mgr inż. Ludwik Latocha Szansą dla rolnictwa i środowiska - ogólnopolska kampania edukacyjno-informacyjna Piła Płotki, grudnia 2012 r.

Transkrypt

1 Szansą dla rolnictwa i środowiska - ogólnopolska kampania edukacyjno-informacyjna Piła Płotki, grudnia 2012 r. Szkolenie dla doradców rolnych Produkcja biogazu rolniczego oraz gazu wytlewnego (drzewnego) i ich wykorzystanie na przykładzie doświadczeń kilku krajów Unii Europejskiej mgr inż. Ludwik Latocha

2 Co to jest biogaz? Składnik biogazu Procentowa zawartość Metan (CH 4 ) % Dwutlenek Węgla % (CO 2 ) Woda (H 2 O) 2 4 % Siarkowodór (H 2 S) 0 1 % Azot (N2) 0 2 % Wodór (H2) 0 1 % Tlen (O2) 0 1 % Składniki śladowe 0 1 % Biogaz to mieszanina gazów powstająca w warunkach beztlenowych przy odpowiednich temperaturach w procesach biologicznych (fermentacji) rozpadu substancji organicznych.

3 Produkcja biogazu 1. Jako produkt uboczny: Oczyszczalnie ścieków Wysypiska odpadów komunalnych 2. Jako celowo wytwarzany produkt w BIOGAZOWNIACH ROLNICZYCH Typowy wsad do biogazowni to np.: gnojowica zwierzęca, odpady z działalności rolniczej, rośliny celowo uprawiane, trawy, chwasty, niejadalne produkty zwierzęce, pozostałości poubojowe zawartość przewodu pokarmowego, osady floatacyjne, wywary itp. W końcówce procesu fermentacji z mieszanin substancji organicznych wytwarzany jest: metan CH4, dwutlenek węgla CO2, siarkowodór H2S, i inne gazy śladowe Składniki mineralne pozostają w reszcie pofermentacyjnej.

4 W procesie fermentacji metanowej, wyróżnia się 4 następujące po sobie fazy : Faza I hydroliza - w której enzymy bakterii hydrolitycznych rozkładają substancje organiczne do substancji prostych : aminokwasów, kwasów tłuszczowych oraz monosacharydów. Faza II kwasogeneza - bakterie fermentatywne metabolizują produkty hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych, etanolu i produktów gazowych. Tworzący go gaz zawiera ok. 80% dwutlenku węgla i 20% wodoru. Faza I + II odczyn PH 4,5 do 6,3 Faza III octanogeneza - grupa bakterii octanogennych rozkłada lotne kwasy tłuszczowe do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru. Faza IV metanogeneza - w czasie której następuje przemiana kwasu octowego do metanu i dwutlenku węgla. Faza III +IV odczyn PH 6,8 do 7,5

5 Procesy i ich przebieg można zapisać skrótowo w poniższej formie 2CH 3 COOC 2 OH 5 + CO 2 2CH 3 COOH + CH 4 Octany CH 3 COOH + CO 2 CH 4 Kwas octowy CH 3 OH + H 2 CH 4 + H 2 O Metanol CO 2 + 4H 2 CH 4 + H 2 O Biogaz kwas octowy

6 Warunki konieczne do fermentacji biomasy - hermetyczne zamknięcie biomasy - stała temperatura procesu fermentacji - skuteczne mieszanie masy fermentującej

7 Czym karmimy biogazownię? Źródło substratu Rolnictwo i hodowla Rodzaj materiału wsadowego żywienie zwierząt (bydło, trzoda chlewna, drób) gnojowica, obornik, resztki z żywienia produkcja roślinna ziemniaki, pozostałości ze żniw produkcja roślin energetycznych - kiszonka kukurydzy, traw, inne Przemysł przetwórstwo owoców i warzyw - obierki, wytłoki, - przemysł cukierniczy - melasa, kawałki korzeni, woda odpadowa browary - wysłodziny, woda odpadowa produkcja soków - odpady z czyszczenia, wytłoki mleczarnie - serwatka i woda odpadowa przetwórstwo mięsa - odpady z rzeźni przemysł rybny - odpady, olej rybny produkcja wina, alkoholi wytłoki, wywary Odpady komunalne gospodarstwa domowe rynki, targi - uszkodzone i zepsute owoce i warzywa separatory tłuszczu - tłuszcze, pozostałości z flotacji kuchnie i stołówki (firmy, hotele) - resztki posiłków i z gotowania tereny publiczne - z pielęgnacji trawników, liście

