Andrzej Curkowski Instytut Energetyki Odnawialnej

Transkrypt

1 Regionalny warsztat szkoleniowo-informacyjny w ramach projektu Biogazownia-przemyślany wybór Podstawowe informacje na temat technologii wytwarzania biogazu rolniczego Andrzej Curkowski Instytut Energetyki Odnawialnej Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Rozwoju Technologii, 4 marca 2014 r

2 Fermentacja metanowa idea procesu Fermentacja metanowa - beztlenowy rozkład substancji organicznych do związków prostych (m.in. CH 4, CO 2, H 2 ) WARUNKI BEZTLENOWE C X H Y O Z CH 4 + CO 2 +inne śladowe + BIOMASA ZWIĄZKI ORGANICZNE BIOGAZ MASA POFERMENTACYJNA Podstawowe cechy i warunki procesu: - 4 fazowy proces realizowany przez bakterie beztlenowe oraz względnie beztlenowe (fakultatywne), - Zakres temperatur: psychorfilowy 22 C, mezofilowy 35 C, termofilowy 55 C, - Zakres ph: 6,8-7,4, - Czas retencji (przebywania w komorze) dni (w zależności od substratów), - Mieszanie zapewniające jednolite warunki procesu w całej objętości zbiornika, - Substraty: substancje organiczne -białka, węglowodory i tłuszcze, - Produkty: biogaz + masa pofermentacyjna o własnościach nawozowych.

3 Mechanizm powstawania biogazu Fermentacja jest procesem naturalnie zachodzącym w układzie pokarmowym zwierząt Biogazownia betonowa krowa Białka Węglowodany Tłuszcze Faza procesu Hydroliza Kwasogeneza (acidogenaza) Octanogeneza (acetogeneza) Metanogeneza Bakterie Fakultatywne (względne) beztlenowce Fakultatywne (względne) beztlenowce, bakterie octanowe Bakterie octanowe i metanogenne Bakterie metanogenne Substancje rozkładane i produkty rozkładu aminokwasy, alkohole, wyższe kwasy tłuszczowe, cukry proste kwasy karboksylowe (gł. walerianowy, mrówkowy i propionowy), alkohole, ketony, aldehydy, CO 2, H 2 kwas octowy (octan), CO 2, H 2 CH 4, CO 2, H 2

4 Całkowita i jednostkowa produktywność biogazu z poszczególnych substratów Całkowita produktywność biogazu [m 3 /kg s.m] - maksymalny możliwy uzysk biogazu z jednostki suchej masy, - maksimum miedzy 14 a 21 dniem trwania procesu. Jednostkowa produktywność biogazu [m3/m3*d] - dynamika produkcji biogazu w odniesieniu do produkcji całkowitej, - najbardziej dynamiczny rozkład substancji organicznych w ciągu pierwszych 5-8 dni - po osiągnięciu maksimum wydajność procesu stopniowo się zmniejsza. Źródło: From lab scale to full scale biogas plants, R. Farina A. Spagni, EuroBioRef Summer School 2011

5 Proces fermentacji przebiega w trzech zakresach temperatur: Dynamika procesu fermentacji Zakres temperatur Temperatura Czas trwania Zastosowanie psychrofilowa C dni instalacje w Afryce i krajach azjatyckich mezofilowa C ok. 30 dni większość instalacji biogazowni rolniczych w Europie termofilowa C dni Wybór temperatury procesu determinuje m.in. parametry technologiczne, właściwości przetwarzanych substratów, Wyższa temperatura procesu - większa aktywność bakterii - większa wydajność fermentacji, - większa produkcja metanu, - krótszy czas retencji, - spadek zapotrzebowania na czynną objętość zbiornika fermentacyjnego, - konieczność precyzyjnego sterowania. Opłacalność produkcji biogazu na skalę przemysłową - fermentacja mezofilowa i termofilowa, Fermentacja psychrofilowa instalacje przydomowe w Azji i Afryce, stosowana m.in. do bioodpadów pochodzenia komunalnego oraz z przemysłu rolno-spożywczego

6 Produktywność biogazu poszczególnych substratów rolniczych Źródło: Biogaz Inwest 2012 Zawartość metanu w biogazie : Gliceryna spożywcza: 50% Kiszonka kukurydzy: 52% Odchody kurze: 55% Obornik bydlęcy: 55% Gnojowica świńska: 60% Mleko tłuste: 63% Tłuszcze zwierzęcy z separatora, 68% Tłuszcz po frytkach 68% [m 3 CH 4 /t s m.o.]

