INŻYNIERIA W ROLNICTWIE. MONOGRAFIE 9 ENGINEERING IN AGRICULTURE. MONOGRAPHS 9 Wacław Romaniuk, Andrzej Głaszczka, Katarzyna Biskupska ANALIZA ROZWIĄZAŃ INSTALACJI BIOGAZOWYCH DLA GOSPODARSTW RODZINNYCH I FARMERSKICH ANALYSIS OF THE BIOGAS INSTALLATION SOLUTIONS FOR THE FAMILY FARMS AND FARMING ENETERPRISES Falenty 2012 WYDAWNICTWO ITP
INSTYTUT TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel./fax 22 628-37-63; www.itep.edu.pl; e-mail: itep@itep.edu.pl DYREKTOR INSTYTUTU prof. dr hab. Edmund Kaca Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, 02-532 Warszawa tel. 22 542-11-00, fax 22 542-11-50 Kierownik Oddziału prof. dr hab. Aleksander Szeptycki KOLEGIUM REDAKCYJNE prof. dr hab. Aleksander Szeptycki przewodniczący prof. dr hab. J.Lech Jugowar prof. dr hab. Zdzisław Wójcicki prof. dr hab. Jan Pawlak prof. dr hab. Krzysztof Wierzbicki Recenzenci prof. dr hab. Józef Szlachta, dr hab. Marek Gaworski, prof. nadzw. SGGW Redakcja naukowa prof. dr hab. Wacław Romaniuk Kierownik Działu Wydawnictw: dr inż. Halina Jankowska-Huflejt Projekt okładki: Halina Jankowska-Huflejt Opracowanie redakcyjne: Barbara Wciślińska Skład komputerowy i przygotowanie do druku: Anna Wysocka Copyright by Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach (ITP), 2012 ISBN 978-83-62416-53-0 ISSN 2083-9545 Adres redakcji: Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn tel. 22 720-05-98; www.itep.edu.pl; e-mail: wydawnictwo@itep.edu.pl Realizacja wydania: Agencja Wydawniczo-Poligraficzna Gimpo 02-778 Warszawa, ul. M. Grzegorzewskiej 8. Ark. wyd. 6,5. Nakład 200 egz.
Spis treści 1. WPROWADZENIE...5 1.1. Informacje ogólne...5 1.2. Omówienie procesu fermentacji metanowej...7 2. PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIA INSTALACJI BIOGAZOWYCH...23 2.1 Rozwiązania krajowe...23 2.2. Rozwiązania zagraniczne...36 3. BADANIA INSTALACJI BIOGAZOWEJ W GOSPODARSTWACH RODZINNYCH...44 3.1. Założenia badawcze...44 3.2. Cel i zakres pracy...45 3.3. Metody badań...46 3.4. Ocena techniczno-ekonomiczna parametrów biogazowni...48 3.5. Ocena ekonomiczna instalacji biogazowej z zastosowaniem stopy dyskonta...52 4. WYNIKI BADAŃ BIOGAZOWNI W STUDZIONCE...54 4.1 Opis techniczny biogazowni w Studzionce...54 4.2. Badania laboratoryjne...55 4.3. Badania eksploatacyjne...57 4.4. Efektywność energetyczna...60 4.5. Ocena ekonomiczna...62 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...74 5.1. Dane wstępne...74 5.2. Propozycje rozwiązań technicznych instalacji biogazowych...74 5.3. Wnioski końcowe...87 6. BIBLIOGRAFIA...89 Streszczenie...91
Contents 1. INTRODUCTION...5 1.1. General information...5 1.2. Description of methane fermentation process...7 2. EXEMPLARY SOLUTIONS OF BIOGAS INSTALLATIONS...23 2.1. Local solutions...23 2.2. Foreign solutions...36 3. INVESTIGATIONS OF BIOGAS INSTALLATION IN THE FAMILY FARMS...44 3.1. Brief foredesign of the research...44 3.2. Aim and scope of the research...45 3.3. Methodology of the research...46 3.4. Technical-economic evaluation of biogas plant parameters...48 3.5. Economic evaluation of a biogas plant on the basis of discount rate...52 4. RESEARCH RESULTS...54 4.1. Technical description of the biogas plant at Studzionka...54 4.2. Laboratory tests...55 4.3. Investigations of biogas plant at Studzionka...57 4.4. Energetic efficiency of the installation depending on the substrate...60 4.5. Economic evaluation...62 5. RECAPITULATION...74 5.1. Initial data...74 5.2. Proposals of technical solutions for biogas plants...74 5.3. Final conclusions...87 6. BIBLIOGRAPHY...89 Summary...93
Streszczenie Jednym z najbardziej uciążliwych dla środowiska sektorów produkcji rolnej jest intensywny chów zwierząt, będący odpowiedzią na wzrastającą konsumpcję mięsa we współczesnych społeczeństwach oraz efektem specjalizacji w rolnictwie. Wiąże się to z koniecznością przeznaczania coraz większych obszarów rolnych na paszę dla zwierząt oraz produkcją ogromnych ilości gnojowicy, stanowiącej znaczne obciążenie dla środowiska. Produkcja i wykorzystanie energii pochodzenia rolniczego to szansa na dywersyfikację i wzrost przychodów rolniczych oraz bezpieczeństwa energetycznego wsi, a także poprawa ochrony środowiska na terenach rolniczych. Według zaleceń Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, rozważając możliwość wykorzystania na cele energetyczne biomasy pochodzenia rolniczego, należy mieć na uwadze długoterminową perspektywę i zadania stawiane przed rolnictwem. Zakłada się, że do 2050 r. w skali świata produkcja żywności powinna zostać dwukrotnie zwiększona. Cel ten wymaga nie tylko wzrostu produkcji jednostkowej, ale również utrzymywania dostępnego rolniczego potencjału produkcyjnego we właściwej kulturze do czasu, kiedy zostanie on w całości przeznaczony do produkcji żywności. Sprzyja temu obecne przeznaczenie nadwyżek produkcji na cele energetyczne do momentu, kiedy rozwój technologii umożliwi wykorzystanie innych odnawialnych nośników energii. Rolnik może i powinien być nie tylko dostawcą surowca, ale również producentem energii elektrycznej i cieplnej, czy też dostawcą do gazowych sieci dystrybucyjnych biogazu oczyszczonego do jakości gazu ziemnego. W Polsce jest miejsce zarówno dla mikrobiogazowni rolniczych poniżej 100 kw zainstalowanej mocy, jak i dla obiektów wielokrotnie większych. Ostateczna decyzja inwestycyjna powinna wynikać z wszechstronnego rachunku możliwości i potrzeb. W wyniku potrzeb realizacji polityki dywersyfikacji źródeł energetycznych biogazownie rolnicze są szansą na zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Biogazownie rolnicze o mocy 100 500 kw z zastosowaniem 50 70% nawozu naturalnego, pochodzącego z własnego gospodarstwa, są opłacalne ekonomicznie. Biogazownie o mocy 100 200 kw mogą być opłacalne ekonomicznie w warunkach zbilansowania substratu pochodzącego z własnego gospodarstwa i świadectw pochodzenia na zieloną energię. W pracy przedstawiono podstawowe założenia do projektowania małych biogazowni rolniczych o mocy do 200 kw, przeznaczonych dla gospodarstw rodzinnych i farmerskich. Przedstawiono również podstawowe wyniki badań energetycznych instalacji biogazowej w Studzionce w zakresie następujących głównych parametrów: wyprodukowanej energii netto, masy substratu poddawanego fermentacji w okresie 21 dni, współczynnika efektywności energetycznej w różnych okresach badań. W celu porównania wyników badań podano dane techniczne instalacji biogazowej GAEC (Francja) o mocy kogeneratora 70 kw.
Efektem badań biogazowni w Studzionce jest opracowanie innowacyjnej metody fermentacji odchodów naturalnych, pochodzących z własnej produkcji zwierzęcej i substratów. Rozwiązanie to polegało na wytworzeniu biogazu ze stałych odchodów gromadzonych na płycie obornikowej, w oborze głębokiej i przepłukiwanie ich w komorze fermentacyjnej gnojowicą lub wodą gnojową podczas fermentacji metanowej. Biogazownia składa się z dwóch komór fermentacyjnych oraz zbiornika wstępnego i pofermentacyjnego, a także niezbędnych urządzeń towarzyszących, według schematu przedstawionego na rysunku 5.2. Schemat urządzenia według zgłoszenia patentowego do wytwarzania biogazu może być jednym z rozwiązań modelowych biogazowni dostosowanych do warunków gospodarstwa rolnego i elementów infrastruktury w nim występujących. Słowa kluczowe: biogaz, instalacja, energia, postęp, technologia
Summary Intensive breeding of the animals, as a response to increasing meat consumption by the present-day societies and an effect of specialization in agriculture, is one of agricultural production sectors most nuisant to the environment. It is connected with the necessity of providing larger and larger agricultural areas for cropping animal feeds, and with production of very large amounts of slurry, creating strong environmental loading. Generation and usage of agricultural origin energy, give some chances to diversify and increase the agricultural incomes and rural energetic security, as well as to improving the environment protection on agricultural terrains. According to the Ministry of Agriculture, at considering the possibilities of using biomass of agricultural origin for energy purposes, long-term prospects and tasks for the agriculture should be taken into account. It has been assumed that until the year 2050 food production on the world scale ought to be doubled. Such an aim requires not only increasing the unitary production, but also supporting the accessible potential of agricultural production at proper culture, until it will be intended in total to food production. It is promoted by actual assignment of production surpluses for energy purposes, until the moment, when advanced technology will enable to use the other renewable energy carriers. In many cases, a farmer can and should not only supply the raw material, but also produce the electric and thermal energy, or be a supplier of biogas purified to the quality of natural gas, to the gas distribution network. In Poland, there is the space for either, the micro-biogas plants (below 100 kw power installed), and much larger objects, as well. The final investment decision should result from comprehensive calculations of the needs and possibilities. Considering the needs to diversification of energy sources, the agricultural biogas plants give the chance to ensure energetic security. Agricultural biogas plants of the power 100 500 kw, at using 50 70% of natural manure from the own farm, are economically feasible. Biogas plants of the power 100 200 kw may be cost-effective at balancing the substrate from own farm and certificates of origin for green energy. Basic draft foredesigns were elaborated to designing small agricultural biogas plants (power up to 200 kw) provided for the family farms and farming enterprises. This publication presents the basic results of energetic investigations for biogas installation at Studzionka, concerning following main parameters: net energy generated, mass of substrate digested within the period of 21 days, coefficient of energetic efficiency in various investigation periods. Obtained results were compared with the technical data of GAEC biogas installation (France), of co-generator power 70 kw. Investigations of the biogas plant at Studzionka resulted in elaboration of innovative digestion method for natural excreta from own animal production and the substrates.
Mentioned solution will consist in generation of biogas from solid excreta collected on a dung plate, in deep-litter cow-barn, and flushing them in digestion chamber with the slurry or dung-water during methane fermentation. Biogas plant consists of the two digestion chambers, initial and post-fermentation tanks, as well as of the necessary attached facilities, according to the diagram in fig. 5.2. The scheme of installation to biogas generation, in accordance with the patent application, may be one of the model solutions of biogas plants. Well fitted to conditions of agricultural farm and to the elements of its infrastructure. Key words: biogas, installation, energy, generation, technology, progress