D3.4 Short guide on methods and sources of biogas production in Małoposka

Transkrypt

1 D3.4 Short guide on methods and sources of biogas production in Małoposka Deliverable: D3.4 Short guide on methods and sources of biogas production in Małoposka Author(s): Radoslaw POMYKAŁA, AGH-UST, with AGH-UST Team Version: Final Version Internal quality control: AGH-UST, ISIS Date: 30 January 2012 Contract N : IEE/10/351/SI Starting Date: 01 May 2011 Duration: 36 months Coordinator: Stefano PROIETTI, ISIS Tel: Fax: sproietti@isis-it.com page 1 84

2 BIOMASTER IN A NUTSHELL BIOMASTER intends to prove that biomethane for transport can be an operational and viable option in spite of the regulatory and fiscal barriers that hamper its replication. The 4 participating regions, Małopolska Region (PL), Norfolk County (UK), Skåne Region (SE) and Trentino Province (IT), are ready to exploit the potential of biomethane production and use for transport to overcome the current impasse and bring the key components of the biomethane chain into a joint initiative, stimulating investments, removing non-technological barriers and mobilising action for uptake. The qualifying characters of BIOMASTER are the commitment of a "waste-to-wheel partnership, the set-up of networks to involve local stakeholders, the intention to address the potential sources of biomethane production, the potential for total production and use, the available distribution modes, and the legal, organisational and financial barriers. A key ambition of the project is to focus on biomethane grid injection. The goal is to bridge the knowledge and operational gaps fragmenting the biomethane chain and to establish local alliances of stakeholders to foster open dialogue and create a mutual understanding which will facilitate an increase in actions along this biomethane chain. BIOMASTER is a project, co-funded by the Intelligent Energy Europe-Programme and is composed of 17 partners, coming from Austria, Italy, Poland, Sweden and the United Kingdom. It will run from 01 May 2011 until 30 April The sole responsibility for the content of this document lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein. page 2 84

3 List of Authors Dr inż. Iwona Kuczyńska (AGH UST) Biomaster Polish Team Dr inż. Radosław Pomykała (AGH UST) Biomaster Polish Team Mgr inż. Wacław Bilnicki (PGNiG Energy) Biomaster Polish Team Mgr inż. Michał Księżakowski (PGNiG Energy) Biomaster Polish Team Mgr inż. Paulina Łyko (AGH UST) Biomaster Polish Team Mgr inż. Alicja Nogaj Mgr inż. Tomasz Obłoj (EkoEra Association) Karol Wieczorek (cng.auto.pl) page 3 84

4 TABLE OF CONTENT INTRODUCTION 5 SUMMARY 6 1. BIOGAZ (BIOGAS) BIOGAZ I JEGO WŁAŚCIWOŚCI (BIOMAS, AND BIOMAS PROPERTIES) METODY WYTWARZANIA BIOGAZU (METHODS OF BIOGAS PRODUCTION) LITERATURA (BIBLIOGRAPHY) CHARAKTERYSTYKA ODPADÓW NADAJĄCYCH SIĘ DO PRODUKCJI BIOGAZU W BIOGAZOWNIACH (CHARACTERISTIC OF WASTES, SUITABLE FOR BIOGAS PRODUCTION) ODPADY Z PRZEMYSŁU ROLNO-SPOŻYWCZEGO (WASTES FROM AGRO-FOOD INDUSTRY) ODPADY Z HODOWLI ZWIERZĘCEJ (WASTES FROM LIVESTOCK FARMING) ODPADY POUBOJOWE (SLAUGHTER WASTE) OSAD ZE ŚCIEKÓW KOMUNALNYCH (SLUDGE FROM MUNICIPAL WASTEWATER) ODPADY KOMUNALNE (MUNICIPAL WASTES) LITERATURA (BIBLIOGRAPHY) KIERUNKI I DOBRE PRAKTYKI WYKORZYSTANIA BIOGAZU (DIRECTIONS AND GOOD PRACTICE OF BIOGAS USAGE) PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPLNEJ (ELECTRICITY AND HEAT PRODUCTION) WYKORZYSTANIE BIOGAZU NA CELE TRANSPORTOWE (THE USE OF BIOGAS FOR TRANSPORT PURPOSES LITERATURA (BIBLIOGRAPHY) BIOMETAN JAKO PALIWO W ŚRODKACH TRANSPORTU (BIOMETHANE AS A FUEL IN TRANPORT MEANS) MOŻLIWOŚCI STOSOWANIA BIOMETANU W POJAZDACH (POSSIBILITY OF USING BIOMETHANE IN VEHICLES) MOŻLIWOŚĆ WYKORZYSTANIA SKROPLONEGO BIOMETANU (BIOLNG) POSSIBILITY OF USING LIQUID BIOMETHANE BIOLNG) ASPEKTY PRAKTYCZNE EKSPLOATACJI POJAZDÓW ZASILANYCH CNG/BIOCNG (PRACTICAL ASPECTS OF OPERATING CNG/BIOCNG GAS- POWERED VEHICLES ZALETY WYKORZYSTANIA CNG/BIOCNG DO ZASILANIA POJAZDÓW (ADVANTAGES OF THE USE OF CNG / BIOCNG TO POWER VEHICLES) DOBRE PRAKTYKI ZASTOSOWANIA BIOMETANU JAKO PALIWA W TRANSPORCIE (GOOD PRACTICES OF BIOMETHANE USING IN TRANSPORT) LITERATURA (BIBLIOGRAPHY) BIOGAZOWNIA UTYLIZACYJNA ASPEKTY PRAKTYCZNE ( UTILIZATIONAL BIOGAS PLANT, PRACTICAL ASPECTS) LITERATURA (BIBLIOGRAPHY) EKONOMICZNE ASPEKTY BUDOWY BIOGAZOWI (ECONOMICAL ASPECTS OF BIOGAS PLANT CONSTRUCTION) 77 page 4 84

5 INTRODUCTION Issues of biogas production and use are becoming better known, while more and more people start joining them. This "Short guide..." is a collection of basic information about biogas and biogas market, useful especially for those who did not have far to deal with it. In particular, it is addressed to potential biogas producers looking for basic, condensed information in this regard. "Short guide..." will provide materials for labor and discussion for the meetings and seminars of Polish regional networks of BIOMASTER project. In comparison to the original intent, the "Short guide..." was expanded, because chapters on the use of biogas were added. This follows from the fact that biogas can be a valuable source of both energy and fuel for the producers themselves, and the analysis of the possible use of biogas for their own purposes may be a significant factor in biogas investment. The "Short guide..." has been prepared by a team of Polish project partners BIOMASTER, and invited authors, for which in this point a heartfelt thanks. On behalf of the team of Polish Partners of BIOMASTER project. Radosław Pomykała page 5 84

6 SUMMARY Because of the intended audience, the "Short guide..." is prepared in Polish. Below is an English summary of each chapter: 1. BIOGAS The first chapter presents the characteristics and properties of biogas, as well as the conditions necessary for its formation, with particular emphasis on methods used for its production. Biogas plants are designed to meet the needs of local communities for electricity or heat, can also be a source of fuel for vehicles and agricultural machines. But this is not the only advantage from operating in local socio-economic environment. Biogas plants can provide effective tools for waste management system including solution for biodegradable waste disposal reduction, according to the law requirements as well as shape the need for creating new job places. Biogas plants can use not only bio-degradable waste, but also all kinds of biodegradable materials (willow, miscanthus giganteus, rape, etc.) that are specifically produced and harvested from the environment. However, due to environmental protection, including the rational management of waste, the use of waste - as substrates, is much more advantageous Biogas, and biogas properties Biogas is produced by anaerobic digestion, or from the decomposition of organic matter. The process is carried out under anaerobic conditions by microorganisms with emission of methane. The gas composition depends on the conditions of fermentation and the content of individual components which can be varying. The approximate composition of the gas contains post-fermentation methane (52-85%), carbon dioxide (14-48%), hydrogen sulphide (0,08-5,5%), hydrogen (up to 5%), carbon monoxide (up to 2%) and nitrogen (0,6-7,5%). Its calorific value depends on the content of methane and is shaped in the MJ/m3. For comparison, the calorific value of methane gas is about 34 MJ/m 3. page 6 84

7 1.2. Mechanism of biogas formation The formation of biogas is a complex biochemical process occurring in the decomposition of organic matter (biomass) in anaerobic conditions. Methane is produced by decomposition of biomass contained in the complex molecules of proteins, fats and carbohydrates into simple compounds, through the activity of many groups of microorganisms, in a multi-stage fermentation process. Under natural conditions, any amount of biomass is subject to fermentation with the participation of microorganisms. Some of them require oxygen, such as those in topsoil. Where oxygen is lacking, macromolecular organic compounds (cellulose, proteins, fats, etc.) included in for example crop residues, are decomposed by microorganisms to simpler compounds. This process is accompanied by emission of methane (CH 4 ), carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen sulphide (H 2 S) and molecular nitrogen (N 2 ). These processes run in a continuous manner, imperceptible and slowly, which is associated with self-cleaning of the environment and the circuit elements in nature. In artificial conditions, where it comes to management and disposal of waste organic matter, biogas production is seen as a great opportunity to receive cheap energy. It is environmentally clean energy, because is produced from natural products or waste of natural origin. Maintaining the proportions of carbon and nitrogen in the substrate (C: N ratio) is very important for proper fermentation process. If this ratio is too high (lots of C and low N), the process cannot reach the total conversion of carbon, and thus cannot get the possible potential of methane. The process of methane release and biogas formation is conditioned by methane bacteria, like Methanobacterium omelianski, Methanobacterium suboxydans, Methanobacterium sohngenii, Methanobacterium propionicum, formicicum Methanobacterium, Methanococcus mazei, Methanococcus vannielli, Methanosarcinia barkeri and Methanosarcinia methanica. page 7 84

8 1.3. Methods of biogas production There are many methods for producing biogas based on anaerobic digestion process. Generally, the choice of method depends primarily on the type of processed feedstock and the future use of biogas. Therefore, each installation for the biogas production is characterized by individual design tailored to local circumstances and the type of substrate used. Division of production methods, and thus the technology of biogas production can be performed using various criteria. Among them are: content of dry matter, process temperature, mode of filling and the number of process steps. The dry matter content in the digester The most important part of the process is the formation of biogas fermentation. Basically we can distinguish wet and dry fermentation. This division results from the dry matter content of the material in the digester. There is no strict boundary between the fermentation of dry and wet. Frequently it is assumed that when it is in the range from 12 to 15% we have to deal with the wet fermentation, when the dry matter content rises above 15% we are talking about dry fermentation. The process temperature The temperature is a very important factor of the fermentation process. The methane fermentation begins at temperature of 6 C. The emission of methane is disappearing at the lower temperatures. Higher temperatures are associated with the quality rise of the emitted gas. Methanogenic bacteria are divided into three groups: psychrophilic, mesophilic and thermophilic. The optimal temperature for mesophilic bacteria is of C, For the thermophilic bacteria is C. The thermophilic bacteria are more efficient than mesophilic bacteria, within 12 days they mineralise as much substance as mesophilic bacteria within 21 days. Because of the need to maintain the fermenting substance at a higher temperature, a consumption of the heat energy by thermophilic bacteria is much greater. Low temperatures, and inadequate thermal insulation of thermal energy may result in decrease of biogas quality, and cause that biogas will not meet the energy demand for page 8 84

9 heating. For these reasons, the European climate digesters are working usually in the mesophilic condition and range of temperature are between C. Mode of filling The mode of filling the tanks (digestor) is largely conditioned by the type of plant construction and the availability of fresh substrate. The mode to filling can be divided into continuous, semi-continuous and discontinuous. In discontinuous filling, the fermentation tank is first completely filled with fresh substrate and then hermetically sealed. Substrate remains in the tank for a specified period of time, during which the tank is no longer refilled with a new substrate. After that time the tank is emptied. Only a small amount of the charge is left at the bottom of tank, to start a new fermentation process. Then the tank is filled in again. In this method, the amount and quality of biogas produced during the process is changing with the time. It is the main disadvantage of this method. To increase the uniformity of biogas production in the discontinuous mode, two removable tanks are used. The first one is slowly and uniformly filled with substrate, and decay process undergoes there. In the same time the second tank is filled completely, and inside it the fermentation process takes place. When the first tank is filled completely, the fermentation process in the second tank is finished. Then the charge of the second tank is removed and the content from the first tank is transferred to the second tank. In the semi-continuous method of filling, the fresh of the substrate is charging to the fermentation tank at least once during the day. This mode increases the uniformity of filling of the digester gas acquisition, improves its immutability and enables the process. The disposal of the charge material is immediately after its formation. This is particularly important in case of difficulties with the storage of feed for longer periods. In the continuous filling mode, the fermentation tank is charging a few times a day with the same part of waste, which are directed to store tanks. It provides that the charging had similar composition. That kind of parameters ensures high uniformity of biogas production and good usage of fermentation tank. There is a danger, i.e., that part of new page 9 84

10 charge may be passed directly to the store tank. In this method the effectiveness of charge mixing is very important. The deeply characteristic of different methods of biogas production and cofermentation fermentation of more than one substrate together are described in this chapter as well as information about main aspects and conditions of proper fermentation process. 2. Characteristic of waste, suitable for biogas production Most of organic waste can be a feedstock for biogas production, although it is different in speed of degradation and methane production efficiency. Currently, the biogas installations which use co-fermentation - fermentation of mixture of several substrates are the most popular. Differentiation of substrate lets to obtain a better performance of biogas and increases security of supply of raw material. Feedstock for biogas production should also be selected to maximize yields biogas, the stability of the fermentation process and the possibility to exploit the residues. It should be noted that due to the collection costs, waste is a much more favourable material than the cultivation of energy crops. Three groups of substrates as regards their origin can be distinguished, namely agricultural, industrial and municipal ones. Substrates of agricultural origin constitute mainly energy crops, livestock and crop production waste. As for waste of industrial origin, it includes food, meat, dairy, sugar, fermentation, paper, pharmaceutical and fat industry waste. Another group is municipal waste such as sludge from sewage plants, wet organic fraction, catering waste, plants and grass cuttings (municipal greenery). The main groups of waste materials that can be used in biogas plants are summarized by type in table 2.1 of the document in Polish (chapter 2) and with the groups and the codes according to the catalogue of waste in tables 2.2 and 2.3. Individual components of different substrates differ, among others, in the velocity of decomposition during the fermentation process (table 2.4). It depends on factors such as: content of dry organic matter (d.o.m.), susceptible to biodegradation, content of carbohydrates, fats and proteins, page 10 84

11 dry matter (d.m.), i.e., the total dry matter introduced into the digester. The European atlas of substrates, developed in the framework of EU project AGROBIOGAS, conducted in under the 6th Framework Programme, contains more than 200 organic substances, which were evaluated for suitability of biogas. The characteristics most commonly used in the fermentation of waste, together with their potential for biogas production are presented in Table 2.5. Characteristics include dry matter, organic solids and methane production potential Wastes from agro-food industry For the production of biogas by-products and waste from the agro-food industry can be used successfully, such as distillers' grains, spent grain, beet pulp, potato pulp, bagasse from the fruit (from the production of juice), seeds from apples, beet molasses, fats, waste, waste from slaughterhouse (blood, digestive tract content especially ruminants), bran and grain cleaning wastes, waste from the mill, extracted meal, oil cake, buttermilk, whey, glycerine from the production of methyl esters (biodiesel) from vegetable oils, fats postfrying, peels potato and potato waste, residue from mass caterers (catering), waste fruit, vegetables, coffee, tea, tobacco and many other similar. Linking processing plants of agricultural produce with the biogas plant can be very beneficial and reasonable. In the case of a brewery or distillery, by-products from the core business from brewery may be the basic substrates for biogas production, namely distillers' grains or spent grain (brewers grains). Waste from vegetable processing can be used as additional co-substrates, in such systems. Then distillery or brewery are not only the supplier of the substrate, but also receiver of heat from the biogas plant. It can significantly increase the effectiveness of the investment. Whey is another waste with a great potential for biogas production, arising in processing agricultural raw materials. As a by-product formed in dairy plants during the manufacture of hard cheese and curd, whey is a complex mixture of many valuable components: carbohydrates (especially lactose), protein, fat, organic acids, vitamins and minerals. page 11 84

