Biogazownia Planowanie, Budowa, Eksploatacja Energie-, Umwelt- und Verfahrenstechnik Wehlener Straße 46 01279 Dresden Telefon: +49(351) 250963-20 Telefax: +49(351) 250963-29 E-Mail: info@eutec.biz www.eutec.biz ul. Ruska 60/61 50-079 Wrocław Telefon: 071-780 51 61 Faks: 071-780 52 11 e-mail: sygma@sygma.pl www.sygma.pl Autor: Dipl.-Ing. Kathrin Zimmermann eutec Ingenieure GbR Konferencja Biomasa źródło zielonej energii 21.10.2008, Strzelin
Biogazownia Planowanie, Budowa, Eksploatacja 1 Podstawy 1.1 Zasada powstawania biogazu Biogaz powstaje w wielostopniowym procesie fermentacji lub gnicia dzięki aktywności mikroorganizmów beztlenowych, tj. bez dostępu powietrza wzgl. tlenu. W trakcie powstawania biogazu można wyróżnić cztery procesy, które jednak w praktyce przebiegają jednocześnie. Nie można tych procesów rozdzielić, ponieważ bakterie żyją w ścisłej symbiozie i są zdane na siebie. Rys. 1: zasada powstawania biogazu 1 stopień hydroliza: złożone związki organiczne (węglowodany, białka, tłuszcze) ulegają rozkładowi na proste związki (cukry, kwasy tłuszczowe, aminokwasy). 2 stopień - acidogeneza (fermentacja/ tworzenie kwasów): te same bakterie jak w 1 stopniu dokonują dalszego rozkładu, w wyniku którego powstają kwasy karboksylowe (głównie walerianowy, mrówczanowy, propionowy) i niewielkie ilości kwasu mlecznego i alkoholu. 3 stopień - acetogeneza (tworzenie kwasu octowego): kwasy i alkohole powstałe w 2 stopniu zostają przekształcone na kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla. 4 stopień - metanogeneza: bakterie metanowe, które mogą żyć tylko w środowisku beztlenowym, przetwarzają produkty powstałe w 3 stopniu na metan.
1.2 Skład biogazu Biogaz jest mieszaniną gazów, która składa się w 45 70 % z wysokowartościowego nośnika energii, jakim jest metan (CH 4 ). Dalszymi składnikami są 25 55 % dwutlenku węgla (CO 2 ) jak również śladowe ilości siarkowodoru (H 2 S), azotu (N 2 ), wodoru (H 2 ), tlenku węgla (CO). Skład biogazu Metan 45-70 % Tlen 0,01-2 % Dwutlenek węgla 25-55 % Wodór 0-1 % Para wodna 0-10 % Amoniak 0,01-2,5 mg/m³ Azot 0,01-5 % Siarkowodór (H 2 S) 10-30.000 mg/m³ Rys. 2: skład biogazu 1.3 Substraty (wsady) Szczególnie ważne przy planowaniu biogazowni jest ustalenie wsadów, które miałyby być użyte. Czy określony wsad może zostać użyty w instalacji biogazowej zależy w pierwszym rzędzie od jego właściwości (struktury) i planowanej metody obróbki. Materiał stały, o zwartej strukturze jak ścinki drzew i krzewów nadaje sie raczej do obróbki tlenowej w kompostowniach. Z kolei wsad mokry o ubogiej strukturze jak np. gnojowica czy resztki żywności można lepiej poddać obróbce beztlenowej w biogazowniach. W ostatnich latach w Niemczech dokonał sie wyraźny postęp w branży biogazowej w odniesieniu do możliwych do wykorzystania substratów. Użycie wyłącznie gnojowicy lub obornika zdarza się juz bardzo rzadko. W większym stopniu stosuje sie dodatkowo rośliny energetyczne jak kiszonki kukurydzy lub traw. Rośliny energetyczne charakteryzują się wysokim uzyskiem gazu i większym stopniem rozkładu, a ich użycie wspierane jest przez zapisy Ustawy o Energiach Odnawialnych (EEG - Erneuerbare-Energien-Gesetz). Tak zwany bonus za surowce odnawialne wynosi 7 Ct/kWh. Obok gnojowicy i roślin energetycznych (odnawialnych) można wykorzystywać również odpady organiczne z przemysłu przetwórczego jak również odpady z ubojni. Zastosowane substraty nie mogą negatywnie wpływać na proces fermentacyjny i następujące po nim rolnicze wykorzystanie pozostałości pofermentacyjnych jako nawozu.
