Gaz składowiskowy jako źródło energii odnawialnej. Instalacja odgazowania w Spółce NOVA w Nowym Sączu. dr inż. Józef Ciuła NOVA Spółka z o.o.

Gaz składowiskowy jako źródło energii odnawialnej. Instalacja odgazowania w Spółce NOVA w Nowym Sączu. dr inż. Józef Ciuła NOVA Spółka z o.o.

Gaz składowiskowy - powstaje w procesie biologicznego rozkładu substancji organicznych zawartych w odpadach komunalnych w procesie beztlenowym, - zasadniczym składnikiem gazu jest metan 40-60%, - gaz zawiera także: 35-45% ditlenku węgla, 0-0,5% azotu, 1-2% wodoru, 0-2% tlenu oraz śladowych ilości siarkowodoru, amoniaku i tlenku węgla, - wartość opałowa gazu składowiskowego zawiera się w granicach 12 do 22 MJ/m3

Fazy rozkładu biologicznego substancji organicznych w składowisku. Rys. 1. Zmiany składu gazu składowiskowego w czasie [1].

Kontrola i monitorowanie W związku ze składem chemicznym gaz składowiskowy jest gazem niebezpiecznym dla środowiska (gaz cieplarniany) lecz także dla zdrowia człowieka wykazując działania toksyczne. Jego skład jest monitorowany oraz wyliczana jest wartość emisji niezorganizowanej w ramach Europejskiego Rejestru Uwalniania i Transferu Zanieczyszczeń (PRTR).

Postępowanie z gazem składowiskowym Ze względu na sposób pozyskiwania gazu ze składowiska odpadów można wyróżnić następujące systemy: - bierne: gaz pod własnym ciśnieniem jest odprowadzany ze składowiska do urządzeń unieszkodliwiających (pochodnia gazowa), - czynne: gaz odessany jest ze złoża na pomocą urządzeń ssących (ssawa gazowa). Ujęty i oczyszczony gaz składowiskowy może być wykorzystany do: - produkcji energii elektrycznej lub cieplnej, - skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła (kogeneracja), - oczyszczony i formowany jako biometan wykorzystywany w transporcie jako paliwo dla silników spalinowych, - formowany i oczyszczany przesyłany do sieci gazowej.

Wykorzystanie gazu składowiskowego jako źródła energii odnawialnej 1. Gaz składowiskowy jest jednym źródeł odnawialnych w grupie gazów wraz z min. gazem z oczyszczalni, biogazem rolniczym. 2. Wytwórca energii (eklektyczna, ciepło) ze źródła odnawialnego zobowiązany jest go posiadania koncesji Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki. 3. Wytworzona energia elektryczna (brutto) stanowi prawa majątkowe ( zielone certyfikaty ) które notowane są na Towarowej Giełdzie Energii. Cena na dzień 11.07.2013 r. wynosiła 144,43 zł/mwh. 4. Energia przesyłana do sieci energetycznej (netto) jest sprzedawana po cenie ustalonej przez Prezesa URE. Która w 2013 roku wynosi 201,36 zł/mwh. 5. Od ilości energii elektrycznej wykorzystanej na potrzeby własne urządzeń, wytwórca jest zobowiązany odprowadzać podatek akcyzowy. (20 zł/mwh). Nie dotyczy energii wykorzystanej do podtrzymania procesu wytwarzania tej energii.

Energia elektryczna wytwarzana ze źródeł odnawialnych w Polsce Rys. 2 Udział nośników energii odnawialnej w produkcji energii elektrycznej w 2011 roku [7].

Składowisko Rys. 3. Lokalizacja składowiska odpadów [2].

Instalacja pozyskiwania i unieszkodliwiania gazu składowiskowego Studnie odgazowujące Składowisko odpadów Studnie odgazowujące Stacja pozyskania i przygotowania biogazu Pochodnia gazowa Zespół Kogeneracyjny Przesył do sieci energetycznej i potrzeby własne Energia elektryczna Potrzeby własne obiektów i cele technologiczne Energia cieplna Rys. 4. Schemat instalacji odgazowania i energetycznego wykorzystania biogazu składowiskowego. Opracowanie własne.