12 Moreover, more information about common substrates and average amount of different waste from the agro-food industry, produced annually in Poland, is given in this point. According to cited estimates, their productive potential of biogas converted to electricity is about MWhe /y Waste from livestock farming Liquid manure is a waste widely available, frequently abused, and a troublesome. Therefore, many biogas plants are being built close to pig or cattle farm. Anaerobic digestion of liquid manure allows for the proper management of it, improving the quality of this natural fertilizer, and also brings additional income for the farm. Liquid manure both derived from pig farms and from cattle are suitable for the production of biogas, although the direct comparison indicate that the first one is more efficient for biogas production (Table 2.5). Not only liquid manure from animal production can be raw material for biogas plants, but also waste with a higher dry matter content, such as manure or poultry manure. Due to the fact that poultry droppings are characterized by a relatively high concentration (dry matter content of 25-40% depending on the system of animal husbandry), for the biogas production it is necessary to use liquid co-substrates that allow for the appropriate dilution of the stock to a level below 15%, which is the limit for wet fermentation process. In addition, attention was drawn to the usefulness of waste from different types of animal husbandry, as a basic feedstock for biogas, as well as the usefulness of using different types of co-substrates, to improve the efficiency of biogas production. The construction of a biogas plant near the farm allows, on one hand, utilization of waste and reducing methane emissions to the atmosphere, on the other hand - to produce electricity and heat, which can be used for own consumption or sold. Management of fermentation residues if far less problematic than fresh manure, thanks to changing their properties during the fermentation process, such as: odour reduction, reduction of ammonia emissions to the atmosphere, better absorption of ingredients from plants. It is also possible drying of the residues and using them as solid biomass combustion or, after certification, as fertilizer. page 12 84

13 2.3. Slaughter waste Waste from plants of meat processing industry is another kind of waste, a potential substrate for biogas production. Waste from animal slaughter occupies a special role in manufacturing biogas potential, not only because of its properties, but also in terms of burden on the environment and the associated costs. A major issue in this case are, however, the sanitary rules. Pursuant to Directive No 1774/2002 of the European Parliament and of the Council, waste of animal origin is divided into three categories, indicating the degree of risk to human and animal health, i.e.: Low Risk Material - LR, Category III, High Risk Material - HRM, Category II, Specific Risk Material - SRM, Category I. The different categories of waste generated in meat processing plants must be collected separately and recycled, or disposed in a specific way. In this point the possibilities and principles for the use of waste belonging to groups II and III risks are addressed. Ensure proper management of waste and taking into account their categorization is a major problem for the slaughter plants. Mixture of sewage from slaughter of pigs and poultry should be classified as a Category II, and from slaughter of cattle as Category I, under the current rules. The following sections discuss the average number of slaughterhouse waste generated and collected annually in Poland. The technical possibilities of utilization of both these kind of wastes are indicated, also with co-substrates, as well as the residues after fermentation Sludge from municipal wastewater Sewage sludge from municipal wastewater or sewage from other industrial plants can be used for biogas production, but there is a need to pay attention to the content of heavy metals. They remain in the fermentation residues, and then it not possible to use it to fertilize the fields. Sewage sludge is a very popular substrate for biogas production in Poland. page 13 84

14 Its productivity, based on the amount of biogas from 1mg dry organic matter, is not so high. However, this waste can be effectively used as an additional substrate Municipal organic waste Organic fraction of municipal waste is a group of waste, for which effective management methods are urgently looking for. Using it as a feedstock for biogas production requires a modern municipal waste management systems, which will also include the selective collection. Only separated organic fraction of municipal waste (food scraps, green waste) can be an excellent raw material for biogas production. This group of waste can also include waste from restaurants and catering. Because of possible unstable parameters, this kind of waste should be used mainly as an additional substrate. This section discusses also the impact of major changes in legal regulations concerning the management of organic waste that may increase their attractiveness as a substrate for biogas production. Their potential is indicated for quantitative as well as several international examples of biogas production based on organic waste. Selected characteristics of various suitable waste, described in this chapter, show their big diversity and great potential to biogas production, which can be used not only for traditional energy production, but also to produce fuel (biomethane) for transport, used for the own consumption or sold. The use of biogas for the production of biomethane for transport or for agricultural machinery is the main objective of the project BIOMASTER ( 3. DIRECTIONS AND GOOD PRACTICE OF BIOGAS USAGE This chapter describes possible trends of biogas usage, namely those most widely used, including: electricity production, both electricity and thermal energy production, use of biogas as fuel for transportation, substitution or supply of natural gas as a result of injecting it into the gas pipeline. The difference between biogas and biomethane is also indicated as well as possible ways of biomethane usage. page 14 84

15 The chapter also deals with electricity and thermal energy production. Installations for the production of both electricity and thermal energy are more cost-effective than those producing only electricity. In a cogeneration unit there are two systems: first an electrical one, which is a gas engine or a turbine; and the second a thermal one, which is, for example, a steam or water boiler. Available technologies and examples of obtaining this sort of energy are also described in the chapter, one of them is the Barycz landfill site. Innovative ways of biogas management are presented on the basis of foreign practices. The immediate utilization of biogas by plants located in the vicinity of landfills, within the distance of 8 to 16 km, is most profitable. In the USA the location of many production plants is conditioned on the landfill presence in the area as it enables the use of biogas which makes a very good substitute for natural gas. Chapter 3 includes a short description of possibilities and advantages of biomethane use for transportation, which is further elaborated on in Chapter 4 of the guidebook. The presented review of biogas usage indicates a variety of possibilities, the choice of which depends on distribution conditions as well as local needs and the availability of substrates and biogas production installations. 4. BIOMETHANE AS A TRANSPORTATION FUEL Renewable biomethane, a properly purified gas, with a quality equivalent to that of methane, makes an excellent substitute which extends the advantages of natural gas use. Nowadays two standards of biogas are used to power engine vehicles: biogas with parameters enabling its compression and refuelling the vehicle is adjusted to burning different quality of fuel; it is used only for technical vehicles in which homesteads and waste landfills producing biogas are equipped with; biomethane, that is a purified and enriched gas with the parameters of a natural gas, it can exist as a separate fuel or as complement of the natural gas, which is the most popular way of biomethane use in the economy, especially in Austria, Germany and Sweden. page 15 84

16 Currently there are two ways of using compressed biomethane: as a pure one (defined as CBG compressed BioGas or sometimes biocng) exists at a limited number of CNG filling stations usually located in the close vicinity of the production plant or transported to the station by trucks; as a mixture of natural gas with biomethane compressed methane which consists of mainly natural gas and a biomethane additive (within 10 30%) which is the most popular form of biomethane usage because of relatively easy fuel supply by means of the gas grid infrastructure. Differences in nomenclature result from trade names accepted by producers and distributors. The most important practical aspects which condition the use of biogas as a fuel include: Availability of methane-powered vehicles: At present many European vehicle producers have such power units in stock which could be specified with regard to car segments: Passenger cars: Fiat, Mercedes-Benz, Opel, Volvo, Volkswagen; Delivery vans: Fiat, IVECO, Mercedes-Benz, Opel, Volkswagen; Trucks: IVECO, Mercedes-Benz, Renault; Buses: Cobus, Irisbus, MAN, Mercedes, Scania, Solaris, SOR, TEDOM, Volvo. Possibility of introducing CNG cars Due to the higher cost of purchase of a CNG vehicle, which, unlike in other countries, is not subsidized in Poland, the car should be intensively in operation (minimum 30,000 km per year). Availability of CNG filling infrastructure An obstacle of a vehicle running on methane is its reduced maximum range available cars with factory installations allow from 300 to 600 km per charge in the combined cycle. This makes such cars suitable for use mainly in urban areas, thus three groups of vehicles have developed recently: page 16 84

17 passenger transport vehicles; heavy and delivery vehicles; municipal transport. A possibility of establishing own CNG filling station In order to use methane in the form of CNG to fill a vehicle, it has to be compressed to the pressure of 200 bars by means of a natural gas compressor (CNG). Nowadays manufacturers offer products for both large and small fleet applications. Small compressors with the capacity of 20 m 3 /h and thanks to their size they can be placed near the business premises in order to enable refuelling own fleet. This solution is noteworthy as companies producing biomethane and possessing their own fleet can use an ecological and cheap fuel for their cars. Therefore they can be independent of the external infrastructure and be able to use part of the biogas production volume for their own use. Another advantage for aesthetically-oriented consumers is the fact that methane neither spills nor smells even during filling in. The most important advantages of using CNG/bioCNG for filling vehicles include: Environmental benefits significant reduction of carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen oxides (NO x ) as well as noise; Financial benefits savings because of the use of such vehicles; Passive security the use of CNG reduces the risk of fire or explosion during a potential accident; Strategic security biomethane constitutes a real chance for the diversification of the fuel market for motorization. A few successful EU examples for case studies have been presented in order to facilitate the perspectives of introducing biomethane for use in transport, namely the use of passenger cars, municipal vehicles in Berlin, municipal buses in Lille. A significant case study will refer to the use of biomethane for motorsports ecological Volkswagen Scirocco R-CUP series. page 17 84

18 5. BIOGAS PLANT AS AN ELEMENT OF DISPERSED POWER INDUSTRY Among all currently available renewable energy technologies only biogas plants have a capacity to generate electricity, thermal energy and a fuel for transportation, as well as at the same time using different types of organic waste thus affecting positively the environment both locally and globally. The size of installations and the technology used depend on the availability of substrates. Generally a biogas plant fulfils many functions including the following: storage, processing and substrate dosing; provision of adequate conditions for processing; storage, post-digestion residue processing; storage, conditioning and use of biogas for energy. Biogas plant installations include as follows: a gas installation with a biogas purification system; a plumbing installation; a power installation; a heating installation; a measurement and control installation; a substrate dosing installation and a digestive processing unit. As can be seen, a biogas plant is a quite complex investment. Therefore it is essential to design and build an installation especially regarding availability of substrates. In order to provide stability to the complex process of co-fermentation and in case of running biogas plants it is vital to have permanent biotechnological monitoring. It is also important to provide a possibly invariable composition of substrates with an adequate level of homogeneity to ensure continuity and stability of the process. Meeting the requirements can guarantee high production of biogas and thus reaching high economic indicators. Given the logistics and delivery costs and the possibility of using post-digestion sludge, biogas investments should be located in the areas of substrate availability. Another page 18 84

19 advantage of a biogas plant is the capacity to produce electricity and thermal energy 24 hours a day almost all year long ( days). Wherever adequate conditions were established for the development of this technology (Germany, Denmark), biogas plants became a significant element of the dispersed power industry. Improvement of the natural environment in the local and global dimension, especially in terms of biomass and organic waste management, is one of the advantages of a biogas plant as an element of the dispersed power industry. Biogas as one of the technologies connected to Alternative Source of Energy undoubtedly contributes to the improvement of energy efficiency as well as energy security. What is more, it counteracts climate changes. 6. ECONOMIC ASPECTS OF BIOGAS PLANT CONSTRUCTION Construction of biogas plants, like any investment project, should be characterized by the rational capital allocation. The company proposing to invest in the construction of biogas plants should keep in mind the risks involved and the alternative cost of capital, which should be reflected in the discount rate. The critical information about the investment should be collected in order to properly assess the degree of its profitability. They should involve: 1) Technical data concerning a generating unit of electricity and heat including, among others: a. electric power of the generating unit, b. thermal power of the generating unit for each heat exchanger and the temperature range, c. power in the fuel primary, d. availability of units, e. schedule overhauls of the generating unit and their cost, f. electricity consumption for own needs by the generating unit, g. emissivity coefficients of a generating unit, h. cost of operation and maintenance of the generating unit on the side of the body responsible for its operation. page 19 84

20 2) Requirements for carriers of electricity and heat of a generating unit, including: a. the demand for electricity and the realizable price, b. the heat demand of specific parameters together with the realizable price, c. schedule of the heat demand for the different periods of the year and day. 3) Data regarding the substrate, including: a. types of substrate, b. dry matter content in the substrate, c. participation of dry organic matter (SMO) in the dry matter of substrate, d. volume of production of biogas from the dry organic matter (SMO) for different types of substrates, e. content of methane in the biogas for each type of substrate, f. estimated annual consumption of various substrates, g. contribution of individual substrates in the mixture, h. cost per unit for different substrates, i. cost of transport for different substrates. 4) The fixed costs. 5) Schedule of operation of a generating unit. 6) Investment expenditures. 7) Funding of the investment. A proper analysis of potential investment requires an adequate processing of the collected information in order to obtain the statement of incomes and expenses. page 20 84

21 1. BIOGAZ (BIOGAS) Polska, jako członek Unii Europejskiej została zobowiązana do osiągnięcia wzrostu udziału odnawialnych źródeł energii w finalnym zużyciu energii do poziomu 15% w 2020 r. Realizując zobowiązania unijne, w dokumencie Polityka energetyczna Polski do 2020 roku, założono, więc wzrost udziału odnawialnych źródeł energii, co najmniej do poziomu 15% w 2020 r. Cel ten ma być osiągnięty poprzez podejmowanie szeregu działań na rzecz rozwoju wykorzystania OZE w tym m.in. poprzez wdrożenie programu budowy biogazowni rolniczych, przy założeniu powstania do 2020 r. średnio jednej biogazowni w każdej gminie, posiadającej odpowiednie warunki do uruchomienia takiego przedsięwzięcia. Oznacza to, że biogazownie, jako instalacje służące do wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych winny się wpisać w krajobraz naszej krajowej mapy energetycznej. Mogą być one zlokalizowane na oczyszczalniach ścieków, na składowiskach odpadów komunalnych, ale także w gospodarstwach rolnych, hodowlanych oraz w przemyśle spożywczym. Biogazownie mają na celu zaspokojenie zapotrzebowania lokalnych społeczności na energię elektryczną bądź cieplną, mogą także być źródłem paliwa dla pojazdów i maszyn rolniczych. Jednak nie jest to jedyna korzyść wynikająca z faktu funkcjonowania tego typu instalacji w danym otoczeniu społeczno-gospodarczym. Biogazownie umożliwiają przede wszystkim prowadzenie efektywnej polityki gospodarki odpadami, a także kształtują potrzebę tworzenia nowych miejsc pracy w gminie czy regionie [7]. Budowa i funkcjonowanie biogazowi może również być rozwiązaniem zadań wynikających z przepisów prawnych, a dotyczących ograniczenia składowania odpadów biodegradowalnych. W zakresie składowania odpadów Unia Europejska w 1999r. wprowadziła dyrektywą nr 1999/31/EC stopniowe zmniejszenie zawartości frakcji organicznej kierowanej na składowiska. Polska w 2003r. dokonała już transpozycji tej dyrektywy. Główne jej wskazanie określa procentowy udział całkowitej masy składowanych odpadów komunalnych ulegających biodegradacji w stosunku do masy tych odpadów wytworzonych w 1995 r. wartości te wynoszą: page 21 84

22 75% do 31 grudnia 2010 r., 50% do 31 grudnia 2013 r., 35% do 31 grudnia 2020 r. Powodem wprowadzenia tych przepisów było nie tylko ograniczenie składowisk, ale przede wszystkim ograniczenie składowania odpadów organicznych, których samorzutny rozkład biologiczny przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych. Przepisy wymuszają działania mające na celu wyselekcjonowanie oraz utylizację frakcji organicznej pochodzącej z odpadów komunalnych, co może odbywać się na drodze kompostowania bądź fermentacji w biogazowni. Ponadto od 1 stycznia 2013 r. zacznie obowiązywać zakaz składowania odpadów nieprzetworzonych [5]. Biogazownie mogą wykorzystywać nie tylko odpady biodegradowalne, ale także wszelkiego rodzaju surowce biodegradowalne w tym pochodzące z tzw. roślin energetycznych tj. upraw celowych, które są specjalnie produkowane i pozyskiwane ze środowiska. Jednak ze względu na ochronę środowiska, w tym i racjonalną gospodarkę odpadami, o wiele korzystniejszym jest stosowanie, jako substraty, w biogazowi odpady Biogaz i jego właściwości (Biomas, and biomas properties) Biogaz, według definicji podanej w dyrektywie 2003/30/WE, jest paliwem gazowym produkowanym z biomasy i/lub ulegającej biodegradacji części odpadów, które może być oczyszczone, do jakości naturalnego gazu, do użycia, jako biopaliwo lub gaz ziemny. Biogaz został odkryty i zbadany na początku XIX wieku przez angielskiego chemika Humphreya Avy. W 1857 roku powstała w Bombaju pierwsza instalacja biogazowa [8]. Skład chemiczny biogazu zależy od rodzaju używanej biomasy i od sposobu przeprowadzania fermentacji [8]. Biomasę stanowią stałe lub ciekłe substancje roślinne lub zwierzęce pochodzące m.in. z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także z szeroko rozumianego przemysłu przetwarzającego te produkty. page 22 84

