Biogazownia utylizująca glony morskie i rośliny słodkowodne

Transkrypt

1 Autorzy: dr inż. Ksawery Kuligowski, mgr Marek Ziółkowski, dr inż. Andrzej Tonderski. Biogazownia utylizująca glony morskie i rośliny słodkowodne Celem tej pracy było oszacowanie uwarunkowań środowiskowych, technologicznych i finansowych dla biogazowni wykorzystujących glony morskie, rośliny słodkowodne i inne lokalne odpady na Pomorzu. Eutrofizacja zbiorników wodnych przyczynia się do przyrastania nadmiernych ilości makroglonów w Zatoce Gdańskiej i roślin słodkowodnych w ciekach wodnych Pomorza. Równolegle, sektor biogazowy poszukuje substratów alternatywnych. Nadmiernie produkowana biomasa może posłużyć jako taki substrat, przyczyniając się do poprawienia funkcjonowania ekosystemów wodnych. Pierwszym wykonanym krokiem w tym studium wykonalności było oszacowanie potencjału nadmiaru biomasy wodnej (glonów i roślin słodkowodnych) na Pomorzu, szczególnie w Gdańsku i gmin sąsiadujących. Zakłada się, że produkcja biomasy wodnej jest proporcjonalna do powierzchni wód śródlądowych. W województwie pomorskim ich powierzchnia jest bardzo duża, a są to zbiorniki naturalne (Pojezierza Kaszubskie, Starogardzkie i Bytowskie) jak i przetworzone przez człowieka (Ujście Wisły Żuławy Wiślane). Szczególnie ujście Wisły może zapewnić znaczące ilości biomasy wodnej, już teraz gromadzonej w przepompowniach (Ryc 3.) wzdłuż naturalnych i sztucznych kanałów odwadniających niziny i depresje Pomorza. Ryc 1. Rośliny słodkowodne: grzybieniowate (N.lutea, N.alba), rogatek sztywny (C.demersum) oraz strzałka wodna (po lewej) w jednej z lokalizacji, rzęsa wodna (Lemna & Spiro), osoka aloesowata (po środku) w innej lokalizacji z przepompowni oraz mieszanka zielenic, brunatnic i krasnorostów z plaży w Sopocie (po prawej) (źródło: POMCERT). Drugim krokiem było zasugerowanie systemów zagospodarowania nadmiaru biomasy, które przyczynią się do zmniejszenia napływu substancji odżywczych do Morza Bałtyckiego (Ryc. 2). Kolejne kroki dotyczyły analiz technicznych i finansowych dot. produkcji biogazu i budowy wielkoskalowej biogazowni wykorzystującej biomasę wodną. Charakterystyka biomasy wodnej (rośliny słodkowodne i glony) Skład roślin słodkowodnych był różny. Dla jednej lokalizacji składał się z: grzybieniowatych (36.1%), rogatka sztywnego (23,9%), rzęsy wodnej (19,8%), strzałki wodnej (12,3%) i osoki aloesowatej (8%). W innym miejscu składał się głównie z rzęsy wodnej (46%) i osoki aloesowatej. Zawartość rogatka sztywnego była znacznie niższa (13,2%). Obecne były również liście z drzew rosnących przy linii brzegowej cieków wodnych (12,8%). Wśród glonów z plaży w Sopocie obecne były zielenice, brunatnice i krasnorosty [4]. 1