7 Opcje technologiczne biogazowni rolniczych Instalacje do produkcji biogazu rolniczego mogą się różnić pod względem: rodzaju i właściwości stosowanych substratów, doboru elementów ciągu technologicznego, sposobu wykorzystania biogazu (ciepło, kogeneracja biometan),

8 Źródło: Xergi AS Zasada działania biogazowni rolniczej i główne procesy technologiczne

9 Fermentacja mokra Fermentacja mokra dla wsadu do zawartości max. 16 % suchej masy zapewniona jest możliwość pompowywania do komory fermentacyjnej, Komory fermentacyjne zbiorniki o kształcie pionowego lub poziomego walca, posiadające : - betonowe dno, - stalowe lub betonowe ściany, - gazoszczelne zadaszenie, - uzbrojone w armaturę dostarczania substratu i odprowadzania masy pofermentacyjnej. - system mieszania, - wymienniki ciepła, Źródło: Xergi AS Właściwy przepływ i cyrkulację substratu w komorze zapewnia system mieszadeł. Napełnianie komory może być rozwiązane poprzez przepływ tłokowy lub ciągły (najprostsze konstrukcje). Źródło: Farm-scale biogas plants, T. Fisher, A.Krieg, Krieg & Fisher Ingenieure GmBH

10 Fermentacja sucha (>16% s.m.) zastosowanie mieszanek substratów o zawartości suchej masy > 16 %, optymalne rozwiązanie jeżeli brak wystarczającej ilości gnojowicy do rozcieńczania, proces prowadzony w kilku oddzielnych komorach fermentacyjnych, co stabilizuje ilość wytwarzanego biogazu, Źródło: biomasa jest zraszana płynem perkolacyjnym, poprawiającym dostępność substancji organicznej dla bakterii. Źródło:

11 Napełnianie nieciągłe (wsadowe) zmienna ilość i jakość produkowanego biogazu, równomierność produkcji biogazu zwiększa zastosowanie zbiorników wymiennych, Sposoby napełniania zbiornika fermentacyjnego Napełnianie częściowo ciągłe zwiększa równomierność produkcji biogazu, spada zapotrzebowanie składowania materiału wsadowego, Napełnianie ciągłe-przepływowe wzrasta równomierność produkcji biogazu, dobre wykorzystanie pojemności fermentora, ryzyko odpływu części nieprzefermentowanego substratu, - konieczność zapewnienia efektywnego systemu mieszania Napełnianie mieszane fermentacja także w zbiorniku pofermentacyjnym, większa równomierność wytwarzania biogazu, wydajność wykorzystania substratu. Źródło:

12 Fermentacja jednostopniowa lub wielostopniowa Źródło: BARIŞ ÇALLI, Anaerobic Treatment, Chapter 8 Anaerobic Sludge Digestion, Marmara University, Faculty of Engineering, Environmental Engineering Department, 2011 Zalety rozdziału fazy kwaśnej i metanogennej w procesie dwustopniowym: skrócenie czasu trwania fermentacji, zwiększenie stopnia rozkładu substancji organicznej do 60-80%, stworzenie optymalnych warunków dla powstawania kwasów w fazie kwaśniej pozwala na większą redukcję suchej masy, stworzenie optymalnych warunków do rozwoju mikroorganizmów w poszczególnych fazach procesu, większa stabilność procesu i mniejsze problemy z powstawaniem piany, wyższy uzysk biogazu.

