Ź ródła ciepła i energii elektrycznej

Ź ródła ciepła i energii elektrycznej Mikrobiogazownia z ogniwem paliwowym typu SOFC do wysoko sprawnościowej produkcji energii elektrycznej i ciepła Micro biogas plant with SOFC fuel cell for high the efficiency of production of electricity and heat TADEAS OCHODEK, MARCIN MICHALSKI Wstęp Celem artykułu jest zaprezentowanie jednej z alternatywnych metod uzyskania energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł, poprzez wykorzystanie odpadów z hodowli zwierząt i upraw roślinnych. Produkcja biogazu z odpadów następuje w procesie fermentacji w mikrobiogazowniach połączonych z ogniwami paliwowymi typu SOFC, w których zachodzi konwersja energii chemicznej do elektrycznej i ciepła. Artykuł przedstawia koncepcję mikrobiogazowni z opisem poszczególnych elementów oraz wstępnym kosztorysem oraz wadami i zaletami tego typu rozwiązania. Słowa kluczowe: biomasa, fermentacja, biogaz, ogniwo paliwowe, SOFC The aim of this article is to present one of the alternative methods of obtaining electricity and heat from renewable sources using waste from animal breeding and plant crops. Production of biogas followed in the fermentation process in micro biogas plant combined with fuel cells SOFC where conversion takes place from chemical energy into electricity and heat. This article presents the concept of micro biogas plant with descriptions of individual components and preliminary cost estimate and the advantages and disadvantages of this type of solution. Keywords: biomass, fermentation, biogas, fuel cells, SOFC doc. dr ing. Tadeas Ochodek Director of ERC, VŠB-Technical University of Ostrava, Energy Research Centre (ERC), Ostrava- Poruba mgr inż. Marcin Michalski Politechnika Wrocławska Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Zakład Spalania i Detonacji, Wrocław Restrykcyjne akty prawne, wyczerpywanie się źródeł energii konwencjonalnej oraz coraz większe zapotrzebowanie na energię sprawiają, że poszukuje się nowych, alternatywnych rozwiązań z zakresu małej i dużej energetyki. Jednym z nich jest produkcja energii elektrycznej i ciepła z biogazu powstałego na skutek fermentacji odpadów organicznych. Mikrobiogazownie powinny działać głównie przy gospodarstwach rolnych wykorzystując powstałe odpady przy hodowli bydła i trzody chlewnej oraz odpady z upraw rolnych. Wyprodukowana energia elektryczna może być przekazana do wiejskiej sieci niskiego napięcia. Bliskość mikrobiogazowni z zabudowaniami pozwala na lokalne wykorzystanie ciepła odpadowego zarówno na potrzeby produkcji rolniczej i utrzymanie procesu fermentacji, a także na potrzeby bytowe mieszkańców. Poprzez wykorzystanie odpadów rolniczych do produkcji energii oraz masy pofermentacyjnej jako nawozu, mikrobiogazownia jest najbardziej zbliżona do idei biogazowni bezodpadowej, która zamyka obiegi materii i energii [1]. Obecna polityka energetyczna Polski znacząco wspiera budowę biogazowni. Dzieje się tak dlatego, że Polska wstępując do Unii Europejskiej zobowiązała się prowadzić politykę energetyczną, mającą na celu rozwój odnawialnych źródeł energii (OZE). Zobowiązania ekologiczne wobec Unii Europejskiej obejmują cele do 2020 roku [2, 3]: zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych o 20% w stosunku do roku 1990, poprawa efektywności energetycznej o 20%, zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii do 20% całkowitego zużycia energii w UE (w tym zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii w transporcie do 10%). Ponadto powstanie nowych biogazowni wiąże się także z realizacją programu rządowego PEP (Polityka Energetyczna Polski) i do 2020 r. ma