Infrastruktura instalacji 1. Studnie odgazowujące: rury polietylenowych (PE-HD) o średnicy 140-160 mm, perforowane: -pionowe: 27 szt. -poziome: 13 szt. 2. Rurociągi transportujące biogaz składowiskowy: około 4000 m bieżących, wykonane z rury polietylenowych (PE-HD) o średnicy 63 mm, 3. Instalacja przedmuchu wstecznego. 4. Stacja pozyskiwania i przygotowania biogazu składowiskowego (wydajność do 300m3/godz.) 5. Pochodnia gazowa do 300 m3/godz. 6. Zespół kogeneracyjny (elektrociepłownia 365 kwel. i 455 kwt.). 7. Stacja transformatorowa: 450 kva 8. Zespół opomiarowania i rozliczania energii elektrycznej oraz ciepła ( trzy liczniki czterokwadrantowe), 9.System sterowania i monitoringu on-line.

Studnie odgazowujące: pionowa Rys.5. Konstrukcja pionowej studni gazowej [6].

Studnie odgazowujące: pozioma Rys.6. Konstrukcja poziomej studni gazowej [6].

Stacja pozyskiwania i przygotowania biogazu

Stacja pozyskiwania i przygotowania biogazu

Zespół kogeneracyjny

Zespół kogeneracyjny

Transformator i liczniki opomiarowania energii elektrycznej

System sterowania i monitoringu

Pomiary biogazu składowiskowego 60,00 50,00 40,00 % 30,00 20,00 10,00 0,00 Miesiące CH4 CO2 O2 Liniowy (CH4) Rys.7. Procentowy skład biogazu składowiskowego w wybranej studni odgazowującej. Opracowanie własne.

04.05 06.06 07.06 10.06 11.06 12.06 13.06 14.05 17.05 18.05 19.05 20.05 21.05 24.05 25,5 26.05 27,05 31.05 01.06 02.06 07.06 08.06 09.06 10.06 11.06 14.06 15.06 16.06 17.06 18.06 21.06 22.06 23.06 25.06 26.06 Metan% Przykłady pomiarów biogazu składowiskowego w wybranych studniach 80,0 Wejście 7 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Data pomiaru Rys.8. Zawartość metanu w studni po jej wykonanie. Opracowanie własne.

Metan% Przykłady pomiarów biogazu składowiskowego w wybranych studniach 61,0 Wejście 2 60,5 60,0 59,5 59,0 58,5 58,0 57,5 57,0 Data pomiaru Rys.9. Studnia o dobrym potencjale metanu (stabilna). Opracowanie własne.

Metan % Przykłady pomiarów biogazu składowiskowego w wybranych studniach Wejście 5 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Data pomiaru Rys.10. Studnia o malejącym potencjale metanu. Opracowanie własne.

01.2010 02.2010 03.2010 04.2010 05.2010 06.2010 07.2010 08.2010 09.2010 10.2010 11.2010 12.2010 01.2011 02.2011 03.2011 04.2011 05.2011 06.2011 07.2011 08.2011 09.2011 10.2011 11.2011 12.2011 01.2012 02.2012 03.2012 04.2012 05.2012 06.2012 07.2012 08.2012 09.2012 10.2012 11.2012 12.2012 Metan % Zmiana wartości metanu w okresie 3 lat. 57 56,5 56 55,5 55 54,5 54 53,5 53 52,5 52 Data Rys.11. Zmiany zawartości metanu w biogazie składowiskowym w latach 2010 2012. Opracowanie własne.