2 Rycina 2. Proponowany system zbierania biomasy i jej przetwarzania. Metodologia analiz potencjału i dystrybucji biomasy wodnej na Pomorzu MOKRADŁA Dane na temat rozmieszczenia przepompowni otrzymano od Zarządu Melioracji i Urządzeń Wodnych Województwa Pomorskiego, a elektrowni wodnych od Energa Hydro S.A. (Wydział Ruchu Małych Elektrowni). Dane na temat ilości roślin słodkowodnych (w tonach), zebranych w czasie jednego roku (2011) z krat zatrzymujących odpady uzyskano na podstawie wywiadów przeprowadzonych z administratorami przepompowni (Ryc.3) i elektrowni wodnych. Rycina 3. Widok na przepompownie, gdzie nadmiar biomasy wodnej jest zatrzymywany na specjalnych kratach, a następnie usuwany automatycznie sterowanym chwytakiem (POMCERT). GLONY Zasoby i częstotliwość występowania glonów na plaży w Sopocie a także ich ilość została ustalona na podstawie wywiadów z pracownikami Zakładu Oczyszczania Miasta w Sopocie, a także innymi partnerami projektu Urząd Miasta Sopot [1] i na podstawie wcześniejszych publikacji Instytu Oceanologii Polskiej Akademii Nauk (IO PAN) [4], [5]. 2

3 INNE ODPADY Ilość obornika końskiego została oszacowana na podstawie wywiadów z pracownikami Hipodromu w Sopocie, podczas gdy ilość innych odpadów lokalnych (obornik z ferm, liście) była konsultowana z partnerami projektu: Urzędem Miasta Sopot i Pomorskim Ośrodkiem Doradztwa Rolniczego (PODR) [2]. Rozmieszczenie zasobów biomasy wodnej na Pomorzu MOKRADŁA W województwie pomorskim obszar ponad km2 odwadnia ok km rzek i km kanałów. Jednocześnie zbierają one nadmiar zanieczyszczeń spływających z pól, w tym biomasy. Nasze badania wykazały, że może ona być efektywnie zbierana z przepompowni (95 na Pomorzu, odwadniające ponad ha) i elektrowni wodnych, gdzie obecnie nadmiar ten jest odpadem. Obliczono, że rocznie potencjał biomasy wodnej na Pomorzu sięga ton suchej masy z przepompowni ( t w obszarze Gdańska) i ton suchej masy z elektrowni wodnych ( na obszarze Gdańska). W sumie daje to ton suchej masy na rok ( ton świeżej masy). Ryc 4. Rozmieszczenie geograficzne źródeł roślin wodnych w województwie pomorskim a) przepompownie b) elektrownie wodne (źródło: POMCERT). GLONY Rozmieszczenie glonów wzdłuż linii brzegowej Trójmiasta jest nierównomierne. W sezonie wzrostu, przez działanie wiatrów i warunków atmosferycznych często zmienia się ich lokalizacja, co utrudnia oszacowanie faktycznego potencjału ich biomasy. Według MOSiR (2010) możliwe jest zebranie ton świeżej masy z plaż i do 700 ton (Zakład Oczyszczania Miasta 2010) z morza na sezon. IO PAN szacował tę liczbę na ton na sezon [5]. W tym opracowaniu przyjęto wartość średnią dla glonów zebranych z plaż z trzech lat 550 ton/sezon. Założenia dla studium wykonalności Studium to zostało wykonane na podstawie przewodnika do analizy kosztów i korzyści projektów inwestycyjnych (Komisja Europejska) [6]. Jej główną część stanowi kompleksowy model finansowy, który opierając się na wybranych parametrach wyjściowych (wartość bieżąca netto NPV, wewnętrzna stopa zwrotu IRR, stosunek zysków do kosztów B/C i próg rentowności BEP) przewiduje stopień wykonalności dla biogazowni wykorzystujących różne odpady do produkcji ciepła i elektryczności przy użyciu modułów kogeneracyjnych (CHP) w 5 wybranych lokalizacjach (Ryc. 5). Te lokalizacje to okolice: (1) Pruszcza Gdański, (2) Kartuz, 3

