimo tego, e proces ten jest znany i dziaa, moe on by najlepszym sposobemzastosowania biogazu tylko w niektrych przypadkach. Poniewa podczenia do siecidystrybucji gwarantujce cige zapotrzebowanie nie s wszdzie moliwe dozastosowania ze wzgldu na nakady inwestycyjne, warunki techniczne i opacalnoekonomiczna przedsiwzicia. Oznacza to, e wprowadzenie biogazu do sieci dystrybucjigazu ziemnego moe by interesujce przede wszystkim z punktu widzenia duych wytwrnibiogazu, ktre s w stanie zainwestowa w niezbdn technologi uzdatniania uzyskujcrentowno procesu. Gwne zalety, ktre wynikaj z wprowadzenia biometanu do siecidystrybucji gazu ziemnego to niezaleno od lokalnych warunkw wykorzystywaniawytwarzanego ciepa i energii elektrycznej, jak rwnie zastpienie biometanem gazuziemnego zasilajcego koty oraz dystrybucja gazu do stacji tankowania paliw.


13/23

Rysunek 7.: Schemat wykorzystania biogazu i etapw jego oczyszczania.

Koszty

Cytowane dane opracowane zostay na podstawie informacji uzyskanych z 59 biogazownirolniczych pracujcych w Niemczech w roku 2006.

W okoo trzech czwartych biogazowniach rolniczych nakady inwestycyjne wynosiy 2000-4000 na kWel .(patrz Rysunek 8).

Rysunek 8.: Czstowzgldna nakadw inwestycjinych, 2006


14/23

Rysunek 9: Czstowzgldna udziau rocznych kosztw operacyjnych w caoci kosztw,

2006

Kwoty wyrwnanego kosztu energii elektrycznej (LCOE) na poziomie pomidzy 0,08-0,13/kWhel wystpujw prawie 80% wytwrniach (patrz Rysunek 10).

Rysunek 10.: Czstowzgldna wyrwnanego kosztu energii elektrycznej (LCOE), 2006

Zacznik:


15/23

Tabela Przykadowe charakterystyki substratw i uzyski biogazu:

DM oDM N PUzysk w formie

biogazuZawarto

CH4Substrat

(%)(%

DM)(%

DM)(%

DM)m3/t FM m3/t oDM (Vol.-%)

Gnojowica i obornik rolniczy

gnojowica bydlca8-11 75-82

2,6-6,7

0,5-3,3

20-30 200-500 60

gnojowicawieprzowa

ok. 7 75-86 6-18 2-10 20-35 300-700 60-70

obornik bydlcyok. 25 68-76

1,1-3,4

1-1,5 40-50 210-300 60

obornik wieprzowy20-25 75-80

2,6-5,2

2,3-2,8

55-65 270-450 60

obornik drobiowy ok. 32 63-80 5,4 70-90 250-450 60

Surowce odnawialne

kiszonka paszowaz kukurydzy

20-35 85-95 1,1-20,2-0,3

170-200 450-700 50-55

kiszonka paszowaz yta (caarolina)

30-35 92-98 4 0,71 170-220 550-680 ok. 55

burak zwyky 23 90-95 2,6 0,4 170-180 800-860 53-55

Burak pastewny 12 75-85 1,9 0,3 75-100 620-850 53-54

Licie buraka16 75-80

0,2-0,4

0,7-0,9

ok. 70 550-600 54-55

kiszonka paszowaz trawy

25-50 70-953,5-6,9

0,4-0,8

170-200 550-620 54-55

Substraty stosowane w przemyle przetwrstwa rolniczego

Ziarna

browarniane 20-25 70-80 4-5 1,5 105-130 580-750 59-60

Wywarygorzelnicze

6-8 83-88 6-10 3,6-6 30-50 430-700 58-65

Ziemniakigorzelnicze

6-7 85-95 5-13 0,9 36-42 400-700 58-65

Owocegorzelnicze

2-3ok.95

0,73 10-20 300-650 58-65

misz prasowanyok. 13

ok.90

0,5-10,1-0,2

80-90 650-750 52-65


16/23

Wodaprzemysowa(produkcja skrobi)

