Zielone prądy w edukacji II edycja Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej, Oddział Krakowski dr inż. Katarzyna Grzesik Zakład Kształtowania i Ochrony Środowiska, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Grzesik K.: Wykorzystanie biogazu jako źródła energii. Zielone prądy w edukacji II edycja. Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej. Oddział Krakowski. Kraków, 2006. Wykorzystanie biogazu jako źródła energii 1. Wprowadzenie Pierwsze próby otrzymywania i wykorzystania biogazu były podejmowane już około 1920 roku, kiedy prof. Karl Imhoff, zbudował w Essen (Niemcy) beztlenowy zbiornik do przetwarzania osadu nadmiernego. Podczas II wojny światowej prof. Imhoff opracował koncepcję biogazowni opartej o odchody zwierzęce. W latach 50 tych w Niemczech zostało wybudowanych kilka biogazowni rolniczych [1]. Jednakże technologia wykorzystania biogazu nie odniosła sukcesu, ze względu na panującą tendencję budowania wielkich elektrowni i wykorzystania tanich podstawowych źródeł energii: węgla i ropy. Obecnie wrasta zainteresowanie biogazem na całym świecie. Tendencja ta spowodowana jest zarówno aspektami środowiskowymi: redukcją emisji gazów cieplarnianych, wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii oraz ekonomicznymi: tradycyjne źródła energii - węgiel i ropa naftowa stają się coraz droższe. Wzrost zainteresowania wykorzystaniem biogazu przejawia się m.in. w liczbie instalacji. W Indiach pracuje około 7 mln przydomowych biogazowni, a w Europie budowanych jest coraz więcej dużych biogazowni o mocy 300 2 000 kw. 2. Udział energii z biogazu w energetycznym bilansie Polski W roku 2004 wytworzono w Polsce 154 102,1 GWh, z czego tylko 1,88% tj. 2893,9 GWh pochodziło ze źródeł energii odnawialnej (OZE). Dominującym sposobem produkcji energii elektrycznej w Polsce jest nadal spalanie węgla kamiennego - ponad 60% energii oraz brunatnego niemal 34 % energii [2]. Na rys. 1 przedstawiono procentowy udział różnych źródeł energii w całkowitej produkcji energii elektrycznej w Polsce w roku 2004.
22 K.Grzesik Węgiel kamienny 93586,4 GWh 60,73% Węgiel brunatny 52159,3 GWh 33,85% Gaz 3853,4 GWh 2,50% wodne szczytowo - pompowe 1609 GWh 1,04% OZE 2893,9 GWh 1,88% Rys. 1. Produkcja energii elektrycznej w Polsce w 2004 r. [2] Największy udział w produkcji energii ze źródeł odnawialnych mają przepływowe elektrownie wodne - około 72%. Produkcja energii z biomasy daje około 20% energii pochodzącej z odnawialnych źródeł energii. Udział energii z biogazu w OZE wynosi niewiele ponad 2% [2]. Na rysunku 2 przedstawiono udział różnych źródeł w produkcji energii odnawialnej. El. wodne przepływowe 2081,4 GWh 71,92% Wiatr 142,3 GWh 4,92% Biogaz 66,4 GWh 2,29% Biomasa 603,8 GWh 20,86% Rys. 2. Produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w Polsce w 2004 r. [2]
Wykorzystanie biogazu jako źródła energii 23 W roku 2004 funkcjonowało 55 koncesjonowanych instalacji wykorzystujących biogaz do produkcji energii elektrycznej, o łącznej mocy 25,57 MW [2]. W tab. 1 zestawiono liczbę instalacji odnawialnych źródeł energii wraz z podaniem ich mocy. Cena energii uzyskiwanej z biogazu w 2004 r. kształtowała się na poziomie 245 zł/mwh i była podobna do cen energii z innych źródeł odnawialnych. Najniższe koszty produkcji energii wykazują elektrownie wodne przepływowe 160 zł /MWh [2]. W tab. 2 zestawiono ceny energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Tab.1. Koncesjonowane instalacje energii odnawialnej w 2004 r. [2] Rodzaj źródła OZE Moc zainstalowana [MW] Liczba instalacji Elektrownie wodne 1005,45 645 Elektrownie wiatrowe 60,13 42 Elektrownie biogazowe 25,57 55 Elektrownie na biomasę 205,29 