Copyright by: Biogaz-Tech Sp. z o.o. Jarocin, ul. Długa Jarocin, tel REGON NIP

Transkrypt

1

2 Copyright by: Biogaz-Tech Sp. z o.o. Jarocin, ul. Długa Jarocin, tel REGON NIP Publikacja opracowana przez zespół autorski: Janusz Wojtczak, Leszek Bajda ISBN ISBN Wydawnictwo i druk: MJP Drukarnia-Wydawnictwo ul. R. Maya 30, Poznań Nakład 1000 egzemplarzy Materiał został przygotowany i wydrukowany ze środków własnych dla potrzeb edukacyjnych Jarocin

3 Spis treści: Biogaz, a energia odnawialna... 4 Jak powstaje biogaz... 5 Surowce do produkcji biogazu... 7 Jak jest zbudowana i jak pracuje biogazownia Wartość dodana dla społeczeństwa, czyli tak lub nie dla biogazowni Korzyści dla środowiska Korzyści makroenergetyczne Korzyści dla lokalnych społeczeństw Uwarunkowania zewnętrzne budowy biogazowni Uwarunkowania formalno-prawne Uwarunkowania logistyczne Uwarunkowania finansowe Opłacalność produkcji biogazu i energii skojarzonej Wartość nawozowa osadu pofermentacyjnego (kofermentu)

4 Biogaz a energia odnawialna Zmiany klimatu, w którym przyszło nam żyć, stały się niezaprzeczalnym faktem. Niestety, są one wynikiem między innymi nie do końca przemyślanej działalności człowieka. Ogromne ilości emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla (CO 2 ), metanu (CH 4 ), dwutlenku azotu (NO 2 ) i innych gazów powodują powstawanie tzw. efektu cieplarnianego. Dobrym sposobem zrekompensowania naszych długów wobec przyrody i przyszłych pokoleń wydaje się być inwestowanie w rozwój technologii umożliwiającej pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych - takich jak słońce, wiatr, woda, biomasa czy energia geotermalna. Polska, podpisując protokół z Kioto w 1997 roku, zobowiązała się do redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz wspierania rozwoju branży energii odnawialnej. Wprowadzone zmiany w przepisach prawa energetycznego w zakresie wsparcia dla odnawialnych źródeł energii oraz ustanowione cele obowiązkowe przyczyniły się do zwiększenia udziału OZE* w krajowym zagospodarowaniu energii pierwotnej. Przewiduje się, że do roku 2030 udział energii odnawialnej w całkowitym zużyciu energii pierwotnej w Polsce wzrośnie do następującego poziomu: do 9,40% w bilansie energii finalnej w 2010 r., do 11,60% w bilansie energii finalnej w 2015 r., do 15,00% w bilansie energii finalnej w 2020 r., do 15,40% w bilansie energii finalnej w 2030 roku. Biogaz coraz powszechniej uznawany jest jako najbardziej skuteczny nośnik energii odnawialnej, odporny na wpływ kryzysu finansowego, doskonale stymulujący rozwój rolnictwa i znacząco wpływający na ochronę klimatu. Ener- Tabela nr 1. Przewidywany na rok 2020 potencjał odnawialnych źródeł energii Polsce. 4 Źródło energii Energetyka słoneczna Energetyka geotermiczna Biomasa w tym biogaz Energetyka wodna Energetyka wiatrowa Prognoza produkcji w 2020 r. w TWh** w procentach Odsetek PROGNOZY energia elektryczna wyprodukowana w 2007 r. Roczne konieczne tempo wzrostu sektora (w %) , , *** 78,93 20, , , Razem 110, % - - Wg Instytutu Energetyki Odnawialnej * OZE - odnawialne źródło energii ** TWh - terawatogodzina = megawatogodzin energii elektrycznej, *** 2691 biogazowni o mocy 1MW/każda 5 30

5 gia z biomasy ma tę przewagę nad innymi, że jej produkcję w szerokim zakresie cechuje neutralny bilans CO 2 oraz to, że może być wytwarzana pod ścisła kontrolą i według zapotrzebowania. Biogazownie rolnicze to elektrociepłownie o stosunkowo małej mocy w zakresie od 150 do 2000 kwel, idealnie nadające się do efektywnego, zdecentralizowanego zaopatrzenia w energię elektryczną i cieplną np. obszarów słabo zurbanizowanych. Dodatkową zaletą tej technologii są niskie straty w przesyle, brak konieczności rozbudowy istniejących już sieci oraz możliwości wykorzystania lokalnie powstałego ciepła. Biogazownie rolnicze ponadto produkują energię w sposób wysoce efektywny. Skojarzona produkcja energii elektrycznej i cieplnej pozwala bowiem na osiągnięcie sprawności przetworzenia energii zawartej w biogazie nawet na poziomie %, z czego energia elektryczna stanowi %, a energia cieplna 48-50%. Dla porównania łączna sprawność energetyczna uzyskiwana z energii pierwotnej w dużych elektrociepłowniach wynosi maksymalnie 80 %, z czego energia elektryczna stanowi ok. 29 %. Samo pozyskiwanie energii z biogazu znane jest stosunkowo od dawna. Dopiero jednak od początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku na świecie wykorzystuje się te możliwości - i to z dużym powodzeniem - na skalę przemysłową. Na przykład w Niemczech ogromny wzrost znaczenia tej technologii nastąpił po wejściu w życie znowelizowanej Ustawy o Energiach Odnawialnych w sierpniu 2004 roku. W Polsce właśnie uwarunkowania formalno-prawne są główną przeszkodą do szybkiego rozwoju tejże branży. Tabela nr 2. Rozwój energii na bazie biogazu w Niemczech. Rok Liczba instalacji Moc (MWel) Należy zaznaczyć, że dla porównania w Polsce na koniec 2008 roku zarejestrowane były tylko cztery instalacje o łącznej mocy 4,1 MWel. Potencjał produkcyjny biometanu - według niemieckiej Agencji Surowców Odnawialnych - w krajach Unii Europejskiej wynosi 469 bilionów metrów sześciennych rocznie, co stanowi około 70 % rosyjskiej produkcji gazu ziemnego. Potencjał Polski w tym zakresie szacuje się na 2-2,2 tys. biogazowni pozwalających wyprodukować nawet do 6 bilionów metrów sześciennych biometanu rocznie o parametrach gazu ziemnego wysokometanowego (około 40% zużycia gazu ziemnego w naszym kraju). Aktualnie w Polsce zużywa się w ciągu roku ok. 14 mld m 3 gazu ziemnego, z czego 500 mln m 3 przypada na odbiorców indywidualnych. Wykorzystanie tego potencjału mogłoby stanowić znaczącą alternatywę dla energii jądrowej, przy jednoczesnej ochronie środowiska naturalnego. Jak powstaje biogaz Biogaz powstaje w powszechnym w przyrodzie procesie beztlenowej fermentacji substancji organicznej, aby następnie uwolnić się do atmosfery w niekontrolowany sposób. W biogazowniach rolniczych fermentacja metanowa przebiega w sposób kontrolowany w ściśle określonych warunkach. Proces ten przebiega zasadniczo w czterech etapach: hydroliza - rozkład wielkocząsteczkowych substancji organicznych (polimerów) w roztworze wodnym do małocząsteczkowych, zawartych w materiale fermentacyjnym, kwasogeneza - powstałe w procesie hydrolizy, związki organiczne pobierając tlen z fermentacyjnego roztworu wodnego (w przedziale ph od 5,5 do 6,5) przekształcają się do różnego typu kwasów organicznych, alkoholi, dwutlenku węgla, wodoru i amoniaku, octanogeneza - powstałe kwasy organiczne oraz alkohole ulegają przekształceniu na kwas octowy, 5