8 Technologia procesu Wybór technologii w zależy od : 1. rodzaju i ilości wsadu 2. procentowego udziału suchej masy we wsadzie 3. możliwości obróbki wsadu (rozdrabnianie, mieszanie, przekładanie, itp.)

9 Technika Dobór odpowiednich budowli : silosy i magazyny substancji wsadowych zbiorniki wstępne komory fermentacyjne i dofermentujące (betonowe, stalowe, powlekane, emaliowane) zbiorniki pozostałości pofermermentacyjnych (laguny, płyty betonowe, silosy)

10 Technika cd. Dobór odpowiedniego wyposażenia i uzbrojenia instalacji: zasypów (dozowników) przenośników pomp mieszadeł rozdrabniaczy systemów grzewczych

11 Biogazownia to dwie odrębne instalacje, sprzęgnięte ze sobą połączeniem gazowym: 1) Pierwsza to wytwórnia biogazu 2) Druga to przetwórnia biogazu w energię elektryczną i cieplną Część pierwsza instalacja biogazu gospodarstwach rolno hodowlanych, zdecydowanie różni się od instalacji - na wysypiskach - w oczyszczalniach ścieków

12 Krótki rys historyczny Do 1955 r. - powstaje około 50 rolniczych instalacji biogazowych Przykład: biogazownia na terenie gospodarstwa w Klasztorze Benedyktynów w Benediktbeuren, która jako jedna z dwóch przetrwała lata Upadek pozostałych biogazowni - wpływ wysokich cen oleju opałowego: 1955 w wysokości ~ 0,20 DM [0.10 Euro] za litr 1972 w wysokości ~ 0,08-0,10 DM [0,04 0,05Euro] za litr 1973 r. - Kryzys paliwowy - wymuszenie na różnych gremiach poszukiwania alternatywnych źródeł energii - ponowne odkrycie biogazowni rolniczych

13 Biogazownia na terenie gospodarstwa w Klasztorze Benedyktynów w Benediktbeuren, która jako jedna z dwóch przetrwała lata

14 Wpływ prawa na ilość rocznie budowanych biogazowni Obowiązkowy zakup energii z OZE (od 1990) Ustawa o OZE Nowelizacja ustawy o OZE Nowelizacja cenowa

15 Porównanie wielkości energii elektrycznej wytwarzanej w biogazowniach i ilości biogazowni rolniczych w Niemczech Ilość biogazowni Moc elektryczna [MW]

16 Przykładowe ceny sprzedaży energii elektrycznej z biogazu rolniczego Kraj Cena za 1kWh Cena przy 1Euro = 4,0 PLN Uwagi Niemcy ,25 E 0,60-1,00 Zależne od wielkości inst. Austria 0,125 0,165 E 0,50 0,66 Zależne od wielkości inst. Czechy >200 instalacji 4,25 Kcz - sprz Zakup 2,75 0,71 Bez ograniczeń Słowacja 0,10 0,17 E 0,40 0,68 Zależne od pochodzenia Rumunia 0,16 0,19 E 0,64 0,76 Zależne od wielkości Włochy 0,18 0,30 E 0,72 1,20 Zależne od pochodzenia Polska ~0,11 ~ 0,44 Zależne od sprz. certyf. I podat. + ZC

17 Biogazownia typu dwu zbiornikowego w Heek Moc: 355 kw e Budowa realizowana w dwóch etapach, komory fermentacyjne: m 3 Budowa 1-szej komory w 2005 r. Rozbudowa w 2008 r. Zbiornik pofermentacyjny m 3