Wytwarzanie energii elektrycznej Tabela 1. Bilans wytworzonej energii elektrycznej w latach 2010-2012 Rok Produkcja Sprzedaż Zużycie na potrzeby własne MWh MWh MWh % 2010 1223,509 1040,671 182,838 14,94 2011 1670,288 1417,583 252,705 15,13 2012 1436,392 1195,956 240,436 16,74 Razem 4330,189 3654,210 675,979 15,61

MWh Energia elektryczna w tatach 2010-2012 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 2010 2011 2012 400 200 0 Produkcja Sprzedaż Zużycie na potrzeby własne Rys.12. Bilans energii elektrycznej wytworzonej w źródle odnawialnym w latach 2010 2012. Opracowanie własne.

Zużycie energii elektrycznej 5,76 % 9,18 % Sprzedaż Zużycie Inst. Zużycie ZZO 85,06 % Rys.13. Bilans energii elektrycznej wykorzystanej na potrzeby własne obiektów ZZO i EC. Opracowanie własne.

Odzysk ciepła Tabela 2. Bilans odzyskanego ciepła w latach 2010 2012. Rok Produkcja Wykorzystanie na potrzeby własne GJ GJ % 2010 5861 873 14,9 2011 8373 1543 18,4 2012 7237 1552 21,4 Razem 21471 3968 18,5

Energetyczne wskaźniki pracy układu kogeneracyjnego Sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu Sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu

Energetyczne wskaźniki pracy układu kogeneracyjnego Sprawność całkowita elektrociepłowni (wskaźnik wykorzystania energii chemicznej paliwa): EUF Wskaźnik skojarzenia

Charakterystyka techniczna Tabela 3. Charakterystyka techniczna wybranych małych gazowych układów kogeneracyjnych [1].

Podsumowanie. 1. Inwestycja poprawiająca stan środowiska w skali lokalnej i globalnej ( zmniejszenie emisji niezorganizowanej). 2. Bezpieczeństwo w funkcjonowaniu składowiska odpadów (niebezpieczeństwo pożarów). 3. Wykorzystanie źródła odnawialnego jakim jest biogaz składowiskowy ( zielone certyfikaty ). 4. Optymalne wykorzystanie energii chemicznej zawartej w paliwie (biogaz) w wyniku zastosowania układu kogeneracji. 6. Wartość dodana w postaci wykorzystania własnej energii elektrycznej i ciepła i sprzedaży świadectw pochodzenia energii i energii do sieci. 7. Edukacja ekologiczna (wycieczki dzieci i młodzieży).

Plany na przyszłość 1.Dalsza rozbudowa instalacji odgazowania w obszarach składowiska gdzie nie były wykonywane wiercenia studni. 2.Rozudowa wewnętrznej sieci ciepłowniczej na terenie Zakładu Zagospodarowania Odpadów w celu zwiększenia wykorzystania ciepła z kogeneracji (zintegrowany system ogrzewania i przygotowania c.w.u. w układzie: ciepło odpadowe - kolektory słoneczne - kocioł gazowy). 3.Budowa instalacji wzbogacania metanu w perspektywie około 7 lat np.(kaskadowe moduły membranowe w przypadku spadku zawartości metanu w biogazie poniżej 45%).

Bibliografia 1. Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa 2002. 2. www.google.pl 3. Ciuła J.: Koncepcja modelu zintegrowanej gospodarki odpadami komunalnymi w Polsce, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Zeszyt 52, nr kol. 1822, (2010), 59 73. 3. Wandrasz J., Landrat M.: Model matematyczny wytwarzania biogazu w składowisku odpadów, Ochrona Środowiska nr 2, vol. 85, 2002), 13 16. 4. Klimek A. i inni: Poradnik metodyczny w zakresie PRTR dla składowisk odpadów komunalnych, Warszawa 2010. 5. www.nova-ns.eu 6. Dokumentacja techniczna instalacji odgazowania składowiska. PHU WAGRA. Toruń. 2012. 7. Energia ze źródeł odnawialnych w 2011 roku. GUS. Warszawa 2012.

Dziękuje za uwagę Kontakt: NOVA Spółka z o.o. Nowy Sącz Józef Ciuła Dyrektor ds. rozwoju i energetyki odnawialnej e-mail: j.ciula@nova-ns.eu tel. 506 130 096