6 stanowiący główne źródło powstawania metanu, metanogeneza - w obecności bakterii metanowych kwas octowy, alkohole i częściowo dwutlenek węgla są przekształcane na metan (główny, pożądany składnik biogazu). Tabela nr 3. Optymalne warunki fermentacji biometanowej mezofilnej, mokrej. Parametr, wskaźnik Światło Zakres dopuszczalny Brak dostępu Temperatura ( O C) (minimum 25) Odczyn (ph) 6,8-7,7 (5,5-8,0) Wyrównane Ciśnienie (w zależności od wysokości słupa cieczy) Dostęp powietrza Środowisko beztlenowe Wielkość cząsteczek (mm) >12 Poziom suchej masy (%) 8-15 Zasadniczo biogaz jest mieszaniną dwóch gazów, tj. metanu i dwutlenku węgla. Pozostałe substancje występują w ilościach śladowych. Tabela 4. Skład chemiczny otrzymywanego biogazu. Składnik biogazu Średnia zawartość odchylenia Metan CH 4 (%) 61,5 (48-75) Dwutlenek węgla CO 2 (%) Siarkowodór H 2 S (mg/m 3 ) 33,9 (22-37) 450 ( ) Wodór H 2 (%) 0,1 (0-1) Para wodna H 2 O 3,9 (0-10) (%) Amoniak NH 3 0,48 (0.01-2,5) (mg/m 3 ) Tlen O 2 (%) 0,1 (0,01-2) Azot N 2 (%) 0,5 (0,21-0,9) Należy jednak pamiętać, że jest to proces biologiczny, a w związku z tym jego niestabilność może wywołać np. niekontrolowany wsad substancji szkodliwych (pozostałości detergentów, antybiotyków) lub dużej ilości związków hamujących proces metanogenezy (prekursorów NH 4, H 2 S) czy niezbilansowanej dawki łatwo rozkładalnej energii, 6

7 w następstwie czego czynniki te mogą spowodować nagłą zmianę istotnego parametru, a w konsekwencji unicestwienie części lub całości mikroflory odpowiedzialnej za fermentację metanową - i co za tym idzie - przymusową i bardzo kosztowną przerwę technologiczną. Wielkość i częstotliwość wsadu do komory fermentacyjnej, właściwy stosunek C:N w substracie, utrzymanie stabilnej temperatury, sposób i częstotliwość mieszania decydują o efektywności produkcji biogazu. Zbyt szeroki oraz zbyt wąski stosunek węgla do azotu w surowcu wyjściowym przyczynia się do akumulacji jonów wodorowych H +, a tym samym do wzrostu zakwaszenia. W sytuacji zbyt wąskiego stosunku C:N następuje również nadmierne uwalnianie się amoniaku NH 3. Najkorzystniejszy stosunek C:N materiału wejściowego powinien wynosić 20-30:1. Najbardziej optymalna dynamika fermentacji metanowej przebiega przy obciążeniu komory około 5 kg suchej masy organicznej na metr sześcienny substratu w ciągu doby (Kowalczyk-Juśko i wsp., 2005). Surowce do produkcji biogazu Materiałami wyjściowymi do produkcji biometanu są najogólniej substraty pochodzenia organicznego określane jako biomasa. Z przeprowadzonych ocen potencjału biomasy wynika, że największy udział energetyczny znajduje się w materiale pochodzenia rolniczego. Z uwagi na zróżnicowany stopień przetworzenia zasoby biomasy dzielimy na: pierwotne, tj. rośliny energetyczne (buraki cukrowe i pastewne, kukurydza, słonecznik, zboża tzw. GPS), strukturalne rośliny energetyczne Ryc. nr 1. Uproszczony schemat rozkładu beztlenowego substancji organicznych w komorze fermentacyjnej biogazowi. 7