1.4 Metody wytwarzania biogazu 1.4.1 Metody biogazowe Rys. 1: metody biogazowe Stosowane w Niemczech metody biogazowe rozróżnia się na fermentację suchą i mokrą. Obie grupy metod dzielą się dodatkowo na metodę ciągłą i nieciągłą. Ze względu na to, że fermentacja sucha jest w Niemczech w niewielkim stopniu rozpowszechniona, w dalszej kolejności przedstawione zostaną wybrane metody fermentacji mokrej. 1.4.2 Metoda okresowa
W metodzie tej proces gnilny trwa do końca hydraulicznego czasu aktywności, bez dodawania i odbierania substratu. Dla osiągnięcia ciągłej produkcji biogazu należy przewidzieć więcej zbiorników fermentacyjnych, przez co odpowiednio zwiększają się koszty w tej metodzie. Korzystny jest długi okres fermentacyjny, który umożliwia skuteczną higienizację substratu. 1.4.3 Metoda zbiorników wymiennych W tej metodzie wolno, ale równomiernie podawany jest wsad ze zbiornika wstępnego do pierwszego zbiornika fermentacyjnego. W tym czasie kończy sie proces fermentacji w drugim zbiorniku. Po napełnieniu zbiornika pierwszego, zbiornik drugi w całości opróżniany jest do zbiornika składowego i ponownie napełniany wsadem ze zbiornika wstępnego. W tej metodzie można zapewnić równomierna produkcje biogazu i dobra higienizacja. Wysokie nakłady na budowę prowadza jednak do większych kosztów tej metody. Poza tym metoda ta odznacza się stratami ciepła. 1.4.4 Metoda przepływowa W tej metodzie fermentatory są stale napełnione i w trybie ciągłym zaopatrywane we wsad. Podczas dostarczania substratu taka sama jego ilość opuszcza fermentator i przekazywana jest do zbiornika pozostałości pofermentacyjnych. W metodzie tej korzystny jest tani sposób budowy, niewielkie straty ciepła jak również równomierna produkcja biogazu. Wadą jest jednak wpływ efektu higienizacyjnego spowodowany zmieszaniem fermentującego substratu ze świeżym wsadem.
1.4.5 Metoda magazynowa W metodzie magazynowej rolę fermentatora i zbiornika pozostałości pofermentacyjnych pełni jeden zbiornik. Dzięki temu koszty budowy wypadają bardzo korzystnie. Przefermentowany wsad jest prawie w całości wywożony na pola. Reszta przefermentowanego wsadu konieczna jest do zaszczepienia następnego napełnienia. Metoda ta pozwala na prosta i przejrzysta eksploatację. Jednak ze względu na duże rozmiary zbiornika dochodzi do dużych strat ciepła. 1.4.6 Metoda przepływowo-magazynowa W tej metodzie zbiornik fermentatora jest ciągle napełniony. Zaopatrywanie we wsad odbywa sie parę razy dziennie. Jednocześnie taka sama ilość przefermentowanego substratu dostaje sie do zbiornika pozostałości pofermentacyjnych. Zbiornik ten jest przekryty i służy również jako magazyn biogazu. Metoda ta mimo wysokich kosztów została rozwinięta w daleko idącym stopniu i odznacza się wysokim uzyskiem biogazu.
2 Planowanie biogazowni 2.1 Założenia eksploatacyjne W dalszej części powinno zostać omówione, jakie warunki dla wybudowania biogazowni powinno spełniać gospodarstwo rolnicze. Niezbędnie konieczne jest posiadanie wystarczającej ilości biomasy z własnego gospodarstwa. Oznacza to, że będzie konieczne co najmniej 1.000 ton rocznie gnojowicy lub roślin energetycznych. Alternatywą może być zapewnione pozyskanie odpadków z przemysłu przetwórczego (odpady spożywcze). Należy również dysponować wystarczającą ilością czasu do obsługi biogazowni. Korzystne jest, jeśli może być wkomponowana istniejąca zabudowa (np. zbiornik na gnojowice) a instalacja będzie pasować do koncepcji gospodarstwa w dłuższym okresie czasu. Eksploatacja biogazowni niesie ze sobą dodatkowe korzyści w postaci wykorzystania ciepła na potrzeby gospodarstwa, sprzedaży energii elektrycznej do sieci, sprzedaży ciepła dla zewnętrznych odbiorców (suszarnia, szklarnia, pływalnia) i kooperacji z innymi operatorami biogazowni. 2.2 Korzyści dla rolnika Rolnik odnosi wiele korzyści w trakcie eksploatacji biogazowni. Część wytworzonej energii może zostać wykorzystana na pokrycie własnego zapotrzebowania gospodarstwa rolnego. Pozostałość pofermentacyjna może zostać użyta jako wysokowartościowy nawóz organiczny. Poprzez fermentację gnojowicy zmniejsza sie obciążenie emisją odorów, unika sie strat substancji odżywczych i osiąga się lepszą przyswajalność nawozu przez rośliny. Innym skutkiem jest higienizacja użytej gnojowicy. Od początku 2009 roku wynagrodzenie za sprzedany do sieci prąd zgodnie z Ustawą o Energiach Odnawialnych będzie wynosiło w Niemczech 11,67 Ct/kWh. Dzięki tym przychodom można osiągnąć dodatkową stabilizację gospodarstwa rolnego. Poprzez zastosowanie roślin energetycznych i / albo bioodpadów (kofermentacja) można przyspieszyć proces fermentacji, zwiększyć uzysk biogazu i zwiększyć wpływy finansowe przez odbieranie bioodpadów.