3,7 70-75 4-5 2,5-3 50-56 1500-2000 50-60

Wodaprzemysowa

1,6 65-90 7-8 2-2,5 55-65 3000-4500 50-60

Melasa 80-90 85-90 1,5 0,3 290-340 360-490 70-75

Wytoczyny zjabek

25-45 85-90 1,1 0,3 145-150 660-680 65-70

Wytoczyny zowocw

25-45 90-95 1-1,20,5-0,6

250-280 590-660 65-70

Resztki winoroli40-50 80-90 1,5-3

0,8-1,7

250-270 640-690 65-70

Resztki organiczne z zakadw komunalnych / resztki z uboju

Bioodpady40-75 50-70

0,5-2,7

0,2-0,8

80-120 150-600 58-65

Resztki jedzeniaoraz zepsutejedzenie

9-37 80-98 0,6-50,3-1,5

50-480 200-500 45-61

Odpady rynkowe 5-20 80-90 3-5 0,8 45-110 400-600 60-65

Pozostaoci zoddzielania

tuszczu

2-70 75-930,1-3,6

0,1-0,6

11-450 ok. 700 60-72

Zawartoodka (winie)

12-15 75-862,5-2,7

1,05 20-60 250-450 60-70

Zawartowacza11-19 80-90

1,3-2,2

1,1-1,6

20-60 200-400 58-62

Tuszcz pywajcy5-24 80-95

3,2-8,9

0,9-3 35-280 900-1200 60-72

Zbir pochodzcy z trawy i trawnika

Zbir trawy ok. 12 83-92 2-3 1,5-2 150-200 550-680 55-65


17/23

3.2 Ocena zrwnowaonego rozwoju

1. Wpyw oddziaywania na rodowisko:Wpyw oddziaywania na rodowisko procesu fermentacji beztlenowej wyliczono zwykorzystaniem profesjonalnego oprogramowania GaBi4 przeznaczonego do oceny cykluycia (PE International GmbH i LBP Uniwersytet w Stuttgarcie, 2007) oraz bazy danychEcoinvent database v2.0 (2007) (Szwajcarskie Centrum Inwentaryzacji Cyklu ycia). Wprzypadku fermentacji beztlenowej zastosowano nastpujce procesy Ecoinvent:

Biogaz, pochodzcy z bioodpadw, przy przechowywaniu

Biogaz, pochodzcy z osadu ciekowego, przy przechowywaniu

Biogaz, pochodzcy ze szlamu, przy wspfermentacji odpadw pochodzeniarolniczego, pod przykryciem

W celu zdefiniowania najistotniejszych elementw, ktre maj wpyw na rodowisko(potencja tworzenia efektu cieplarnianego [GWP], potencja zakwaszania [AP], efektywnoenergetyczna) zastosowano nastpujce metody oceny wpywu oraz metody pomiarudostpne w profesjonalnej aplikacji programu GaBi4:

CML 2001 (GWP 100 lat)

CML 2001 (AP)

Warto opaowa grna

Dane dotyczprocesu fermentacji beztlenowej, podczas ktrego wytwarzane jest 1000 MJenergii cieplnej.

Granice systemu: Wszystkie procesy od koyski po bram fabryki (cradle to gate).

Rysunek 1 przedstawia dane liczbowe dotyczce wpywu oddziaywania fermentacjibeztlenowej na rodowisko.

2. Efekty spoeczno-ekonomiczne:

W przypadku oblicze wykonanych dla 20, 25 oraz 30 lat cyklu ycia biogazowni, przy 1848godzinach pracy/rok oraz przy 1848 godzinach pracy/pracownika/rok (8 godzin/dzie x 21dni/miesic x 11 miesicy/rok), proces fermentacji beztlenowej wymaga 25, 30 oraz 20 latpracy/cykl ycia.