8 (wierzby, topole, słoma zbóż), nadwyżki roślinne z trwałych użytków zielonych, wtórne,tj. odpady oraz pozostałości pochodzące z produkcji rolniczej i działalności przetwórstwa rolno-spożywczego (gnojowica, obornik, gliceryna, wywar gorzelniany, odpady poubojowe, serwatka itp.). Jednakże nie za wszelką cenę racjonalne jest wykorzystywanie do produkcji biogazu wszelkich składników biomasy, ponieważ surowce takie jak drewno czy słoma i podobne rośliny o dużej zawartości związków strukturalnych, trudno rozkładalnych, można efektywniej wykorzystywać do spalania niż do fermentacji metanowej. Istotną przewagą technologii biogazowej jest możliwość zastosowania substratów charakteryzujących się znaczną zawartością wody oraz częściowo rozłożonej, nadpsutej masy organicznej i wymagającej utylizacji. Do surowców odnawialnych często znajdujących zastosowanie w produkcji biometanu zaliczamy nawozy naturalne (gnojowica, obornik), rośliny uprawiane w tym celu jako plon główny, tj. kukurydza (kiszonka z całych roślin lub CCM), zboża (ziarno lub kiszonka z całych roślin GPS), burak cukrowy, a także odpady przemysłu rolno-spożywczego - takie jak wywar gorzelniany, młóto browarniane, odpady poubojowe, odpady przemysłu mleczarskiego i owocowo-warzywnego. W obszarze zainteresowań są także inne surowce o dużym potencjale bioenergetycznym, jak na przykład resztki i odpady żywności, odpady z produkcji biodiesla (tzw. faza glicerynowa), trawa gazonowa, liście drzew, odpady przemysłu cukrowniczego, tłuszczowego itp. Ważnym surowcem do produkcji biogazu są odchody zwierzęce. Duża jednostka przeliczeniowa (DJP) żywego inwentarza w ciągu jednej doby wytwarza od 50 do 55 kg gnojowicy. Według szacunków w polskich gospodarstwach rolnych powstaje rocznie 35 do 38 mln m 3 gnojowicy, co może dać łącznie ok mln m 3 biogazu. Tabela nr 5. Uzysk biogazu w m 3 z tony masy świeżej substratu Surowce odpadowe pochodzenia zwierzęcego Obornik - indyki 280 Obornik - kury 198 Obornik - kurczęta 112 Obornik - bydło 90 Obornik - trzoda chlewna 79 Gnojowica - bydło 36 Gnojowica - trzoda chlewna 25 Rośliny energetyczne (NaWaRo) Kukurydza CCM - kiszonka 390 Kiszonka z kukurydzy - całe rośliny 188 Buraki cukrowe z masy świeżej - całe rośliny 95 Burak cukrowe - kiszonka z liści 88 Buraki pastewne świeże - krajanka 170 Odpady organiczne z przetwórstwa Gliceryna 845 Tłuszcz stary 800 Tłuszcz flotacyjny 400 Wywar gorzelniany 80 Serwatka 55 Młóto browarniane 75 Odpady ze stołówek 130 Trawa gazonowe 55 Odpady poubojowe - ogólnie 135 Treści żołądka - trzoda 43 Treści żołądka - bydło 38 Liście drzew - dojrzałe 28 Zielone odpady z różnych warzyw 110 Bioodpady pochodzenia komunalnego 120 8

9 Osobną kwestią jest wykorzystanie w biogazowniach rolniczych osadów ścieków komunalnych i przemysłowych. Wykorzystanie tego typu substratów jest ograniczone ze względu na możliwą zawartość substancji szkodliwych, jak na przykład metali ciężkich, a tym samym uniemożliwia to wykorzystania pozostałości pofermentacyjnej jako nawozu dla celów rolniczych. Interesujące ze względów ekonomicznych jest zastosowanie resztek z branży rzeźniczo-masarskiej jako substratów do produkcji biometanu. Kwestię tę reguluje Rozporządzenie WE Nr 1774/2002 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 3 października 2002 roku, ustanawiające przepisy zdrowotne związane z ubocznymi produktami zwierzęcymi nie przeznaczonymi do spożycia przez ludzi (Dz. U. UE (OJ) L ). W założeniach tego rozporządzenia półprodukty pochodzenia zwierzęcego podzielone są na trzy kategorie. Podział ten jednoznacznie klasyfikuje możliwość wykorzystania poszczególnych rodzajów kategorii odpadów jako surowców w produkcji biometanu. Kategoria 1: Tuszki zwierzęce, części ciał zwierząt, produkty i odpady zwierzęce o dużym ryzyku oraz odpady kuchenne i resztki jedzenia z transportów przekraczających granice. Te materiały nie są dopuszczane do przetwarzania w biogazowniach rolniczych. Kategoria 2: Materiał o wysokim ryzyku zagrożenia ekologicznego pod względem toksykologicznym oraz epidemiologiczno-higienicznym, takim jak środki medyczne, zawarty w nich materiał zwierzęcy lub zwierzęta, które nie zostały uśmiercone w wyniku uboju. Te materiały po obróbce barotermicznej, sterylizacji (133 C oraz 2 bar przez 20 min.) mogą być stosowane w dopuszczonych biogazowniach lub jako organiczny materiał nawozowy i jako materiał poprawiający strukturę gleby. Również nawóz organiczny pochodzenia zwierzęcego, według terminologii UE, umieszczony pod terminem gnojowica, zostaje zakwalifikowany jako materiał kategorii 2. Jednak w przypadku braku podejrzenia o epidemię, nawóz ten wyłączony jest z obowiązku sterylizacji. Kategoria 3: Materiał zwierzęcy o małym ryzyku epidemiologiczno-higienicznym, takim jak np. zdatne do spożycia produkty pochodzenia zwierzęcego oraz produkty uboczne, takie jak części ciał zwierząt czy przeterminowane zmagazynowane produkty żywnościowe lub błędne serie produkcyjne produktów żywnościowych. Tego typu materiał musi jednak w biogazowni przechodzić poprzez proces pasteryzacji (70 C, 60 min). Pozostałości poubojowe przemysłu mięsnego są szacowane w Polsce na wielkość od 500 do 700 tysięcy ton rocznie. Tylko niewielka ich część jest wykorzystywana jako substrat na cele energetyczne, pomimo że posiadają wysoki potencjał metanotwórczy, co w najprostszy sposób rozwiązuje problemy ich utylizacji. 9

