ENERGIA ZE ŹRÓDEŁ ODNAWIALNYCH BIOGAZOWNIA ROLNICZA

Transkrypt

1 ENERGIA ZE ŹRÓDEŁ ODNAWIALNYCH BIOGAZOWNIA ROLNICZA dr inż. Agnieszka Kasprzycka Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie Zakład Fizycznych Właściwości Materiałów Roślinnych Laboratorium Fermentacji Metanowej 15 styczeń 2013 Warszawa

2 BIOMASA - stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, a także z przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji. Źródło: Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonego z odnawialnych źródeł energii Dz. U. Nr. 156, poz

3 BIOMASA DREWNO OPAŁOWE Lasy Sady Zadrzewienia PLANTACJE ENRGETYCZNE Jednoroczne Wieloletnie Źródło: Kościk B. 2003: Rośliny energetyczne. Wyd. AR Lublin. ODPADY I PRODUKTY UBOCZNE Roślinne Zwierzęce Przemysłowe 3

4 60% 50% 40% 30% 20% 5% 10% Rys.1 Przewidywany w Polsce udział biomasy w pozyskiwaniu energii ze źródeł odnawialnych Źródło: opracowanie KAPE S.A. na podstawie Rozporządzenia z dn r. 4

5 Pozostałości i odpady roślinne Plantacje energetyczne Fermentacja metanowa Granulowanie Rośliny o dużej zawartości cukru Rośliny oleiste Piroliza Spalanie bezpośrednie Ługowanie, fermentacja cukru Tłoczenie, estryfikacja GAZ PALIWO STAŁE ALKOHOL, PALIWO PALIWO Z OLEJU ROŚLINNEGO Ciepło, elektryczność, praca mechaniczna Źródło: Kościk B. 2003: Rośliny energetyczne. Wyd. AR Lublin. 5

6 FERMENTACJA METANOWA jako termin biochemiczny, to zespół beztlenowych procesów biochemicznych, \ w których wielocząsteczkowe substancje organiczne (głównie węglowodany, białka i tłuszcze) są rozkładane do alkoholi lub niższych kwasów organicznych oraz do metanu, dwutlenku węgla i wody. Źródło: Balch W. E., Fox G. E., Magrum L. J., Woese C. R., Wolfe R. S.,1979: Methanogens: reevaluation of a unique biological group. Microbiol. Rev., 43;260. 6

7 HALOFILE NaCl TERMOFILE ph=2,5 EKSTREMALANE TERMOFILE METANOGENNE Methanobacteriales Methanococcales Methanomicrobiales Methanosarcinales Methanopyrales Halofile i metanogeny. 350x245 Methanosarcina 300x241 Źródło:Plazmidy Archaea. R. Wolinowska,

8 Białka, węglowodany, tłuszcze HYDROLIZA Clostridium, Bacteroides H 2 O Aminokwasy, cukier, kwasy tłuszczowe Bifidobacterium Powstawanie kwasów Acidogeneza Ruminococcus Niższe kwasy kw. propionowy; kw. masłowy Pozostałe kw. Mlekowy; alkohole Powstawanie kwasu octowego - Octanogeneza Kwas octowy Metanogeneza H 2 + CO 2 Metanobacterium Methanococcus BIOGAZ Metan (CH 4 ) + CO 2 + H 2 S 8

9 Skład biogazu rolniczego Metan % CO % H 2 S % Wodór % Tlenek węgla % Azot % Tlen.0-1.0% Inne Źródło: opracowanie własne Metan Dwutlenek węgla Siarkowodór Wodór Tlenek węgla Azot 9