4 (3) Wejherowa, gdzie lokalni rolnicy zadeklarowali zainteresowanie produkcją biogazu z ich odpadów rolniczych (głównie obornik i małe ilości roślin słodkowodnych), (4) Sopot, ze znaczącymi ilościami glonów i obornika końskiego i (5) Łężyce, gdzie aktualnie nowoczesny Zakład Unieszkodliwiania Odpadów 'Eko-Dolina' zarządzany przez partnera projektu (Komunalny Związek Gmin Dolina Redy i Chylonki ) gromadzi i kompostuje t gminnych odpadów organicznych. Rycina 5. Mapa GIS Pomorza z zaznaczonymi wyłączonymi i potencjalnymi obszarami dla lokalizacji biogazowni, a także z sugerowaną lokalizacją tych biogazowni, użytą w tym studium wykonalności (źródło: POMCERT). Lokalizacje te zostały starannie dobrane na podstawie doświadczeń partnerów i własnych [1], [2]. Ich dobór wiązał się z obfitością odpadów lokalnych i bliskością sopockiej plaży (glony). Celem badań była symulacja wy konalności finansowej biogazowni zbudowanej w danych lokalizacjach opartych na lokalnych odpadach rolniczych (5 scenariuszy) i porównanie z wykonalnością finansową takiej biogazowni w tych samych lokalizacjach wzbogaconej o: odpady sopockie (glony, obornik koński, liście), rośliny słodkowodne oraz odpady sopockie + rośliny słodkowodne. Wszystkie obliczenia dotyczące przepływów pienieżnych brały pod uwagę koszty operacjne i inwestycyjne, takie jak m.in. pozwolenia na budowę i decyzje środowiskowe, koszty transportu substratów, koszt technologii, utrzymanie, sprzedaż energii (system certyfikatów), koszty utylizacji pofermentu, uzysk biogazu na podstawie literatury lub zmierzony w mobilnym laboratorium biogazowym (patrz następny rozdział) inflacja itd. Nowością w tym studium jest rozpatrywanie tylko odpadów stałych, np. obornik (20-30% s.m.) ponieważ to właśnie ich producenci (właściciele małych, rozproszonych gospodarstw ankietowani przez PODR) byli bezpośrednio zainteresowani produkcją biogazu, a substraty suche są łatwiejsze w zagospodarowaniu i transporcie. Wiązało się to z doborem innej 4

5 technologii biogazowej (o dwustopniowym procesie obejmującym hydrolizę (płukanie) i fermentację odcieków) niż zwykle stosowana reaktora stale mieszanego do fermentacji ciekłej (<12% s.m.). Rezultaty analiz scenariuszy dla wszystkich lokalizacji, a także analizy wrażliwości poszczególnych parametrów opisane są w szczegółowym raporcie (o studium wykonalności) przygotowanym przez POMCERT [7]. Wnioski z wyników badań w małych bioreaktorach biogazowych Celem tej pracy było przetestowanie efektywności produkcji biogazu z glonów i roślin słodkowodnych w specjalnie zaprojektowanych bioreaktorach w skali laboratoryjnej. Z powodu niewystarczającego potencjału glonów i roślin słodkowodnych, obornik koński z Sopotu oraz frakcja organiczna odpadów komunalnych zostały użyte jako kosubstrat. Fermentacja metanowa to samoczynny proces, który naturalnie zachodzi w warunkach beztlenowych. Wyprodukowany gaz (biogaz) jest mieszanką: metanu (40-70%) i dwutlenku węgla (30-70%). Optymalnie przebiega on w warunkach wysokiej wilgotności (dobry kontakt pomiędzy bakteriami, pożywką i rozpuszczonymi substancjami odżywczymi). Ze względu na wysoki kosztu transportu mokrej biomasy, obfitości innych kosubstratów (obornika) w stanie stałym, a także możliwości umieszczenia większej ilości biomasy w bioreaktorze, zdecydowano się także przeprowadzić proces fermentacji suchej (stałej). Przygotowanie biomasy Biomasa wodna (glony, rośliny słodkowodne) jest bardzo wilgotna (zawiera 75-95% wody), co przyczynia się do trudności w gospodarowaniu nią i wyższych kosztów transportu do potencjalnej biogazowni. Dlatego sugeruje się stosować suszenie. Dwutygodniowe suszenie w naturalnych warunkach przy letnim słońcu, Ryc. 6, pozwala obniżyć wilgotność tych roślin do 10-15%. Rycina 6. Od lewej: mała szklarnia do suszenia biomasy roślinnej i następujące po tym przygotowanie biomasy: zaszczepienie przedermentowanym osadem ściekowym, krótkie wstępne kompostowanie (ok. 10 dni) biomasy stałej przed fermentacją suchą i mielenie biomasy mokrej przed fermentacją mokrą. Źródło: POMCERT. Przed fermentacją suchą, każdy ze wsadów był dokładnie wymieszany i pozostawiony na 10 dni, do wstępnego rozkładu w warunkach tlenowych. Przed fermentacją płynną, kosubstraty zostały zmielone, a następnie zmieszane. We wszystkich przypadkach mieszanki zaszczepiono 5