23 Biogaz powstaje w wyniku fermentacji metanowej, czyli z rozkładu substancji organicznych, proces ten prowadzony jest w warunkach anaerobowych przez drobnoustroje beztlenowe z wydzieleniem m.in. metanu. Skład gazu pofermentacyjnego zależy od warunków prowadzenia fermentacji, a zawartość poszczególnych składników może być różna. W przybliżeniu w skład gazu pofermentacyjnego wchodzi metan (52-85%), dwutlenek węgla (14-48%), siarkowodór (0,08-5,5%), wodór (do 5%), tlenek węgla (do 2%) i azot (0,6-7,5%). Jego wartość opałowa uzależniona jest od zawartości metanu i kształtuje się w zakresie MJ/m 3. Dla porównania wartość opałowa gazu ziemnego wysokometanowego wynosi około 34 MJ/m 3 [1]. Ponieważ podstawowym składnikiem biogazu jest metan, właściwości fizyczne biogazu są zbliżone do właściwości metanu. Zawartość metanu w biogazie decyduje o wartości użytkowej tego ostatniego. Drugim pod względem objętości składnikiem jest dwutlenek węgla. Jest to gaz niepalny, może on być usuwany poprzez przepuszczenie biogazu przez wodę wapniową, zawierającą Ca(OH) 2. Zachodząca wtedy reakcja chemiczna reguluje ten duży objętościowo składnik, co ułatwia magazynowanie i podnosi wartość opałową pozostałego gazu. Kolejnym składnikiem biogazu jest siarkowodór, który nawet w ilościach śladowych jest zagrożeniem dla zdrowia. Ma on jednak pewną zaletę, dzięki charakterystycznemu zapachowi pozwala szybko wykryć ewentualną nieszczelność instalacji. Gdy biogaz jest używany do bezpośredniego spalania, zawartość H2S nie może być większa niż 0,015%, ponieważ powstający wówczas kwas siarkowy powoduje korozję instalacji, a w postaci pary jest niebezpieczną trucizną. Siarkowodór może być usuwany za pomocą specjalnych filtrów odsiarczalników. Tlenek węgla jest gazem palnym, ale i silnie trującym, przyczynia się do toksyczności biogazu. Pozostałe składniki mają marginalne znaczenie. Szczególną zaletą biogazu jest to, że należy on do tzw. zasobów odnawialnych, z których można korzystać bez obawy o ich wyczerpanie. Jednocześnie w przeciwieństwie do innych odnawialnych źródeł energii, takich jak woda, słońce czy wiatr, magazynowanie biogazu nie stwarza żadnych problemów. Może on być gromadzony w zbiornikach page 23 84

24 ciśnieniowych lub sprężony w butlach. Tak więc jest to nośnik energii, który ze względu na swoje właściwości fizyczne i energetyczne może być alternatywą lub uzupełnieniem tradycyjnych źródeł energii [8] Mechanizm powstawania biogazu (Mechanism of biogas formation) Powstawanie biogazu jest złożonym procesem biochemicznym zachodzącym przy rozkładzie materii organicznej (biomasy) w warunkach beztlenowych. Materią tą mogą być ścieki bytowe, produkcyjne, w tym ścieki zwierzęce, osady, odpady organiczne (np. odpady komunalne, odpady z upraw rolniczych) czy odpady przemysłu i przetwórstwa rolnospożywczego. W warunkach naturalnych każda ilość biomasy podlega fermentacji przy udziale samoczynnie rozwijających się mikroorganizmów, z których część wymaga dostępu tlenu, np. w wierzchniej warstwie gleby. Tam, gdzie tlenu brakuje, wielkocząsteczkowe związki organiczne (celuloza, białka, tłuszcze itp.) zawarte np. w resztkach pożniwnych, rozkładane są przez drobnoustroje na związki prostsze z wydzieleniem metanu (CH 4 ), dwutlenku węgla (CO 2 ), siarkowodoru (H 2 S) i azotu cząsteczkowego (N 2 ). Procesy te przebiegają w sposób ciągły, niezauważalny i powolny, co jest związane z samooczyszczaniem się środowiska i obiegiem pierwiastków w przyrodzie. W warunkach sztucznych, tam gdzie chodzi o zagospodarowanie i utylizację odpadowej materii organicznej, produkcja biogazu jawi się, jako wielka szansa otrzymywania taniej energii. Jest to energia ekologicznie czysta, bo wytwarzana z produktów naturalnych lub odpadów pochodzenia naturalnego [4]. Metan powstaje w wyniku rozkładu zawartych w biomasie złożonych cząsteczek białek, tłuszczy i węglowodanów do związków prostych, dzięki aktywności wielu grup mikroorganizmów, w wieloetapowym procesie fermentacji. W wyniku rozkładu organicznych substancji węglowodanowych powstają związki małocząsteczkowe (o małej masie cząsteczkowej). Rozkład substancji stałych jest tym krótszy, im niższy jest stopień ich polimeryzacji. Substancje takie jak cukier, skrobia, hemiceluloza, ulegają szybkiemu rozkładowi w procesie anaerobowym (bez dostępu page 24 84

25 powietrza), dając kwasy organiczne takie jak: kwas octowy, masłowy, mlekowy itp. Przy szybkim gromadzeniu się tych kwasów w danym środowisku, następuje spowolnienie procesu fermentacji. Substancje silnie spolimeryzowane rozkładają się wolniej, a tym samym i wolniej powstają kwasy organiczne. Jest to zjawisko korzystne, gdyż taki przebieg fermentacji pozwala otrzymać stosunkowo duże ilości metanu w sposób ciągły i równomierny. Metanizacja cukrów w rozcieńczonym środowisku przebiega w trzech fazach i dwoma sposobami. SPOSÓB 1: Powstawanie kwasów cukier ulega przemianom biochemicznym i przekształca się w kwas tłuszczowy np.: (C 6 H 10 O 5 ) n + 7n H 2 O 6n CH 3 COOH Powstawanie soli kwas tłuszczowy łączy się z zasadowymi składnikami i powstaje sól kwasu tłuszczowego np.: CH 3 COOH + NH 3 CH 3 COONH 4 Powstawanie metanu sól kwasu tłuszczowego rozkłada się, wydzielając dwutlenek węgla i metan np.: CH 3 COONH 4 CH 4 + CO 2 + NH 3 SPOSÓB 2: Powstawanie kwasu cukier ulega przemianom biochemicznym i przekształca się w kwas tłuszczowy np.: (C 6 H 10 O 5 ) n + 7n H 2 O 6n CH 3 COOH Powstawanie gazu kwas tłuszczowy rozkłada się na dwutlenek węgla i wodór: CH 3 COOH + 2H 2 O 2CO 2 + 4H 2 Powstawanie metanu dwutlenek węgla i wodór łączą się tworząc metan: CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Przebieg procesu fermentacji według obu tych sposobów przedstawia rys Nie wszystkie substraty muszą przechodzić opisane wyżej trzy stopnie fermentacji. Wiele odpadów, np. odchody zwierzęce, już w chwili powstania zawiera dużą ilość rozłożonych cząstek, podlegających późniejszym fazom procesu fermentacji. page 25 84

26 Rys. 1.1 Schemat przebiegu procesów fermentacji metanowej [3]. Proces wydzielania biogazu warunkują bakterie metanowe, np. Methanobacterium omelianski, Methanobacterium suboxydans, Methanobacterium sohngenii, Methanobacterium propionicum, Methanobacterium formicicum, Methanococcus mazei, Methanococcus vannielli, Methanosarcinia barkeri i Methanosarcinia methanica. Charakteryzują się one specyficznymi, dość wąskimi wymaganiami środowiskowymi i z tego wzglądu proces produkcji biogazu musi być ściśle i nieprzerwanie kontrolowany pod względem parametrów kluczowych dla ich rozwoju. Przede wszystkim są to obligatoryjne lub page 26 84

27 fakultatywne beztlenowce, co warunkuje konieczność prowadzenia procesu przy braku dostępu tlenu z powietrza atmosferycznego, a więc w szczelnie zamkniętych zbiornikach fermentacyjnych. Bakterie metanowe są również wrażliwe na ph środowiska, które wahać się może jedynie w zakresie około 6,5-7,5, czyli odczyn lekko zasadowy (optymalnie 7-7,5 ph). Odczyn zbyt zasadowy sprzyja fermentacji przez rozkład pasożytniczy, ale wywołuje niepożądane wydzielanie się siarkowodoru. W warunkach zbyt kwaśnego środowiska (np. odpady komunalne (domowe), odchody trzody chlewnej) może nastąpić zanik fermentacji metanowej i zablokowanie wydzielania się biogazu. Dla prawidłowego przebiegu procesu fermentacji istotne jest zachowanie proporcji pomiędzy węglem i azotem w substracie (stosunek C:N). Jeżeli ta relacja jest za wysoka (dużo C i mało N), nie może dojść do całkowitej przemiany węgla, a tym samym nie można uzyskać możliwego potencjału metanu. W odwrotnym przypadku, przy nadmiarze azotu może dojść do powstania amoniaku (NH 3 ), który już w niewielkich stężeniach hamuje wzrost bakterii. Do prawidłowego przebiegu procesu stosunek C:N powinien mieścić się w zakresie Ważne są też relacje pomiędzy zawartością fosforu i siarki. Aby bakterie otrzymywały dostateczną porcję substancji pokarmowych, stosunek C:N:P:S powinien wynosić 600:15:5:1. W składzie substratów niezbędne jest też występowanie pierwiastków śladowych i składników pokarmowych, takich jak żelazo, nikiel, kobalt, selen, molibden i wolfram, koniecznych do wzrostu i przetrwania bakterii [3]. Energia w biomasie stosowanej w biogazowniach jest zgromadzona w postaci złożonych długołańcuchowych cząsteczek. Wydzielony wskutek ich fragmentacji metan jest nośnikiem zawartej w nich energii. Jego spalenie pozwala na jej odzyskanie w postaci energii elektrycznej i cieplnej. Ilość metanu, jaką można uzyskać z danej jednostki objętościowej substratów w dużej mierze jest zależna od stabilności procesu fermentacji. O efektywności jego przebiegu, przede wszystkim o składzie biogazu, a więc zawartości w nim metanu, decydują wyżej wspomniane wymagania środowiskowe bakterii metanowych. Z tego względu kluczowe jest zapewnienie mikroorganizmom optymalnych warunków rozwoju w całej objętości biomasy [2, 6, 3]. page 27 84

28 1.2. Metody wytwarzania biogazu (Methods of biogas production) Dostępnych jest wiele metod wytwarzania biogazu opartych o proces fermentacji beztlenowej. Generalnie wybór metody zależy przede wszystkim od rodzaju przetwarzanych substratów oraz sposobu przyszłego wykorzystania biogazu. Dlatego też każda instalacja służąca do produkcji biogazu charakteryzuje się indywidualną konstrukcją dostosowaną do lokalnych uwarunkowań i rodzaju wykorzystywanych substratów. Podział metod wytwarzania, a tym samym technologii produkcji biogazu można przeprowadzać stosując różne kryteria. Najważniejsze z nich zestawiono w tabeli 1.1. Tabela 1.1. Metody wytwarzania biogazu według różnych kryteriów [9, 10] Kryterium Technologia Wyjaśnienie Zawartość suchej masy w komorze fermentacji Temperatura procesu Fermentacja mokra Fermentacja sucha Mezofilna, o C Substraty w komorze fermentacji są płynne o wartości suchej pozostałości poniżej 15% Substraty stałe o wysokiej zawartości suchej pozostałości powyżej 15% Najczęściej stosowana Termofilna, o C Rzadko stosowana Tryb napełniania Ilość stopni procesu Ciągły Częściowo ciągły Nieciągły Jednostopniowa Wielostopniowa Dozowanie substratów w sposób ciągły Min. raz w ciągu dnia zbiornik fermentatora jest zasilany świeżym ładunkiem substratu. Substrat pozostaje w zbiorniku przez zaplanowany okres, w tym czasie nie uzupełnia się go nowym substratem. Jedna komora fermentacji Dwie lub więcej komór fermentacyjnych połączonych ze sobą szeregowo Zawartość suchej masy w komorze fermentacyjnej Najważniejszym etapem procesu powstawania biogazu jest fermentacja. Zasadniczo wyróżnić możemy fermentację mokrą i suchą. Podział ten wynika z zawartości masy suchej materiału w komorze fermentacyjnej. W obu metodach bakterie niezbędne do page 28 84

29 prawidłowego procesu wytwarzania biogazu potrzebują wilgotnego podłoża. Nie istnieje dokładna granica pomiędzy fermentacją suchą, a mokrą, podziału dokonuje się jedynie w oparciu o informację na temat zawartości masy suchej w fermentatorze. W przypadku gdy wynosi ona 12 do 15 % mamy do czynienia z fermentacją mokrą, natomiast gdy zawartość suchej masy wzrośnie powyżej 15 % mówimy o fermentacji suchej. Obecnie przeważająca większość instalacji biogazowych pracuje w systemie fermentacji mokrej. Stosowane przy tym są biogazownie z przepływem tłokowym i przepływem pełnym. Najprostsze w budowie są biogazownie stosujące metodę przepływu pełnego. Reaktory budowane są w formie pionowego walca. W zasadzie fermentatorem może być typowy zbiornik na gnojowicę z betonowym dnem i stalowymi lub betonowymi ścianami. Taki zbiornik należy przykryć gazoszczelnym zadaszeniem i uzbroić w armaturę dostarczania substratu i odprowadzania osadów. Właściwy przepływ zapewnia zamontowane wewnątrz, mieszadło pionowe. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość prowadzenia prac konserwacyjnych bez potrzeby opróżniania zbiornika oraz łatwość budowy zbiornika pod warunkiem zastosowania tradycyjnych metod pracy. Do wad natomiast trzeba zaliczyć wysoki koszt konstrukcji przykrycia zbiornika i możliwość tworzenia się złogów dennych. Biogazownie z przepływem tłokowym wykorzystują efekt wyporu doprowadzanego substratu w fermentatorze poziomym. Przeciwstrumień przepływu wymuszany jest przez mieszadło łopatkowe o poziomej osi. Zaletą takiej instalacji jest: zwarty rodzaj konstrukcji, niewielkie straty ciepła, efektywne ogrzewanie, brak powstawania korzuchów i złogów dennych. Do zasadniczych wad należy konieczność całkowitego opróżnienia zbiornika w przypadku konieczności wykonania prac konserwacyjnych wewnątrz zbiornika. Temperatura procesu Bardzo ważnym czynnikiem dla prawidłowego przebiegu procesu fermentacji jest temperatura wewnątrz masy, w której ten proces przebiega. Fermentacja metanowa zaczyna się przy temperaturze 6 C. Przy temperaturze niższej wydzielanie się metanu zanika. Wraz ze wzrostem temperatury szybko rośnie także jakość wydzielanego gazu. Bakterie metanowe dzieli się na trzy grupy: psychrofilne, mezofilne i termofilne. Przy wykorzystaniu bakterii mezofilnych optymalna temperatura wynosi C, natomiast dla bakterii page 29 84

30 termofilnych C. Bakterie termofilne są bardziej wydajne niż bakterie mezofilne, w ciągu 12 dni mineralizują tyle substancji, ile bakterie mezofilne w ciągu 21 dni. Ze względu na konieczność utrzymania substancji fermentującej w wyższej temperaturze, zużycie energii cieplnej przy bakteriach termofilnych jest znacznie większe. Przy niskiej temperaturze otoczenia i niedostatecznej izolacji zbiornika zużycie energii cieplnej może być tak duże, że cały wyprodukowany gaz nie pokryje zapotrzebowania energii na ogrzewanie. Z tych też względów w klimacie europejskim komory fermentacyjne pracują zwykle w mezofilnym zakresie temperatur tj C. Tryb napełniania Sposób i tryb napełniania zbiorników w biogazowni jest w znacznym stopniu uwarunkowane typem konstrukcji instalacji oraz dostępnością świeżego substratu dla mikroorganizmów. Istnieje podział rozróżniający ciągły, częściowo ciągły i nieciągły sposób napełniania. W trybie napełniania nieciągłego zbiornik fermentacyjny jest całkowicie napełniany świeżym substratem a następnie hermetycznie zamykany. Substrat pozostaje w zbiorniku przez zaplanowany okres, w tym czasie nie uzupełnia się go już nowym substratem. Po upływie przyjętego czasu zbiornik zostaje opróżniony, pozostawia się jedynie na jego dnie niewielką ilość wsadu dla zaszczepienia nowego procesu i ponownie zapełnia zbiornik. W tej metodzie zmianie ulega ilość i jakość produkowanego biogazu wraz z upływem czasu, co jest jej zasadniczą wadą. Zwiększeniu równomierności produkcji biogazu sprzyja zastosowanie metody napełniania nieciągłego ze zbiornikami wymiennymi (tryb częściowo-ciągły). Metoda ta polega na zastosowaniu dwóch zbiorników. Zbiornik pierwszy jest powoli i równomiernie napełniany substratem i podlega procesom gnicia, podczas gdy drugi jest wypełniony całkowicie i w nim przebiega właściwy proces fermentacji. Zapełnienie pierwszego zbiornika następuje w momencie zakończenia fermentacji w zbiorniku drugim głównym, jego zawartość jest usuwana, a na jej miejsce jest przenoszona zawartość ze zbiornika pierwszego. page 30 84