10 Surowce wykorzystywane w biogazowniach rolniczych na terenie kraju Źródło: opracowanie własne 10

11 Dwie cechy technologiczne charakteryzują surowiec, który nadawać się może do fermentacji metanowej 1. Ilość biomasy technologia produkcji, uprawy, hodowli lub rodzaj i wielkość zwierząt, jak również poziom technologiczny eksploatacji lub chowu. Wielkość komór fermentacyjnych określona jest przez ilość biomasy. 2. Jakość biomasy skład chemiczny sucha masa (s.m.), odpowiednik suchej pozostałości. Jest to ilość wagowa substancji pozostałej po odparowaniu wody z próbki, sucha masa organiczna (s.m.o.), Jest to ilość wagowa substancji, która uległa spaleniu w temperaturze C. związki organiczne chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT) Umownie oznacza ilość tlenu pobranego z dwuchromianu na utlenienie w badanej próbce związków organicznych i niektórych nieorganicznych biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT 5). określa ilość tlenu potrzebną do utlenienia związków organicznych w badanej próbce na drodze biochemicznej w warunkach tlenowych w temperaturze 20 C. LKT lotne kwasy tłuszczowe głównie kwasy: mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, kapronowy. Świadczy o kierunku azot ogólny, amonowy. Oznaczany w zmineralizowanej i oddestylowanej próbce jako azot amonowy z odczynnikiem Nesslera, Źródło: Bartoszek B. Buraczewski G.: Biogaz wytwarzanie i wykorzystanie. PWN. Warszawa

12 Przewidywana ilość wytworzonego biogazu w Polsce to blisko 1.7 mld m 3 /rok 10 12% zapotrzebowania na gaz w kraju Zapotrzebowanie na gaz w 100% na terenach wiejskich dodatkowo 125 tys. MWhe tj., energii elektrycznej 200 tys. MWhc tj., energii cieplnej Dzięki biogazowniom możliwe będzie zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w wysokości 3,4 mln ton rocznie. Źródło: Kierunki rozwoju biogazowni rolniczych w Polsce w latach ,

13 Związki organiczne Uzysk biogazu [dm 3 /kg s.m.o.] Zawartość metanu w biogazie [%] Białko przyswajalne Węglowodany przyswajalne Tłuszcz przyswajalny (glicerol) Źródło: Magrel

14 Bakterie metanowe reagują na błędy żywieniowe tak samo negatywnie jak zwierzęta. Wykorzystywanie Możliwie największy uzysk metanu = pierwiastków śladowych i pokarmowych zapewniające wzrost i przetrwanie bakterii 14

15 1. Skład chemiczny substratu 2. Temperatura procesu fermentacji 3. Czas trwania procesu fermentacji 4. Ilość i częstotliwość doprowadzania substratu 5. Intensywność mieszania 6. Hydrauliczny czas zatrzymania (HRT) 7. Odczyn 8. Zawartość lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) 9. Zawartość azotu ogólnego i węgla organicznego (C:N) 10. Zawartość fosforu ogólnego, NPK 11. Inhibitory Źródło: Bartoszek B. Buraczewski G.: Biogaz wytwarzanie i wykorzystanie. PWN. Warszawa

16 Zalety biogazowni: Pozostałości po procesie fermentacji metanowej dostarczają dużo mniej problemów niż pozostałości porolnicze świeże. 16

17 Skład pozostałości pofermentacyjnych Biomasa bakterii metanowych, nieprzefermentowane związki organiczne, składniki mineralne. Źródłó: A. Kowalczyk-Juśko, A. Mazanek Biogaz rolniczy charakterystyka, substraty, wykorzystanie. Combustion Engines, no. 1/2012 (148) 17

18 Zmiany właściwości wsadu fermentacji metanowej Największym źródłem zanieczyszczeń głównie gleby są niewłaściwie składowane pozostałości porolnicze gnojowica, gnojówka. Ponad 100x więcej biogenów (mikro- i makroelementy) niż ścieki miejskie. AZOT Ponad 200 tys. ton azotu ogólnego / rok Ponad13 tys. ton fosforu / rok Komisja Helsińska rok 2020 zmniejszenie o 80% zanieczyszczeń rolniczych i wiejskich. 18

19 c.d. Zmiany właściwości wsadu fermentacji metanowej Rozwiązaniem problemu wytwarzanej gnojówki, gnojowicy może być poddawanie ich fermentacji metanowej w biogazowniach, w celu dalszego wykorzystania rolniczego. Przed fermentacją Po fermentacji Azot ogólny N 100% 94% Azot amonowy N-NH mg N-NH mg N-NH 4 + Azot azotynowy NO % 120% Źródło: L.Magrel