6 przefermentowanym osadem ściekowym z oczyszczalni ścieków zawierającym bakterie metanogenne. Doświadczenia nad fermentacją metanową Doświadczenie prowadzono w czterech szczelnych bioreaktorach umieszczonych w przyczepie. Dwa z nich (stale mieszane) użyto do fermentacji płynnej (7.5% s.m.) - pierwszy wypełniony roślinami słodkowodnymi, drugi glonami, po zmieszaniu z wymienionymi kosubstratami (Ryc. 7) (w stosunku rośliny lub glony: kosubstrat, 1:1 s.m.). Dwa kolejne reaktory użyto do fermentacji suchej (45% s.m.) a stosunek substratów był analogiczny do poprzednich. Temperatura biomasy utrzymywana była na poziomie C (warunki mezofilne). Skład biogazu (metan, dwutlenek węgla, amoniak, siarkowodór) mierzono codziennie przez czas trwania eksperymentu przenośnym miernikiem gazu. Biomasa wodna użyta w testach zawierała 13-46% s.m. (w tym 21-50% suchej masy organicznej, s.m.o., różna dla poszczególnych gatunków) dla roślin słodkowodnych, 20% s.m. (66% suchej masy organicznej) dla glonów. Rycina 7. Reaktory wsadowe do fermentacji suchej (po lewej) oraz stale mieszane reaktory do fermentacji mokrej (po prawej). Źródło: POMCERT. W fermentacji mokrej, po 55 dniach uzyskano blisko dwa razy więcej biogazu dla mieszanki roślin słodkowodnych z kosubstratem (150 l/kg s.m. czyli ok. 430 l/kg s.m.o) niż dla mieszanki glonów z kosubstratem (90 l/kg s.m. czyli ok. 140 l/kg s.m.o). Dla tej pierwszej mieszanki większość biogazu wyprodukowana została przez pierwsze 40 dni, dla drugiej między i dniem. Stężenie metanu w biogazie dla fermentacji mokrej sięgało 74% (dla obu mieszanek), podczas gdy dla fermentacji suchej nie więcej niż 50%. Fermentacja stała (87 dni) roślin słodkowodnych z kosubstratem trwała ok dni dłużej niz fermentacja płynna tej samej mieszanki. Rośliny słodkowodne zapewniają szybszą i bardziej stabilną fermentację (zaczyna sie po 9 dniach), glony natomiast zaczynają fermentować po 24 dniach (wykazując przy tym duże wahania stężenia metanu i przepływu gazu w czasie). W fermentacji suchej uzyskano l biogazu/ kg s.m. ( l/kg s.m.o.) niezależnie od wsadu (stężenie metanu nie większe niż 50%). Fermentacja mieszanek z glonami odznaczała się dużymi ilościami siarkowodoru. 6