31 Napełnianie częściowo ciągłe polega na tym, że przynajmniej jeden raz w ciągu dnia zbiornik fermentatora jest zasilany świeżym ładunkiem substratu. Ten sposób uzupełniania fermentatora zwiększa równomierność pozyskiwania gazu, poprawia jego niezmienność oraz pozwala na zagospodarowywanie materiału wsadowego zaraz po jego powstaniu. Jest to szczególnie ważne w przypadku trudności z przechowywaniem materiału wejściowego w dłuższych okresach. Napełnianie ciągłe zbiornika głównego powoduje, że proces ma charakter procesu przepływowego. Zbiornik fermentatora jest napełniany kilkukrotnie w ciągu doby i taka sama ilość odpadów pofermentacyjnych jest wypierana lub wygarniana do zbiornika składowego. Tak więc, zbiornik fermentacyjny jest cały czas zapełniony wsadem o podobnych lub jednolitych parametrach. Zapewnia to wysoką równomierność produkcji gazu i dobre wykorzystanie pojemności fermentatora. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że część świeżego substratu zostanie od razu zrzucona do zbiornika składowego. Przy metodzie tej bardzo ważna jest skuteczność systemu mieszania wsadu [9]. Ilość stopni procesu W biogazowniach rolniczych najczęściej stosuje się jedno- bądź wielostopniowy proces technologiczny, Dominują instalacje jednostopniowe, w których nie występuje przestrzenne rozdzielenie różnych faz procesu technologicznego fermentacji (hydrolizy, fazy zakwaszania, tworzenia kwasu octowego i metanu). Wszystkie fazy są przeprowadzane w jednym, zbiorniku. Natomiast w metodach dwu- lub wieloetapowych poszczególne fazy procesu technologicznego odbywają się w oddzielnie, w różnych zbiornikach. Dwustopniowy proces fermentacji stosuje się, zwłaszcza w przypadku dozowania dużej ilości odpadów tłuszczowych, w trakcie rozkładu których środowisko funkcjonowania bakterii może zostać nadmiernie zakwaszone. Fermentację dwustopniową stosuje się także w przypadku substancji trudno rozkładalnych takie jak celuloza, hemiceluloza i lignina Aby proces produkcji biogazu był ciągły i stabilny bardzo ważne jest zachowanie stałej temperatury w całej objętości zbiornika. Istotne jest również nie zmienianie w sposób niekontrolowany zawartości oraz ilości wsadu, zwłaszcza w przypadku zastosowania tzw. kofermentacji, czyli wspólnej fermentacji kilku różnych substratów. Konieczna jest ciągła page 31 84

32 kontrola całego procesu fermentacji przy pomocy odpowiednich czujników oraz aparatury pomiarowej, ponieważ brak monitoringu nie pozwala na precyzyjne sterowanie całym procesem Literatura (Bibliography) [1] Florowski T., Pisula A.: Produkcja biogazu z organicznych odpadów przemysłu mięsnego. Przemysł Spożywczy, 2009, nr 11, tom 63, s [2] Janczur K., Szymandera Z.: Efekt ekologiczny biogazowi rolniczej. Czysta Energia, 2010, nr 1, s [3] Juśko-Kowalczyk A.: Przegląd technologii produkcji biogazu. Czysta Enargia, 2009, nr 9, s [4] Knapik J.: Co wiemy o biogazie? Doradca, 1997, nr 61, s.16. [5] Koryl T.: Odpady organiczne z odpadów komunalnych jako substrat w biogazowni. Czysta Enargia, 2009, nr 12, s [6] Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wyd. Naukowo- Techniczne, Warszawa 2007, s [7] Rowińska D., Pietrzyk S., Mikulski R.: Partnerstwo publiczno-prywatne jako forma prowadzenia inwestycji biogazowych, 2009, nr 11, s [8] Solarz S.: Biogaz cenne źródło energii. Aura, 1986, nr 12, s [9] www. agroenergetyka.pl [10] Kujawski O. : Przegląd technologii produkcji biogazu cz. I, Czysta Energia 12/ page 32 84

33 2. CHARAKTERYSTYKA ODPADÓW NADAJĄCYCH SIĘ DO PRODUKCJI BIOGAZU W BIOGAZOWNIACH (CHARACTERISTIC OF WASTES, SUITABLE FOR BIOGAS PRODUCTION) Większość odpadów organicznych może stanowić surowiec do produkcji biogazu. Poszczególne jednak surowce, niezależnie od tego czy pochodzą z rolnictwa czy z przetwórstwa płodów rolnych, różnią się między sobą szybkością rozkładu oraz wydajnością produkcji metanu. Obecnie najczęściej stosowane są instalacje wykorzystujące kofermentację, czyli mieszaninę kilku substratów. Zróżnicowanie substratów sprzyja uzyskaniu lepszych parametrów biogazu oraz zwiększa bezpieczeństwo dostaw surowca. Wsad do produkcji biogazu powinien być dobierany również pod kątem maksymalizacji uzysków biogazu, stabilności procesu fermentacji oraz możliwości wykorzystania powstałej masy pofermentacyjnej. Spośród wszystkich możliwych do wykorzystania substratów pod względem pochodzenia możemy wyróżnić trzy grupy pochodzenia rolniczego, przemysłowego komunalnego. Substraty pochodzenia rolniczego to w głównej mierze uprawy energetyczne, odpady z produkcji roślinnej, ogrodniczo-warzywnej, odpady z produkcji zwierzęcej. W przypadku odpadów pochodzenia przemysłowego możemy wyróżnić odpady przemysłu: spożywczego, mięsnego, mleczarskiego, cukrowniczego, fermentacyjnego, papierniczego, farmaceutycznego czy tłuszczowego. Kolejną grupę stanowią substraty pochodzenia komunalnego, takie jak osad z oczyszczalni ścieków, mokra frakcja organiczna odpadów komunalnych, odpady gastronomiczne, ścinki roślin i traw (zieleń miejska). Należy zwrócić uwagę, że ze względu na koszty pozyskania odpady są o wiele bardziej korzystnym surowcem niż uprawowe rośliny energetyczne. Wykorzystanie odpadów pozwala jednocześnie na rozwiązanie zarówno problemu zagospodarowania odpadów jak i produkcji surowca bioenergetycznego, tj. biogazu. Główne grupy surowców odpadowych możliwych do zastosowania w biogazowniach w tabeli 2.1 zestawiono według rodzajów, a w tabelach 2.2 i 2.3 według grup kodowych zgodnie z katalogiem odpadów [14]. page 33 84

34 Tabela 2.1 Materiały wsadowe do produkcji biogazu [2] Surowce i odpady pochodzenia rolniczego - odchody zwierząt - odpady z upraw i hodowli roślin - trawy i odpady ogrodnicze - pozostałości produktów spożywczych - uprawowe rośliny energetyczne Odpady miejskie - frakcja organiczna (degradowana na drodze biologicznej) odpadów komunalnych - osad ściekowy - odpady z utrzymania zieleni (ścinki trawy i odpady ogrodnicze) - resztki żywności - przeterminowana żywność Odpady z przemysłu - spożywczego - owocowo-warzywnego - mleczarskiego - cukrowniczego - farmaceutycznego - kosmetycznego - biochemicznego - papierniczego - mięsnego Tabela 2.2. Kody i grupy odpadów biodegradowalnych z grupy 2 katalogu odpadów [14] 2 Kod odpadu Opis odpadu Odpady z rolnictwa, sadownictwa, upraw hydroponicznych, rybołówstwa, leśnictwa, łowiectwa oraz przetwórstwa żywności Odpady z rolnictwa, sadownictwa, upraw hydroponicznych, leśnictwa, łowiectwa i rybołówstwa Odpadowa tkanka zwierzęca Odpadowa masa roślinna Odchody zwierzęce Odpady z gospodarki leśnej Odpady z upraw hydroponicznych Inne nie wymienione odpady Odpady z przygotowania i przetwórstwa produktów spożywczych pochodzenia zwierzęcego Odpady z mycia i przygotowywania surowców Odpadowa tkanka zwierzęca Surowce i produkty nie nadające się do spożycia i przetwórstwa Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Odpady z produkcji mączki rybnej inne niż wymienione w Odpady z przygotowania, przetwórstwa produktów i używek spożywczych oraz odpady pochodzenia roślinnego, w tym odpady z owoców, warzyw, produktów page 34 84

35 Kod odpadu Opis odpadu zbożowych, olejów jadalnych, kakao, kawy, herbaty oraz przygotowania i przetwórstwa tytoniu, drożdży i produkcji ekstraktów drożdżowych, przygotowywania i fermentacji melasy (z wyłączeniem 02 07) Szlamy z mycia, oczyszczania, obierania, odwirowywania i oddzielania surowców Szlamy z mycia, oczyszczania, obierania, odwirowywania i oddzielania surowców Surowce i produkty nie nadające się do spożycia i przetwórstwa Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Wytłoki, osady i inne odpady z przetwórstwa produktów roślinnych (z wyłączeniem ) Odpady z produkcji pasz roślinnych Odpady tytoniowe Odpady z przemysłu cukrowniczego Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Wysłodki Odpady z przemysłu mleczarskiego Surowce i produkty nieprzydatne do spożycia oraz przetwarzania Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Odpadowa serwatka Odpady z przemysłu piekarniczego i cukierniczego Surowce i produkty nieprzydatne do spożycia i przetwórstwa Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Nieprzydatne do wykorzystania tłuszcze spożywcze Nieprzydatne do wykorzystania tłuszcze spożywcze Nieprzydatne do wykorzystania tłuszcze spożywcze Odpady z destylacji spirytualiów Surowce i produkty nie przydatne do spożycia i przetwórstwa Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Wytłoki, osady moszczowe i pofermentacyjne, wywary page 35 84

36 Tabela 2.3 Kody i grupy odpadów biodegradowalnych inne niż z grupy 2 katalogu odpadów [14] Kod odpadu Opis odpadu Odpady kory i korka Trociny, wióry, ścinki, drewno, płyta wiórowa i fornir inne niż wymienione w Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków Osady i szlamy z produkcji celulozy metodą siarczynową (w tym osady ługu zielonego) Osady z zakładowych oczyszczalni ścieków inne niż wymienione w Substancje organiczne z produktów naturalnych (np. tłuszcze, woski) Odpady z zakładowych oczyszczalni ścieków inne niż wymienione w Organiczne odpady inne niż wymienione w , Produkty spożywcze przeterminowane lub nieprzydatne do spożycia Skratki Tłuszcze i mieszaniny olejów z separacji olej/woda zawierające wyłącznie oleje jadalne i tłuszcze Szlamy z biologicznego oczyszczania ścieków przemysłowych inne niż wymienione w Odpady stałe ze wstępnej filtracji i skratki Inne odpady (w tym zmieszane substancje i przedmioty) z mechanicznej obróbki odpadów inne niż wymienione w Oleje i tłuszcze jadalne Drewno inne niż wymienione w Odpady ulegające biodegradacji Odpady z targowisk Szlamy ze zbiorników bezodpływowych służących do gromadzenia nieczystości page 36 84

37 Produkcja biogazu w dużym stopniu zależy od składu materiału wejściowego, tj. substancji wprowadzonej do komory fermentacyjnej. Surowcami podlegającymi fermentacji metanowej praktycznie mogą być prawie wszystkie odpady zawierające składniki organiczne, a szczególnie odpady produkcji roślinnej i odchody zwierzęce. Znajdujące się w masie organicznej składniki różnią się znacznie zarówno co do szybkości rozkładu (tab.2), jak i co do wydajności w produkcji metanu. Szybkość rozkładu i wydajność gazu zależą od następujących czynników: zawartości suchej masy organicznej (s.m.o.) podatnej na biodegradację, zawartości węglowodanów, tłuszczów i białek, zawartości suchej masy (s.m.), tj. suchej masy całkowitej wprowadzonej do komory fermentacyjnej [3]. Przykładowe charakterystyki procesu rozkładu różnych składników odpadów z produkcji zwierzęcej przedstawia tabela 2.4. Tabela 2.4 Charakterystyka rozkładu składników odpadów z produkcji zwierzęcej [3]. Pochodzenie odpadów Pasza dla zwierząt Elementy z ciał zwierząt Mikroflora w odchodach zwierząt Produkty powstające przejściowo oraz produkty końcowe fermentacji Prędkość rozkładu w trakcie procesu fermentacji metanowej szybko średnio wolno skrobia, cukry, kwasy tłuszczowe, białka, aminokwasy, witaminy, śluz, krew, komórki z ciała zwierząt, enzymy, hormony biomasa kwasy organiczne, alkohol celuloza, hemiceluloza, pentozany, pektyna, chityna, tłuszcze, oleje indol, skatol, fenole, polisacharydy materiały zdrewniałe (lignina), słoma, keratyna (włosy), kutyna, suberyna, woski związki ligninowobiałkowe, ciała próchnicze W celu usystematyzowania danych na temat substratów wykorzystywanych do produkcji biogazu opracowane są tzw. atlasy substratów. W europejskim atlasie, page 37 84

38 opracowanym w ramach projektu EU Agrobiogas, realizowanym w latach w ramach 6. Programu Ramowego UE, znajduje się ponad 200 substancji organicznych, ocenianych pod kątem przydatności do pozyskiwania biogazu. Charakterystykę wybranych, najczęściej stosowanych w procesie fermentacji odpadów wraz z ich potencjałem produkcji biogazu zestawiono w tabeli 2.5. Tabela 2.5 Charakterystyka wybranych substratów wraz z potencjałem produkcji biogazu [4] Nazwa substratu Procentowa zawartość s.m. w Mg substratu % wsadu Procentowa zawartość s.m.o. w zawartości s.m. % s.m.o. Produkcja metanu m 3 /Mg s.m.o. Gnojowica bydlęca 9,5 77,4 222,5 Odpady z hodowli Odpady zwierzęcej poubojowe Gnojowica świńska 6,6 76,1 301,0 Gnojowica kurzy 15,1 75,6 320,0 Gnojowica krów mlecznych 8,5 85,5 154,0 Gnojówka 2,1 60,0 222,5 Osady poflotacyjne z rzeźni Zawartość żołądków bydła Odseparowana tkanka tłuszczowa 14,6 90,6 680,0 15,0 84,0 264,0 34,3 49,1 700,0 Słoma 87,5 87,0 387,5 Trawa 11,7 88,0 587,5 Odpady rolnicze Siano 87,8 89,6 417,9 Ziemniaki - liście 25,0 79,0 587,5 Odpady i resztki owoców 45,0 61,5 400,0 Odpady i pozostałości warzyw 13,6 80,2 370,0 Przetwórstwo spożywcze Melasa 81,7 92,5 301,6 Wysłodziny browarnicze 20,5 81,2 545,1 Wywar pogorzelniany ziemniaczany 13,6 89,5 387,7 page 38 84

39 Nazwa substratu Procentowa zawartość s.m. w Mg substratu % wsadu Procentowa zawartość s.m.o. w zawartości s.m. % s.m.o. Produkcja metanu m 3 /Mg s.m.o. Gliceryna 84,0 91,5 1196,0 Odpady z produkcji oleju 78,8 97,0 600,0 Serwatka 5,4 86,0 383,3 Odpady z produkcji serów 79,3 94,0 610,2 Odpady piekarnicze 87,7 97,1 403,4 Odpady komunalne Odpady organiczne komunalne Odpady kuchenne i przeterminowane artykuły żywnościowe 60,3 55,0 396,8 18,9 71,9 530,0 Zieleń miejska 23,2 88,2 489,7 Obecnie, ze względu na uciążliwość zapachową, głównym substratem do produkcji biogazu rolniczego jest najczęściej gnojowica (bydła, trzody chlewnej). Dzięki dodawaniu materiału uzupełniającego o większym potencjale do produkcji biogazu zwiększa się efektywność ekonomiczna procesu fermentacji, wskutek czego coraz powszechniejsze staje się uzupełnianie odchodów zwierzęcych innymi substratami Odpady z przemysłu rolno-spożywczego (Wastes from agro-food industry) Do produkcji biogazu z powodzeniem można wykorzystać produkty uboczne i odpady z przemysłu rolno-spożywczego wywar gorzelniany, młóto, wysłodki buraczane, pulpę ziemniaczaną, wytłoki z owoców (powstające przy produkcji soków), pestki z jabłek, melasę buraczaną, tłuszcze odpadowe, odpady z rzeźni (krew, treść przewodu pokarmowego zwłaszcza przeżuwaczy), otręby i odpady z czyszczenia ziarna, odpady z młyna, śruty poekstrakcyjne, makuchy, maślankę, serwatkę, glicerynę powstającą przy produkcji estrów metylowych (biodiesla) z olejów roślinnych, tłuszcze posmażalnicze, obierki ziemniaczane page 39 84

