Surowce do produkcji biogazu

Transkrypt

1 Surowce do produkcji biogazu Rosnące zainteresowanie produkcją biogazu sprawia, że do jego produkcji wykorzystuje się coraz więcej substratów, zarówno odpadowych, jak i celowo wytwarzanych, szczególnie w rolnictwie i przemyśle rolno-spożywczym. Naturalnym źródłem metanu są odchody zwierzęce, obornik i gnojowica, dlatego odpady te są dobrym surowcem do produkcji biometanu w biogazowniach rolniczych. Ze względu na niskie stężenie substancji organicznych w gnojowicy uzasadnione jest uzupełnianie wsadu różnymi substratami (kosubstratami) organicznymi, dostępnymi na lokalnym rynku. Mogą to być odpady z produkcji roślinnej i zwierzęcej, przemysłu spożywczego, a także biomasa z celowych upraw. Standardowym surowcem w biogazowni rolniczej jest gnojowica, która jednak charakteryzuje się małą wydajnością biogazu. Zastosowanie kosubstratów umożliwia właściwe obciążenie komory fermentacyjnej, optymalizuje kinetykę procesu fermentacji metanowej poprzez lepszą konfigurację proporcji węgla do azotu, podnosząc jej efektywność i opłacalność ekonomiczną. Wpływ składu substratów na ilość i skład biogazu Ilość i skład biogazu zależy głównie od składu chemicznego poddawanych fermentacji związków organicznych, temperatury prowadzenia procesu i czasu przetrzymania substratów w reaktorze. Z 1 kg węglowodanów powstaje średnio 0,42 m3 CH4, z białek 0,47 m3 CH4, tłuszczów 0,75 m3 CH4. Mimo, iż najwięcej biogazu można uzyskać z rozkładu tłuszczów (tab. 2.), należy pamiętać, iż związki te charakteryzują się długim czasem rozkładu. Badania nad kinetyką wytwarzania biogazu pozwoliły stwierdzić, że najszybciej zużywane są substraty węglowodanowe, zaś najwolniej tłuszcze. Odpowiednio szybkość wytwarzania metanu jest największa w przypadku surowców zawierających polisacharydy, a najmniejsza w przypadku tłuszczów. Przyjmuje się, że w przypadku surowców roślinnych etapem limitującym szybkość fermentacji metanowej jest hydroliza surowca. Wykorzystanie zhydrolizowanych substratów powoduje, że czas procesu ulega znacznemu skróceniu, zaś etapem decydującym o szybkości wytwarzania biogazu jest w takim przypadku metanogeneza. Z kolei końcowa wydajność metanu jest

2 najwyższa w przypadku surowców tłuszczowych, a najmniejsza w przypadku węglowodanowych. Biorąc pod uwagę fakt, że stopień redukcji tłuszczów jest znacznie wyższy od stopnia redukcji węglowodanów, uzyskuje się większą maksymalną ilość metanu z jednostki masy surowca tłuszczowego niż węglowodanowego. Dla krótkich czasów prowadzenia fermentacji najwięcej metanu uzyskuje się w przypadku surowców węglowodanowych. Kinetyka wytwarzania metanu dla różnych substratów w fermentacji okresowej [Szewczyk, 2006]. Linią przerywaną zaznaczono zmiany ilości substratów, linią ciągłą ilość powstającego biometanu. Poza wyżej wymienionymi substancjami pokarmowymi do wzrostu mikroorganizmów w komorze fermentacyjnej potrzebne są również rozpuszczalne formy potasu, sodu, żelaza, magnezu i wapnia oraz pierwiastki śladowe, takie jak: molibden, mangan, miedź, cynk, kobalt, nikiel, selen i wolfram. Substraty stosowane najczęściej w biogazowniach, takie jak surowce i odpady z rolnictwa czy osady ściekowe, zawierają odpowiednie ilości wymienionych pierwiastków, niekiedy jednak pojawia się potrzeba uzupełnienia substratów o mikroelementy. Wybrane odpady z przemysłu rolno-spożywczego