powstać 2000 biogazowni o łącznej mocy 980 MW [3]. Programy i strategie rządowe, które wyznaczają krajowe cele dotyczące udziału odnawialnych źródeł energii (OZE) na rok 2020 r., tworzą pole dynamicznego rozwoju sektora biogazu rolniczego w najbliższych 10 latach oraz wzrostu jego udziału w wytwarzaniu zielonej energii w Polsce [1]. Produkcja energii z biogazu jest atrakcyjnym rozwiązaniem, pozwalającym rozwijać energetykę lokalną. Ma to kluczowe znaczenie w czasach, gdy ceny surowców energetycznych bardzo zmieniają się w zależności od sytuacji politycznej panującej na świecie. Ponadto warto zwrócić uwagę, że struktura wytwarzania energii 22 3/2014 www.informacjainstal.com.pl

Rys. 1 Schemat mikrobiogazowi z ogniwem paliwowym typu SOFC Fig. 1 Schema of micro biogas plant with SOFC fuel cell w Polsce oparta jest na tzw. dużej energetyce. Oznacza to, że wszelkie awarie elektrowni są dotkliwie odczuwalne w Krajowym Systemie Energetycznym (KSE) [4]. Ze względu na wytwarzaną moc elektryczną biogazownie dzieli się na [1]: mikrobiogazownie o mocy elektrycznej generatora do 40 kw, małe biogazownie o mocy elektrycznej generatora do 200 kw, średnie biogazownie o mocy elektrycznej generatora do 500 kw, duże biogazownie o mocy elektrycznej generatora powyżej 500 kw. Biogazowniczym liderem w Europie są Niemcy, w których prawie 6 tys. biogazowni wytwarza ponad 80% biogazu rolniczego produkowanego w Unii Europejskiej, 25% z tych instalacji to mikro i małe biogazownie o łącznej mocy zainstalowanej 36 MWel. Do innych krajów wiodących w tej branży należą: Austria, Wielka Brytania i Dania. Ze względu na ogromny potencjał biomasy, również kraje Europy Środkowej takie, jak: Polska, Czechy czy Słowacja mogą być pionierami tej technologii [1]. Już teraz biomasa jest najdynamiczniej rozwijającym się źródłem odnawialnej energii w Europie Centralnej i stanowi ok. 98% produkowanej energii ze źródeł odnawialnych w Polsce [2, 5]. Stosowanym i praktykowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie biogazu w układach CHP (Combined Heat and Power Generation) z silnikiem spalinowym czyli układach skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej. Głównymi elementami układu CHP są: silnik spalinowy gazowy, generator prądu, system wymienników ciepła oraz układ automatycznej regulacji i sterowania. Energia elektryczna wytwarzana jest przez prądnicę agregatową, napędzaną silnikiem spalinowym. Ciepło natomiast pochodzi z procesów spalania w silniku. Ciepło to jest odzyskiwane poprzez wymienniki ciepła, włączone do układu chłodzenia oraz do układu wydechowego silnika. Poprzez system wymienników ciepło przekazywane jest wodzie, która staje się jego nośnikiem. Woda o temperaturze nominalnej: 70 C na wlocie do układu, 90 C na wylocie z układu odbioru ciepła, może być dalej wykorzystana jako źródło ciepła w układzie centralnego ogrzewania lub też wykorzystana do różnego rodzaju procesów technologicznych [6, 7]. Zastosowanie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, pozwala na osiągnięcie całkowitej sprawności układu do 80%. Sprawność pozyskania energii elektrycznej mieści się w granicach 25 33%, zaś dla ciepła jest zwykle wyższa niż 50% [1, 6]. Przedstawiony poniższy projekt opiera się na nowych i przyszłościowych rozwiązaniach, w których układ CHP z silnikiem spalinowym został zastąpiony ogniwem paliwowym typu SOFC. Układ ten pozwala na uzyskanie większej sprawności (45-60% energii elektrycznej, a w kogeneracji do 85%), nie ma elementów ruchomych, przez co nie wytwarza hałasu ani drgań, jest tańszy w eksploatacji oraz emituje znacznie mniej zanieczyszczeń od układów klasycznych [8, 