Tomasz Bacza ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIE BIOGAZU 1. Wstęp Coraz ważniejszą alternatywą dla energetyki opartej na paliwach takich jak węglowodory czy węgiel jest energetyka pochodząca ze źródeł odnawialnych (OZE - Odnawialne Źródła Energii). W Polsce ze źródeł odnawialnych pochodzi zaledwie 2,5% energii, choć jest to i tak dwa razy więcej, niż prognozowano to jeszcze 3-5 lat temu. W krajach Unii Europejskiej udział energetyki odnawialnej sięga 6% i w różnych krajach różnie to wygląda. Od Szwecji czy Austrii, gdzie energetyka ze źródeł odnawialnych stanowi około 25% wykorzystywanych zasobów, po Niemcy czy Holandię, gdzie źródła odnawialne nie osiągają nawet 2% udziału. Rząd przyjął "Strategię rozwoju energetyki odnawialnej", która określa, iż w ciągu najbliższych kilkunastu lat energetyka oparta na odnawialnych źródłach energii stanie się ważnym składnikiem bilansu energetycznego. Szacuje się, że do roku 2020 udział OZE sięgnie 14%. Unia Europejska w Białej Księdze nałożyła na kraje kandydujące do tej organizacji obowiązek osiągnięcia w 2010 roku 12-procentowego udziału OZE w bilansie energetycznym kraju. Nie można przecenić znaczenia przyjętej przez rząd "Strategii rozwoju energetyki odnawialnej, jej realizacja pozwoli nie tylko na zwiększenie udziału OZE w bilansie energetycznym, ale również na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 18 mln ton rocznie oraz stworzy dodatkowo 30-40 tys. miejsc pracy. Biomasa stanowi największą nadzieję do wykorzystania jej jako paliwa i też ponad 98% energii ze źródeł odnawialnych pochodzi właśnie z biomasy. Są to zarówno gazy pochodzące z procesów fermentacyjnych na składowiskach odpadów czy pochodzące z fermentacji metanowej odchodów, jak i wierzby hodowane z przeznaczeniem na spalanie, olej rzepakowy, alkohol czy słoma. Powstający w taki sposób tzw. gaz generatorowy może być spalany w silnikach tłokowych lub w turbinach gazowych. W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ponad 700 składowisk odpadów. Na większości z nich nie ma kontroli emisji gazów wysypiskowych. Około 100 dużych składowisk odpadów komunalnych nadaje się bardzo dobrze do zorganizowanego odzysku gazów wysypiskowych. Już dzisiaj łączna moc instalacji wytwarzających energię z wykorzystaniem gazu wysypiskowego daje 5,44 MW energii elektrycznej oraz 3,5 MW energii cieplnej. Dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie biogazu pochodzącego z oczyszczalni ścieków. W Polsce od 1994 roku zainstalowano 30 biogazowni, a ich całkowita moc wynosi 14,5 MW energii elektrycznej oraz 24,4 MW energii cieplnej. Potencjalne możliwości energetyki opartej na biopaliwach wynoszą w skali roku blisko 900 PJ, a wykorzystywane jest nieco ponad 100 PJ. 2. Biogaz Biogaz nadający się do celów energetycznych może powstawać w procesie fermentacji beztlenowej Strona 1 z 8
odpadów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych, osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków, odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci. Fermentacja beztlenowa jest złożonym procesem biochemicznym zachodzącym w warunkach beztlenowych. Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste - głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej jest zamienione w biogaz. Biogaz składa się głównie z: metanu (CH 4 ) - 55-70%, dwutlenku węgla (CO 2 ) - 32-37%, azotu (N 2 ) - 20,2-0,4% siarkowodoru (H 2 S) - 60mg/m 3 przed odsiarczaniem i poniżej 0,1mg/m 3 po wykonaniu tego zabiegu. Tempo rozkładu zależy w głównej mierze od charakterystyki i masy surowca, temperatury oraz optymalnie dobranego czasu trwania procesu. Aktualne techniczne możliwości wykorzystania energii zawartej w biogazie są następujące: produkcja energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach, produkcja energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych, produkcja energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych (kogeneracji), dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej, wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych/pojazdów, wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu. Wykorzystanie powstałego w procesie fermentacji beztlenowej biogazu jako wysokoefektywnego paliwa do wytwarzania energii cieplnej wymaga linii technologicznej umożliwiającej: Odbiór biogazu z komór fermentacyjnych, Oczyszczenie mechaniczne i odsiarczanie biogazu, Magazynowanie biogazu w zbiornikach stabilizujących ciśnienie, Osuszanie biogazu poprzez odwadnianie kondensatów pary wodnej, Osuszanie końcowe biogazu z zanieczyszczeń mechanicznych na wysoko sprawnych filtrach przepływowych, Spalanie biogazu robocze (silnik, piec), Spalanie biogazu awaryjne (pochodnia). Spalanie biogazu w silnikach gazowych z zapłonem iskrowym zespołów prądotwórczych umożliwia wykorzystanie energii zawartej w biogazie do wytwarzania energii elektrycznej, a niezależnie od tego energii cieplnej uzyskiwanej wtórnie w postaci np. wody gorącej o parametrach 90/70 0C. Możliwości zagospodarowania energii są nieograniczone, od pokrycia potrzeb własnych oczyszczalni po sprzedaż do zakładu energetycznego. Praca agregatów możliwa jest ze zmiennym obciążeniem w zależności od aktualnej produkcji biogazu, utrzymując minimalną wartość ciśnienia biogazu przed silnikami. Proces jest możliwy do prowadzenia w układzie automatyki, jak również ze sterowaniem ręcznym. Strona 2 z 8
3. Oczyszczalnia Tychy - Urbanowice Produkcja i wykorzystanie biogazu w chwili obecnej: Przy wysokim uwodnieniu osadów oraz źle funkcjonującym mieszaniu objętości ZKF produkcja biogazu była niska i wynosiła około 1500 m3/d. Niska ilość gazu i niestabilność procesu fermentacji powodowała, że gaz ledwie pokrywał potrzeby procesu fermentacji. Po uruchomieniu zgęszczacza mechanicznego wzrosła do około 2500 m3/d. Biogaz jest spalany w kotłach oryginalnie przystosowanych do opalania koksem, które po zastosowaniu nadmuchowych palników gazowych nie uzyskują wysokich sprawności cieplnych. Aktualnie oczyszczalnia nie dysponuje innym sposobem jak spalenie nadmiarowego gazu w pochodni. W okresie letnim, przy obniżonym zapotrzebowaniu na energię cieplną problem ten staje się szczególnie dotkliwy. W obecnych czasach problem racjonalnego zagospodarowania biogazu nabiera szczególnej wagi. Założenia III etapu modernizacji oczyszczalni w zakresie wykorzystania biogazu: Odsiarczalnia biogazu Biogaz produkowany w zamkniętych komorach fermentacyjnych zbierany jest do wspólnego kolektora a następnie po odwodnieniu w odwadniaczu kierowany jest do reaktorów odsiarczania. Odsiarczanie prowadzi się przy użyciu rudy darniowej w cylindrycznych absorberach o średnicy 2 m i wysokości 4 m. Układ technologiczny składa się z trzech równolegle włączonych absorberów. Wypełnienie reaktora odsiarczania powinno być kontrolowane z częstotliwością minimum raz w miesiącu a zużyty tlenek żelaza należy okresowo usuwać i podawać regeneracji. Magazynowanie biogazu Po odwodnieniu i odsiarczeniu biogaz jest wprowadzany do elastycznego dwupowłokowego zbiornika magazynowego o pojemności 1720 m 3. Magazynowanie biogazu ma miejsce w wewnętrznej powłoce. Do