10 Jak jest zbudowana i jak pracuje biogazownia Typowe biogazownie rolnicze składają się ze zbiorników na komponenty ciekłe, m.in. zbiorników wstępnych, zbiorników fermentacyjnych i magazynu kofermentu. W instalacjach biogazowych w zależności od rodzajów substratów mogą być konieczne silosy materiałów stałych, rozdrabniacze, separatory substancji szkodliwych oraz pasteryzatory i sterylizatory. Powstały w wyniku biofermentacji gaz jest magazynowany w tzw. magazynach gazu, skąd następnie poddawany jest oczyszczaniu i spalaniu w elektrociepłowniach blokowych (BHKW). Wprowadzanie substratu odbywa się tzw. magistralami przepływowym. Urządzeniami tymi substrat dostarczany jest (oraz odbierany) do i z komór fermentacyjnych. Najnowsza technologia zakłada dozowanie substratu w sposób ciągły lub w krótkich odstępach czasowych. Zbiornik fermentacyjny i magazyn końcowy mogą być identycznej budowy i spełniać alternatywnie te same funkcje - tzn. komory właściwej biofermentacji oraz magazynów kofermentu. W takim jednak przypadku skutkiem ubocznym są nieco wyższe nakłady inwestycyjne oraz wyższe jest zapotrzebowanie na ciepło w celu ogrzania wszystkich komór elektrociepłowni. W zamian osiągamy jednak dodatkowy profit z tytułu większego uzysku gazu (ok.10%) oraz zwiększonych możliwości logistycznych i technologicznych. Zbiornik wstępny służy do przejściowego magazynowania gnojowicy i substratów oraz do ich przygotowania (rozdrobnienia, rozcieńczenia, wymieszania itd.). Należy go tak zaprojektować, by wahania w dostawach substratu mogły być zrównoważone. Ryc. nr 2. Przykładowy schemat biogazowni rolniczej z zastosowaniem kosubstratów. 10

11 Zbiornik fermentacyjny, będący reaktorem biochemicznym (jądro biogazowni), jest zasilany substratem ze zbiornika wstępnego. Możliwych jest wiele różnych wariantów wykonania tych urządzeń w zależności od zastosowanego materiału lub kształtów (stal lub beton, prostokątne albo cylindryczne, leżące lub stojące). Istotnym jest, by zbiornik ten był szczelny dla gazu i wody oraz nieprzenikalny dla światła. Zamontowane w nim mieszadło odpowiada za homogenność substratu, który w zależności od materiału wyjściowego wykazuje w różnym stopniu tendencje do tworzenia się warstw pływających i osadowych. Stabilność termiczną systemu nadzoruje w pełni zautomatyzowany system ogrzewania. Temperatury procesu w zdecydowanej większości instalacji utrzymywane są w tzw. obszarze mezofilnym (między 32 a 45 C). Rzadziej stosowane są instalacje działające w obszarze termofilnym (między 48 a 57 C). Całość ciepła pochodzi z elektrociepłowni blokowej BHKW, w której spalany jest biogaz. Odfermentowany substrat jest transportowany z reaktora do magazynu kofermentu. Zbiornik ten powinien być wyposażony w pokrycie połączone ze zbiornikiem fermentacji końcowej, co w efekcie pozwala na wykorzystanie biogazu z fermentacji końcowej i jednocześnie minimalizuje emisję oraz zapachy. Wielkość magazynu kofermentu jest warunkowana przede wszystkim wymaganym okresem magazynowania. Stanowi o tym Ustawa o nawozach i nawożeniu z dnia 26 lipca 2000 r. (Dz.U. Nr 89, poz. 991) oraz Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. (Tekst jednolity Dz.U. z 2007 r. Nr 39, poz. 251). Dla fermentacji substratów podejrzanych pod względem higieniczno-epidemiologicznym, takich jak odpady biologiczne, szlamy flotacyjne, treści żołądków zwierząt gospodarskich (trzoda chlewna, bydło), resztek jedzenia i innych, powinno się dodatkowo wyznaczyć obszary odbioru i przetwarzania substratów poprzez wprowadzenie białej i czarnej strefy. Ponadto konieczne jest zastosowanie pasteryzatora lub sterylizatora w celu ewentualnego wyeliminowania obecności w substracie zarazków groźnych dla zdrowia ludzi i zwierząt oraz zakłócających przebieg fermentacji biometanowej. Magazyny gazu służą do wyrównywania kompensacyjnych wahań między produkcją gazu a jego zużyciem. Są projektowane na pokrycie potrzeb instalacji w ciągu 1 do 2 dni produkcyjnych. Fermentory mogą posłużyć jako magazyny wytworzonego tam gazu, jeżeli na nich zostaną zamontowane kopuły foliowe. Jako typowe magazyny zewnętrzne biogazu stosowane są przeważnie magazyny foliowe - ze względu na korzystną cenę oraz funkcjonalność. Zanim gaz zostanie zastosowany do spalania, należy usunąć z niego niepożądane cząstki i kondensat wodny. Dodatkowo bardzo ważne jest odsiarczanie biogazu w celach ochronnych przed korozją silników elektrociepłowni blokowych BHKW oraz uniknięcie przekroczenia progu dopuszczalnych emisji do atmosfery związków siarki. W biogazowniach rolniczych najlepszą okazała się metoda odsiarczania, w której zostaje wykorzystane dozowanie porcji powietrza do przestrzeni gazowej w ilości 3 do 5 %. Przy dobrym sterowaniu procesem można osiągnąć satysfakcjonujący stopień wytrącenia siarki (ponad 95 %). Proces produkcji biogazu jest kontrolowany i sterowany poprzez pomiar określonych pa- 11