9]. Źródła ciepła i energii elektrycznej Projekt mikrobiogazowni z ogniwem paliwowym SOFC Proponowane rozwiązanie jest przeznaczone dla lokalnych warunków, na zaspokojenie potrzeb w energię elektryczną i ciepło. Koncepcja kierowana jest głównie do gospodarstw rolnych, gdzie istnieje możliwość zagospodarowania obornika, gnojowicy oraz odpadów z upraw. Jednakże proponowane rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w gminach, jako sposób przeróbki odpadów organicznych pochodzących z selektywnej zbiórki odpadów. W przemyśle spożywczym i gastronomicznym, jako utylizacja odpadów przetwórstwa spożywczego, rzeźni, przeterminowanej żywności. Przedstawiona mikrobiogazownia składa się z magazynu odpadów organicznych, komory fermentacyjnej, zbiornika gazu, instalacji oczyszczania gazu, ogniwa paliwowego typu SOFC do produkcji energii elektrycznej i ciepła, zbiornika substancji przefermentowanej oraz układów sterowania i kontroli jakości gazu. Schemat proponowanego rozwiązania przedstawiono na rysunku 1. Wkład do komory fermentacyjnej Odpady nadające się do produkcji biogazu muszą zawierać cukry proste lub złożone, które stanowią pokarm dla bakterii odpowiadających za proces fermentacji. Wkład do komory fermentacyjnej można podzielić ze względu na stan skupienia wsadu [1, 6]: a) odpady stałe: drewno, zrębki, trawy, rośliny okopowe, kolby i łodygi kukurydzy, łęty ziemniaczane, słoma i ziarna (zbóż i rzepaku), odpady z przemysłu rolno-spożywczego, odwodnione osady ściekowe, makulatura, b) ciekłe: obornik, gnojowica, gnojówka. Wsad do komory fermentacyjnej powinien zapewniać wysoką wydajność produkcji biogazu, stabilny przebieg procesu fermentacji oraz możliwość wykorzystania powstałej masy pofermentacyjnej zgodnie z obowiązującym prawem. Praktyka wykazuje, że uzupełnianie odchodów zwierzęcych substratami o większej zawartości suchej masy organicznej oraz wysokiej wartości energetycznej wpływa na wzrost produkcji biogazu. W przypadku małych biogazowni rolniczych zaleca się łączenie odchodów zwierzęcych www.informacjainstal.com.pl 3/2014 23

Ź z roślinami energetycznymi ze względu na brak konieczności higienizacji, która jest niezbędna w przypadku innych odpadów (głównie z przemysłu masarniczego i owocowo-spożywczego), co wiąże się z dodatkowymi kosztami urządzeń do higienizacji. Stosowane mieszaniny kilku substratów nazywane są kofermentacją. Zróżnicowanie substratów sprzyja uzyskaniu lepszych parametrów procesu i zwiększa bezpieczeństwo dostaw surowca. Oprócz korzystnego przebiegu procesu fermentacji użycie odchodów zwierzęcych wpływa na możliwość pozyskania dobrego nawozu naturalnego. Zawartość suchej masy we wsadzie do komory fermentacyjnej decyduje o tym, czy biogaz jest produkowany podczas fermentacji mokrej (do 16% suchej masy rozwiązania standardowe), czy fermentacji suchej (16 35% suchej masy technologia w trakcie rozwoju) [1, 6]. Komora fermentacyjna W komorze fermentacyjnej zachodzą złożone procesy biochemiczne fermentacji beztlenowej. Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste głównie metan i dwutlenek węgla. Tempo rozkładu zależy w głównej mierze od charakterystyki i masy surowca, temperatury oraz optymalnie dobranego czasu trwania procesu. Prawidłowa temperatura fermentacji wynosi 30-35 o C dla bakterii mezofilnych i 45-60 o C dla bakterii termofilnych. W przypadku użycia bakterii termofilnych utrzymanie procesu fermentacji jest możliwe poprzez wykorzystanie ciepła z układu CHP [10, 11]. Przebieg procesu fermentacji można podzielić na cztery fazy: hydrolizę, fazę acydofilną, fazę octanogenną i fazę metanogenną. W każdej z nich uczestniczą inne szczepy