Biogaz odnawialne ród o energii

Transkrypt

1 19 X SYMPOZJUM POSTAWY PROEKOLOGICZNE U PROGU XXI WIEKU Su ów k/milicza, 27 wrze nia 2008 Biogaz odnawialne ród o energii Zak ad Studialno-Projektowy BIOTESANIT Wprowadzenie Biogaz zaliczany do istotnych odnawialnych róde energii (OZE), tak jak energia s oneczna, wiatru, geotermiczna i fal morskich, jest wytwarzany z odpadowych substancji organicznych, g ównie z osadów ciekowych, sta ych i p ynnych odpadów rolniczych, organicznych odpadów komunalnych. Powstaje on w procesie beztlenowego rozk adu materia u organicznego przy udziale specyficznego typu bakterii fermentacyjnych; jest mieszanin gazów ze zdecydowan przewag metanu (55 70%), dwutlenku w gla (do 40%), wodoru i siarkowodoru. Metan po oczyszczeniu (usuni ciu siarki i CO 2 ) ma warto kaloryczn ok. 36 MJ/m 3. Jego warto u ytkowa jest porównywalna do gazów naturalnych, ale wytwarzanie, w formie ubocznego produktu, jest zdecydowanie ta sze, a zasoby i mo liwo ci jego wytwarzania s nie ograniczone. Biogaz wykorzystywany jest nie tylko do celów grzewczych obiektów technologicznych ale i do ogrzewania domów, do wytwarzania energii elektrycznej, zarówno do celów w asnych, jak i do sieci energetycznej; stosowany te jako paliwo do silników wysokopr nych. W krajach rozwini tych technologicznie (Niemcy, kraje skandynawskie, USA ) produkcja biogazu odbywa si na skal przemys ow ; ma e fermentownie na potrzeby pojedynczych gospodarstw sta y si ogromnie popularne w Chinach (ok. 6 mln obiektów), w Indiach (ok. 1 mln), w Korei Po udniowej, w Brazylii. W Szwecji mo na tankowa gaz pozyskany ze cieków miejskich. Kilkadziesi t miast w tym kraju, mi dzy innymi Göteborg, zainstalowa o urz dzenia do odzyskiwania metanu ze cieków kanalizacyjnych. Korzystaj z niego tysi ce samochodów osobowych i autobusów, które je d po szwedzkich drogach ju od kilku lat. Ich spaliny s bezwonne, paliwo ta sze ni benzyna czy olej nap dowy. W Polsce powszechne s biogazownie w oczyszczalniach cieków (ok. 74% obiektów), gdzie ogrzewa s ciep em (gor ca woda) spalanego gazu komory fermentacyjne osadów ciekowych; nast puje rozwój biogazowni rolniczych z produkcj ciep a i energii