12 rametrów. Do najważniejszych z nich należą: temperatura, wartość ph, ilość gazu, zawartość metanu i zawartość siarkowodoru. Parametry te są mierzone i wartościowane w sposób ciągły za pomocą elektronicznych przyrządów pomiarowych. Instalacje o wydajności produkcji gazu większej niż 20 m 3 /h, dla celów bezpieczeństwa, muszą być wyposażone w alternatywne urządzenie do zagospodarowania biogazu w przypadku awarii, np. palnik gazu lub flarę, w których może on być spalany. Odsiarczony i oczyszczony biogaz, podobnie jak gaz ziemny, można wykorzystać na wiele sposobów. Jeden metr sześcienny biogazu może zastąpić np. 0,6 l oleju opałowego. Najczęściej jednak biogaz wykorzystujemy ze względów ekonomicznych jako paliwo do produkcji energii elektrycznej i skojarzonej z tym procesem energii cieplnej. Używane w tym celu urządzenia BHKW są zbudowane z silnika spalinowego spalającego, który napędza generator do produkcji energii elektrycznej. Ciepło pochodzące z systemu chłodzenia silnika i układu wydechowego jest wykorzystywane do ogrzewania zbiornika fermentacyjnego, a w nadwyżce również do ogrzewania domów mieszkalnych oraz dla innych potencjalnych odbiorników. Przy wyborze silnika BHKW powinno się zwracać uwagę na ich sprawność (przedział 36-40% Wel) i podatność na awarie oraz koszty serwisu i napraw. Szczególnie w instalacjach kofermentacyjnych może dochodzić do wahań jakości i ilości gazu, co może doprowadzić do szkód w silniku. Dlatego wręcz niezbędne są tutaj elektroniczne systemy kontroli pracy silnika. Biogaz może być surowcem do produkcji prądu i ciepła w opisywanych elektrociepłowniach lub stanowić składnik gazu ziemnego, co wymaga jednak jego uszlachetnienia. Poza odsiarczeniem i oczyszczeniem z substancji szkodliwych, niezbędne jest w tym przypadku podniesienie koncentracji metanu z około 60% do min. 95%. Metoda uzdatniania biogazu, aczkolwiek bardzo kosztowna, stanowi jednak alternatywę dla powszechnego dotychczas decentralnego wykorzystania elektrociepłowni blokowych BHKW. Jest ona szczególnie interesująca dla biogazowni nie posiadających odpowiedniej koncepcji wykorzystania ciepła w miejscu, w którym z biogazu produkowany jest prąd. Przystosowany biogaz może być transportowany poprzez istniejącą infrastrukturę sieci gazowej na dowolne odległości, a następnie przetworzony na prąd elektryczny i ciepło w miejscu, gdzie uzyskane ciepło będzie optymalnie wykorzystane. Wartość dodana dla społeczeństwa - czyli tak lub nie dla biogazowi Korzyści dla środowiska ograniczenie emisji do atmosfery wielu szkodliwych substancji powstających w wyniku spalania węgla brunatnego i kamiennego, zdecydowana redukcja gazów cieplarnianych (zwłaszcza metanu CH 4 ), uwalniających się w wyniku niekontrolowanej naturalnej fermentacji, wzrost ochrony drzewostanów (zwłaszcza iglastych) poprzez ograniczenie emisji między innymi SO 2 oraz NO 2, minimalizacja szkodliwego efektu cieplarnianego przyczyniającego się w skali globalnej do ocieplania klimatu Ziemi, skuteczne rozwiązanie wielu problemów wynikających z powstawania odpadów oraz ich unieszkodliwiania i zagospodarowywania, ograniczenie niekorzystnego oddziaływania stosowania gnojowicy i obornika jako nawozów organicznych, ograniczenie potencjalnie uciążliwej emisji 12

13 zapachowej wydzielanej przez różnorodne nie przetwarzane substraty odpadowe, racjonalne i kontrolowane zagospodarowanie powstającego kofermentu, lepsze wykorzystanie przez rośliny sfermentowanej biomasy oraz zapobieganie wypłukiwaniu azotu oraz jego przedostawaniu się do cieków wodnych. Korzyści makroenergetyczne zwiększenie niezależności energetycznej kraju od importu energii oraz uwarunkowań cenowych i wpływów politycznych, uzyskanie jednostkowo większej sprawności energetycznej zmniejszenie strat energii i kosztów przesyłu (blisko od wytwórcy do klienta), uniknięcie kosztów wynikających z rozbudowy sieci energetycznej, mogących docelowo mieć znaczący wpływ na cenę energii elektrycznej płaconą przez ostatecznego konsumenta, decentralizacja produkcji energii - w kontekście potencjalnych braków dostaw prądu do odbiorców. Może to uchronić najbliższe otoczenie biogazowi od skutków przeciążenia linii energetycznych i przerw w dostawie energii spowodowanych przeciążeniem mocy. Korzyści dla lokalnych społeczeństw możliwości pozyskania stosunkowo taniej energii cieplnej do placówek użyteczności publicznej, takich jak szkoły, szpitale, kościoły, kina, domy kultury, świetlice wiejskie itp. aktywizacja gospodarcza obszarów wiejskich, np. poprzez outsourcingowe serwisowanie instalacji biogazowi, rozwój lokalnego rolnictwa poprzez uprawę roślin energetycznych poprawiających efektywność i agrotechnikę produkcji rolniczej, możliwość skorzystania z dodatkowych dopłat Unii Europejskiej do upraw roślin energetycznych, uporządkowanie gospodarki odpadami w wymiarze lokalnym, stworzenie nowych miejsc pracy, zwiększenie świadomości ekologicznej. Uwarunkowania zewnętrzne budowy biogazowni 1. Uwarunkowania formalno-prawne Energia uzyskiwana w biogazowniach jest kwalifikowana jako pochodząca ze źródła 13