20 Zalety osadu pofermentacyjnego : 1. Wysoka zawartość zmineralizowanego N, P, K; 2. Niska agresywność brak związków szkodliwych dla roślin; 3. Brak jaj pasożytów i zarodników chwastów oraz bakterii feklanych; 4. Zmiana właściwości materiałów; 5. Zmniejszenie uciążliwości zapachowej (H 2 S); 6. Ograniczenie emisji NH 3 do atmosfery; 7. zmniejszenie ryzyka zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych, głównie związkami azotu i fosforu oraz zarazkami które występują w odchodach zwierzęcych, lepsza przyswajalność składników przez rośliny. 20

21 c.d. Zmiany właściwości wsadu fermentacji metanowej rozłożenie substancji koloidowych, śluzowych itp. częściowa przemiana związków azotowych w azot amonowy (90%) zwiększenie zawartości aminokwasów i witaminy B12 zasadnicze zmniejszenie ilości substancji zużywających tlen brak istotnych zmian jakościowych w makro- i mikroelementach 21

22 Zmiany stosunku C:N Zasadniczym zmianom ulega stosunek węgla do azotu (C : N). Wynika to z faktu, że węgiel (C) został wykorzystany do powstającego biometanu (CH 4 ) Przykładowo w gnojowicy surowej stosunek C : N wynosi 6,8 : 1,0 (4,8 8,4 :1,0), zaś w substancji pofermentacyjnej 15,0 25,0 : 1,0 Węgiel wywiera wpływ na przyswajalność azotu, ogólną zawartość substancji organicznej oraz szybkość jej rozkładu. Im więcej azotu w resztkach dostających się do gleby, tym większa jest możliwość akumulacji w niej organicznych połączeń węgla. Im stosunek C/N jest węższy, tym w większym stopniu rośliny wyższe mogą korzystać z azotu. Szeroki stosunek C/N sprzyja zbiałczaniu (czasowego włączania w biomasę mikroorganizmów) azotu glebowego Źródło: Jóźwiak M. i in., Przestrzenny rozkład węgla i azotu w poziomie mineralnym gleb (0 10 cm) w centralnej części Gór Świętokrzyskich. Rocznik Świętokrzyski. Ser. B Nauki Przyr. 30: 29 37,

23 Kontrola jakościowa odpadu pofermentacyjnego Zawartość suchej masy; 1. Zawartość azotu; 2. Zawartość materii organicznej węgla; 3. Określenie stosunku C : N; 4. Obecność niepożądanych związków organicznych; 5. Zawartość pierwiastków: - składników pokarmowych, - metali ciężkich; 7. Obecność patogenów. 23

24 Uprawa roślin chów zwierząt Odpady rolnicze Odpady z przemysłu spożywczego inne Odpady pofermentacyjne = nawóz rolniczy Fermentacja metanowa biogazownie rolnicze Biogaz = energia Źródło: opracowanie własne 24

25 Wady biogazowni rolniczej: 1. Wysokie nakłady inwestycyjne, 2. Konieczność ciągłego dostępu do substratów, trudnościami logistycznymi, 3. Konieczny jest stały nadzór i kontrola, 4. Niepewny, w długoterminowej perspektywie, system wsparcia w postaci świadectw pochodzenia, bariery prawne oraz skomplikowane procedury, 5. Istnieje możliwość uciążliwości zapachowych, związanych z przyjęciem substratów - zazwyczaj ograniczają się jednak do najbliższego sąsiedztwa instalacji, 6. Ryzyko zwiększenia powierzchni upraw monokulturowych rozwiązaniem są odpady Źródło: opracowanie własne na podst. dostępnych źródeł 25

26 Dziękuję za uwagę dr inż. Agnieszka Kasprzycka Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie Zakład Fizycznych Właściwości Materiałów Roślinnych Laboratorium Fermentacji Metanowej Warszawa 15 styczeń 2013