40 i odpady ziemniaków, pozostałości z zakładów zbiorowego żywienia (stołówek), odpady owoców, warzyw, kawy, herbaty, tytoniu i wielu tym podobnych [5]. W zakładach przetwarzających płody rolne, takich jak gorzelnie i browary, powstają produkty uboczne, tj.: wywar gorzelniany i młóto (wysłodziny) browarnicze, które mogą być bazowymi substratami do produkcji biogazu. Jako kosubstraty znajdują zastosowanie odpady z przetwórstwa warzyw. Koncepcja łączenia biogazowni z gorzelnią jest racjonalna pod warunkiem stabilnej sytuacji krajowego gorzelnictwa. Gorzelnia jest wówczas dostawcą podstawowego kosubstratu, jak i odbiorcą ciepła z biogazowni, co znacząco podnosi efektywność inwestycji. Innym odpadem powstającym przy przerobie surowców pochodzenia rolniczego jest serwatka. Jako uboczny produkt powstający w zakładach mleczarskich podczas wytwarzania serów twardych i twarogów, jest złożoną mieszaniną wielu wartościowych składników: węglowodanów (zwłaszcza laktozy), białek, tłuszczu, kwasów organicznych, witamin i soli mineralnych. Z całkowitej objętości mleka wykorzystywanego do produkcji serów blisko 80-90% opuszcza proces, jako serwatka. Pomimo istnienia wielu możliwości przemysłowego zagospodarowania serwatki, stanowi ona w mleczarni olbrzymi problem. Dlatego wciąż poszukuje się nowatorskich i efektywnych metod transformacji serwatki do użytecznych produktów. Serwatka jest doskonałym substratem fermentacyjnym. Ocenia się, że w Polsce objętość powstającej serwatki wynosi blisko 2 mln m 3 /rok. Ilość energii, jaką można uzyskać z takiej ilości serwatki w procesie fermentacji metanowej mieści się w przedziale GWh/rok [6]. W sektorze rolno-spożywczym, rocznie produkuje się ok. 590 tys. Mg odpadów z przetwórstwa mięsa oraz ponad 377 tys. Mg z przetwórstwa owoców i warzyw. Uwzględniając średnią zawartość w tych odpadach suchej masy organicznej oraz ich produktywność w przeliczeniu na biogaz, na ich bazie rocznie można by uzyskać ok. 60 mln m 3 biogazu [7]. Natomiast według badań Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, realnie dostępny potencjał surowcowy produkcji biogazu, zawarty w produktach ubocznych rolnictwa i pozostałościach przemysłu rolno-spożywczego, wynosi odpowiednio: page 40 84

41 z produktów ubocznych produkcji rolnej ok mln m3, z produktów ubocznych przetwórstwa rolno-spożywczego ok. 100 mln m 3. Łącznie, według IBMER (Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa), z surowców ubocznych i pozostałości roślinnych przemysłu rolno-spożywczego możemy wytworzyć ok mln m 3 biogazu rocznie. W Polsce zużywa się rocznie ok mln m 3 gazu ziemnego, w tym odbiorcy indywidualni z terenów wiejskich wykorzystują około 500 mln m 3 gazu. Szacowana ilość biogazu po oczyszczeniu mogłaby pokryć ok. 10% zapotrzebowania kraju na biogaz lub w całości zaspokoić potrzeby odbiorców z terenów wiejskich oraz dostarczyć dodatkowo 125 tys. MWh e (energii elektrycznej) i 200 tys. MWh c (energii cieplnej) [8] Odpady z hodowli zwierzęcej (Wastes from livestock farming) Szeroko dostępnym, a zarazem uciążliwym odpadem jest gnojowica, dlatego wiele biogazowni powstaje właśnie przy fermach trzody chlewnej i bydła. Fermentacja gnojowicy pozwala na jej odpowiednie zagospodarowanie, poprawę jakości tego naturalnego nawozu, a równocześnie przynosi dodatkowy dochód dla gospodarstwa. Gnojowica jest podstawowym substratem w pierwszych rolniczych biogazowniach, jakie powstały w Polsce. Jednak doświadczenia biogazowni duńskich wykazują, że fermentacja samej gnojowicy jest nieefektywna. Aby zintensyfikować proces należy zwiększyć zawartość suchej masy w komorze, przez dodanie kosubstratów. Mogą to być odpady z przetwórni owoców i warzyw, substraty pochodzenia zwierzęcego z ubojni i rzeźni, odpadowy tłuszcz, frakcja glicerynowa itp. Do produkcji biogazu nadaje się zarówno gnojowica pochodząca z ferm trzody chlewnej, jak i bydła. Porównanie jednostkowej wydajności tych substratów wypada na korzyść gnojowicy trzody chlewnej (tabela 2.5). Ponadto biogaz z gnojowicy bydlęcej charakteryzuje się niższą zawartością biometanu. Różnice te wynikają z faktu, że w żołądkach bydła, a więc zwierząt przeżuwających, zachodzi już wstępna fermentacja związków organicznych, przez co gnojowica jest nieco uboższa. page 41 84

42 Nie tylko gnojowica z produkcji zwierzęcej może być surowcem dla biogazowni, ale również odchody o większej zawartości suchej masy, jak obornik czy odchody drobiu. Obecnie w Polsce obornik znajduje w całości wykorzystanie w rolnictwie jako nawóz organiczny, natomiast kurzeniec często nastręcza problemy, gdyż fermy kurze prowadzące chów bezściółkowy nie potrzebują gruntów na których mógłby on być stosowany. W tej sytuacji fermentacja jest racjonalnym sposobem utylizacji odchodów i zmniejszenia obciążenia środowiska biogenami wprowadzanymi wraz z kurzeńcem. Ze względu na fakt, że odchody drobiu charakteryzują się dość wysokim stężeniem (zawartość suchej masy na poziomie 25-40% w zależności od systemu utrzymania zwierząt), niezbędne jest do produkcji biogazu zastosowanie kosubstratów płynnych, które pozwolą na odpowiednie rozcieńczenie wsadu do poziomu poniżej 15%, co jest wartością graniczną dla procesu fermentacji mokrej. Do rozcieńczania odchodów można stosować wodę, której część jest następnie zawracana z odcieku do komory fermentacyjnej, co równocześnie pozwala ograniczyć wykorzystanie czystej wody w celach produkcyjnych. Zamiast wody można też zastosować inne ciecze, jak np. serwatkę, jednak wówczas należy uwzględnić zawartość poszczególnych składników w ciekłym kosubstracie, gdyż mogą one wpływać znacząco na przebieg procesu, choćby wskutek zmiany stosunku C:N. Odchody drobiu nie są łatwym surowcem dla procesu fermentacji metanowej. Najważniejszym utrudnieniem dla efektywnej fermentacji jest wysoka zawartość azotu w formie amonowej oraz substancji mineralnych, stanowiących popiół. Amoniak w dużym stężeniu jest toksyczny dla bakterii fermentacji metanowej. Problem ten można jednak rozwiązać poprzez rozcieńczenie dodatkiem innych substancji, stosowanie specjalistycznych szczepów bakterii, odpornych na podwyższoną zawartość azotu amonowego. Budowa biogazowni przy gospodarstwie hodowlanym pozwala z jednej strony na utylizację odpadów i odchodów oraz redukcję emisji metanu do atmosfery, z drugiej zaś na produkcję energii elektrycznej i cieplnej, które mogą być wykorzystywane na własne potrzeby lub sprzedane [12]. Zagospodarowanie pozostałości po fermentacji nastręcza znacznie mniej problemów w porównaniu z odchodami świeżymi, dzięki zmianie ich właściwości, tj.: zmniejszeniu page 42 84

43 uciążliwości zapachowej, ograniczeniu emisji amoniaku do atmosfery, lepszej przyswajalności składników przez rośliny. Istnieje też możliwość suszenia odpadu pofermentacyjnego i stosowania go jako biomasy stałej w procesie spalania lub po certyfikacji jako nawozu [6] Odpady poubojowe (Slaughter waste) Odpady z poubojowe zwierzęcej zajmują szczególną rolę w potencjale wytwórczym biogazu, nie tylko ze względu na swoje właściwości, ale również z punktu widzenia uciążliwości dla środowiska i kosztów z tym związanych. Obecnie polski przemysł mięsny zbiera i przerabia ok. 800 tys. Mg odpadów rocznie (z 1,2 mln Mg odpadów, jakie są wytwarzane podczas uboju ponad 24,5 mln sztuk trzody chlewnej, 1,3 mln sztuk bydła oraz ponad 1,5 mln Mg drobiu). Odpady te są przerabiane na mączkę mięsno-kostną oraz tłuszcz i spalane lub używane jako polepszacz gleby. Proces ten jest jednak bardzo kosztowny, dlatego współczesny przemysł mięsny poszukuje nowych, alternatywnych metod utylizacji, o większej ekonomicznej opłacalności. Specyfiką odpadów wytwarzanych w zakładach przemysłu mięsnego jest duża zawartość materii organicznej, którą można wykorzystać jako surowiec do fermentacji metanowej. Produkcja biogazu jest w opinii wielu ekspertów skuteczną i najbliższą ekonomicznej opłacalności metodą utylizacji odpadów poubojowych [9]. Zgodnie z Zarządzeniem nr 1774/2002 Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącym przepisów sanitarnych w zakresie wykorzystania produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego nie przeznaczonych do spożycia przez ludzi, wprowadzono podział na trzy kategorie różniące się stopniem zagrożenia epidemiologicznego oraz źródła powstania odpadów, tj.: odpady niskiego ryzyka (Low Risk Material LRM), kategoria III, odpady wysokiego ryzyka (High Risk Material HRM), kategoria II, odpady szczególnego ryzyka (Specyfic Risk Material SRM), kategoria I. page 43 84

44 Poszczególne kategorie odpadów powstające w zakładach mięsnych muszą być zbierane oddzielnie i utylizowane, bądź unieszkodliwiane, w ściśle określony sposób. W przypadku mieszaniny odpadów całość musi być zaliczona do kategorii składnika o wyższym stopniu ryzyka. W przypadku odpadów kategorii II cząstki rozdrobnione do średnicy poniżej 50 mm powinny być poddane procesowi sterylizacji, czyli obróbce termicznej poprzez działanie nasyconej pary wodnej o ciśnieniu 3 bar i temperaturze 133 C przez co najmniej 20 min. W przypadku odpadów kategorii III cząstki rozdrobnione do średnicy poniżej 12 mm poddaje się procesowi pasteryzacji, który polega na higienizacji odpadów w temperaturze 70 C przez co najmniej 60 minut. Wyjątkiem, w zakresie konieczności obróbki termicznej odpadów kategorii II są gnojowica i treści przewodów pokarmowych zwierząt. Te dwa substraty, typowe dla biogazowni zostały zwolnione z konieczności obróbki termicznej i mogą być dostarczane do instalacji bezpośrednio. W 2007 roku w Polsce zebrano ok. 800 tys. Mg odpadów, w tym 50 tys. Mg SRM, 100 tys. Mg HRM i 650 tys. Mg LRM. Poza zbiórką odpadów poubojowych, istotnym problemem, z jakim borykają się zakłady ubojowe jest zapewnienie prawidłowej gospodarki ściekowej uwzględniającej konieczność kategoryzacji ścieków. Na poszczególnych stanowiskach w linii uboju trzody chlewnej i drobiu powstają ścieki kategorii II i III, a w przypadku linii uboju bydła na stanowiskach odcinania głowy i pobierania próbek na obecność prionów oraz na stanowisku przepoławiania tuszy, powstają ścieki kategorii I. Zgodnie z obowiązującymi przepisami mieszanina ścieków powinna być zaliczana do kategorii II w przypadku uboju trzody chlewnej i drobiu oraz do kategorii I w przypadku uboju bydła. Z prezentowanych w Polsce rozwiązań technicznych produkcji biogazu z odpadów pochodzenia zwierzęcego interesujący jest projekt holenderskiej firmy, która zakłada budowę dużych instalacji, o zdolności przerobu ok. 50 tys. Mg odpadów rocznie (III i II kategorii) i układzie kogeneracyjnym kwe, gdzie pozostały po fermentacji osad ma być przetwarzany do formy ulepszacza gleby. W rozwiązaniu technologicznym przewidziana jest możliwość wykorzystywania, poza odpadami z linii ubojowych, wielu page 44 84

45 innych surowców pochodzenia zwierzęcego, np. gnojowicy, pomiotu drobiowego, oraz innych surowców, np. odpadów kuchennych, osadów poflotacyjnych z ubojni i odpadów organicznych komunalnych [9, 10, 11] Osad ze ścieków komunalnych (Sludge from municipal wastewater) Osad ze ścieków komunalnych lub ze ścieków innych zakładów przemysłowych, można wykorzystywać do produkcji biogazu, jednak istnieje konieczność zwrócenia uwagi na zawartość metali ciężkich, gdyż pozostają one w substancji pofermentacyjnej, a wówczas wykorzystanie jej do nawożenia pól nie jest możliwe [5]. W dobie rozwoju sieci kanalizacyjnej, należy spodziewać się zwiększających się ilości ścieków. Jednocześnie rosnąć będą ilości uzyskiwanych w procesach ich oczyszczania - osadów ściekowych. Według danych GUS już dziś zagospodarowanie ich stanowi problem (tabela 2.6). Produkcja biogazu na bazie osadów ściekowych jest jedną z dróg rozwiązania tego problemu. Tabela 2.6. Osady z komunalnych oczyszczalni ścieków w 2006 r. w Polsce wg GUS [7]. Ogółem Osady wytworzone w ciągu roku w tys. Mg s.m. w rolnictwie w tym stosowane do rekultywacji terenów, w tym gruntów na cele rolne do uprawy roślin przeznaczonych do produkcji kompostu niezagospodarowane 501,3 80,6 108,7 28,1 283,9 Produktywność osadów ściekowych w przeliczeniu na ilość biogazu z 1Mg s.m.o. osadów nie jest wysoka, ale odpady te mogą stanowić materiał uzupełniający. Wykorzystując średnią roczną nadwyżkę wytwarzanych osadów ściekowych (ok. 290 tys. Mg s.m.), można uzyskać ok. 14,6 mln m 3 biogazu [7]. page 45 84

46 2.5. Odpady komunalne (Municipal wastes) W Polsce, średnio rocznie wytwarzanych jest ponad 10mln Mg odpadów komunalnych [16], z czego z ok % stanowią odpady organiczne (biodegradowalne). To właśnie te odpady, pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego ciągle jeszcze stanowią znaczny procent całości odpadów komunalnych deponowanych na składowiskach. Zgodnie z Dyrektywą Rady 1999/31/EC z dnia 26 kwietnia 1999 r. oraz ustawą z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach (Dz. U. z 2007 r., Nr 39, poz. 251, z późn. zm.): Polska zobowiązana jest do ograniczanie masy składowanych odpadów komunalnych ulegających biodegradacji, począwszy od 75% w 2010 r., poprzez 50% w 2013, aż do osiągnięcia w roku 2020 poziomu 35 % w stosunku do masy tych odpadów wytwarzanych w 1995 r. Osiągnięcie zakładanych limitów jest poważnym wyzwaniem dla polskich gmin. Co więcej po 2013 roku nie będzie można składować odpadów komunalnych wcześniej nieprzetworzonych. Powstaje, zatem problem, co z nimi zrobić. Dla całości zmieszanych odpadów komunalnych nie ma uniwersalnych rozwiązań, ale po rozdzieleniu ich na poszczególne grupy rodzajowe można je przetwarzać. I tak wydzielone odpady organiczne (biodegradowalne) można poddać kompostowaniu lub fermentacji. Selektywnie wydzielone odpady (resztki żywności, odpady zielone) mogą być doskonałym surowcem do produkcji biogazu, a pozostała ilość (znacznie już mniejsza) może być wykorzystana do kompostowania i do użyźniania gleb. Do tej grupy odpadów można by dołączyć odpady z restauracji i zakładów zbiorowego żywienia. Produkcja biogazu daje większe korzyści z punktu widzenia gospodarki odpadami, gdyż z tej technologii otrzymuje się przede wszystkim biogaz, a pozostałość dopiero może być wykorzystana, jako substancja polepszająca właściwości gleby lub nawóz. Natomiast w procesie kompostowania całość odpadów po biodegradacji (ilościowo więcej) jest wykorzystywana, jako kompost do rekultywacji terenów i upraw. Wykorzystanie odpadów komunalnych w biogazowniach jest szeroko stosowana w Belgii, Holandii i Francji. Doświadczenia tych krajów wskazują, że jest to bardzo dobry kierunek, szczególnie dla gmin o charakterze miejskim [13] zwłaszcza, gdy w Polsce władztwo nad odpadami komunalnymi zostało przekazane gminom. page 46 84