2 20 elektrycznej; budowane s biogazownie na wysypiskach organicznych odpadów komunalnych (ok. 78,5% obiektów). Dla aktualnej koordynacji i zamierze przysz o ciowych opracowane zosta y ró ne programy dzia a, cznie z modyfikacj Prawa Energetycznego, Prawa Ochrony rodowiska, Prawa Budowlanego, specjalnych Rozporz dze i Regulacji Ministra Gospodarki i opracowaniem Strategii rozwoju energetyki odnawialnej (2001 r.). Substraty do produkcji biogazu Osady ciekowe Mo liwo ci energetycznego wykorzystania biogazu z oczyszczalni cieków s ogromne. ród em biomasy s osady ciekowe, które powstaj g ównie w komunalnych oczyszczalniach cieków w procesie oczyszczania cieków. Polska ma 2875 oczyszczalni komunalnych i ponad 2000 oczyszczalni przemys owych (2004 r., KPGO 2010 ). Ilo powstaj cych osadów uzale niona jest od zawarto ci zanieczyszcze w ciekach, przyj tej i realizowanej technologii oczyszczania, oraz stopnia rozk adu substancji organicznych w procesie tzw. biologicznej stabilizacji. Przyj te jest, e z 1 m 3 osadu o zawarto ci 5% suchej masy uzyskuj si m 3 biogazu. Najlepsze efekty produkcji biogazu otrzymuje si w oczyszczalniach biologicznych, które s stosowane w wi kszo ci oczyszczalni komunalnych i w cz ci oczyszczalni przemys owych. Oczyszczalnie cieków maj wysokie zapotrzebowanie w asne na energi ciepln oraz elektryczn, dlatego odzysk cz ci energii z biogazu ma istotny wp yw równie na rentowno tych zak adów; ze wzgl dów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest op acalne tylko w wi kszych obiektach, oczyszczaj cych rednio ponad 8 do 10 tys. m 3 /dob cieków. Odpady organiczne Stanowi one jeden z g ównych sk adników (od 25 40%) odpadów komunalnych (ok. 14 mln ton w 2003 r. wg GUS). Ulegaj one naturalnemu procesowi biodegradacji, czyli rozk adowi na proste zwi zki organiczne. W warunkach optymalnych z jednej tony odpadów komunalnych mo e powsta oko o m 3 gazu wysypiskowego. Jednak w rzeczywisto ci nie wszystkie odpady organiczne ulegaj pe nemu rozk adowi, a przebieg fermentacji zale y od szeregu czynników. Dlatego te przyjmuje si, e z jednej Tabela 1. Ilo ci komunalnych osadów ciekowych wytwarzanych w Polsce w latach Rok Ilo osadów wytwarzanych Odsetek ludno ci obs ugiwanej [tys. Mg s.m.] przez oczyszczalni [%] ,

3 Biogaz odnawialne ród o energii 21 tony odpadów mo na pozyska maksymalnie do 200 m 3 gazu wysypiskowego. Szacuje si, e rocznie odpady produkuj ponad 600 mln m 3 metanu. W praktyce zasoby gazu wysypiskowego mo liwe do pozyskania nie przekraczaj 30 45% ca kowitego potencja u powstaj cego na wysypisku gazu. W takich warunkach zasoby metanu realnie mo liwe do pozyskania z wysypisk odpadów komunalnych s szacowane na mln m 3 metanu rocznie, co jest równowa nikiem 5235 TJ. W Polsce zarejestrowanych by o w 2007 r. 929 czynnych sk adowisk odpadów komunalnych, 304 posiada o instalacje odgazowywania (w 2000 r. tylko 96), w tym 237 z gazem uchodz cym do atmosfery. Nadal niewielka ich cz (tylko 12) posiada instalacj odgazowywania z odzyskiem energii cieplnej, a 44 z odzyskiem energii elektrycznej (w 2000 r. liczba sk adowisk z wymienionymi instalacjami wynosi a odpowiednio 2 i 11 sk adowisk). Na wiecie dzia a tysi ce instalacji energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym wzgl dem Wielka Brytania, gdzie w 2000 roku moc zainstalowana wynosi a 292 MWh. Odpady rolnicze Surowcem do produkcji biogazu mog by prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne ze wzgl du na sk ad s odchody zwierz ce w postaci gnojowicy lub obornika. Mo liwo ci pozyskiwania biogazu w gospodarstwach rolnych z odchodów produkcji zwierz cej w warunkach polskich kszta tuj si, wg danych GUS z 2000 r., nast puj co: Ilo ci wytwarzanej gnojowicy 38 mln m 3 /rok Ilo ci wytwarzanego obornika 85 mln m 3 /rok Ogó em roczny potencja produkcji biogazu 3,3 mld m 3 W przeliczeniu na metan 1,8 2,3 mld m 3 /rok Tabela 2. Charakterystyka odchodów zwierz cych Zawarto Zawarto Zawarto Iloraz Prod. biogazu Zawarto Odpad wody substancji org. azotu C/N metanu [%] [% s.m.] [% s.m.] [m 3 /kg s.m.] w gazie [%] gnojowica wi ska ,25 0, gnojowica bydl ca ,20 0, odchody kurze ,35 0, obornik ko ski ,4 2, ,35