2.3 Przebieg planowania Poniżej przedstawiony jest przebieg planowania biogazowni. Ustalenie danych wyjściowych - analiza miejscowych uwarunkowań, - ustalenie bazy surowcowej / wsadów, - oszacowanie uzysku energii. Analiza opłacalności - koszty inwestycji, - opłacalność. Wstępne planowanie - Ustalenie miejsca wpięcia do sieci energetycznej (GPZ) - wstępne rozplanowanie biogazowni Procedura uzyskiwania pozwoleń - opracowanie i złożenie odpowiednich dokumentów, rysunków i ekspertyz Wyjaśnienie możliwości subwencjonowania i złożenie wniosku o środki pomo- cowe Budowa biogazowni - przetarg / zlecenie na wykonanie robót branżowych - planowanie przebiegu budowy - organizacja i nadzór Uruchomienie - pomoc przy rozruchu procesu fermentacyjnego - przeprowadzenie pomiarów hałasu i spalin - opracowanie dokumentacji przeciwwybuchowej - odbiór techniczny przez właściwe organy Odbiór biogazowni wspólnie z - dostawcami - operatorem - właściwymi służbami budowlanymi - organami wydającymi pozwolenie na użytkowanie Eksploatacja biogazowni
2.4 Wstępne rozplanowanie instalacji Przy rozplanowywaniu biogazowni trzeba sobie najpierw wyjaśnić kwestie wyboru metody uzyskiwania biogazu. W większości biogazowni zaprojektowanych przez firmę stosowana jest fermentacja mezofilna. Instalacje składają się przede wszystkim ze wstępnego zbiornika magazynowego, jednego lub więcej fermentatorów, zbiornika magazynowego biogazu, zbiornika na pozostałości pofermentacyjne i jednego lub więcej układów kogeneracyjnych do wytwarzania energii. Do najważniejszych parametrów przy wymiarowaniu biogazowni należą ilość i jakość będącego do dyspozycji substratu, wielkość obciążenia objętościowego i hydrauliczny czas aktywności i możliwy do osiągnięcia uzysk biogazu. Następnie należy ustalić typ układu kogeneracyjnego, jego moc i sprawność. Na podstawie tego można ustalić ilość możliwej do wytworzenia energii elektrycznej i cieplnej. na końcu musi zostać ustalona konieczna objętość zbiornika / zbiorników na pozostałości pofermentacyjne. Celem wymiarowania instalacji jest osiągnięcie optymalnej eksploatacji wszystkich elementów instalacji, wysokiego wykorzystania układu kogeneracyjnego i wysokiego obciążenia fermentatora biomasą. 3 Biogazownia w Großzöbern 3.1 Dane instalacji Biogazownia w Großzöbern została uruchomiona w październiku 2007 roku. W procesie fermentacji wykorzystuje się płynny obornik, gnojówkę i gnojowicę bydlęcą, śrutę zbożową jak również kiszonki traw i kukurydzy. Instalacja składa się z fermentatora, zbiornika I będącego jednocześnie drugim fermentatorem i zbiornikiem magazynującym biogaz pod przekryciem z folii i zbiornika II na pozostałości pofermentacyjne. W biogazowni można wyprodukować rocznie ok. 560.000 m³ biogazu przy hydraulicznym czasie aktywności wynoszącym około 38 dni i obciążeniu objętościowym o wielkości 3,22 kg s.m.o./(m³*d). Instalacja eksploatowana jest w trybie fermentacji mezofilnej, czyli w zakresie temperatur między 38 a 42 C. Jako zbiornik buforowy dla płynnych wsadów przewidziano wstępny zbiornik o pojemności 78 m³. Wsady stałe dozowane są do fermentatora pionowym mieszalnikiem o pojemności 10,5 m³. Dla mieszania substratów w fermentatorze przewidziano duże mieszadło i mieszadło głębinowe. W zbiornikach I i II zainstalowano po dwa mieszadła głębinowe w każdym. Całkowita pojemność magazynowa biogazu pod przekryciem z folii wynosi 1.180 m³. Układ kogeneracyjny z silnikiem iskrowym ma 180 kw mocy elektrycznej i wytwarza rocznie około 1.360.000 kwh energie elektrycznej. Ciepło wytwarzane przez układ kogeneracyjny ogrzewa fermentator, zabudowania gospodarcze i mieszkalne.