bakterii. W procesie fermentacji metanowej uczestniczą bakterie, którym należy stworzyć odpowiednie warunki rozwoju. Dla zapewnienia ciągłego i stabilnego procesu ważne jest zachowanie stałej temperatury w całej objętości zbiornika oraz składu i ilości wsadu [12]. Powstały biogaz jest ok. 20% lżejszy od powietrza, jego ciepło spalania waha się od 22 do 27 MJ/m 3, a wartość opałowa od 20 do 24 MJ/m 3. Jest ona zbliżona do wartości opałowej gazu średniokalorycznego, jednakże znacznie odbiega od wartości charakterystycznej dla gazu ziemnego. Jest to spowodowane różnicami w składzie gazu ziemnego, a biogazu. Co sprawia, że paliwa nie mogą być używane jako zastępcze. Rozwiązaniem tego problemu jest przystosowanie urządzeń do biogazu, albo uszlachetnienie biogazu do biometanolu. Skład chemiczny i porównanie gazów zostało przedstawione w tabeli nr 1 [10, 11, 12]. Czas przebywania bakterii w komorze fermentacyjnej powinien być na tyle długi, aby możliwy był pełny rozkład substancji organicznych, co równocześnie zapobiega wymywaniu bakterii wraz z nieprzetrawionymi przez nie substancjami organicznymi. Z drugiej strony czas ten nie powinien być zbyt długi, ponieważ prowadzi to do przewymiarowania komory fermentacyjnej. Optymalny czas kontaktu bakterii z substancjami odżywczymi oblicza się ze stosunku dopływu substratów do pojemności komory. Nazywa się go hydraulicznym czasem retencji (HRT). Substancje organiczne znacznie różnią się pod względem szybkości rozkładu biochemicznego. Na przykład optymalne HRT dla gnojowicy świńskiej wynosi 15 dni, dla kiszonki kukurydzy 85 dni, a dla ich mieszanki (w proporcji 70:30) 65 dni [1, 11]. Zbiornik biogazu Do przechowywania biogazu służą zbiorniki mokre lub suche. Zbiorniki mokre są instalowane bezpośrednio nad komorą fermentacji, w nich zbierany jest biogaz z bieżącej produkcji. Zbiorniki suche stanowią oddzielne konstrukcje, do których biogaz jest przesyłany z komory fermentacyjnej i przechowywany do momentu odbioru paliwa lub potrzeby wykorzystania do produkcji energii. Zbiorniki na biogaz wytwarza się z tworzyw sztucznych o kształcie balonu lub poduszki. Zbiornik do przechowywania biogazu powinien być wyposażony w następujące elementy: hydrauliczne i elektryczne zabezpieczenia przed występowaniem nagłych różnic ciśnienia, zabezpieczenia konstrukcyjne przed zniszcze- Tab. 1 Porównanie parametrów biogazu z biometanem i gazem ziemnym [10]: Tab. 1 Comparison of parameters: biogas, biomethane and natural gas [10] Tab. 2 Wydajność z procesu fermentacji poszczególnych materiałów wsadowych [11, 17]: Tab. 2 Performance of input materials from the fermentation [11, 17]: materiał ilość biogazu ze świeżej masy [m 3 n/mg] Stężenie metanu w biogazie [%] czas fermentacji HRT [dni] Gnojowica bydła 20-30 60 15 Gnojowica świń 20-35 60-70 15 Obornik drobiowy 280 50-60 25 Kiszonka trawy 170-200 55 75 Kiszonka kukurydzy 170-200 50-55 85 Wysłodki prasowane 60-75 55-60 70 Wytłoki owocowe 250-280 65-70 25 Łuski z cebuli 250 50-60 80 Odpady z kapusty 95 50-60 15 Odpady z warzyw 45 50-60 20 Liście buraków cukrowych 50-65 50-60 15 Słoma pszenicy 250-300 50 78 Słoma rzepakowa 180-220 50-55 75 Trawa (zielonka) 170-200 50-55 25 Koniczyna 200 50-55 28 składnik biogaz biometan gaz ziemny metan 45-70% 94-99,9% 93-98% dwutlenek węgla 25-40% 0,1-4% 1% azot < 3% < 3% 1% tlen < 2% < 1% - wodór śladowy śladowy - siarkowodór < 10 ppm < 10 ppm - amoniak śladowy śladowy - etan - - < 3% propan - - < 2% siloksan śladowy - - Rys. 2 Przykład komory fermentacyjnej wraz z odprowadzeniem biogazu [11] Fig. 2 Example of fermentation chamber with the biogas outlet [11] 24 3/2014 www.informacjainstal.com.pl