13 Wartość kaloryczna: biogazu: ok. 6 kwh/m 3, metanu: ok. 10 kwh/m 3, Produkcja energii elektrycznej i ciepła w układzie kogeneracyjnym Sprawność agregatu CHP: cieplna: 40-do 55%, elektryczna: 30- do 44 % (wyższa dla jednostek większych), sprawność układu ok. 85 %, Czas pracy agregatu w ciągu roku: godz./r, średnio godz./r, dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%, Ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto Źródło: IEO całkowita produkcja brutto, pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne (ciepło technologiczne): 25-40% całkowitej produkcji ciepła, Ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto całkowita produkcja brutto pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne - średnio ok. 9% wyprodukowanej energii elektrycznej na potrzeby technologiczne: mieszadła, pompy, układ sterowania, oświetlenie.

14 Źródło: BIOMETHANE REGIONS, Introduction to the Production of Biomethane from Biogas A Guide for England and Wales Wydzielone sieci biogazu Produkcja biometanu z biogazu ograniczone możliwości wykorzystywania ciepła na terenach wiejskich, możliwości gromadzenia zapasów biogazu w specjalnych zbiornikach ograniczone są do kilkunastu dni, 1 możliwość: przesył siecią gazową do miejsc, gdzie biogaz może być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i ciepła w agregatach kogeneracyjnych, Instalacje demonstracyjne wydzielonych sieci wiejskich w Austrii. 2 możliwość: zatłaczanie biometanu do sieci gazu ziemnego. Kilkadziesiąt instalacji w Niemczech. Dwie pierwsze inwestycje w Polsce w budowie w Długoszynie (woj. lubuskie) oraz w Sudwie (woj. warmińsko - mazurskie).

15 Porównanie składu i właściwości biogazu i biometanu Parametr Biogaz Biometan (oczyszczony biogaz) Gaz ziemny Metan 45-75% (śr. 60%) 94-99% 93-98% Dwutlenek węgla 28-45% (śr. 40%) 0,1-4% 1% Azot <3% <3% 1% Tlen <2% <1% - Wodór ilości śladowe ilości śladowe - Siarkowodór <10 ppm <10 ppm - Amoniak ilości śladowe ilości śladowe - Etan - - <3% Propan - - <2% Wartość kaloryczna 5,5-7,7 kwh/m 3 Śr. 6 kwh/m 3 (w zależności od wsadu do biogazowni) 10,2-10,9 kwh/m 3 ok kwh/m 3

16 Technologie uszlachetniania biogazu Technologia Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) Płuczka wodna Chemiczna absorpcja - płuczka aminowa Fizyczna absorpcja - wymywanie z zastosowaniem Selexol-, Rectisol-, Purisol Efekt Adsorpcja CO 2 pod ciśnieniem na węglu aktywnym Rozpuszczenie CO 2 w wodzie pod wysokim ciśnieniem Chemiczna reakcja CO 2 z MEA (monoetanoloamina) Rozpuszczenie CO 2 w rozpuszczalniku pod wysokim ciśnieniem ). Stężenie metanu po procesie Straty metanu > 96% 2-4% > 96% 1-3% > 99% < 0,1% > 96% ok. 2% Separacja membranowa Różna prędkość permeacji molekuł gazowych > 95% ok. 2% Separacja kriogeniczna Warunki agregacji w zależności od temperatury > 99% - Źródło: W Polsce jakość gazu ziemnego określa: PN-C-04752:2002.Jakość gazu w sieci przesyłowej, PN-C-04753:2002 Jakość gazu w sieci rozdzielczej, Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 6 kwietnia 2004 r w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych (Dz. U. 105 poz.1113).

17 System dystrybucyjny Źródło: Zastosowanie biometanu w transporcie miejskim i taksówkowym na przykładzie Szwecji Produkcja biogazu Przechowywanie sprężonego gazu Kompresja Szybkie tankowanie na stacji Mobilny system przechowywania Wolne tankowanie na rampie

18 Dziękujemy za uwagę!