Naturalnym źródłem metanu są odchody zwierzęce, obornik i gnojowica, dlatego odpady te są dobrym surowcem do produkcji biometanu w biogazowniach rolniczych. W Polsce w latach 80-tych XX w. powstało kilka biogazowni wykorzystujących właśnie odchody zwierzęce do produkcji biogazu. Były to instalacje zrealizowane przez Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie, o objętości komór fermentacyjnych m3. Ich mała wydajność, a także problemy ekonomiczne przedsiębiorstw, w których funkcjonowały, doprowadziły do ich zamknięcia. Te pierwsze krajowe doświadczenia pozwoliły ocenić, że beztlenowa fermentacja samych odchodów zwierzęcych jest nieefektywna ze względu na niskie stężenie substancji organicznej w gnojowicy, dlatego uzasadnione jest uzupełnianie wsadu różnymi substratami (kosubstratami) organicznymi, dostępnymi na lokalnym rynku. Mogą to być odpady z produkcji roślinnej i zwierzęcej, przemysłu spożywczego, a także biomasa z celowych upraw. Zastosowanie kosubstratów umożliwia właściwe obciążenie komory fermentacyjnej, optymalizuje kinetykę procesu fermentacji metanowej poprzez lepszą konfigurację proporcji węgla do azotu, podnosząc jej efektywność i opłacalność ekonomiczną. Podstawową charakterystykę i wartość energetyczną wybranych substratów odpadowych pochodzących z rolnictwa i gałęzi przemysłu przetwarzającego te surowce przedstawia tabela.

3 Odpady organiczne z produkcji spożywczej: odpady warzyw i owoców, odpady z mleczarni (tłuszcze, serwatka, odpady z zakładowych oczyszczalni), gliceryna, wysłodziny gorzelniane, browarniane i cukrownicze przedstawiają wysoki potencjał energetyczny, są tanim surowcem dla biogazowni gdyż w wielu przypadkach wymagają od ich producentów (np. rzeźni) kosztownej utylizacji. Szczególnie zakłady przetwórstwa spożywczego powinny być zainteresowane zagospodarowaniem odpadów własnej produkcji, które w myśl obowiązujących przepisów muszą być utylizowane jako uciążliwe dla środowiska i ich bezpośrednie składowanie nie jest możliwe. Do takich odpadów należą resztki poubojowe, w tym zawartość żwaczy zwierząt, krew, resztki tłuszczowe, odpady rybne. Zakłady przetwórcze ponoszą znaczne koszty z tytułu ich utylizacji, które to koszty mogłyby istotnie zwiększyć efektywność ekonomiczną biogazowni. Gałęzią gospodarki, przejawiającą żywe zainteresowanie produkcją biogazu, jest przemysł cukrowniczy. W cukrowniach rozpatrywane są możliwości produkcji biogazu z uciążliwych odpadów (wody z odstojników, osadów z oczyszczania i mycia buraków), ewentualnie produktów ubocznych zagospodarowywanych obecnie przez rolnictwo: melasy i wysłodków. Równocześnie w niektórych cukrowniach, w których proces produkcji został już wstrzymany, lub są one w trakcie likwidacji, prowadzone są prace nad ewentualnym uruchomieniem w nich produkcji biogazu z wykorzystaniem korzeni i liści buraków jako podstawowych surowców. Takie przestawienie produkcji pozwoliłoby utrzymać uprawę buraków w kraju, co ma duże znaczenie w kontekście właściwej agrotechniki, zmianowania i zachowania żyzności gleby. Fermentacja metanowa zalecana jest dla następujących rodzajów odpadów (zgodnie z katalogiem odpadów): Odpady z rolnictwa, sadownictwa, upraw hydroponicznych, rybołówstwa, leśnictwa, łowiectwa oraz przetwórstwa żywności: -osady z mycia, czyszczenia i przygotowywania surowców, -odpadowa tkanka zwierzęca, -odpadowa masa roślinna, -odchody zwierzęce, -odpady z gospodarki leśnej,