18 Biogazownia z dużą przewagą kiszonki z trawy k/oldenburga Dwie komory fermentacyjne po m 3 + komora dofermentowania m 3 Zbiornik końcowy m 3, separacja masy pofermentacyjnej na część stałą i płynną Temperatura pracy komór 48 0 C Zawartość metanu w biogazie 53 % Dwa generatory kw e kw r = 537 kw e średnie obciążenie 95 % Dziennie: 31,0 t - kiszonka trawy; 2,8 t kiszonka kukurydzy; 4 m 3 gnojowica bydlęca; 1,6 t uszkodzone (połamane, pogniecione) kolby.

19 Biogazownia 190 kw w Lauterbach w pobliżu pola campingowego 90 m

20 Domki kampingowe w Lauterbach Domki kampingowe w Lauterbach

21 Fotografia satelitarna, gospodarstwa agroturystycznego Mohrenhof w Lauterbach z biogazownią KAMPING BIOGAZOWNIA

22 Biogazownia zagłębiona w gruncie komory betonowe. Gospodarstwo na niewielkim pagórku hodowla trzody 3000 szt.

23 PENKUN NIEMCY (ok. 10 km od Polskiej granicy) Największa biogazownia rolnicza w Europie Moc : 20 MW (kompleks 40 jednostek po 0,5 MW)

24 Biogazownia gminna - Prato / Prad (Włochy) - gmina turystyczna we Włoszech mieszkańców - 15 km 2 powierzchni Biogazownia gminna Dostawcy substratów: 44 małe gospodarstwa 5 restauracji Biogaz przesyłany rurociągiem do centrum energetycznego Odległego ok. 2,5 km. Dzienna produkcja biogazu ca m 3

25 Kotłownia z piecem

26 Pomieszczenie rozdziału mediów

27 Przepompownia biogazu

28 Agregat kogeneracyjny

29 Biogazownia Wielka Brytania West Dorset Moc 330kW e Substraty: gnojowica bydlęca, pomiot kurzy i odpady z ubojni drobiu

30 Biogazownia Holandia van de Groep Moc : 2 X 625 kw e Wsad: odpady rzeźnicze, przeterminowane tusze ryb, wyroby cukiernicze, woda i tłuszcze z ubojni itp. Dzienna dawka wsadu 55 ton

31 Biogazownia w mleczarni w Wels /Austria Fermentacja serwatki i popłuczyn. Czas zatrzymania ~72h Moc : 500 kw e Instalacja membranowa do wstępnego usuwania protein

32 Przykład Biogazowni kompaktowej (zespolonej) w Szwajcarii

33 Biogazownia w Kalsku 1,0 MW

34 Biogazownia w Kalsku 1,0 MW

35 Biogazownia w Kalsku 1,0 MW

36 Biogazownia w Kalsku 1,0 MW

37 Agregat kogeneracyjny 250 kw, silnik wysokoprężny zapłon olej napędowy

38 Zbiorniki na olej opałowy oraz wentylatory awaryjne

39 Agregat kogeneracyjny (1994)

40 Kogeneratory z silnikami o zapłonie iskrowym OTTO

41 Kogenerator z silnikiem gazowym o mocy 536 KW el

42 Silnik wysokoprężny przebudowany na zapłon iskrowy

43 Biogazownia w Kostkowicach 0,6 MW

44 Biogazownia w Kostkowicach 0,6 MW

45 Biogazownia 0,5 MW (schemat) Łany Wielkie sprzęgniętą z instalacją gorzelni 1 Główna komora fermentacyjna 2 Komora dofermentująca 3 Urządzenie załadowcze 4 Pompownia

46 Krótki zarys technologii Biogazownia typu PowerRing jest to instalacja złożona z zbiornika wstępnego, dwóch komór fermentacyjnych okrągłych betonowych ułożonych centrycznie, magazynu gazu biogazu, separatora, laguny i kogeneratora. Zasadniczą innowacją jest tu sposób wykorzystania energii cieplnej: 1. podgrzewanie komór fermentacyjnych (normalne) 2. podgrzewanie wody użytkowej (normalnie) 3. podgrzewanie wody uzdatnianej do wytwornicy pary 4. wytwarzania pary procesowej dla pracy gorzelni 5. wykorzystanie gorącego kondensatu