niem, dmuchawę (sprężarkę) do transportu biogazu, ciśnieniomierze, licznik do pomiaru strumienia objętości wyprodukowanego biogazu oraz zabezpieczenia bhp i ppoż (m.in. pochodnię do spalania nadwyżek biogazu i przerywacz płomienia) [1, 13]. Instalacja do oczyszczania biogazu Przed wykorzystaniem biogazu do celów energetycznych, powinien on być oczyszczony z domieszek (np. siarkowodoru), które powodują korozję i uszkodzenia rurociągów oraz urządzeń do produkcji energii. Stężenie siarkowodoru w świeżym biogazie może osiągać 3000 ppm, dlatego należy je zredukować do poziomu poniżej 700 ppm, np. poprzez przepuszczanie biogazu przez złoże biologiczne z dodatkiem powietrza lub przez zbiornik wypełniony rudą darniową. Do oczyszczania biogazu wykorzystuje się również kolumny filtracyjne ze związkami żelaza oraz z węglem aktywnym. Natomiast parę wodną można usunąć z biogazu przez zastosowanie odwadniaczy [1]. Źródła ciepła i energii elektrycznej Ogniwo paliwowe typu SOFC Na rynku dostępnych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych. Ze względu na wytwarzaną moc oraz używane paliwo najlepszym rozwiązaniem dla biogazowni jest ogniwo paliwowe typu SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Ogniwa SOFC posiadają membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracują w wysokiej temperaturze od 650 do 1000 o C. Rezultatem wysokiej temperatury reakcji przebiegającej w ogniwie SOFC jest wysoka sprawność w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła nawet do 85%. Ogniwa SOFC charakteryzują się wysoką tolerancją na zanieczyszczenia paliwa (tlenki węgla i siarki), co pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw [14, 24]. Membrana zbudowana jest z materiałów stałych, co powoduje brak części ruchomych w ogniwie. Tego typu rozwiązanie jest bardzo konkurencyjne do obecnie stosowanych silników spalinowych w układach CHP. Poprzez zastosowanie ogniwa SOFC problemy typu: głośna praca urządzenia, drgania i wibracje oraz duże zanieczyszczenie środowiska są eliminowane. Wysoka sprawność produkcji energii elektrycznej wynika z prostoty urządzenia oraz mniejszej liczby konwersji energii zachodzących w poszczególnych urządzeniach, co nie tylko wpływa na podniesienie sprawności elektrycznej, ale również zmniejszenie liczby urządzeń [14]. Ogniwa SOFC są tanie w eksploatacji, posiadają długą żywotność, są praktycznie bezobsługowe oraz odporne na zanieczyszczenia powstałe w czasie pracy [15]. W przypadku zastosowania gazów innych niż wodór, w ogniwie paliwowym następuje proces reformingu. Jest to proces podgrzewania danych związków w celu uzyskania rozpadu i połączenia z katalizatorem (w omawianym przypadku parą wodną) w celu uzyskania paliwa o wyższym cieple spalania (w omawianym przypadku wodór). W przypadku metanu procesy chemiczne podczas reformingu przebiegają według reakcji: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2. Następnie, z gazu syntezowego w konwertorze (złożonego z tlenku węgla i wodoru), w wyniku reakcji tlenku węgla z parą wodną powstaje dwutlenek węgla oraz wodór. Reakcja ta nosi nazwę reakcji przesunięcia (shift reaction): CO + H 2 O CO 2 + H 2. Kolejnym krokiem pracy ogniwa jest wykorzystanie wodoru do produkcji energii, na skutek reakcji na katodzie O 2 + 2e 2O 2 i anodzie H 2 + O 2 H 2 O + 2e ogniwa SOFC powstaje energia elektryczna oraz ciepło. [14, 15, 16]. Wykorzystanie wyprodukowanej energii Małe i mikrobiogazownie rolnicze można podłączyć do infrastruktury SN (średniego napięcia) lub NN (niskiego napięcia). Linie średniego napięcia są doprowadzone do wiejskich stacji transformatorowych, które stanowią