Szansą dla rolnictwa i środowiska - ogólnopolska kampania edukacyjno-informacyjna Piła Płotki, 10-14 grudnia 2012 r. Szkolenie dla doradców rolnych Przegląd dostępnych technologii biogazowych Dariusz Wiącek Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie
Proces powstawania biogazu fermentacja beztlenowa Hydroliza Kwasogeneza Octogeneza Metanogeneza
Proces powstawania biogazu fermentacja beztlenowa 1. Faza hydrolityczna Rozkład złożonych związków materiału wyjściowego (węglowodany, białka, tłuszcze) na proste związki organiczne (aminokwasy, cukry, kwasy tłuszczowe). Bakterie uczestniczące w tym etapie uwalniają enzymy które powodują rozkład materiału wyjściowego na drodze reakcji biochemicznych. Białka ulegają hydrolizie do aminokwasów, wielocukry do cukrów prostych, tłuszcze do alkoholi i kwasów tłuszczowych. Węglowodany rozpad w przeciągu kilku godzin, Białka, tłuszcze rozpad w przeciągu kilku dni, Celuloza niekompletny, powolny rozkład (miesiące) C 6 H 10 O 4 + 2H 2 O C 6 H 12 O 6 Substrat Produkcja biogazu [dm 3 /kg] Zawartość metanu [%] Zawartość dwutlenku węgla [%] Węglowodany 790 50 50 Tłuszcze 1250 68 32 Białka 700 71 29
Proces powstawania biogazu fermentacja beztlenowa 2. Faza kwasogenna Produkty pośrednie utworzone w procesie hydrolizy rozkładają się przy udziale bakterii na kwasy tłuszczowe (mrówkowy, ctowy, propinowy, masłowy, kapronowy), alkohole (metanol, etanol), aldehydy oraz produkty gazowe - dwutlenek węgla i wodór. Pozostała część przekształcana jest w octany. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 COOH + 2H 2 O 3. Faza octogenna Przekształcanie alkoholi i kwasów tłuszczowych do octanów oraz dwutlenku węgla i wodoru. Wysoka zawartość wodoru szkodzi bakteriom octowym, dlatego muszą one współpracować z bakteriami metanowymi które w ostatnim etapie zwanym,,metanogenezą podczas tworzenia metanu zużywają wodór zapewniając odpowiednie warunki do życia bakterii octowych.
Proces powstawania biogazu fermentacja beztlenowa 4. Faza metanogenna Bakterie metanowe produkują metan. Około 75% metanu generowana jest z octanów lub alkoholi pozostała część powstaje w wyniku redukcji dwutlenku węgla wodorem. 2CH 3 CH 2 OH + 2CO 2 2CH 3 COOH +CH 4 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 CH 3 OH + H 2 O CH4 + H 2 O CO 2 + 4H 2 CH4 + 2H 2 O
Schemat ogólny pozyskiwania i zastosowania biogazu
Parametry wpływające na proces fermentacji metanowej Tlen Temperatura - każdy rodzaj mikroorganizmów (w tym bakterie) potrzebuje optymalnego zakresu do życia. W przypadku podwyższenia lub obniżenia temperatury procesy mogą ulec tymczasowemu lub całkowitemu zahamowaniu. - bakterie psychrofilowe 10 25 o C, bez konieczności podgrzewania podłoża, niska produkcja metanu; - bakterie mezofilowe 32 38 o C, optymalna temperatura wzrostu dla mikroorganizmów metanogennych, przy zachowaniu dobrej stabilności procesu najwyższy poziom uzysku metanu; - bakterie termofilowe 52 55 o C stosowane w przypadku konieczności zastosowania środków higienicznych prowadzących do zabicia bakterii chorobotwórczych.
Parametry wpływające na proces fermentacji metanowej Odczyn ph - bakterie hydrolizujące i kwasotwórcze 4,5 6,3 - bakterie octanogenne i metanogenne 6,8 7,5 - optymalny od 6,5 do 7,5 Składniki odżywcze - odpowiedni stosunek C/N (10-30) - pierwiastki śladowe (żelazo, nikiel, kobalt, selen, molibden) Inhibitory - zbyt duże stężenie substancji składowych substratu, - antybiotyki, środki chwastobójcze, sole, metale ciężkie Mieszanie
Parametry wpływające na proces fermentacji metanowej SKŁADNIKI POKARMOWE mikroorganizmy reagują na błędy żywieniowe podobnie jak zwierzęta. Aby wydajność biogazu była na wysokim poziomie należy dostarczyć odpowiedniej ilości pierwiastków śladowych oraz składników pokarmowych. Właściwe proporcje pomiędzy składnikami C:N = 10-30 zbyt wysoki => brak całkowitej przemiany węgla => niski poziom metanu zbyt niski => powstawanie amoniaku (NH 4 ) => hamowanie wzrostu bakterii C:N:P:S = 600:15:5:1 Odpowiedni zapewnia dostateczny poziom substancji pokarmowych dla bakterii.