7 Rolnicze wykorzystanie przefermentowanej biomasy Aby ocenić przydatność rolniczą przefermentowanej biomasy, wykonano eksperyment szklarniowy. W sumie, użyto 64 doniczek do przetestowania 6 nawozów (przefermentowane masa z 4 bioreaktorów, jak też odpowiadająca im nieprzefermentowana biomasa) w 5 różnych dawkach: 4-64 kg fosforu (P) /ha. Wykonano także wariant kontrolny (bez nawozu) i wariant ze stałym nawozem mineralnym (NPK). Doniczki wypełniono <2mm frakcją gleby piaszczystej zmieszanej z torfem kwaśnym (ph ), w stosunku objętościowym 1:1. Po dodaniu nawozu całość wymieszano i nawodniono do osiągnięcia pojemności polowej (utrzymywanej przez cały czas trwania eksperymentu). Rośliną użytą w doświadczeniu była trawa stosowana zwykle na boiskach piłkarskich (życica trwała i kostrzewa czerwona). Wykonano 3 pokosy, sprawdzając za każdym razem przyrost suchej masy rośliny. Po trzech miesiącach efekty porównywalne z zastosowaniem nawozu mineralnego, jednak dla dawek nie większych niż 32kgP/ ha, miały: przefermentowane glony z obornikiem z mokrej fermentacji i nieprzefermentowane rośliny słodkowodne z obornikiem (do 2 g s.m./ donicę). Mimo początkowo dobrych rokowań dla nawozów z fermentacji suchej, okazały się one nieco mniej skuteczne (patrz Ryc. 8). Nawozy organiczne mimo niskich zbiorów w pierwszym miesiącu podwyższyły swą efektywność w miesiącach kolejnych spowodu wolniejszego uwalniania substancji odżywczych do gleby i do rośliny niż nawóz mineralny. Glony morskie + obornik (sucha fermentacja) Nawóz mineralny Rośliny słodkowodne + obornik (sucha fermentacja) Rycina 8. Efekt użycia przefermentowanych (proces suchy) glonów morskich z obornikiem końskim (u góry), roślin słodkowodnych z obornikiem końskim (na dole) jako nawozu dla trawy po dwóch miesiącach w dawkach rosnących w porównaniu z nawozem mineralnym (na środku). Autorzy chcieliby wyrazić swoją wdzięczność innym współpracownikom, którzy przyczynili się do powstania tej pracy, imiennie: Mariuszowi Wójcikowi, Agnieszce Kozak, Wojciechowi Winieckiemu, Tadeuszowi Zimińskiemu, Leonardowi Meyerowi, i Justynie Fiedorowicz. 7

8 LITERATURA [1] Tańczuk M, Zając D, Diagnostyka Cieplna (2011): The assessment of the potential of renewable energy sources in the Municipality of Sopot with special focus on energy recovery from marine algae, pp 55-77, [2] Pomorski Ośrodek Doradztwa Rolniczego (2011): Analysis of the potential of biogas production in the Pomorskie using algal and wetland biomass, pp 37-50, [3] Appendix 1: BioBaltica Ltd. (2012): Scientific analysis and mobile biogas plant: Scientific analysis of the biogas production efficiency as a background for a feasibility for utilization of marine algae and wetland plants. [4] Filipkowska A., Lubecki L., Szymczak-Żyła M., G. Kowalewska, Żbikowski R. Szefer P. (2008): Utilisation of macroalgae from the Sopot Beach (Baltic Sea). Oceanologia, 50: [5] Filipkowska A., Lubecki L., Szymczak-Żyła M., Łotocka M, Kowalewska G., (2009): Factors affecting the occurrence of algae on the Sopot Beach (Baltic Sea). Oceanologia, 51: [6] Guide to Cost-Benefit Analysis of Investment Projects (2008). European Commission, Directorate General Regional Policy. [7] Kuligowski K., Ziółkowski M., Tonderski A. (2012): Feasibility study for the biogas plant utilizing marine algae and freshwater plants in Pomorskie. 'Wetlans, Algae and Biogas' Project report, POMCERT. 8