47 Komora fermentacyjna Budynek załadowania substratów

48 W skład instalacji biogazowni wchodzą: Płyta gnojowa Zbiornik buforowy wywaru Pompownia substratów płynnych Urządzenie załadowcze komór fermentacyjnych Komory fermentacyjne Magazyn buforowy biogazu Zbiornik buforowy reszty pofermentacyjnej Separator Laguna płynnej reszty pofermentacyjnej oraz: Kogenerator 500 kw e (kontener 40-sto stopowy) z pochodnią Stacja transformatorowa 0,4/15 kv Wytwornica pary wraz instalacją uzdatniania wody Dyspozytornia

49 Pompownia

50 Pompownia

51 Pompownia pompa powietrza

52 Magazyn biogazu

53 Stacja trafo Kogenerator Gorzelnia Wytwornica pary

54 Laguna

55 Przebieg czasowy i rzeczowy rozruchu Rozruch na zimno Napełnienie komory fermentacyjnej Start mieszadeł Zainstalowanie zewnętrznego źródła grzewczego Start urządzeń załadowczych Powstawanie (tworzenie się) gazu Uruchomienie Kogeneratora Uruchomienie wytwornicy pary Próbna eksploatacja

56 Rozruch na zimno W tym zakresie rozruchu są wszystkie agregaty, urządzenia bezpieczeństwa oraz inne elementy technologiczne sprawdzone; oraz poddane w obecności zleceniodawcy próbie ich funkcjonalności. Czynności te oraz ich wyniki zostają ujęte w odpowiednim protokóle. W protokóle tym są ujęte również ujawnione usterki. W okresie zimnego rozruchu są przekazywane odpowiednie dokumentacje i instrukcje eksploatacyjne. Po pozytywnym przebiegu zimnego rozruchu zostaje zwolniona do zalewania komora fermentacyjna. Okres rozruchu zimnego wynosi około 1 tygodnia. Przed rozpoczęciem zimnego rozruchu są konieczne do wykonania następujące czynności:

57 Rozruch na zimno ciąg dalszy Zasilanie elektryczne poprzez podłączenie do stacji transformatorowej (kiedy to nie jest możliwe, może być prowizoryczne podłączenie źródła energii poprzez układ awaryjny w szafie przyłączeniowej). Do testowania agregatów i uruchomienia sterowania jest potrzebne około 100 A. Ruch wszystkich urządzeń z takiego przyłącza nie jest możliwy! Do przeprowadzenia testów jakości wykonania instalacji wymagane i konieczne jest źródło wody podłączone do rozdzielacza wody o następujących danych: ciśnienie 3-4bar; ilość około 5 m 3 na dzień Połączenia sieciowe. Należy tu zwrócić uwagę na kartę informacyjną dostępu do sieci w załączniku + informację bazową. Przygotować kartę SIM do sygnalizowania (alarmowania) za pomocą SMS na stany awaryjne.

58 Napełnianie komory fermentacyjnej Do napełniania komór fermentacyjnych mamy 2 możliwości: Dostarczenie/wpompowania gnojowicy otwór rewizyjny w stropie komory lub poprzez rurę do usuwania przefermentowanej reszty. Napełnianie następuje za pomocą zewnętrznej pompy (dostarcza inwestor). Lub dostarczenie gnojowicy do zbiornika wstępnego i przepompowanie pompą centralną (po rozruchu na zimno!) Po zalaniu głównej komory do pełnego stanu można przystąpić do podgrzewania zawartości komory z obcego źródła, jak również startować z mieszadłami. Po napełnieniu komory głównej, może być również napełniana komora dofermentująca (do około 75 cm poniżej normalnego poziomu w tej komorze) Standartowo powinno być nalane co najmniej 50% gnojowicy bydlęcej (najlepiej 100 %). Przy odchyleniach składu gnojowicy są konieczne przeprowadzanie analiz. Na podstawie wyników analiz mogą zaistnieć pewne zmiany.