Zdj. 1, 2: Biogazownia w Großzöbern Rys. 2: schemat biogazowni w Großzöbern
4 Faza rozruchu i eksploatacja 4.1 Przebieg fazy rozruchu 1 Opracowanie planu rozruchu 2 Napełnienie fermentatora w około 50 % gnojowicą 3 Podgrzanie fermentatora do temperatury pracy 4 Zaszczepienie fermentatora aktywnym biologicznie wsadem fermentacyjnym (około 20 % podanej wyżej zawartości fermentatora) 5 Rozpoczęcie podawania wsadu przy zawartości metanu > 50 % 6 Podawanie wsadu zgodnie z planem rozruchu 7 Regularna analiza substratu 8 W zależności od wyników produkcji i przeprowadzonych analiz dalej podawać wsad zgodnie z planem rozruchu względnie dokonać koniecznych korekt Podczas fazy rozruchu ważna jest optymalna prędkość rozruchu, tj. cotygodniowy wzrost obciążenia fermentatora o 0,3-0,4 kg s.m.o./(m³*d). 4.2 Stabilność procesu Duże znaczenie dla równomiernej produkcji biogazu jest stabilność procesu fermentacyjnego. Proces jest stabilny, gdy parametry wydajnościowe instalacji (produkcja biogazu) są stałe przy jej odpowiednio wysokim obciążeniu eksploatacyjnym. Mogą być następujące powody obniżania się produkcji biogazu: złe zestawienie składu wsadu (przekwaszenie) zbyt wysokie obciążenie objętościowe (przedawkowanie wsadu) za mało wsadu niedostatek substancji odżywczych albo substancje szkodliwe Dlatego w celu dokładnego nadzorowania procesu konieczny jest pomiar i dokumentowanie następujących parametrów: temperatura ilość wytworzonego biogazu i prądu rodzaj i ilość wprowadzonych substratów zawartość siarkowodoru obciążenie objętościowe i hydrauliczny czas aktywności spektrum kwasów tłuszczowych, pojemność buforową i wartość ph (np. przy zmianie składu wsadu) 4.2.1 Substancje hamujące Substancje hamujące uszkadzają zewnętrzna warstwę komórek albo strukturę bakterii względnie uszkadzają enzymy przemiany komórkowej. Substancjami hamującymi wytwarzanie biogazu są: tlen antybiotyki, środki dezynfekujące (w zależności od rodzaju produktu)
kwasy organiczne (tłuszczowe) siarkowodór (> 2.000 ppm hamująco na bakterie, działanie hamujące rośnie wraz z obniżaniem się wartości ph) azotan amonowy (działanie hamujące rośnie ze wzrostem wartości ph i wzrostem temperatury) zła jakość substratu, pleśń substancje wtórne (związki siarki, olejki eteryczne, kwas szczawiowy,...) metale ciężkie (rozpuszczone metale, odkażanie przez wytrącanie siarczków) 4.2.2 Środki i parametry utrzymania stabilnego procesu Jako środki do utrzymania względnie osiągnięcia stabilnej pracy w grę wchodzą różne możliwości: dokładne utrzymywanie temperatury substratu w fermentatorze quasi-ciągłe dodawanie wsadu niewprowadzanie większych ilości zimnego wsadu wolne i stopniowe przechodzenie na inny skład wsadu unikanie wysokiej koncentracji substancji hamujących Zapewnienie wystarczająco częstego i powolnego mieszania Przy analizie gazu następujące wielkości są wartościami kierunkowymi podczas nadzorowania stabilnego procesu fermentacyjnego: Metan (CH 4 ) 51-54 % Tlen (O 2 ) 0,3-0,5 % Siarkowodór (H 2 S) < 200 ppm Stabilność procesu fermentacyjnego, szczególnie podczas rozruchu, wymaga przeprowadzania analiz wsadu przez wykwalifikowane laboratorium. Dla biogazowni rolniczych obowiązują następujące wartości kierunkowe: wartość ph 7,5 wolne kwasy organiczne (FOS) 2-3 g/l pojemność buforowa (TAC) 8-12 g CaCO 3 /l stosunek FOS/TAC 0,3 stosunek kw. octowego/ kw. propionowego conajmniej 2:1 azot amonowy (NH 4 -N) 1,5-3 g/l Podane wartości nie są wielkościami zadanymi, lecz tylko orientacyjnymi. Zasadniczo w każdym pojedynczym przypadku należy kontrolować, jak procesy biologiczne reagują na zmienione warunki. /Tłumaczenie z jęz. niemieckiego J. Dziwisz/