W przypadku tej technologii, nie jest moliwa analiza skutkw spoecznych oraz wspieraniarozwoju endogennego, poniewa uzalenione one s od miejscowych warunkwspoecznych i ekonomicznych.

Rysunek 2 przedstawia dane liczbowe dotyczce efektw spoeczno-ekonomicznychfermentacji beztlenowej.

3. Zagroenia dla rodowiska lub zagroenia spoeczno-ekonomiczne oraz efektyniepodane:

Wielko emisji amoniaku (NH3) pochodzcej z fermentacji beztlenowej moe by znaczca.

Transport surowcw moe powodowa wzmoony ruch na drogach lokalnych w rejonie


18/23

zlokalizowania instalacji, co powodowa moe zwikszenie emisji pochodzcych z silnikwsamochodw ciarowych. Silnik gazowy musi by dobrze zaizolowany w celu zapobieeniaskaenia rodowiska haasem. Instalacje biogazowe powodujemisj odorw i dlatego te

muszone posiada otaczajcje stref bezpieczestwa, ktra zapobiega zanieczyszczeniuzapachem.

4. Koszty:

Rysunek 3 przedstawia dane liczbowe dotyczce kosztw fermentacji beztlenowej.


19/23

Biogaz biologiczny, pochodzcy z bioodpadw,przy przechowywaniu

Biogaz biologiczny, pochodzcy z osaduciekowego, przy przechowywaniu

Ilowytworzonejenergii (MJ)

Zapotrzebowaniena energi* (GJ)

Potencjatworzenia efektucieplarnianego**

(kgrwnowanika

CO2)

Potencjazakwaszania***

(kgrwnowanika

SO2)

Gaz biologiczny,pochodzcy z

osaduciekowego przyprzechowywaniu

Potencjatworzenia efektucieplarnianego**

(kgrwnowanika

CO2)

Potencjazakwaszania***

(kgrwnowanika

SO2)

1 000 0,11277 -65,488 0,085766 0,33244 -69,146 0,015348

* Warto

opaowa brutto** Zgodnie z CML 2001 (GWP 100 lat)

*** Zgodnie z CML 2001 (AP)

Rysunek 1: Dane liczbowe dotyczce wpywu oddziaywania na rodowisko przez fermentacj beztlenow

ProcesWymagana

liczba godzinpracy/rok*

Liczba godzinpracy/gow/rok

Liczba latpracy/rok

Liczba latcykluycia**

Liczba lat pracycia

Gaz biologiczny, pochodzcy zbioodpadw, przy przechowywaniu 1848 1848 1 25

Gaz biologiczny, pochodzcy z osaduciekowego, przy przechowywaniu 1848 1848 1 30 Gaz biologiczny, pochodzcy ze szlamu,przy wspfermentacji odpadwpochodzenia rolniczego, pod przykryciem 1848 1848 1 20

* Wedug Kohlheb i in. (2010): Okrelanie potencjau tworzenia miejsc pracy przez odnawialne rda energii na Wgr

** Zgodnie z bazdanych Ecoinvent database v2.0 (2007)

Rysunek 2: Dane liczbowe dotyczce efektw spoeczno-ekonomicznych fermentacji beztlenowej

ProcesKoszty wytworzenia gazu biologicznego *

(/1000 MJ wytworzonej energii cieplej

pochodzcej z gazu biologicznego)Gaz biologiczny, pochodzcy zbioodpadw, przy przechowywaniu 8,33-10Gaz biologiczny, pochodzcy z osaduciekowego, przy przechowywaniu 333Gaz biologiczny, pochodzcy ze szlamu,przy wspfermentacji odpadwpochodzenia rolniczego, pod przykryciem 6,66

* Wedug Fuchsz (2011): kontakt osobisty

Rysunek 3: Dane liczbowe dotyczce kosztw fermentacji beztlenowej


20/23

Rysunek 4: Porwnanie zapotrzebowania na energi technologii fermentacji beztlenowej (wyt