14 odnawialnego i określana mianem Zielona Energia. Wytwórca takiej energii korzysta z uwarunkowań prawno-ekonomicznych wynikających z zapisów Dyrektywy 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie wspierania kogeneracji w prawie krajowym. W Polsce obrót energią odnawialną reguluje Ustawa Prawo Energetyczne. W związku z wejściem w życie z dniem 1 maja 2004 r. (ustawy z dnia 2 kwietnia 2004 r.) o zmianie ustawy - Prawo energetyczne i ustawy - Prawo ochrony środowiska (Dz. U. Nr 91, poz. 875) w zakresie prowadzenia działalności gospodarczej wytwarzania energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii bez względu na ich moc wymaga koncesji wydawanej przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki. Na jej podstawie producent może sprzedawać prawa majątkowe do świadectw pochodzenia (tzw. zielone i czerwone certyfikaty) na Towarowej Giełdzie Energii. Do nabycia tych certyfikatów zobowiązane są przedsiębiorstwa energetyczne wytwarzające energię w sposób konwencjonalny. Względna ilość energii, jaką zobowiązane jest nabyć przedsiębiorstwo energetyczne, określona jest w Rozporządzeniach Ministra Gospodarki z dnia 19 grudnia 2005 oraz z dnia 3 listopada 2006 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych z odnawialnych źródeł energii. Począwszy od 1 stycznia 2007 r. producenci energii cieplnej wytwarzanej w skojarzeniu (energia elektryczna i cieplna) w małych jednostkach (do 1MWel) mają możliwość i prawo do uzyskiwania i obrotu tzw. czerwonymi certyfikatami. 2. Uwarunkowania logistyczne Decyzja budowy biogazowi musi być poprzedzona gruntowną analizą celowości, która oprócz bezpośrednich teoretycznych kalkulacji ekonomicznych uwzględni również kilka elementów natury logistycznej mających docelowo wpływ na koszty funkcjonowania biogazowi i ostateczny sukces przedsięwzięcia. 14 Odległość/Dostęp (wielkość) Ekonomicznie akceptowalna odległość/wielkość max min Budynki mieszkalne 1,5-2,0 km Drogi utwardzone 0,3-0,6 km Uwarunkowania terenowe Tabela nr 6. Uwarunkowania logistyczne dla budowy biogazowni. grunty użytkowane rolniczo grunty przemysłowe ha/1mw 1,5 ha/1mw Linie średniego napięcia 0,5-1,0 km Dostęp do mediów zewnętrznych 0,5-1,0 km Bliskość przemysłu rolno-spożywczego km Obiorcy ciepła 0,3-1,5 km - zależność duża; - zależność średnia; - zależność mała

15 3. Uwarunkowania finansowe Koszty budowy małej biogazowni (poniżej 150 kwel) na źródła odrastające i gnojowicę szacuje się na poziomie od do na kwel zainstalowanej mocy. Wraz ze wzrostem mocy instalacji nakłady te maleją. W większych instalacjach odpowiednio mogą osiągać poziom /kwel. Możliwości do wykorzystania degresji wydatków leżą w potencjale produkcji seryjnej (przemysłowa budowa prefabrykatów), dla której u podstaw warunkujących znajdują się takie cechy, jak standaryzacja istotnych podzespołów instalacji oraz uproszczenie i optymalizacja procesów. W przeciwnym razie prowadzi w przypadku jednostkowej instalacji do porównywalnie wyższych kosztów inwestycyjnych związanych z nakładami na specjalne projektowanie i wykonanie w zależności od dodatkowych usług. Na wysokość tych kosztów w znaczący sposób wpływa wyposażenie dodatkowe instalacji. Występują bowiem elementy tzw. nieobligatoryjne instalacji, jak chociażby hala przyjęciowa z układem podciśnienia, zastosowanie biofiltrów, pasteryzatorów, sterylizatorów czy mikserów. Zastosowana technologia budowy również zadecyduje o kosztach inwestycyjnych. Nie bez znaczenia jest bowiem fakt zastosowania zbiorników żelbetonowych według technologii monolitu czy zbiorników składanych z gotowych elementów. Zupełnie inny wydatek musimy ponieść, jeżeli zastosujemy zbiorniki stalowe. Oprócz technologii i zastosowanego materiału, znaczenie ma również samo usytuowanie zbiorników w stosunku do otoczenia. Mówiąc najprościej - im głębiej jest zakotwiczony zbiornik w ziemi, tym z reguły jest wyższy koszt jego budowy. Dotyczy to zarówno zbiorników przyjęciowych, fermentacyjnych, jak i magazynowych. Kolejnym elementem decydującym o kosztach budowy biogazowi ma trwałość zastosowanych rozwiązań technicznych. Należy pamiętać, że produkcja biometanu odbywa się w środowisku aktywnym chemicznie, a zastosowana technologia i elementy wyposażenia będą decydowały o niezawodności eksploatacji całej biogazowi przez okres dłuższy niż pięć lat od momentu uruchomienia instalacji. Innym, niezwykle ważnym elementem wyposażenia biogazowni, jest kogenerator będący sercem realizowanego przedsięwzięcia. Na rynku funkcjonuje kilka marek, które zajmują się produkcją typu urządzeń biogazowych oraz energetycznych. Wybór oferenta należy oczywiście do inwestora. Warto jednak wiedzieć, że urządzenia te muszą spełnić określone wymogi techniczno-eksploatacyjne, takie jak: trwałość, wydajność, sprawność, niezawodność, zachowanie minimalnych standardów emisyjnych. Dobór ich można dostosować bezpośrednio do warunków technologicznych biogazowi przy uwzględnieniu optymalnego kosztu zakupu, a także istotnych kosztów docelowych serwisu i napraw. Znaczący wpływ na koszty inwestycji mogą mieć również elementy elektronicznego systemu kontrolno - pomiarowego silnika, regulującego zakres pracy w przypadku wahań jakości i ilości biogazu oraz zastosowane inne rozwiązania pomiarowo-sterujące procesami technologicznymi. Reasumując, warto w kontekście biogazowni, jej możliwości, zagrożeń i oczekiwań, pamiętać o chińskiej ludowej mądrości, która mówi: Drogo buduj, tanio mieszkaj. Opłacalność produkcji biogazu i energii skojarzonej Wynik finansowy produkcji energii skojarzonej na bazie biogazu, jak w każdej działalności, jest zależny od relacji pomiędzy przychodami a kosztami. 15