4 22 Proces fermentacji metanowej Fermentacja beztlenowa jest z o onym procesem biochemicznym, w którym zwi zki organiczne pochodzenia naturalnego takie jak w glowodany (celuloza, skrobia, pektyny, hemiceluloza, cukry, oraz bia ka i t uszcze ro linne i zwierz ce rozk adane s na metan i dwutlenek w gla. Proces ten mo e by stosowany do ró norodnych cieków, odpadów przemys owych i komunalnych, a tak e w rolnictwie do odpadów z hodowli ro lin, odchodów zwierz cych i ro lin energetycznych. W beztlenowym rozk adzie substancji biologicznych uczestniczy kilka grup mikroorganizmów: bakterie fermentacyjne rozk adaj ce materia biologiczny (biomas, materia celulozowy) do kwasów, alkoholi, wodoru i dwutlenku w gla, bakterie kwasotwórcze rozk adaj ce alkohole, kwasy do kwasu octowego, wodoru i CO 2 zwykle wymagaj niskiego st enia rozpuszczonego wodoru, bakterie metanowe przerabiaj ce kwas octowy, wodór i dwutlenek w gla do metanu. W procesie beztlenowego rozk adu substancji organicznej w komorze fermentacyjnej wyró ni mo na cztery fazy : I hydroliza (uwolnienie wielocz stkowych zwi zków organicznych) rozk ad spolimeryzowanych nierozpuszczalnych zwi zków organicznych (bia ka, w glowodany, t uszcze) przy udziale zewn trzkomórkowych enzymów. II faza kwa na acetogenna (produkcja kwasów organicznych) rozk ad produktów hydrolizy do krótko a cuchowych kwasów organicznych, g ównie (76%)do lotnych kwasów t uszczowych (mrówkowy, octowy, propionowy, mas owy, walerianowy, kapronowy), alkoholi (metanol, etanol), aldehydów i produktów gazowych CO 2 i H 2 III faza acetogenna (produkcja lotnych kwasów t uszczowych) przetwarzanie etanolu oraz lotnych kwasów t uszczowych do octanów oraz CO 2 i H 2 przez bakterie acetogenne, których czas generacji jest stosunkowo d ugi (84 h). Zahamowanie aktywno- ci tych bakterii prowadzi do kumulacji lotnych kwasów organicznych, co prowadzi do obni enia odczynu i zahamowania wzrostu bakterii metanogennych. IV faza metanogenna (rozk ad lotnych kwasów t uszczowych do CH 4 i CO 2 ) produkcja metanu przez bakterie metanowe (autotroficzne i heterotroficzne); 2/3 metanu powstaje z octanów lub alkoholi. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej zosta a zatwierdzona przez polski Sejm w sierpniu 2001 roku. Jest to najwa niejszy dokument dla rozwoju odnawialnych róde energii w naszym kraju. Wskazuje on podstawowe cele i mo liwo ci rozwoju energetyki odnawialnej do roku Strategia zak ada zwi kszenie udzia u energii ze róde odnawialnych w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i do 14% dziesi lat pó niej wskazuje to na trzykrotny wzrost w stosunku do roku W