4 -odpady z upraw hydroponicznych, -surowce i produkty nieprzydatne do spożycia i przetwórstwa z przemysłu mleczarskiego, piekarniczego, cukrowniczego, z produkcji napojów alkoholowych i bezalkoholowych -osady z zakładowych oczyszczalni ścieków, -odpady z destylacji spirytualiów; Odpady z przemysłu skórzanego, futrzarskiego i tekstylnego: - osady z zakładowych oczyszczalni ścieków; Partie produktów nieodpowiadające wymaganiom oraz produkty przeterminowane lub nieprzydatne do użytku: -niektóre odpady organiczne, -produkty spożywcze przeterminowane lub nieprzydatne do spożycia; Odpady komunalne -odpady z targowisk, -szlamy ze zbiorników bezodpływowych służących do gromadzenia nieczystości. Oprócz wymienionych powyżej rodzajów odpadów, do produkcji biogazu można wykorzystać np. te, które obecnie stosowane są jako pasza (np. wysłodki z cukrowni), w przypadku opłacalności takiego zagospodarowania. Powstanie rynku substratów biogazowych w Polsce (a wcześniej oczywiście samych biogazowni), samoistnie ureguluje relacje pomiędzy wykorzystaniem paszowym a energetycznym wybranych odpadów. Nie należy upatrywać w biogazowniach zagrożenia dla podaży pasz, a jedynie jeden z konkurencyjnych kierunków wykorzystania niektórych produktów ubocznych. Należy pamiętać, że przy obecnym stanie technologii do produkcji biogazu nie nadają się surowce biomasowe o dużej zawartości części trudno rozkładalnych biochemicznie celuloza i lignina, które bardziej nadają się do spalania niż do fermentacji metanowej. Organizacja zaplecza surowcowego Budowa biogazowni rolniczej jest inwestycją wieloletnią, dlatego wymaga opracowania długoterminowych planów, obejmujących m.in. zapewnienie dostępności substratów do procesu fermentacji. Często o podjęciu decyzji o budowie biogazowni decyduje znaczna produkcja odpadów powstających w chowie zwierząt gospodarskich lub ptactwa: gnojowicy i obornika. Szczególnie gnojowica wykorzystywana jest często w biogazowniach rolniczych. W tym przypadku należy przewidzieć wielkość produkcji tych kosubstratów, możliwość ich przechowywania i dostarczania do biogazowni. Jeżeli ferma zwierząt położona jest w bezpośredniej bliskości biogazowni możliwy jest transport gnojowicy rurociągiem, jeżeli zaś nie należy rozpatrzyć sposób transportu substratów, zakupu odpowiednich pojazdów, a co za tym idzie uwzględnić te koszty w ogólnym bilansie inwestycji. Niekiedy zachodzi konieczność wcześniejszego przygotowania odpadów z produkcji zwierzęcej. Szczególnie dotyczy to odpadów z rzeźni, które wymagają higienizacji (dezaktywacji mikrobiologicznej), przeprowadzanej najczęściej poprzez przetrzymywanie w temperaturze 70oC przez ok. 1 godz. Jest to metoda stosowana np. w oczyszczalniach ścieków w przypadku odpadów kategorii I zagrożenia biologicznego. Z kolei stosowanie obornika jako kosubstratu wymaga jego rozdrobnienia i homogenizacji (ujednolicenia) poprzez staranne wymieszanie. Mimo konieczności odpowiedniego przygotowania substratów powstających w produkcji zwierzęcej, jest to stabilne źródło surowców, najczęściej ulegające niewielkim wahaniom sezonowym, o dobrze rozpoznanym składzie i wydajności biogazu. W gospodarstwach prowadzących specyficzną produkcję, istnieją różne opcje pozyskania kosubstratów odpadowych. W przypadku produkcji np. biodiesla powstają odpady w postaci makuchów i frakcji glicerynowej, które w odpowiednich proporcjach nadają się do wykorzystania w