47 Przedstawiona charakterystyka tylko wybranych odpadów nadających się do produkcji biogazu już wskazuje na dużą ich różnorodność i masowość, a równocześnie wielką szansę wykorzystania ich do produkcji biogazu. Pozyskany z nich biogaz może być wykorzystany nie tylko tradycyjnie do produkcji energii, ale i do produkcji paliwa (biometanu) do transportu. Zatem zbyt na biogaz może być zapewniony. Wykorzystanie biogazu do produkcji biometanu dla transportu miejskiego, czy dla maszyn rolniczych jest głównym celem realizowanego projektu BIOMASTER ( Literatura (Bibliography) [1] Janczur K., Szymandera Z.: Efekt ekologiczny biogazowi rolniczej. Czysta Energia, 2010, nr 1, s [2] Pawilonis J., Kupczyk A.: Biogaz jako źródło energii odnawialnej w Polsce potencjał produkcyjny, stan obecny oraz perspektywy rozwoju sektora. Przemysł fermentacyjny i owocowo-warzywny, 2006, nr 12, s [3] Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A.: Energia odnawialna możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Kraków, Lublin, Warszawa 2003, s [4] Curkowski A., Oniszk-Popławska A.: Surowce do produkcji biogazu uproszczona metoda wydajności biogazowni rolniczej. Czysta Energia, 2010, nr 1, s [5] Podkówka W., Podkówka Z.: Substraty do produkcji biogazu rolniczego. Przegląd Hodowlany, 2009, nr 6, s [6] Juśko-Kowalczyk A.: Przegląd technologii produkcji biogazu. Czysta Enargia, 2009, nr 9, s [7] Szymańska M., Łabętowicz J.: Dostępność i zasoby substratów do produkcji biogazu w Polsce. Czysta Energia, 2009, nr 5, s [8] Żmuda K., Czerwiakowska-Bojko E.: Rolniczy potencjał energetyczny biogazownie rolnicze przyszłością polskiej wsi. Czysta Energia, 2009, nr 9, s page 47 84

48 [9] Florowski T., Pisula A.: Produkcja biogazu z organicznych odpadów przemysłu mięsnego. Przemysł Spożywczy, 2009, nr 11, tom 63, s [10] Zakrzewski P.: Technologia utylizacji odpadów poubojowych w instalacjach biogazowych, Czysta Energia, 2009, nr 10, s [11] Pisula A., Florowski T.: Odpady z przemysłu mięsnego jako surowiec do produkcji biogazu. Czysta Energia, 2009, nr 11, s [12] Kowalczyk-Juśko A.: Odchody przynoszą dochody. Agroenergetyka, 2010, nr 2, s [13] Koryl T.: Odpady organiczne z odpadów komunalnych jako substrat w biogazowi. Czysta energia 2009, nr 12, s [14] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn w sprawie katalogu odpadów (Dz. U nr 112 poz.1206) [15] Przewodnik Biogazownie utylizacyjne Instytut Ceramiki I Materiałów Budowlanych Opole 2010 [16] Rocznik statystyczny Ochrony Środowiska za rok 2010, Główny Urząd Statystyczny page 48 84

49 3. KIERUNKI I DOBRE PRAKTYKI WYKORZYSTANIA BIOGAZU (DIRECTIONS AND GOOD PRACTICE OF BIOGAS USAGE) W Polsce biogaz pochodzi przede wszystkim z odgazowania składowisk odpadów komunalnych oraz z biogazowi zlokalizowanych przy oczyszczalniach ścieków. Na chwilę obecną (stan na r. wg URE) w Polsce jest łącznie 171 instalacji wytwarzających biogaz (biogazownie rolnicze i utlizacyjne składowiska oraz oczyszczalnie ścieków), w tym zaledwie kilkanaście biogazowni opartych o odpady rolnicze lub poprodukcyjne z przetwórstwa rolno-spożywczego, chociaż wiele wskazuje na ich dynamiczny rozwój w najbliższych latach [8]. Biogaz po wytworzeniu poddawany jest oczyszczaniu. Na tym etapie usuwana jest wilgoć, siarkowodór i inne niepożądane związki. Rozwój rynku biogazowego w Europie spowodował rozwój kierunków zastosowania biogazu. Obecnie wykorzystywany jest: do produkcji energii elektrycznej, do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, do napędu pojazdów, pod warunkiem, że są zaopatrzone w instalację na gaz ziemny, do zastępowania / uzupełniania gazu ziemnego, poprzez bezpośrednie wtłaczanie do rurociągu. W zależności od przeznaczenia biogaz może być poddany wzbogacaniu do biometanu, gazu którego skład zbliżony jest do gazu ziemnego (zawartość metanu powyżej 95%). Ten etap jest niezbędny (poza nielicznymi wyjątkami) dla stosowania biometanu do zasilania pojazdów silnikowych oraz wtłaczania biometanu do sieci gazu ziemnego. Biometan może być również sprzedawany, np. w postaci sprężonej, i spalany w celu produkcji energii elektrycznej i cieplnej, poza miejscem jego wytworzenia (rys. 3.1). Wykorzystując biomasę jak i odpady organiczne produkować można zieloną energię: zarówno cieplną jak i energię elektryczną. page 49 84

50 BIOGAZ I etap oczyszczania: Usuwanie pyłów, pary wodnej, wody. II etap Usuwanie: CO 2, sprężanie. Wykorzystanie bezpośrednie: spalanie Jednostki CHP: silniki, turbiny Produkcja biometanu Wykorzystanie bezpośrednie: jak paliwo Zatłaczanie biometanu do sieci Energia cieplna Energia elektryczna Energia mechaniczna Rys Metody wykorzystania biogazu. Źródło: Opracowanie własne 3.1. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej (Electricity and heat production) Podczas spalania metanu pochodzącego z biogazu, produkowana jest energia elektryczna w wysoko sprawnych silnikach spalinowych, które również są źródłem energia cieplnej. Uzyskane ciepło z układu chłodzenia może być wykorzystane do ogrzewania wody, a ciepło wysokotemperaturowych spalin do wytwarzania pary technologicznej. page 50 84

51 Wyposażając układ w dodatkowe instalacje do odzysku energii cieplnej realne staje się zagospodarowanie odpadowej energii cieplnej. Część energii cieplnej ok. 15% i elektrycznej ok.8-10% wykorzystywana jest na potrzeby własne. Pozostała ilość energii elektrycznej sprzedawana jest do sieci elektroenergetycznej. Uzyskane ciepło z układu chłodzenia może być wykorzystane do ogrzewania wody, a ciepło wysokotemperaturowych spalin do wytwarzania pary technologicznej. Przy dobrej lokalizacji instalacji wytwarzającej biogaz i sprzyjających warunkach wytworzone ciepło może być użytkowane w pobliżu. Wysokosprawny proces wytwarzania zarówno energii elektrycznej jak i cieplnej pozwala na osiągnięcie bardzo dużej sprawności przetworzonej energii pochodzącej z biogazu, która może wynieść nawet 87% pierwotnej energii zawartej w paliwie, w porównaniu do 80% sprawności uzyskiwanych z elektrociepłowni zawodowych opalanych węglem. Jednak warunkiem uzyskiwania tak wysokich parametrów jest efektywne wykorzystanie energii cieplnej, co nie zawsze ma miejsce. W takich przypadkach efektywność produkcji energii może zostać zwiększona dzięki wprowadzeniu biometanu lub biogazu, do sieci gazu ziemnego, a następnie jego odbiór i zużycie w miejscu [3]. Energię elektryczną bez względu na to czy jest przeznaczona do własnego zagospodarowania czy na sprzedaż można wytwarzać przy pomocy różnych technologii. Tłokowych silników gazowych (spalanie wewnętrzne), Turbin gazowych, Mikroturbin, Silników Sterlinga (silników bez procesu wewnętrznego spalania paliwa). page 51 84

52 Rys. 3.2 Układ kogeneracyjny silnik Diesla, (fot. T. Obłoj). Rys Zbiornik na biopaliwo, (fot. T. Obłoj). W większości instalacji wykorzystywane są silniki spalinowe ze spalaniem wewnętrznym (silniki tłokowe) lub turbiny. Mikroturbiny znajdują zastosowanie głównie w mniejszych instalacjach. Przykładem może być instalacja 12 mikroturbin w ramach instalacji generacyjnej na terenie szkoły Antioch Comminity High School wykorzystującej gaz z page 52 84

53 pobliskiego składowiska. Każda turbina wytwarza 30 kw energii elektrycznej oraz 85 kw energii cieplnej ze spalin o temperaturze nie przekraczającej 300 o C. Powstające gazy spalinowe po przepuszczeniu przez system odzysku odpadowego ciepła wykorzystywane są do ogrzewania obiektów sportowych znajdujących się na terenie szkoły [2]. Rys. 3.4 Układy kogeneracyjne na bazie silników gazowych, (fot. T.Obłoj). Rys. 3.5 Mikroturbiny zasilane biogazem na terenie szkoły Antioch Comminity High School Źródło: [6] Zarówno silniki gazowe jak i Diesla sprzęgnięte z odpowiednimi generatorami energii elektrycznej wyposażone są w zespół wymienników ciepła do odzysku energii cieplnej z obiegu spalin jak i chłodzenia i smarowania silnika. Ponadto układ wyposażony jest w urządzenia sterujące pracą urządzeń hydraulicznych i elektrycznych do podziału zarówno energii cieplnej jak i elektrycznej. Energia cieplna może być wykorzystywana do ogrzewania page 53 84

54 różnego rodzaju obiektów mieszkaniowych, komunalnych czy na potrzeby procesów technologicznych. Spośród dostępnych technologii najczęściej wykorzystywane są silniki o spalaniu wewnętrznym, sprzęgnięte z generatorem prądu elektrycznego. Pozostałe technologie związane z wykorzystaniem mikroturbin gazowych, silników Sterlinga czy ogniw paliwowych nie mają jeszcze znaczenia gospodarczego. Najczęściej wykorzystywane są silniki gazowe Otto lub silniki Diesla o zapłonie samoczynnym z tzw. dawką startową w postaci ON, oleju opałowego, lub biodiesla. Paliwa te stanowią do ok. 8-10% paliwa wykorzystywanego w danej jednostce kogeneracyjnej, pozostałą ilość stanowi biogaz. Dobrym przykładem wykorzystania energii zawartej w biogazie jest instalacja służąca do odgazowania składowiska odpadów komunalnych Barycz w Krakowie. Obecnie ze składowiska odbiera się ponad 300 m 3 /h biogazu, z którego produkuje się energię elektryczną oddawaną do sieci oraz ciepło wykorzystywane na potrzeby własne zaplecza składowiska. Rys. 3.6 Stacja zbiorcza biogazu i jego przetwarzania na energię - składowisko Barycz, (fot. MPO Sp. z o.o. w Krakowie). Produkcja energii elektrycznej z biogazu składowiskowego jest często stosowanym rozwiązaniem, jednak posiada ona pewne wady. Podstawową jest niska sprawność page 54 84

55 energetyczna procesu w przypadku gdy nie jest odzyskiwane ciepło z chłodzenia silników. Dla zwiększenia efektywności procesu konieczna jest praca w układzie skojarzonym, a to wymaga znalezienia odbiorcy ciepła. Nie jest to jednak proste. Podobnie jak zdarzają się trudności z wykorzystaniem całości pozyskanej energii elektrycznej. Przy braku przemysłowego odbiorcy o stałym zapotrzebowaniu, dobrym rozwiązaniem może być oddanie energii elektrycznej do sieci, ale często nie są tym zainteresowane przedsiębiorstwa zarządzające siecią [1]. Innowacyjnym zastosowaniem biogazu w Ameryce Północnej w USA jest wykorzystanie go w branży motoryzacyjnej, chemicznej, przetwórstwa żywności, farmaceutycznej, przemyśle cementowym, papierniczym oraz w więzieniach i szpitalach [5]. Opłacalne jest bezpośrednie wykorzystanie biogazu przez zakłady znajdujące się nie opodal składowiska, w odległości 8 16 km. W USA lokalizacja wielu zakładów produkcyjnych jest często uwarunkowana obecnością składowiska w pobliżu, co daje możliwość wykorzystania biogazu składowiskowego, będącego bardzo dobrym substytutem gazu ziemnego. Równie dobrym sposobem zagospodarowania biogazu składowiskowego jest jego wykorzystanie jako paliwa do kotłów lub w różnego rodzaju procesach przemysłowych np. proces suszenia surowców bezpośrednio u odbiorcy znajdującego się w pobliżu składowiska czy biogazowni Wykorzystanie biogazu na cele transportowe (The use of biogas for transport purposes Biogaz po uprzednim oczyszczeniu i wzbogaceniu do biometanu może być wykorzystany jako paliwo do pojazdów zamiennik gazu ziemnego, tzw. biocng. Może to być realizowane bezpośrednio, jako zasilanie floty pojazdów ze stacji tankowania, pobierającej biometan z biogazowni, bądź też pośrednio dzięki wtłaczaniu biometanu do sieci gazowej. Takie rozwiązanie jest powszechne, szczególnie w krajach skandynawskich, gdzie na biometanie oparty jest transport miejski oraz komunalny. Powszechność wykorzystania page 55 84

56 biometanu jako paliwa uwarunkowana jest wprowadzeniem różnego rodzaju wsparcia w tych krajach np. dodatków finansowych na zakup pojazdów zasilanych tego rodzaju paliwem lub zwolnieniem z opłat parkingowych. Biometan i CNG może być używany zamiennie tj. w takich samych pojazdach, a także przechowywany i dystrybuowany przez ten sam system tankowania, więc ich stosowanie i podaż mogą się wzajemnie wspierać. Ważne jest, że mogą być stosowane w różnego rodzaju pojazdach: samochody osobowe, dostawcze, ciężarowe, autobusy, wózki widłowe, lokomotywy. NGVs (Natural Gas Vehicle) są dostępne u wielu producentów np. Citroen, Fiat, Ford, Iveco, Mercedes, Opel, Volkswagen. Rys. 3.7 Autobus miejski zasilany biometanem Malmo, Szwecja, (fot.i. Kuczyńska). Paliwo gazowe, takie jak biometan jest realną alternatywą dla konwencjonalnych paliw ciekłych benzyny lub oleju napędowego, co potwierdzają już doświadczenia innych krajów i firm samochodowych. Względy ekologiczne i ekonomiczne przemawiają za tym, aby biometan był powszechnie stosowanym paliwem pojazdów. Na potwierdzenie tego jest sprawdzone już znaczne ograniczenie toksyczności spalin, głównie dwutlenku węgla, gdyż spalanie biogazu zachodzi przy ujemnym bilansie dwutlenku węgla. Pojazdy zasilane biometanem w porównaniu z tymi, napędzanymi benzyną, emitują nawet do 90% mniej tlenku węgla, 80% mniej węglowodorów podstawowego czynnika odpowiedzialnego za page 56 84

57 smog oraz 50-80% tlenków azotu. Również wydzielanie związków siarki i sadzy jest dużo niższe, co powoduje ich ograniczoną emisję do środowiska i poprawę mikroklimatu w dużych aglomeracjach miejskich [4]. Rys Traktor zasilany biometanem. Źródło: [7] Jak wynika z powyższego krótkiego przeglądu wykorzystania biogazu, możliwości zastosowania jest kilka. Wybór kierunku zależny jest jednak od warunków dystrybucji i zapotrzebowania lokalnego na biogaz Literatura (Bibliography) [1] Dudek J.: Wykorzystaniem biogazu ze składowisk odpadów komunalnych do celów energetycznych,"polityka Energetyczna" [tom 11 (2008), zeszyt 2, s ],PAN. [2] Dudek j. i in., Technologie energetycznego wykorzystania gazu składowiskowego, INiG, Kraków [3] Janczur K.: Biogazownia rolnicza inwestycja chroniąca klimat. Czysta Energia 1/2009. [4] Kupczyk A. i in.: Wybrane problemy produkcji i wykorzystania biogazu. Biogaz w krajach Unii Europejskiej i w Polsce. Energetyka 8/ page 57 84