punkty zasilania sieci niskiego napięcia. Biogazownia do mocy 40 kwel może być przyłączona do sieci niskiego napięcia, pod warunkiem, że zlokalizowana jest ona w niewielkiej odległości od stacji transformatorowej SN/NN. Biogazownia musi być wyposażona w odpowiednie urządzenia do współpracy z siecią, aby zapewnić odpowiednie parametry przesyłanego prądu. Obecnie rozważa się produkcję energii elektrycznej z biogazu do sieci wydzielonej (mikrosieci) jako alternatywne zabezpieczenie przed awariami sieci wiejskich i przerwami w dostawach prądu. Wyprodukowane ciepło, może być wykorzystane w lokalnym systemie grzewczym, jako nośnik dla centralnego ogrzewania i ciepłej wody. W przypadku fermentacji wysokotemperaturowej, wyprodukowane ciepło służy do podtrzymania procesu (zapotrzebowanie ok. 20-30% wyprodukowanego ciepła) [1]. Materiał po procesie fermentacji Powstały materiał po procesie fermentacji nazywany jest masą pofermentacyjną i nadaje się doskonale jako nawóz. Masa pofermentacyjna może być wykorzystywana tylko w określonych przez ustawodawcę terminach. Istnieje zakaz wylewania/ rozrzucania jej na pola od 30 listopada do 1 marca. Trzeba zatem magazynować ją w zbiornikach lub lagunach. W tym celu Tab. 3 Podstawowe dane techniczne agregatu kogeneracyjnego HE-EC-64/93-MG64-B [18]: Tab. 3 Basic technical specifications of HE-EC-64/93-MG64-B cogeneration unit [18]: Układ CHP HE-EC-64/93-MG64-B obciążenie,% obciążenie,% 100 sprawność % 75 sprawność % moc elektryczna 64,3 kw 35,94 48,2 kw 35,22 moc ciepłownicza 93 kw 51,96 75 kw 54,74 zużycie paliwa 30 m 3 n/godz 23 m 3 n/godz Rys. 3 Schemat wytwarzania energii elektrycznej w układach klasycznych i ogniwach paliwowych [14] Fig. 3 Schema of electricity generation in conventional systems and fuel cells [14] Rys. 4 Uproszczony schemat pracy ogniwa typu SOFC [14] Fig. 4 Simplified schema of SOFC fuel cells [14] www.informacjainstal.com.pl 3/2014 25

Ź stosuje się zbiorniki żelbetowe lub laguny (zbiorniki ziemne wyłożone membraną). Należy pamiętać, że w masie pofermentacyjnej nadal zachodzą procesy fermentacji, ale już w znacznie mniejszym stopniu, jednakże podczas magazynowania odpadu warto zadbać o szczelność zbiornika i dodatkowe odprowadzenie powstałego gazu, co może zwiększyć produkcję biogazu o ok. 3-4 %. Wówczas zbiorniki na masę przefermentowaną noszą nazwę komór wtórnej fermentacji [1]. Porównanie ogniwa paliwowego SOFC z klasycznym układem CHP W celu pokazania korzyści wynikających z zastosowania ogniwa paliwowego typu SOFC w biogazowniach, przeprowadzono analizę ze względu na koszty urządzeń oraz sprzedaż wyprodukowanej energii. W tym celu przyjęto obiekt referencyjny mikrobiogazownię na odpady rolnicze o mocy elektrycznej 40 kw. Do porównania przyjęto agregat kogeneracyjny (silnik spalinowy połączony z prądnicą) HE-EC-64/93-MG64-B (parametry urządzenia przedstawiono w tab. 3) oraz układ ogniw paliwowych SOFC IKTS CFY 30 layer (parametry urządzenia przedstawiono w tab. 4) [18, 19]. Do obliczeń wyprodukowanej mocy przyjęto biogaz, o zawartości metanu na poziomie 60% i wartości opałowej 21 528 kj/m 3 n. Przyjmując sprawności urządzeń podanych przez producentów oszacowano ilość energii jaką można wyprodukować z biogazu oraz koszty sprzedaży energii. Do obliczeń przyjęto średnią ilość biogazu o wartości 300000 m 3 n (możliwość uzyskania 6458,4 GJ) czyli taką jaką jest w stanie wyprodukować i wykorzystać mikrobiogazownia rolnicza o mocy elektrycznej 40 kw [18, 20]. Wyniki analizy zostały zestawione w tabeli 5. Wykorzystując ogniwo paliwowe SOFC uzyskuje się ok. 50% więcej energii elektrycznej, niż z klasycznego układu CHP, przy