Źródła substratów do produkcji biogazu odpady z przemysłu - spożywczego, - mleczarskiego, - cukrowniczego, - mięsnego odpady rolnicze - odchody zwierząt, - odpady z uprawy roślin, - ścinki trawy i odpady ogrodnicze, - resztki jedzenia, - uprawy energetyczne,
Charakterystyka wybranych surowców pod kątem wykorzystania do produkcji biogazu Odpady z hodowli zwierzęcej Odpady poubojowe Rośliny energetyczne i odpady rolnicze Przetwórstwo spożywcze Odpady komunalne Nazwa substratu Zawartość suchej masy w t substratu [% wsadu] Zawartość suchej masy organicznej w zawartości suchej masy [% s. m. o.] Produkcja metanu z 1t [m 3 /t s.m.o.] gnojowica bydlęca 9,5 77,4 222,5 gnojowica świńska 6,6 76,1 301 gnojowica kurza 15,1 75,6 320 gnojowica krów mlecznych 8,5 85,5 154 gnojówka 2,1 60 222,5 osady poflotacyjne z rzeźni 14,6 90,6 680 zawartość żołądków (bydło) 15 84 264 odseparowana tkanka 34,3 49,1 700 słoma 87,5 87 387,5 trawa kiszonka 40,3 83,4 396,6 trawa 11,7 88 587,5 siano 87,8 89,6 417,9 ziemniaki liście 25 79 587,5 kukurydza kiszonka 32,6 90,8 317,6 bób kiszonka 24,1 88,6 291 rzepak kiszonka 50,8 87,6 376,5 burak pastewny 13,5 85 546,6 buraki cukrowe 23 92,5 444 cebula 12,9 94,8 360,3 odpady i resztki owoców 45 61,5 400 odpady i pozostałości warzyw 13,6 80,2 370 melasa 81,7 92,5 301,6 wysłodziny browarnicze 20,5 81,2 545,1 wywar pogorzelniany ziemniaczany 13,6 89,5 387,7 gliceryna 84 91,5 1196 odpady z produkcji oleju 78,8 97 600 serwatka 5,4 86 383,3 odpady z produkcji serów 79,3 94 610,2 odpady piekarnicze 87,7 97,1 403,4 odpady organiczne komunalne 60,3 55 396,8 odpady kuchenne i przeterminowane artykuły 18,9 71,9 530 żywnościowe ścinki roślin i traw (zieleń miejska) 23,2 88,2 489,7
Elementy typowej biogazowni rolniczej Źródło: Poradnik biogazowy 2011
Przykłady biogazowni (Niemcy, Austria)
Przykłady biogazowni w Polsce (Poldanor) Pawłówek Płaszczyca Nacław
Wykorzystanie osadu pofermentacyjnego Osad pofermentacyjny Faza ciekła Faza stała Nawóz płynny Nawóz ekologiczny Pasza Pelety do spalania
Zalety osadu pofermentacyjnego Wysoka zawartość zmineralizowanego N, P, K; Niska agresywność brak związków szkodliwych dla roślin; Brak jaj pasożytów i zarodników chwastów oraz bakterii feklanych; Zmiana właściwości materiałów; Zmniejszenie uciążliwości zapachowej (H 2 S); Ograniczenie emisji NH 3 do atmosfery. Lepsza przyswajalność składników przez rośliny. PEŁNOWARTOŚCIOWY NAWÓZ DO NAWOŻENIA UPRAW POLOWYCH
Produkcja energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą wykorzystania biogazu bezpośrednio w biogazowni. - wykorzystanie na potrzeby procesowe biogazowni, - sprzedaż energii elektrycznej. Nadwyżka ciepła może być sprzedawana lokalnym odbiorcom, natomiast energia elektryczna przekazywana jest w swej zasadniczej części do sieci elektroenergetycznej.
Produkcja energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji Przy obliczaniu produkcji energii w kogeneracji należy uwzględnić następujące parametry: wartość kaloryczną metanu zawartego w biogazie, która mieści się w granicach 10,2-10,9 kwh/m 3 ; z uwagi na fakt, że udział metanu w biogazie wynosi średnio ok. 60%, natomiast wartość kaloryczna biogazu wynosi ok. 6 kwh/m 3 ; sprawność agregatu: - elektryczna: 30-40%, - cieplna: 40-44%, (w zależności od urządzenia i parametrów jego pracy podanych przez producenta); czas pracy agregatu w ciągu roku; 7.500-8.300 h/r, oznacza to dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%, średnio przyjęto 8.000 h pracy urządzenia w ciągu roku (FNR 2005); ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto; całkowita produkcja brutto, pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne (ciepło technologiczne); ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto;
Produkcja energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji Układ do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w Koczale. (Poldanor S.A). Źródło: Poradnik biogazowy 2011
Nakłady inwestycyjne dla biogazowni 0,86 MW el Źródło: Poradnik biogazowy 2011
Typowe przykłady zastosowania biogazu Produkcja energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub specjalnych turbinach Produkcja energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych Produkcja energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych Wtłoczenie uzdatnionego biometanu do sieci gazowej Wykorzystanie biometanu jako paliwa w pojazdach samochodowych Wykorzystanie biogazu w procesch technologicznych, np. w produkcji metanolu
Dziękuję za uwagę