59 Zewnętrzny rodzaj ogrzewania Przed uruchomieniem ogrzewania należy sprawdzić czy klapy odcinające gaz na komorze są pozamykane oraz czy nad/pod ciśnieniowe zawory na komorze są zalane wodą. Zewnętrzne źródło ciepła jest podłączone do rezerwowej gałązki DN 100 rozdzielacza. Minimalne wymagania dla zewnętrznego źródła ciepła: Moc cieplna: 300 kw Temperatura: 70 0 C/50 0 C Przepływ: 12,5 m 3 /h Mieszanina dwóch różnych mediów cieplnych nie jest dopuszczalna. Kiedy nie dysponujemy wodą uzdatnioną konieczne jest wtedy podłączenie zewnętrznego źródła ciepła poprzez wymiennik ciepła, tak by oddzielić obieg od obwodu technologicznego grzania komór. Maksymalne podgrzewanie: 1 0 C/dzień

60 Rozpoczęcie karmienia procesu Z chwilą powstawania gazu należy rozpocząć wdmuchiwanie powietrza (w celu redukcji siarkowodoru). Wielkość dopływu powietrza ustala się na podstawie analizy gazu. Z rozpoczęciem karmienia zwiększa się niebezpieczeństwo powstawania kożucha. Należy wtedy regularnie i koniecznie obserwować (minimum 5 10 razy dziennie) powierzchnię wsadu, poprzez boczne wzierniki! Ustawienie czasów pracy mieszadeł zależy od programu karmienia tj. pojawiania się kożucha. Normalne i optymalne ustawienie pracy mieszadeł nastąpi po unormowaniu procesu homogenizacji. To może potrwać nawet kilka miesięcy. Uwaga! Z chwilą rozpoczęcia karmienia koniczne jest stałe podłączenie do sieci elektroenergetycznej.

61 Powstawanie gazu Od temperatury masy fermentacyjnej około 25 0 C musimy liczyć się z powstawaniem biogazu. Ten gaz z uwagi na ilość i zawartość metanu nie może podlegać nie kontrolowanemu procesowi spalania. Po osiągnięciu temperatury około 35 0 C i zawartości metanu minimum 40% zostaje pod otwarty zawór przy komorze. Przewód gazowy i worek (magazyn biogazu) zostaną napełnione biogazem. W tym samym czasie zostanie otwarte doprowadzenie gazu do pochodni, tak że powstający biogaz będzie odtąd podlegał kontrolowanemu spalaniu.

62 Start silnika Około 4-6 tygodni po uruchomieniu grzania, możemy liczyć się z wystarczającą produkcją gazu i wtedy może wystartować kogenerator. Rozruch gorący (do pełnej sprawności układu) określa się na około 1 tydzień. Zaprzestanie ogrzewania ze źródła zewnętrznego, jest możliwe dopiero po stwierdzeniu normalnej pracy silnika.

63 Usterki w dokumentacji Gazy spalinowe silnika kierowane tylko poprzez wytwornicę pary bez możliwości odprowadzenia ich bezpośrednio do atmosfery, z obejściem wytwornicy. Projekt nie przewidywał do napędów regulowanych przekształtnikami częstotliwości filtrów, skutkowało to wyłączeniami hali udojowej. W projekcie uwzględniono tylko pomiar energii cieplnej przeznaczony do podgrzewania komór fermentacyjnych, brak pomiaru energii cieplnej w miejscach potrzebnych do uzyskania żółtych certyfikatów. Brak bezpośredniego odwzorowania (przeniesienia) pracy wytwornicy na pulpit odwzorowania biogazowni. Brak w projekcie zapisu o konieczności zastosowania do uruchomienia instalacji obcego źródła ciepła.