5 biogazowniach. Również gorzelnie rolnicze i browary mogą dostarczyć wysokowydajnych substratów biogazowych: wywaru, młóta (wysłodzin) czy kiełków. Oprócz biomasy w obrębie własnego gospodarstwa należy zapoznać się z możliwością pozyskania wysokowydajnych kosubstratów odpadowych (z przemysłu rolno-spożywczego, zakładów tłuszczowych, odpadków kuchennych itp.). W przypadku występowania w niedużej odległości tego typu odpadów niezbędne jest ustalenie, jak długo kosubstrat ten będzie dostępny, czy jednostka nie zamierza zaprzestania produkcji, czy nie jest planowana radykalna zmiana charakteru produkcji, która może wpływać na skład substratu itp. W przypadku dużych gospodarstw, dysponujących odpowiednią powierzchnią gruntów ornych, które nastawione są na produkcję biogazu nie tyle z odpadów, co raczej z celowych surowców, wystarczy dobrać rośliny do uprawy oraz zapewnić ich odpowiednie przygotowanie (najczęściej do postaci kiszonki). Wielkość produkcji biomasy zależy od powierzchni posiadanego gruntu i jego jakości, gatunku rośliny, jaką planujemy uprawiać oraz zastosowanej agrotechniki (nawożenia, ochrony). Najczęściej wykorzystywanym w biogazowniach surowcem roślinnym jest kiszonka z kukurydzy zbieranej w różnych fazach dojrzałości ziarna. Popularność ta wynika przede wszystkim z wysokiej wydajności biomasy tego gatunku i dużej plastyczności ekologicznej. Ponadto uprawa kukurydzy jest znana rolnikom, a dostępność maszyn i urządzeń powszechna. Jednak kukurydza nie jest jedynym gatunkiem, który można przeznaczać jako surowiec w biogazowniach. Nadają się do tego celu również korzenie i liście buraków, zwłaszcza półcukrowych i pastewnych ze względu na wysoki plon i znaczącą zawartość węglowodanów; liście i produkty uboczne buraka cukrowego (wysłodki, melasa), kiszonka ze słonecznika, żyta, sorga, lucerny, traw łąkowych i z uprawy polowej oraz kiszonki z mieszanek zbożowo-strączkowych. Ograniczenie produkcji biogazu wyłącznie do jednego surowca będzie błędem z punktu widzenia prawidłowego zmianowania. Wprawdzie kukurydza jest dość odporna na uprawę w monokulturze, jednak plany długoterminowe muszą uwzględniać zastosowanie innych roślin energetycznych. Oprócz wyboru gatunku lub gatunków do uprawy, należy zaplanować agrotechnikę rośliny, bilansując nakłady i zysk energii, jaki uzyskamy z plantacji. Należy zwrócić uwagę na ostrożne wykorzystanie chemicznych środków ochrony roślin, które zastosowane bezpośrednio przed zbiorem mogą kumulować się w biomasie, powodując zahamowanie procesów fermentacji w komorach biogazowni. W przypadku konieczności zakupu substratów do biogazowni należy starannie przeprowadzić analizę ekonomiczną przedsięwzięcia. Konieczna jest precyzyjna analiza kosztów samego zakupu, jak też miejsca gromadzenia biomasy i odległości od biogazowni, gdyż koszty transportu stanowią bardzo istotny składnik bilansu ekonomicznego przy większości metod konwersji biomasy na energię. Analizując potencjalne źródło biomasy spoza gospodarstwa należy wziąć pod uwagę jej skład chemiczny i mikrobiologiczny, wilgotność, stan rozdrobnienia itp. modernizując równocześnie wszystkie czynności manipulacyjne, jakie będziemy musieli wykonać przed zastosowaniem jej jako substratu w biogazowni (np. rozdrabnianie, higienizacja itp.). Źródło :