wyprodukowaniu o ok. 30% mniej ciepła. Co wynika z lepszej konwersji energii zawartej w paliwie. Ilość wyprodukowanej energii bezpośrednio wpływa na zysk z jej sprzedaży. W powyższej analizie przyjęto założenie całkowitej sprzedaży energii elektrycznej i ciepła. W rzeczywistych układach część energii jest wykorzystywana do potrzeb własnych biogazowni. Warto również wziąć pod uwagę, że sprzedaż ciepła nie jest taka prosta. Wynika to z okresów grzewczych oraz odległości źródła ciepła od potencjalnych klientów. Natomiast sprzedaż energii elektrycznej może następować przez cały rok. Porównując oba urządzenia nie można pominąć kosztów inwestycyjnych. W przypadku agregatów CHP o mocy ok. 40kW ceny na polskim rynku w zależności od producenta i sprawności urządzeń są w zakresie 100 000 50 000 zł [21]. Ogniwa typu SOFC, nie są produkowane w Polsce, jednakże można je kupić w Europie. Obecnie cena panelu ogniw o łącznej mocy ok. 40kW wynosi ok. 300 000 zł. Jeszcze kilka lat temu ceny ogniw SOFC wynosiły ok. 1 000 000 zł, co świadczy o ciągłym rozwoju technologii i poszukiwaniu nowych rozwiązań, głównie z zakresu wykorzystywanych materiałów do produkcji. Już dziś wielu producentów mówi o zmniejszeniu ceny o ok. 30%. W takim przypadku ceny ogniw paliowych typu SOFC będą bardzo konkurencyjne dla klasycznych agregatów CHP. Analizując zysk ze sprzedaży energii dla obiektu referencyjnego (ok. 30 000 zł/rok), koszty inwestycyjne ogniwa paliwowego powinny ulec zwrotowi w przeciągu 10 lat [22, 23, 24]. Opłacalność inwestycji oraz podsumowanie Koszt budowy biogazowi o mocy do 40 kwel z ogniwem typu SOFC to koszt ok. 1 mln złotych, gdzie ok. 30% nakładów stanowią koszty zakupu ogniwa paliwowego SOFC. Roczne koszty utrzymania pracy biogazowni to przede wszystkim zakup materiału wsadowego (np. koszt kiszonki kukurydzy 100zł/Mg, gnojowicy 25 zł/mg). Kolejny element to koszty transportu materiału wsadowego, które są zależne od lokalizacji biogazowni. W przypadku posiadania własnych materiałów wsadowych, koszty ulegają znacznej minimalizacji. Trzeba wziąć jeszcze pod uwagę koszty związane z naprawami i konserwacjami urządzeń w biogazowi. Tab. 4 Podstawowe dane techniczne ogniwa paliwowego SOFC IKTS CFY 30 layer [19]: Tab. 4 Basic technical specifications of SOFC IKTS CFY 30 layer fuel cell [19]: Ogniwo paliwowe SOFC IKTS CFY 30 layer moc pojedynczego ogniwa 0.75 kw stosunek powietrza do paliwa 1:10 warstwa CFY 30 layer utylizacja biogazu 75% sprawność elektryczna 53% sprawność cieplna 42% Tab. 5 Analiza produkcji energii elektrycznej i ciepła wraz z zyskiem z ich sprzedaży: Tab. 5 Analysis of the production of electricity and heat along with the profit from their sales: Wyprodukowana ilość energii z biogazu urządzenie CHP SOFC sprawność elektryczna, % 35 53 różnica w ilości wyprodukowanej energii (SOFC CHP), GJ sprawność cieplna, % 55 42 energia elektryczna, GJ 2260 3423 1163 ciepło, GJ 3552 2713-840 Sprzedaż wytworzonej energii urządzenie CHP SOFC różnica ze sprzedaży (SOFC CHP), zł zysk ze sprzedaży en. elektrycznej, zł * 122641 185714 63073 zysk ze sprzedaży ciepła, zł * 137041 104649-32392 zysk (SOFC), zł 30681 *Przyjęto cenę 195320 zł/gwh za energię elektryczną oraz 38,58 zł/gj za energię cieplną Rys. 5 Graficzne przedstawienie wyprodukowanej energii i zysku ze sprzedaży Fig. 5 Graphical representation of the energy produced and the profit from sales 26 3/2014 www.informacjainstal.com.pl