przestrzeni między powłokowej wtłaczane jest wentylatorem powietrze, ciśnienie w tej strefie tłoczy biogaz z wewnętrznej powłoki do odbiorników. Zbiornik zabezpiecza zmagazynowanie 6 godzinnej produkcji biogazu. Bioelektrociepłownia W zmodernizowanej technologii oczyszczalni w Tychach - Urbanowicach przewidywane jest wykorzystanie biogazu do skojarzonego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. Biogaz kierowany jest pod ciśnieniem wytwarzanym w zbiorniku gazu do silników sprzężonych generatorami energii elektrycznej. Gaz przed zasilaniem silników oczyszczany jest w filtrze ceramicznym. Ciepło odbierane z układu chłodzenia silnika oraz spalin przekazywane jest strumienia wody obiegowej układu grzewczego komór fermentacyjnych i CO oczyszczalni. Łączna sprawność energetyczna wykorzystania biogazu wynosi 82-90 % z czego na produkcję energii Strona 3 z 8
elektrycznej przypada około 35%. Przy docelowej produkcji biogazu na poziomie 5500 m 3 /d możliwe jest uzyskanie około 500kW energii elektrycznej i około 800 KW energii cieplnej. Według szacunkowych kosztów, zgodnie z projektem budowlanym wartość prac związanych z zagospodarowaniem biogazu wynosi ok. 3 mln zł w zakresie prac na oczyszczalni. W celu jak najlepszej organizacji przedsięwzięcia, efektywności inwestycji planuje się łączne zagospodarowanie biogazu pochodzącego z oczyszczalni i przyległego składowiska odpadów komunalnych. Aktualna produkcja biogazu na oczyszczalni Tychy - Urbanowicach wynosi ~ 2500 m 3 /d. Produkowany biogaz jest wykorzystywany w niewielkim zakresie do produkcji energii cieplnej, która następnie wykorzystywana jest do ogrzewania komór fermentacyjnych i budynków oczyszczalni. Docelowa produkcja biogazu po wybudowaniu nowego WKF w roku 2005 będzie wynosić ~ 5500 m 3 /d. Z biogazu o wartości opałowej 6 kwh/m 3 można wyprodukować ~ 2,1 kwh energii elektrycznej i 3,4 kwh energii cieplnej, (czyli proporcjonalnie 35 % i 53 % całkowitej ilości energii biogazu, pozostała reszta to starty). Strona 4 z 8
Rysunek 1. Schemat instalacji biogazu - aktualny Strona 5 z 8
Rysunek 2. Schemat instalacji biogazu - docelowy Produkcja i skład biogazu z Oczyszczalni Ścieków w Tychach - Urbanowicach: PLANOWANA PRODUKCJA BIOGAZU LATA WARTOŚĆ 2002-2004 2500 2005 i dalej 5500 SKŁAD BIOGAZU SUBSTANCJA WARTOŚĆ CH 4 [%] 62,8 CO 2 [%] 35,2 Ho [MJ/m 3 ] 22,50 Strona 6 z 8
Produkcja i skład biogazu ze Składowiska Odpadów Komunalnych Tychy - Urbanowice: PLANOWANA PRODUKCJA BIOGAZU LATA WARTOŚĆ 2002-2005 2300 SKŁAD BIOGAZU SUBSTANCJA WARTOŚĆ CH 4 [%] 54,0 CO 2 [%] 33,0 Ho [MJ/m 3 ] 19,8 4. Uproszczona analiza ekonomiczna przedsięwzięcia Szacunkowe nakłady inwestycyjne wynoszą: OBIEKT Nakład [tys. PLN] CZĘŚĆ BIOGAZOWA Odsiarczalnia 220 Pochodnia biogazowa 120 Filtr ceramiczny 15 Armatura, osprzęt 190 CZĘŚĆ ELEKTRYCZNA Linie zasilające 110 Dostosowanie stacji głównej 20 kv 50 Blok elektro - ciepłowniczy (ok. 300 kwee + 500 kwec 2200 zużycie max 183 m 3 /h) 2 szt. + osprzęt SUMA = 2905 Strona 7 z 8
Wykres 1. Przychody roczne ze sprzedaży energii elektrycznej i oszczędności energii cieplnej. 5. Podsumowanie Podjęcie przez Regionalne Centrum Gospodarki Wodno - Ściekowej S.A. przedsięwzięcia inwestycyjnego jest uzasadnione wówczas, kiedy wartość otrzymanych z niego dochodów jest większa od zaangażowanych w nie środków finansowych. Jak przedstawiono w obliczeniach w przypadku samodzielnego inwestowania przez RCGW S.A. zwrot nakładów nastąpi w 4 roku inwestycji, jednak wiąże się on ze znacznymi nakładami w ciągu pierwszych 3 lat inwestycji. Strona 8 z 8