16 Tabela nr 7. Składniki przychodów typowej biogazowi rolniczej. Wpływy z tytułu Sprzedaż (czarnej) energii Sprzedaż zielonych certyfikatów Sprzedaż ciepła Czerwone certyfikaty Przyjmowanie odpadów biodegradowalnych Sprzedaż nawozu organicznego Sprzedaż unikniętej emisji CO 2 Udział procentowy ? Na podstawie danych można stwierdzić, że struktura przychodów jest uzależniona od możliwości sprzedaży ciepła i - co za tym idzie - czerwonych certyfikatów oraz od uwarunkowań logistycznych, a także związanych z tym możliwościami operatora w zakresie pozyskania tanich substratów wraz z możliwymi dopłatami oraz sprzedażą pozostałości pofermentacyjnej na cele nawozowe. Przychody bowiem z produkcji tzw. czarnej energii i zielonych certyfikatów są określone i regulowane, a ich cena tylko w niewielkim stopniu jest uzależniona od operatywności sprzedającego. Przyjmuje się, że około 9% wyprodukowanej energii elektrycznej i 25% energii cieplnej zostaje zużyte na potrzeby procesowe biogazowni (Curkowski, 2009). Wykresy nr 1 i 2. Ceny energii czarnej regulowanej wg URE oraz ceny giełdowe Zielonych certyfikatów na przełomie ostatnich trzech lat. cena w zł/mwh Średnioroczny poziom cen za energię elektryczną (tzw. czarną) osiągniętych na Towarowej Giełdzie Energii TGE rok 148 Średnioroczna wartość Praw Majątkowych na TGE (świadectwa pochodzenia wytworzonej energii elektrycznej w odnawialnych źródłach - tzw. zielone certyfikaty) cena w zł/mwh I kwartał 2009 rok 16

17 Warto podkreślić, iż popyt na energię wytwarzaną ze źródeł OZE z roku na rok w sposób kontrolowany (Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 3 listopada 2006r.) rośnie i w związku z tym należy się spodziewać systematycznego wzrostu cen energii, zarówno czarnej, jak i zielonych certyfikatów. Po stronie kosztów występuje kilka stałych pozycji, takich jak koszty pracowników, zewnętrzny serwis, ubezpieczenia, podatki, odsetki od kredytów czy badania laboratoryjne. Jednakże o rentowności dla całego przedsięwzięcia decyduje przede wszystkim amortyzacjia i oczywiście koszty surowcowe. Amortyzacja, jak doskonale wiemy, nie jest wydatkiem, a w związku z czym jest to koszt, który najłatwiej ponieść, jej wielkość jednak nie może przekraczać 50% wartości przychodów. Bezsprzecznie najlepszym sposobem na jej obniżenie jest pozyskanie zewnętrznego, bezwrotnego dofinansowania dla inwestycji budowy biogazowi. W tym zakresie pojawiło się na rynku kilka możliwości, o których warto wspomnieć. Są to między innymi: Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko - dofinansowuje inwestycje budowy biogazowni, dla których minimalny próg wartości inwestycyjnej wynosi 10 mln złotych, Regionalne Programy Operacyjne - dofinansowywane są inwestycje biogazowe, a zwłaszcza urządzenia energetyczne poniżej 10 mln złotych, jednostką wdrażającą są Wojewódzkie Fundusze Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej - istnieje możliwość uzyskania wsparcia inwestycyjnego, którego wartość przekracza 10 mln złotych, Bank Ochrony Środowiska - udziela preferencyjnych pożyczek na realizację przedsięwzięcia na okres 5 lat, Eko-Fundusz - udziela dofinansowania w zakresie budowy instalacji wykorzystania biogazu dla sektora rolniczego w wysokości 30 do 60% wartości inwestycji przy minimalnej wartości inwestycji 50 tys. złotych, Szwajcarsko-Polski Program Współpracy - wspiera budowę urządzeń służących do wytwarzania i pozyskiwania biogazu i wykorzystania ich na cele energetyczne, dla przedsięwzięć o wartości minimalnej 10 mln franków szwajcarskich, Krajowy Program Restrukturyzacji Sektora Cukrowniczego - beneficjentami mogą być przedsiębiorcy prowadzący działalność na terenie gmin objętych procesem restrukturyzacji przemysłu cukrowniczego. Koszty surowcowe mogą być bardzo zmienne. Ich wielkość względna uzależniona jest bowiem od wielkości instalacji, przyjętej technologii, lokalnego rynku surowców oraz uwarunkowań logistycznych dotyczących lokalizacji biogazowni, o czym pisaliśmy wcześniej. Tabela nr 8. Wpływ odległości od biogazowni na wielkość kosztów surowcowych. Biomasa Kukurydza plon 500dt/ha CCM Plon 140 dt/ha Pszenica - ziarno Plon 100 dt/ha (za Gruberem, 2006) Odległość pomiędzy polem a biogazownią w km Koszty zbioru i transportu przy różnych odległościach zł/t zł/ha 2,5 15,85 792,65 5,0 19,05 952,43 10,0 25, ,20 20,0 41, ,78 2,5 47,56 665,83 5,0 49,88 698,36 10,0 54,99 769,83 20,0 67,52 945,29 2,5 42,95 429,53 5,0 45,73 457,33 10,0 50,84 508,38 20,0 64,82 648,23 17