Kosztami są także podatki dochodowe oraz gruntowe jak i opłaty związane z ubezpieczeniami. W przypadku dużych instalacji bierze się również pod uwagę koszty utrzymania personelu oraz księgowości [1]. Przychody z biogazowni skupiają się głównie na dwóch aspektach. Sprzedaży energii oraz nawozu. Średnia cena sprzedaży energii elektrycznej na rynku w IV kwartale 2013 roku wynosiła 195,84 zł/mwh, natomiast średnia cena ciepła z OZE 38,58 zł/ GJ. Cena sprzedaży nawozu ok. 20-25 zł/mg (zależnie od zawartości azotu, fosforu i potasu). Dodatkowo można uzyskać przychód sprzedając tak zwane zielone świadectwa (za produkcję energii z OZE). Podsumowując mikrobiogazownie są doskonałym rozwiązaniem dla gospodarstw rolnych, które produkują znaczne ilości odpadów z hodowli zwierząt i upraw roślinnych. W ten sposób istnieje możliwość utylizacji odpadów, uzyskując przy tym energię elektryczną i ciepło oraz nawóz naturalny. Wadami instalacji jest nierówna produkcja biogazu związana ze zróżnicowanymi właściwościami i dostępną ilością materiału wsadowego oraz duże zapotrzebowanie na powierzchnię, gdzie jest składowany wsad fermentacyjny oraz pofermentacyjny. Dla wielu rolników problem stanowią także koszty budowy biogazowni, których zwrot następuje po kilku latach. LITERATURA Źródła ciepła i energii elektrycznej [1] Curkowski A., Oniszk Popławska A., Wiśniewski G., Zowsik M., Mała biogazownia rolnicza z lokalnym zagospodarowaniem ciepła odpadowego i masy pofermentacyjnej Broszura wydana w ramach projektu Z energetyką przyjazną środowisku za pan brat, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa 2011 [2] Ministerstwo Gospodarki, Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, Warszawa, 10 listopada 2009 r. [3] Rejestr ARR z 20.05.2013r [4] Michalski M., Sawicka D., Wpływ zmiany paliwa na pracę kotła na węgiel kamienny typu OP-140, Instal, 2/2013 s. 11-16. [5] Ministerstwo Środowiska, Strategia rozwoju energetyki odnawialnej, Warszawa, wrzesień 2000 r. [6] Maciąg K. Urządzenia dla biogazowni dobór w oparciu o doświadczenie Bydgoszcz, 19 czerwca 2013 [7] http://horus-energia.pl/hed/form/r173,dok.html, grudzień 2013 [8] Adamowicz K. i in., Zastosowanie ceramicznych przewodników jonowych do budowy urządzeń elektrochemicznych, Krakowska Konferencja Młodych Uczonych, 2009 [9] http://www.ogniwa-paliwowe.info/sofc.php, grudzień 2013 [10] Lechwacka M. Uszlachetnianie biogazu do jakości gazu ziemnego Poleko 26.11.2009 [11] www.ekologeoteka.mom.pl, maj 2010 [12] Polska Energetyka Odnawialna S.A. http://www.peosa.pl, grudzień 2013 [13] Maciąg K. Urządzenia dla biogazowni dobór w oparciu o doświadczenie Bydgoszcz, 19 czerwca 2013 [14] I-sze Polskie Forum Ogniwa Paliwowe i Technologie Wodorowe Szkoła Letnia Polskiego Stowarzyszenia Wodoru i Ogniw Paliwowych ZAKOPANE 5-7 wrzesień 2007 r. [15] Pawlak-Kruczek H. materiały z wykładów Ogniwa paliwowe i produkcja wodoru, Wrocław 2013 [16] www.hydrogen.edu.pl, grudzień 2013 [17] Kostrzewa M. Biogazownie rolnicze Nawaro Czysta Energia 5/2008, Poznań 2008 [18] HORUS-ENERGIA Katalog i specyfikacja produktów, materiały reklamowe, Sulejówek 11.2011 [19] FRAUNHOFER IKTS BIOGAS-SOFC-SYSTEM, broszura informacyjna, Dresden 2012 [20] http://www.biogazownie.fwie.pl/index.php/dobre-praktyki/23-biogazownia-w-studzionce, grudzień 2013 [21] Gappa PPH Katalog produktów, Pierzchnica 2013 [22] http://www.technologyreview.com/news/518516/an-inexpensive-fuel-cell-generator/, grudzień 2013 [23] http://www.treehugger.com/clean-technology/new-fuel-cell-technology-could-cost-one-tenth-price-bloom.html, grudzień 2013 [24] Jewulski J., Kupecki J., Błesznowski M., Postępy w rozwoju układów μ-chp z ogniwami paliwowymi, Instal 1/2014 s. 11-15 [25] www.ure.gov.pl,marzec 2014 Artykuł powstał podczas współpracy w ramach programu LLP/Erasmus, między Politechniką Wrocławską, a VŠB w Ostrawie. 27