64 Największa i najmniejsza biogazownia w Polsce Miejscowość : Liszkowo (Inwestor : Agrogaz Sp. z o.o.) Moc : 2,126 MW Wsad : 130 t / dzień - Wywar gorzelniany (65%), odpady roślinne (35%)

65 Mała biogazownia rolnicza Miejscowość : Studzionka (gmina Pszczyna) / Polska Moc kogeneratora : 30 kw

66 Inne nowe rozwiązania Wpompowanie uzdatnionego biogazu do sieci gazowej: 1. Podniesienie zawartości metanu w biogazie 96-98% 2. Podniesienie ciśnienia do wartości ciśnienia sieci. Ilość takich stacji w Niemczech: 2009 rok - 23 instalacje 2011 rok - 82 instalacji (koniec roku) wydajność od 160 do m 3 /godzinę

67 Stacja uzdatniania biogazu Do poziomu gazu ziemnego

68 Część druga Gaz drzewny

69 SAMOCHODY OSOBOWE najstarsze rozwiązania

70 SAMOCHODY OSOBOWE lata 1940/41

71 SAMOCHODY CIĘŻAROWE

72 AUTOBUSY

73 CIĄGNIKI

74 MOBILNA WYTWORNICA PRĄDU

75 SCHEMAT ZGAZOWARKI

76 WYGLĄD WSPÓŁCZESNYCH ZGAZOWAREK średnich mocy MOC ELEKTRYCZNA KW e I MOCY CIEPLNEJ OK. 200 KW Zużycie około 1 kg masy drzewnej na jedną kwh e

77 Schemat blokowy zgazowania

78 Najczęściej obecnie stosowana instalacja 45 kw e Zasada działania - Zrębki doprowadzane są ślimakiem do pojemnika reaktora (sterowane sensorem). - Pojemnik wyposażony w dwie szczelnie odcinające klapy (śluza). - Klapy działają na przemian dozując zrębki do reaktora; w stanie bez napięciowym obydwie klapy są zamknięte (BHP). - Sygnały ze wszystkich czujników trafiają do minikomputera który steruje bezpieczną pracą instalacji. - W obrębie strefy pirolizy ( C) następują procesy termochemiczne oraz rozpad drewna powstaje gaz wytlewny. W przejściu do strefy utleniania pragaz przyjmuje postać węgla. - W strefę utleniania doprowadza się kontrolowane (ograniczane) ilości powietrza które powoduje częściowe spalanie węgla podnosząc temperaturę w granicach 1100 do C. - Podczas spalania (części) węgla wytwarza się w strefie redukcji dwutlenek węgla który łącząc się powstałą z wilgoci drewna parą wodną w znacznej części rozczepiają się na CO, CO 2, H 2. - Cały strumień gazu przechodzi następnie przez gorące łoże i w ten sposób zgazowarka produkuje gaz z bardzo małą ilością smoły (bliski bez smołowej)

79 Reakcje procesu termochemicznego Strefa utleniania (oxydacyji) C + O 2 CO 2 C + ½ O 2 CO H 2 + ½ O 2 H 2 O Strefa redukcyjna C + CO 2 2 CO (Reakcja Boudouard) C + H 2 O CO + H 2 (Reakcja wodno gazowa) C + 2 H 2 CH 4 (Reakcja metanowa)

80 Skład chemiczny gazu drzewnego CO : vol -% 19 vol.-% H 2 : vol -% 14 vol.-% CH 4 : 1-4 vol -% 2,5 vol.-% C n H m : 0,1-0,5 vol-% ok. 0,5 vol.-% CO 2 : 8-12 vol -% 10,5 vol.-% N 2 : (reszta) 53,5 vol.-% Moc znamionowa 45 kw e kw term Przy mocy 30 kw e + 70 kw term

81 Rzut wymiarowy instalacji 45 kw e

82 Rzut wymiarowe kogeneratora 45 kwe

83 Przykład lokalizacji instalacji zgazowania 45 kw e

84 Inny przykład rozlokowania instalacji

85 Dziękuję za wysłuchanie Proszę o uwagi