58 [5] Goldestein R,, Update: the State of U.S. Landfill Gas Utylization Projects, [6] [7] [8] page 58 84

59 4. BIOMETAN JAKO PALIWO W ŚRODKACH TRANSPORTU (BIOMETHANE AS A FUEL IN TRANPORT MEANS) Sprężony gaz ziemny, powszechnie znany jako CNG (ang. Compressed Natural Gas), stanowi znakomitą alternatywę do paliw silnikowych obecnie dostępnych na rynku. Jego główną zaletą są aspekty ekologiczne, szczególnie cenne w obszarach zurbanizowanych. Dzięki swoim właściwościom fizykochemicznym może być z powodzeniem wykorzystywany do zasilania szerokiej gamy pojazdów począwszy od taksówek, przez pojazdy dostawcze i ciężarówki, po autobusy komunikacji miejskiej. Kolejną istotną zaletą są niższe koszty eksploatacji pojazdów zasilanych metanem. Duże znaczenie ma również bezpieczeństwo pasywne takich pojazdów, jak i logistyka dostaw samego paliwa prowadzona najczęściej infrastrukturą podziemną. Znakomitym substytutem, który poszerza zalety wykorzystania gazu ziemnego jako paliwa, jest odnawialny biometan odpowiednio oczyszczony biogaz, o równorzędnej jakości do metanu. Dzięki jego wykorzystaniu staje się możliwa dalsza redukcja emisji szkodliwych zanieczyszczeń. Dodatkową zaletą jest osiągnięcie znakomitego efektu well-towheel, gdzie liczona jest całkowita emisja zanieczyszczeń oraz wpływ na środowisko naturalne w całym cyklu produkcji, logistyki oraz wykorzystania paliwa. Rys Iveco Daily Natural Power przystosowany do zasilania biometanem Źródło: cng.auto.pl page 59 84

60 Poniżej zostaną przedstawione praktyczne aspekty możliwości zastosowania biometanu jako paliwa w pojazdach. Zostanie również skrótowo zobrazowana eksploatacja pojazdów przystosowanych do zasilania metanem zarówno w postaci CNG, sprężonego biometanu oraz mieszanek obu paliw Możliwości stosowania biometanu w pojazdach (Possibility of using biomethane in vehicles) Na chwilę obecną do zasilania pojazdów silnikowych używa się dwóch standardów biogazu: biogazu o parametrach pozwalających na sprężenie i zatankowanie do pojazdu - gdzie pojazd jest specjalnie przystosowany do spalania paliwa o różnej jakości; jest on wykorzystywany jedynie do napędzenia pojazdów technicznych będących w użytku własnym gospodarstw rolnych lub składowisk odpadów pozyskujących biogaz; Biometan, czyli oczyszczony i wzbogacony biogaz, o parametrach gazu ziemnego może występować jako samodzielne paliwo lub w formie domieszki do gazu ziemnego, będącej obecnie najpopularniejszą formą wykorzystania biometanu w gospodarce; powszechnie występującą w Austrii, Niemczech oraz Szwecji. Mając na uwadze różną skalę zastosowań obu form biogazu w motoryzacji, dalsza część tekstu będzie dotyczyć wyłącznie wykorzystania biometanu. Obecnie stosuje się dwa sposoby wykorzystania sprężonego biometanu: Samodzielnie (określany jako CBG compressed BioGas lub niekiedy jako biocng) - występuje na ograniczonej liczbie obiektów tankowania gazu ziemnego; zwykle w bliskiej odległości miejsca produkcji od stacji tankowania pojazdów lub dostarczany na stację tankowania gazu drogą kołową; mieszanka gazu ziemnego i biometanu) (często określana jako biocng) sprężony metan, w którego skład wchodzi głównie gaz ziemny oraz domieszka biometanu (zazwyczaj w przedziale %); najpopularniejsza forma wykorzystania page 60 84

61 biometanu ze względu na stosunkowo łatwe dostawy paliwa, które są prowadzone infrastrukturą podziemną. Różnice w nazewnictwie wynikają z przyjętych nazw handlowych przyjętych przez producentów i dystrybutorów Możliwość wykorzystania skroplonego biometanu (biolng) Possibility of using LIQUID biomethane biolng) Metan do zasilania pojazdów może być również wykorzystywany w postaci skroplonej LNG (ang. Liqufied Natural Gas). Na chwilę obecną w tym celu wykorzystuje się w zdecydowanej większości gaz ziemny, biometan ma tutaj śladowy udział. Jednak w najbliższych latach przewiduje się gwałtowny wzrost rynku gazu ciekłego, który zdecydowanie lepiej sprawdza się w ciężkich pojazdach przeznaczonych do ruchu tranzytowego. Obecnie trwają prace nad stworzeniem sieci tankowania biolng (mieszanka skroplonego gazu ziemnego i biometanu) w krajach skandynawskich, pierwsze 2 stacje zostały otwarte w 2011 roku w Szwecji. Producenci pojazdów ciężarowych IVECO, Mercedes-Benz oraz Volvo przygotowali zaś odpowiednie konstrukcje zasilane wyłącznie biolng lub mieszanką biolng (60%) i biodiesla. Jednak kluczowe znaczenie w najbliższych latach dla rozwoju rynku biometanu dla transportu będzie miało biocng i CBG. Rys Ekologiczna taksówka zasilana CNG Źródło: cng.auto.pl page 61 84

62 4.3. Aspekty praktyczne eksploatacji pojazdów zasilanych CNG/bioCNG (Practical aspects of operating CNG/bioCNG gas- powered vehicles Warunki niezbędne dla zasilania pojazdów metanem Zdecydowana większość konwersji do zasilania CNG jest prowadzona na bazie silników o zapłonie iskrowym, zasilanych benzyną. Są to zazwyczaj pojazdy dwupaliwowe, które mogą być zasilane metanem lub etyliną. Istnieje również możliwość adaptacji do zasilania metanem jednostek wysokoprężnych. W większości przypadków silnik jest adaptowany do wyłącznego zasilania CNG. Sporadycznie stosuje się rozwiązanie, gdzie silnik spala mieszankę Diesla i gazu ziemnego. Pojazdy zasilane metanem muszą posiadać specjalną instalację wysokociśnieniową, która pozwala na bezpieczne użytkowanie tego paliwa. Jej elementy muszą odpowiadać jakościowo standardom technicznym określonym w europejskim regulaminie R110. Instalacja powinna być zamontowana przez wykwalifikowanych specjalistów bezpośrednio przez producenta pojazdu lub wyspecjalizowany warsztat trudniący się obsługą pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym. Dostępność pojazdów zasilanych metanem Inwestor stojąc już przed zakupem ekologicznej i oszczędnej floty, może wybrać spośród dwóch rodzajów pojazdów zasilanych sprężonym metanem: pojazdy z instalacją fabryczną auta przystosowane do zasilania CNG bezpośrednio przez producenta na linii montażowej; cechujące się wysoką sprawnością jednostki napędowej oraz nienaganną jakością wykonania, gdzie wszystkie elementy instalacji znajdują się na gwarancji producenta, zapewniającego obsługę i części zamienne do instalacji; dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest montaż zbiorników CNG pod podwoziem, dzięki czemu nie ograniczają one przestrzeni bagażowej pojazdu; pojazdy po konwersji zewnętrznej dowolne modele pojazdu, gdzie instalacja zasilania CNG jest montowana przez niezależny warsztat obsługujący instalacje gazowe; w tym przypadku nabywca może dokładnie określić swoje wymagania page 62 84

63 względem instalacji dzięki możliwości indywidualnego doboru instalacji oraz wielkości zbiorników CNG, które z racji swoich rozmiarów są zazwyczaj montowane w przestrzeni bagażowej auta. Większość rynku pojazdów zasilanych CNG stanowią konstrukcje przystosowane fabrycznie do zasilania metanem, co znajduje uzasadnienie w niższym spalaniu paliwa oraz większej funkcjonalności (brak zbiorników CNG w bagażniku) względem pojazdów przerabianych. Obecnie wielu europejskich producentów pojazdów posiada w asortymencie takie jednostki napędowe. Według segmentu pojazdów możemy wymienić: pojazdy osobowe: Fiat, Mercedes-Benz, Opel, Volvo, Volkswagen; pojazdy dostawcze: Fiat, IVECO, Mercedes-Benz, Opel, Volkswagen; pojazdy ciężarowe: IVECO, Mercedes-Benz, Renault; autobusy: Cobus, Irisbus, MAN, Mercedes, Scania, Solaris, SOR, TEDOM, Volvo. W przeszłości na europejskim rynku pojazdy przystosowane fabrycznie do zasilania CNG oferowało również BMW, Citroen, Ford i Peugeot. Możliwość wdrożenia pojazdów CNG Ze względu na wyższy koszt zakupu pojazdu CNG, który wbrew trendom obecnym w wielu krajach Unii Europejskiej, w Polsce nie jest dofinansowany, musi on znajdować się w bardzo intensywnej eksploatacji (minimalnie kilometrów przebiegu w skali roku). Dodatkowym uwarunkowaniem jest dostępność do infrastruktury tankowania CNG obecnie w Polsce funkcjonuje 32 ogólnodostępne stacje CNG (stan na grudzień 2011). Ciekawą alternatywą, jest możliwość ustawienia własnego punktu tankowania sprężonego metanu (również odnawialnego biometanu). Możliwość taka zostanie opisana poniżej. Kolejnym wartym uwagi ograniczeniem jest mniejszy zasięg pojazdu przy zasilaniu metanem dostępne konstrukcje z instalacją fabryczną pozwalają na przejechanie w cyklu mieszanym kilometrów na jednym zbiorniku. To wszystko powoduje, że takie pojazdy znakomicie sprawdzają się w obszarach zurbanizowanych. Na przestrzeni ostatnich lat wyłoniły się tutaj trzy główne grupy pojazdów: page 63 84

64 Pojazdy do przewozu osób Sprężony gaz ziemny jest bardzo chętnie wykorzystywany przez przedsiębiorstwa taksówkarskie. Samochody osobowe zasilane gazem ziemnym są bezkonkurencyjne w zakresie ekologii, kosztów eksploatacji i kultury pracy silnika względem innych paliw, zwłaszcza w stosunku do pojazdów napędzanych Dieslem. Szczególnie godne polecenia konstrukcje oferuje w tej grupie Volkswagen. Pojazdy ciężkie i dostawcze Szczególnie zainteresowane pojazdami zasilanymi metanem powinny być przedsiębiorstwa usług komunalnych oraz firmy logistyczne (usługi kurierskie, dostawy towarów). Być EKO w tym segmencie posiada dzisiaj ogromne znaczenie dla potencjalnych klientów. Dodatkowym plusem jest bardzo cicha praca pojazdów, co pozwala na bezkonfliktowe operowanie flotą we wczesnych godzinach rannych i w nocy. Szeroką ofertę w tym segmencie posiadają firmy IVECO oraz Mercedes-Benz. Komunikacja miejska Sprężony metan to również znakomite rozwiązanie dla komunikacji miejskiej, która obecnie nie posiada innej alternatywy dla drogiego oleju napędowego. Ogromne znaczenie ma wyeliminowanie emisji cząstek stałych (sadzy), związku szczególnie groźnego dla ludzkiego zdrowia oraz przyczyniającego się do niszczenia elewacji budynków. Rys Solaris Urbino 12 CNG autobus zasilany gazem ziemnym w Radomiu Źródło: cng.auto.pl page 64 84

65 Możliwość ustawienia własnego punktu tankowania CNG Aby wykorzystać metan do zasilania pojazdu w postaci CNG, niezbędne jest jego sprężenie do ciśnienia 200 bar. Do tego celu służy specjalne urządzenie sprężarka gazu ziemnego (CNG). Obecnie w ofercie producentów znajdują się zarówno produkty o wysokiej wydajności (przeznaczone dla stacji dostępnych w obiegu publicznym), jak i małe sprężarki, będące w stanie tankować flotę kilku pojazdów dostawczych. Posiadają one wydajność do 20 m 3 /h, a dzięki małym wymiarom można je ustawić przy siedzibie przedsiębiorstwa i w prosty sposób samodzielnie tankować własne pojazdy. Rozwiązanie to jest warte uwagi również dla przedsiębiorstw, które wytwarzają biometan i posiadają flotę pojazdów. W prosty sposób można pozyskiwać ekologiczne i tanie paliwo dla swojej floty. Zyskujemy na niezależności od infrastruktury zewnętrznej oraz jesteśmy w stanie spożytkować cześć wolumenu produkcji biogazu dla własnych potrzeb. Dodatkowym plusem dla klientów wyczulonych na aspekty estetyczne jest fakt, że w przeciwieństwie do paliw płynnych, metan nie rozlewa się i nie posiada przykrego zapachu nawet podczas tankowania. Rys Stacja CNG w Lublinie Źródło: cng.auto.pl page 65 84

66 4.4. Zalety wykorzystania CNG/bioCNG do zasilania pojazdów (Advantages of the use of CNG / biocng to power vehicles) Środowisko Zastosowanie wysokometanowego gazu ziemnego pozwala, w porównaniu do paliw naftowych, na znaczne ograniczenie emisji szkodliwych związków praktycznie całkowicie wyeliminowana jest emisja cząstek stałych, szczególnie groźnych dla zdrowia ludzi. Znacznej redukcji ulega również emisja dwutlenku węgla CO 2 i tlenków azotu (NO x ), a także hałas. Ekonomia Kolejną zaletą wykorzystania metanu, nierzadko mającą kluczowe znaczenie dla inwestorów, są oszczędności płynące z eksploatacji takiego pojazdu. Dzięki wyższej liczbie oktanowej gazu ziemnego, jednostka napędowa potrzebuje mniejsze ilości paliwa niż silnik zasilany benzyną, Dieslem czy LPG. Ekonomia wykorzystania CNG w polskich warunkach została udowodniona w VII i VIII Superteście Ekonomii, gdzie pojazdy zasilane metanem zajęły nie tylko pierwsze miejsce, ale również kolejne czołowe lokaty. W 2010 roku był to Opel Zafira CNG, zaś w 2011 roku Fiat Panda Natural Power. Bezpieczeństwo pasywne Zastosowanie CNG to również ograniczenie ryzyka pożaru czy wybuchu paliwa podczas ewentualnego wypadku pojazdu. Dzięki zmagazynowaniu paliwa w stanie lotnym pod ciśnieniem ponad 200 bar, w razie rozszczelnienia układu metan nie wydostanie się natychmiast na zewnątrz zbiornika, tylko powoli będzie ulatniał się do atmosfery. Dzięki temu, że jest lżejszy od powietrza, ulotni się bezpiecznie w przestrzeni bezpośrednio do góry. Ponadto dzięki bardzo wytrzymałej konstrukcji zbiorników w kształcie cylindrów, praktycznie niemożliwe jest ich uszkodzenie mechaniczne. Bezpieczeństwo strategiczne CNG stanowi również realną szansę na dywersyfikację rynku paliw dla motoryzacji. Obecnie całkowita dominacja paliw pochodzenia naftowego negatywnie odbija się na kosztach transportu, które spowalniają gospodarkę. Dzięki wykorzystaniu nowego nośnika page 66 84

67 energii w postaci CNG możliwe jest podniesienie bezpieczeństwa dostaw (1/3 gazu ziemnego konsumowanego w Polsce pochodzi ze źródeł krajowych). Nieoceniona w tym przypadku jest możliwość pozyskiwania odnawialnego biometanu, pozyskiwanego i konsumowanego w tym samym miejscu. Wartą uwagi jest również bezpieczniejsza logistyka paliwa, prowadzona infrastrukturą podziemną. Wyeliminowane są dostawy prowadzone drogą kołową przez ciężkie cysterny niszczące drogi, emitujące zanieczyszczenia w miastach, których potencjalne wypadki wiążą się z ogromnymi kosztami finansowymi i środowiskowymi Dobre praktyki zastosowania biometanu jako paliwa w transporcie (Good practices of biomethane using in transport) Dla przybliżenia realnych perspektyw wdrożenia biometanu w transporcie, przedstawiono kilka wybranych studiów przypadku z Unii Europejskiej, które zakończyły się sukcesem. Przykłady dotyczą zastosowania samochodów osobowych, pojazdów komunalnych z Berlina oraz autobusów komunikacji miejskiej z Lille. Szczególnym studium przypadku będzie wykorzystanie biometanu w sporcie motorowym ekologicznej serii wyścigowej Volkswagen Scirocco R-CUP. Berlin pojazdy rządowe [1] We wrześniu 2011 roku przedsiębiorstwo świadczące usługi przewozowe dla posłów Bundestagu wdrożyło do swojej floty limuzyny wyposażone w fabryczną instalację zasilania metanem Mercedes E 200 NGT. W ten sposób niemiecki parlament stara się kreować popyt na ekologiczne rozwiązania w niemieckiej motoryzacji oraz pokazuje, że możliwa jest ekologiczna i oszczędna jazda po Berlinie. W stolicy Niemiec dostępna jest sieć 18 stacji CNG, na większości z nich zatankowac można biometanw postaci czystej (CBG) lub domieszki do CNG (biocng). Lille wykorzystanie w komunikacji miejskiej [2] Francuskie miasto Lille jest jednym z liderów wykorzystania biometanu do zasilania miejskich autobusów. Tamtejsze przedsiębiorstwo komunikacji od kilkunastu lat inwestuje page 67 84