GaBi diagram:Anaerobic digestion gross calorific value - Inputs/Outputs

Flowsgfedcb

CH: biogas, from sewage sludge, at storageCH: biogas, from biowaste, at storage

CH: biogas, from slurry, at agricultural co-fermentat

Energy(grosscalorificvalue)[MJ]

350

340

330

320

310

300

290

280

270

260

250

240

230

220

210

200

190

180

170

160

150

140

130

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

332,437

112,767

50,032


21/23

Rysunek 5: Porwnanie potencjau tworzenia efektu cieplarnianego technologii fermentacji bezMJ ciepa)

GaBi diagram:Anaerobic digestion GWP 100 years CML 2001 - Inputs/Outputs

Flowsgfedcb

CH: biogas, from slurry, at agricultural co-fermentation, covered

CH: biogas, from biowaste, at storage

CH: biogas, from sewage sludge, at stora

CML2001,

GlobalWarmingPotential(G

WP100years)[kgCO2-Equiv.]

0

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

-16

-18

-20

-22

-24

-26

-28

-30

-32

-34

-36

-38

-40

-42

-44

-46

-48

-50

-52

-54

-56

-58

-60

-62

-64

-66

-68

-70

-72

-53,682

-65,448

-69,146


22/23

Rysunek 6: Porwnanie potencjau zakwaszania technologii fermentacji beztlenowej (wytwa

GaBi diagram:Anaerobic digestion AP CML 2001 - Inputs/Outputs

Flowsgfedcb

CH: biogas, from slurry, at agricultural co-fermentation, coveredCH: biogas, from biowaste, at storage

CH: biogas, from sewage sludge, at storage

CML2001

,Ac

idifica

tion

Po

ten

tia

l(A

P)[kg

SO2-Equ

iv.]

0,62

0,60

0,58

0,56

0,54

0,52

0,50

0,48

0,46

0,44

0,42

0,40

0,38

0,36

0,34

0,32

0,30

0,28

0,26

0,24

0,22

0,20

0,18

0,16

0,14

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

0,596

0,086

0,015


23/23

4. Zalecenia techniczne

Podstawow zasad jest uzyskanie wysokiej wydajnoci dostpnej technologii zuwzgldnieniem rwnowagi pomidzy rentownocisystemu a ochronrodowiska i klimatu.Na podstawie dostpnych projektw w tym zakresie, materiaw konferencyjnych i informacjipochodzce z brany, mona zauway nastpujce tendencje:

Modernizacja kompostowni/obiektw, w ktrych przeprowadzany jest etapfermentacji,

Stosowanie kombinacji rnych technologii, na przykad fermentacja + biorafinacja(produkcja etanolu),

W wikszoci przypadkw, stosowana jest koncepcja konwencjonalnej komoryfermentacyjnej takiej jak aparat reakcyjny CSTR (cigy reaktor zbiornikowy z

idealnym mieszaniem). Pojawiaj si jednak nowe koncepcje, takie jak komorafermentacyjna z przepywem tokowym czy komora fermentacyjna w ksztacie skrzyni,jak rwnie komora fermentacyjna piercie-piercie.

Opinie uytkownikw oparte na ich dowiadczeniu wskazujna nastpujce kwestie:

Tendencja do stosowania systemw realizujcych proces w cyklach zamknitychfermentacji mokrej i suchej,

Przyjcie bardziej nowoczesnych metod oczyszczania sfermentowanych resztek, wcelu osignicia wyszej jakoci,

Coraz lepsze wykorzystywanie ciepa odpadowego oraz wyszej wydajnociprodukcji skojarzonej.

5. Bibliografia

Fachagentur fr Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) 2009. Biogaz- eine Einfhrung. 6.Auflage

Fachagentur fr Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) 2006. HandreichungBiogazgewinnung und nutzung. 3. Auflage

Umweltbundesamt 2009. Stand der Technik beim Bau und Betrieb von BiogazanlagenBestandsaufnahme 2008

6. Glosariusz

anaerobic digestion pl

Documents