18 Tabela powyższa pokazuje przykładowe koszty transportu surowców w zależności od odległości od biogazowni. Ogólnie rzecz biorąc, Polska w obecnej chwili - z punktu widzenia pozyskiwania substratów - jest wymarzonym rynkiem produkcji energii z biogazu. Odpady organiczne można pozyskać za darmo, często także z dodatkową rekompensatą z tytułu ich utylizacji. Substraty te, z uwagi na ich wysoki potencjał energetyczny (dane w tabeli 5), mogą być bardzo korzystne dla samego procesu produkcyjnego. Nie są to jednak komponenty dostępne dla wszystkich lokalizacji oraz ich dostawy często bywają sezonowe. Podstawową natomiast zaletą stosowania roślinnych surowców odnawialnych jest ich dostępność przez cały rok i to praktycznie w każdym miejscu w Polsce. Mogą one zatem stanowić swoistą rezerwę i bufor dla surowców pozyskiwanych sezonowo oraz w sposób przypadkowy. Koszt ich pozyskania jest możliwy do precyzyjnego oszacowania. Przykładowo koszt 18 Wyszczególnienie Kiszonka z kukurydzy (całe rośliny) CCM Ziarno pszenicy Burak cukrowy (korzenie) Wydajność dt/ha Sucha masa % Substancje organiczne w suchej masie % Wydajność biogazu w litrach/kg suchej masy substancji organicznej dm 3 / kg 1 tony kiszonki z kukurydzy waha się obecnie w zakresie złotych. Należy jednak pamiętać, że przy zakupie surowców (substratów) praktycznie zawsze to rachunek ekonomiczny musi być wyznacznikiem jego zastosowania w naszej biogazowni. Tabela nr 9. Wartość pozyskanego przychodu brutto w konwersji wybranych substratów pochodzenia rolniczego na energię elektryczną Zawartość metanu w biogazie % 52,2 52,7 52,8 52,4 Wydajność biogazu m 3 /ha Współczynnik sprawności w elektrowni cieplnej % Wydajność energii elektrycznej zł/kwh Cena sprzedaży energii elektrycznej zł/kwh 0,394 0,394 0,394 0,394 Wartość sprzedanej energii elektrycznej zł/ha (za Gruberem, 2006)

19 Wartość nawozowa osadu pofermentacyjnego (kofermentu) Tabela nr 10. Wartość nawozowa gnojowicy świńskiej i kofermentu Koferment mix Czysty składnik Gnojowica 70/30 w kg przy dawce świńska (gnojowica 30 m % zawartość Składniki x kiszonka z kukurydzy) kofermentu Sucha masa (SM) 8,00 (3,60-10,50) 5,40-6,60 xxx Substancja organiczna 5,44 (2,70-7,70) 4,05-4, Zawartość azotu (N) 0,50 (0,29-0,94) 0,48-0, Zawartość fosforu (P2O5) 0,18 (0,09-0,68) 0,18-0,21 63 Zawartość potasu (K2O) 0,42 (0,14-0,64) 0,63-0, Zawartość magnezu (MgO) 0,08 (0,01-0,28) 0,08-0,09 27 Zawartość wapnia (CaO) 0,16 (0,02-0,63) 0,15-0,21 63 Koferment jako przefermentowany materiał pochodzenia organicznego jest doskonałym nawozem pod uprawę roślin, zawierającym składniki biogenne w postaci prostych i łatwo przyswajalnych związków chemicznych. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowanie kofermentu z biogazowni jako nawozu przyczynia się do lepszej humifikacji składników oraz znacznego zminimalizowania strat oraz emisji do atmosfery azotu w postaci amoniaku NH 3 średnio o 20%, w stosunku do nawozów z materiałów wyjściowych. W przeciwieństwie do gnojowicy nie zakwasza gleby. W procesie fermentacji rozkładowi ulegają również nasiona chwastów. Następuje także eliminacja czynników chorobotwórczych oraz bardzo poważna redukcja uciążliwych do otoczenia nieprzyjemnych zapachów. Niestety, w polskich przepisach prawnych, tj., w Ustawie o nawozach i nawożeniu z dnia 26 lipca 2000 r. (Dz.U. Nr 89, poz. 991) oraz w Ustawie o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r. (Tekst jednolity Dz.U. z 2007 r. Nr 39, poz. 251), koferment nadal jest klasyfikowany jako odpad niebezpieczny!!! Wiąże się to z koniecznością wykonywania kosztownych badań gleby i samego kofermentu oraz sporządzaniem planów nawożenia. Ostatecznie o składzie kofermentu decyduje jednak dobór substratów oraz przebieg złożonych procesów fermentacyjnych. Pomimo istnienia wielu trudności i tak zdecydowanie warto zrobić coś dla siebie, lokalnego otoczenia i środowiska przyrodniczego. 19

20 Przykładowe etapy budowy biogazowni Przygotowanie placu budowy i wykonywanie prac ziemnych Szczelne - wielowarstwowe wykonanie dna zbiornika fermentacyjnego 20

21 Montaż zbiorników fermentacyjnych i końcowych Montaż belek mocujących, siatki odsiarczającej oraz folii ochronnej (dachu) 21

22 Montaż kogeneratora i systemu przepompowni w hali Montaż kogeneratora w izolowanym kontenerze Montaż ścian izolacyjnych zbiorników Montaż licznych ciśnieniomierzy oraz czujników kontrolnych 22

23 Montaż urządzeń i zbiorników do przyjmowania i przygotowywania substratów Montaż przewodów podziemnych i nadziemnych (łączących) z urządzeniami kontrolno - pomiarowymi oraz podejść Materiał fotograficzny udostępniony przez: Biogas weser-ems Friesoythe w Niemczech Opisy: Leszek Bajda 23

24 Biogaz-Tech Spółka z o.o. ul. Długa Jarocin Contact: Phone Fax info@biogaz-tech.pl