68 we flotę autobusów przystosowanych do zasilania biometanem, który jest pozyskiwany w miejscowej oczyszczalni ścieków. Obecnie w mieście porusza się ponad 200 autobusów zasilanych biometanem. Berlin pojazdy komunalne [3] Stołeczne Przedsiębiorstwo Usług Komunalnych w Berlinie od kilkunastu lat wdraża biometan jako paliwo dla swojej floty śmieciarek. Jest on wykorzystywany w tym przypadku zarówno w czystej postaci, jak i w formie domieszki do gazu ziemnego. Pojazdy poruszają się w ścisłym centrum miasta, dzięki czemu udało się zredukować emisję cząstek stałych (sadzy) - największego zagrożenia dla zdrowia ludzkiego, jak i czynnika niszczącego zabytkowe kwartały. VW Scirocco R-CUP demonstracja potencjału biometanu [4] Popisowym przykładem wykorzystania biometanu do zasilania pojazdów jest puchar wyścigowy Volkswagen Scirocco R-CUP. W tej organizowanej od 2010 roku serii wyścigów samochodów turystycznych ścigają się wyłącznie pojazdy zasilane czystym biometanem. Każdy bolid jest wyposażony w silnik o pojemności 2,0 litrów dostarczający maksymalnie 275 KM mocy, co pozwala na dynamiczną i pełną emocji jazdę. Jednak największą zaletą ekologicznego bolidu VW Scirocco jest znikome oddziaływanie na środowisko. Pojazd emituje o 80% mniej CO 2 w porównaniu do benzynowego odpowiednika wyścigówki o przybliżonych osiągach. Ponadto redukcji uległa także emisja innych szkodliwych związków tlenków azotu (NO x ) oraz cząstek stałych (sadzy). Kierowcy ścigający się w serii Scirocco R-CUP początkowo nieufnie podchodzili do zastosowanej technologii. Jednak szybko zorientowali się, że pojazdy zasilane biometanem nie różnią się w osiągach od benzynowych odpowiedników. Dodatkowym plusem zastosowania metanu jest znaczna poprawa bezpieczeństwa, co ma ogromne znaczenie w sportach motorowych. W razie ewentualnego wypadku paliwo nie rozlewa się, tylko ulatnia się do atmosfery nie stanowiąc zagrożenia dla kierowcy. W ekologicznym Pucharze Scirocco R-CUP z sukcesami startują Polacy. W sezonie 2011 mistrzowski tytuł zdobył Mateusz Lisowski, niezwykle utalentowany kierowca wyścigowy z page 68 84

69 Wieliczki. Natomiast w sezonie 2010 wicemistrzowski tytuł zdobył Maciej Steinhof. Z sukcesami w pucharze Scirocco R-CUP startuje również Adam Gładysz, zajmujący czołowe miejsca w stawce kierowców. Biometan jako paliwo dla pojazdów wyznacza nowe standardy ekologiczne w europejskiej motoryzacji. Przedstawione powyżej przykłady dobitnie świadczą o tym, że możliwe jest wdrożenie przyjaznych rozwiązań w rozsądnych ramach finansowych. Dlatego warto już dzisiaj przyjrzeć się nowym możliwościom, które są w zasięgu polskich inwestorów. Karol Wieczorek ekspert rynku CNG w Polsce, założyciel i administrator Portalu cng.auto.pl 4.6. Literatura (Bibliography) [1] Niemcy Posłowie Bundestagu będą wożeni 37 ekologicznymi limuzynami na biocng, dostęp: [2] LILLE METROPOLIS, URBAN COMMUNITY, Bio gas Buses Project, www1.eere.energy.gov/cleancities/pdfs/baesen.pdf, dostęp: [3] Berlińskie przedsiębiorstwo komunalne BSR zakupi 93 śmieciarki zasilane biocng, dostęp: [4]Scirocco - najbardziej przyjazna seria wyścigów na świecie!, dostęp: page 69 84

70 5. BIOGAZOWNIA UTYLIZACYJNA ASPEKTY PRAKTYCZNE ( UTILIZATIONAL BIOGAS PLANT, PRACTICAL ASPECTS) Technologia fermentacji metanowej, jako jedna z metod utylizacji odpadów pochodzenia organicznego z powodzeniem wykorzystywana jest w większości krajów europejskich. Trwający od kilku dziesięcioleci rozwój tej technologii daje nowe możliwości wykorzystania biomasy jak również utylizacji odpadów organicznych z jednoczesnym ich energetycznym wykorzystaniem. Zarówno w zakresie produkcji energii elektrycznej jak i energii cieplnej. Najczęściej w tym celu wykorzystuje się jednostkę kogeneracyjną bezpośrednio w biogazowni lub w tzw. układzie satelitarnym. Nowymi kierunkami wykorzystania biogazu jest jego wtłoczenie do sieci gazu ziemnego po uprzednim oczyszczeniu, jak również istnieją możliwości wykorzystania biogazu, jako paliwa transportowego. Szczególnie w transporcie flotowym związanym z gospodarką odpadami czy komunikacją miejską. Fermentacja metanowa jest procesem biologicznym naturalnie występującym w środowisku człowieka. Proces ten polega na wielofazowej redukcji związków organicznych. W konsekwencji prowadzi do powstania mieszaniny gazów w której głównym składnikiem jest metan. Zawartość metanu w biogazie uzależniona jest od rodzaju substratów, przebiegu samego procesu jak również technologii wykorzystywanej w biogazowni. Poznanie tego złożonego procesu, jak również zdobycze techniczne umożliwiające stworzenie optymalnych warunków dla jego przebiegu, kontroli i stabilizacji dają zupełnie nową jakość, filozofię i możliwości w wykorzystaniu lokalnych zasobów biomasy oraz odpadów organicznych. Spośród wszystkich obecnie dostępnych technologii związanych z wykorzystaniem potencjału energii odnawialnej jedynie biogazownie dają możliwość produkcji energii elektrycznej, energii cieplnej, paliwa wykorzystywanego w transporcie przy jednoczesnym utylizowaniu różnego rodzaju odpadów organicznych, wpływając tym samym na stan środowiska naturalnego w wymiarze lokalnym oraz globalnym. W celu stworzenia optymalnych warunków przebiegu procesu metanogenezy, jak również możliwości jego kontroli, co w konsekwencji daje możliwość osiągania page 70 84

71 maksymalnych efektów ekonomicznych, realizacja projektów biogazowych ma charakter indywidualny. Wielkość oraz wykorzystywana technologia uwarunkowana jest dostępnością określonych substratów. Generalnie można stwierdzić, że biogazownia to zespół obiektów i instalacji spełniających określone funkcje, do którego należą: magazynowania, przetwarzania i dozowania substratów, zapewnienia właściwych warunków procesu, magazynowania, przetwarzania pozostałości pofermentacyjnej, magazynowania, uzdatniania i energetycznego wykorzystania biogazu. Spośród instalacji występujących w biogazowni należy wyróżnić: instalację gazową z systemem oczyszczania biogazu, instalację wodnokanalizacyjną, instalację elektroenergetyczną, instalację grzewczą, instalacje kontrolno-pomiarowe, instalację do zadawania substratów, instalację do obróbki masy pofermentacyjnej. Jak widać biogazownia jest dość złożonym zamierzeniem inwestycyjnym. Dlatego tak ważnym jest właściwe zaprojektowanie i wybudowanie instalacji w szczególności w oparciu o dostępne do wykorzystania substraty. Wszystkie instalacje mające na celu utylizację odpadów poubojowych powinny spełniać kryteria narzucone przez szereg regulacji krajowych, których podstawą jest Rozporządzenie Wspólnot Europejskich 1774/2002 z 3 października 2002 roku ustanawiające przepisy sanitarne dotyczące produktów ubocznych pochodzenia zwierzęcego, nieprzeznaczonych do spożycia przez ludzi (por. rozdział 2.3). Rozporządzenie dzieli odpady pochodzenia zwierzęcego na trzy wyżej wymienione kategorie. Kategoria I wymaga bezwarunkowego unieszkodliwiania w spalarni, natomiast odpady poubojowe kategorii II i III mogą zostać przetworzone w metan w procesie fermentacji beztlenowej, po uprzedniej obróbce termicznej z zachowaniem dodatkowych warunków. W przypadku wykorzystania w biogazowni surowca kategorii 2 i 3, biogazownia taka powinna być wyposażona w instalację przetwarzania i dozowania substratów umożliwiającą page 71 84

72 przed wprowadzeniem surowców do fermentatora przeprowadzenie sterylizacji surowca dotyczy to surowców kat. 2 lub pasteryzacji dla surowców kat.3. Parametry techniczne procesu pasteryzacji: maksymalna wielkość cząstek poddawanych pasteryzacji 50mm, minimalna temperatura procesu 133ºC, minimalny czas 20 min, minimalne ciśnienie 3 bary. Dla procesu sterylizacji: maksymalna wielkość cząstek 12 mm, minimalna temperatura procesu 70 ºC, minimalny czas obróbki 60 min. Rys. 5.1 Przykładowe rozwiązania techniczne związane z magazynowaniem i obróbką termiczną substratów. Materiały własne T.Obłoj Na etapie prac przygotowawczych, a następnie projektowych należy mieć wiedzę w zakresie wykorzystywanych w przyszłości surowców. Wykorzystanie surowców kategorii 2 i 3 pochodzenia zwierzęcego podnosi koszty inwestycyjne projektów biogazowych z jednej strony, z drugiej daje możliwość pozyskania substratów z ujemną ceną, to znaczy dostawca page 72 84

73 takiego typu surowców płaci za przyjęcie i utylizację, co wydatnie poprawia wyniki ekonomiczne biogazowni. Nabycie umiejętności właściwego prowadzenia procesu kofermentacji daje możliwości większej produkcji biogazu, gdyż produkty z tych grup charakteryzują się wysoką wydajnością biogazu w m 3 / z 1 Mg sm organicznej substratu. Energia cieplna dostarczona do procesu pasteryzacji i sterylizacji może być z powodzeniem wykorzystana jako dodatkowe źródło energii cieplnej w komorze fermentacyjnej. Każdy z ze stosowanych surowców, charakteryzuje się określoną zawartością suchej masy, jak również procentową zawartością suchej masy organicznej, różną zawartością przyswajalnego białka, tłuszczu czy węglowodanów, zawartością inhibitorów procesu metanogenezy. Przy tak dużej różnorodności możliwych do wykorzystania substratów już na wstępie prac przedprojektowych i projektowych, a następnie realizacji inwestycji należy znać rodzaj, ilość i jakość wykorzystywanych w przyszłości substratów (por. tabela 2.5). Pozwoli to wyposażyć instalację w niezbędne instalacje zapewniające właściwą pracę biogazowni. Spośród dostępnych substratów powinniśmy wybrać te które zagwarantują odpowiednią zawartość suchej masy organicznej, właściwy stosunek C/N, oraz określoną zawartość makro i mikroelementów, jak również brakiem inhibitorów procesu metanogenezy. Analiza tych wszystkich parametrów zapewni określoną produktywność, a więc dochodowość inwestycji. Dla wybranej grupy substratów podczas prac projektowych dobiera się określoną technologię i określa się maksymalne obciążenie komory fermentora wyrażone w kg suchej masy organicznej na m 3 /dobę oraz tzw. czas retencji. W przypadku prowadzenia złożonego procesu kofermentacji oraz w bogazowniach utylizacyjnych dla zapewnienia stabilności procesu konieczny jest stały nadzór biotechnologiczny. Dla ciągłości i stabilności procesu koniecznym jest zapewnienie możliwie stałego składu substratów o odpowiednim stopniu homogeniczności. Spełnienie tych wymagań gwarantuje możliwość osiągania wysokiej produkcji biogazu, a tym samym osiągania odpowiednio wysokich wskaźników ekonomicznych. Rodzaj wykorzystanych substratów i zastosowana technologia oraz sam przebieg procesu decydują o składzie biogazu. page 73 84

74 Wprowadzenie w poszczególnych krajach UE dodatkowych instrumentów finansowych w postaci certyfikatów kogeneracyjnych czy wyższych dopłat do ceny zielonej energii elektrycznej w przypadku zagospodarowania ciepła odpadowego sprawiło, że na tyle dopracowano rozwiązania techniczne w układach kogeneracyjnych, że większość obecnie instalowanych układów zalicza się do tzw. wysokosprawnej kogeneracji. W zależności od marki producenta oraz mocy elektrycznej jednostki sprawność elektryczna dochodzi nawet do 39,40-42,70%. W przypadku energii termicznej sprawność może wynosić nawet 47,50-51,30%. Całkowita sprawność układu wynosi ponad 90%. Układy kogeneracyjne wykorzystywane w biogazowniach to nic innego jak bardzo sprawna elektrociepłownia napędzana biomasą i produktami ubocznymi produkcji roślinnej, zwierzęcej jak również odpadami organicznymi o charakterze lokalnym. Z uwagi na logistykę i koszty dostawy substratów oraz możliwość wykorzystania osadów pofermentacyjnych w celach nawozowych jako substancji polepszającej właściwości gleby inwestycje biogazowe należy lokalizować w miejscach dostępności substratów. Kolejnym atutem biogazowni jest możliwość produkcji energii elektrycznej i cieplnej w sposób ciągły 24 godziny na dobę przez niemal cały rok dni. Wszędzie tam, gdzie stworzono warunki do rozwoju dla tej technologii (Niemcy, Dania) biogazownie stały się ważnym elementem rozproszonej energetyki. Poprzez budowę źródeł rozproszonych ogranicza się straty energii na przesyle. Według różnych źródeł straty te w Polsce wynoszą 8-10 % energii, w Danii, która już po pierwszym kryzysie energetycznym postawiła na źródła rozproszone ok. 4 %. Struktura wiekowa i lokalizacja mocy wytwórczych energetyki systemowej opartej w głównej mierze na węglu, jako surowcu energetycznym wiek (rys. 5.2) wpływający na stan techniczny infrastruktury przesyłowej jak również konieczność dostosowania polityki energetycznej Polski do założeń UE w zakresie poprawy efektywności energetycznej sprawiają, iż konieczne są nowe inwestycje zarówno w ekologiczne i wysokosprawne moce wytwórcze jak i infrastrukturę przesyłową. page 74 84

75 Rys Struktura wiekowa infrastruktury przesyłowej Źródło: [6] Biorąc powyższe pod uwagę warto przy okazji tworzenia nowego prawa w zakresie energii odnawialnej, prawa energetycznego i gazowego postawić na budowę wysokosprawnej niskoemisyjnej energetyki rozproszonej opartej na biogazowniach zarówno tych rolniczych jak i utylizacyjnych. Polska, która dysponuje znaczącym potencjałem w zakresie biomasy pochodzenia rolniczego, jak również w zakresie odpadów pochodzenia organicznego związanych z przemysłem jak i gospodarką odpadami komunalnymi powinna przyspieszyć w doganianiu liderów europejskich w tym względzie. Warto wiec śladem innych krajów europejskich stwarzać optymalne warunki prawne i ekonomiczne dla rozwoju tej technologii z korzyścią dla gospodarki narodowej. Poprawą stanu środowiska naturalnego w wymiarze lokalnym szczególnie w zakresie gospodarowania biomasą i odpadami organicznymi jak również w wymiarze globalnym. Biogaz jako jedna z technologii związanych z OZE bez wątpienia wpływa na poprawę efektywności energetycznej, poprawę bezpieczeństwa energetycznego przeciwdziała zmianom klimatycznym. Wykorzystanie biogazowni może być wielorakie, a korzyści wynikające z jej funkcjonowania widoczne dla wielu grup. Beneficjentami mogą być: rolnictwo zagospodarowanie odpadów z przemysłu rolniczego, page 75 84