5 Biogaz odnawialne ród o energii 23 Tabela 3. Scenariusz rozwoju technologii produkcji biogazu przy za o eniu 7,5% udzia u OZE w bilansie energii pierwotnej w Polsce w 2010 r. czna produkcja energii z OZE Udzia energii Dodatkowa moc w Polsce w 2010 r. wyprodukowanej Technologia OZE zainstalowana w OZE w latach elektrycznej cieplnej razem [%] [MW] [GWh] [TJ] [TJ] Biogazownie komunalne ,2 Biogazownie rolnicze ,2 Gaz wysypiskowy ,7 Razem OZE strategii tej przygotowano trzy scenariusze zak adaj ce udzia energii elektrycznej ze róde odnawialnych na trzech poziomach procentowych: 7,5%, 9% i 12,5% ca kowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce w roku Scenariusz pierwszy (7,5%) jest zgodny z Rozporz dzeniem Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Spo ecznej w sprawie obowi zku zakupu energii elektrycznej i ciep a z odnawialnych róde energii. Zak ada on wzrost mocy jednostek produkuj cych energi z biogazu o 590 MW, w czym maj pomóc przede wszystkim biogazownie komunalne przerabiaj ce osady ciekowe i odpady, które maj produkowa 5,2% energii pochodz cej ze róde odnawialnych. Przyk ady rozwi za Na rynku krajowym dzia a kilka firm posiadaj cych wypróbowane technologie biogazowe, mo na równie uzyska dofinansowanie projektu. W zakres inwestycji wchodzi: komora fermentacyjna, zbiornik przefermentowanej biomasy, zbiornik biogazu, izolacja, hydraulika do przesy u ciep a, hydraulika biomasy, ogrzewanie komory, przygotowanie kosubstratu, roboty monta owe i budowlane oraz generator 43 kw. Okres zwrotu takiej inwestycji wynosi ok. 7,7 lat. Mimo znacz cych dzia a edukacyjnych i stworzenia formalno-prawnych podstaw do budowy biogazownii w kraju, realizacja takich inwestycji rozwija si niezwykle powoli. Procentowy udzia ró nych typów biogazowni w Polsce w 2006 r.: na wysypiskach organicznych odpadów komunalnych ok. 78,5% obiektów, w oczyszczalniach cieków ok. 73 % obiektów, rolnicze (g ównie gnojowica z ferm hodowlanych) ok. 1%; dzia aj praktycznie dwie biogazownie: ma a biogazownia w Grudzi dzu, od roku 1995, wspó pracuj ca z sieci energetyczn regionu, biogazownia firmy Poldanor (technologia du ska) w Paw ówku, od 2005 roku, produkuj ca 1,4 MWh energii elektrycznej i 2,6 MWh energii cieplnej do ogrzewania 350 domków jednorodzinnych rocznie.

6 24 Produkcja ciep a w biogazowniach istniejacych: wysypiskowe 52,8 GWh (16%), ciekowe 275,5 GWh (83%), rolnicze ok. 3 GWh (ok. 1%). Produkcja energii elektrycznej w biogazowniach istniej cych: wysypiskowe 109,6 GWh (44%), ciekowe 135 GWh (55%), rolnicze ok. 1,6 GWh (ok. 1%). Przyk adowe rozwi zania technologiczne mo na znale pod adresem oraz Literatura [1] Buraczewski G., Fermentacja metanowa. PWN, Warszawa, [2] Cebula J. i inni, Bio-technological conversion of sludge into organic fertilizers. EC INCO-Copernicus Scientific Cooperation Projects. Contract No.: ERB IC15 CT CT980112, [3] Chynoweth D.P., Owens J.M.Legrand R., Renewable methane from anaerobic digestion of biomass. Renewable Energy, 2001, 40. [4] J drczak A., Haziak K., Okre lenie wymaga dla kompostowania i innych metod biologicznego przetwarzania odpadów. Pracownie Badawczo-Projektowe, Ekosystem Sp. z o.o., Ekosystem. [5] Kujawski O., Nowoczesna biogazownia rolnicza. Ener CessGmbH. Poleko [6] Kutera J., Gospodarka gnojowic. Wydawnictwo AR Wroc aw, [7] Ledakowicz S., Krzystek L., Wykorzystanie fermentacji metanowej w utylizacji odpadów przemys u rolno-spo ywczego, Biotechnologia, 2005, 3. [8] Miksch K., Biotechnologia cieków. WP, Gliwice, [9] Ministerstwo rodowiska, Strategia rozwoju energetyki odnawialnej. Warszawa, 2002.