5 Tab.2. Ceny energii elektrycznej uzyskiwanej z odnawialnych źródeł energii w 2004 r. [2]. Rodzaj źródła OZE Cena w zł/mwh Elektrownie wodne 160,41 Elektrownie wiatrowe 244,34 Elektrownie biogazowe 245,82 Elektrownie na biomasę 258,77 Ogniwa fotowoltaiczne 234,93 3. Powstawanie i właściwości biogazu Biogaz jest produktem rozkładu materii organicznej - fermentacji metanowej. Fermentacja metanowa stanowi zespół beztlenowych procesów biochemicznych, w których wielkocząsteczkowe substancje organiczne: węglowodany, białka i tłuszcze ulegają rozkładowi do alkoholi lub niższych kwasów organicznych oraz do metanu, dwutlenku węgla i wody [3]. W procesie fermentacji metanowej wyróżnia się cztery następujące po sobie fazy [1, 3]: - Faza I - hydroliza, w której enzymy bakterii hydrolitycznych rozkładają substancje organiczne do substancji prostych: aminokwasów, kwasów tłuszczowych i glicerolu oraz monosacharydów. - Faza II fermentacja kwaśna (acidogeneza) - bakterie fermentatywne metabolizują produkty hydrolizy do lotnych kwasów tłuszczowych, etanolu i produktów gazowych. Tworzący się gaz zawiera ok. 80% dwutlenku węgla i 20% wodoru. - Faza III - octanogenezy - grupa bakterii octanogennych rozkłada lotne kwasy tłuszczowe do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru. - Faza IV metanogenezy, w czasie której następuje przemiana kwasu octowego do metanu i dwutlenku węgla. Produkty te powstają również w wyniku redukcji dwutlenku węgla w reakcji z wodorem, z udziałem niektórych szczepów bakterii metanogennych. 23
24 K.Grzesik Końcowy produkt beztlenowego rozkładu materii organicznej stanowi biogaz oraz osady. Głównym składnikiem biogazu jest metan (do 60-75%), dwutlenek węgla (do 50%) oraz w znacznie mniejszych ilościach: siarkowodór, azot, wodór, azot, merkaptany [1, 3, 4]. Skład procentowy biogazu przedstawiono w tab. 3. W osadach znajdują się związki trudno bądź nierozkładalne przez bakterie anaerobowe i biomasa bakteryjna. Tab. 3. Skład procentowy biogazu [1, 4]. Składnik biogazu Procentowa zawartość Metan (CH4) 50-75 Dwutlenek węgla (CO2) 25-50 Woda (H2O) 2-7 Siarkowodór (H2S) 0 2 Azot 0-2 Wodór 0-1 Tlen 0-1 Merkaptany, składniki śladowe 0-1 Biogaz z uwagi na znaczną zawartość metanu odznacza się wysoką wartością opałową, rzędu 15 000 20 500 kj/m 3, i powinien być wykorzystywany w celach energetycznych. 4. Możliwości wykorzystania biogazu Biogaz do celów energetycznych pozyskuje się zazwyczaj w trzech typach instalacji: - biogazowniach rolniczych, gdzie substratami do produkcji biogazu są odchody, zwierzęce: gnojowica, obornik oraz pozostałości zbiorów roślin: zbóż, warzyw, itd. - komorach fermentacyjnych osadów ściekowych w komunalnych oczyszczalniach ścieków, - instalacjach odgazowania składowisk odpadów komunalnych. Wytworzony biogaz można wykorzystywać wielorako [5]: - do produkcji energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach, - do produkcji energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych, - do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych, - dostarczać do sieci gazowej, - jako paliwo do silników trakcyjnych lub pojazdów, - w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.
Wykorzystanie biogazu jako źródła energii 25 Spalanie biogazu w silnikach zespołów prądotwórczych umożliwia wykorzystanie energii zawartej w biogazie do wytwarzania energii elektrycznej, a niezależnie od tego energii cieplnej uzyskiwanej postaci gorącej wody o temperaturze 70 90 o C. Praca agregatów prądotwórczych możliwa jest ze zmiennym obciążeniem w zależności od aktualnej produkcji biogazu. Proces ten można prowadzić w układzie automatyki, jak również ze sterowaniem ręcznym [1]. 4.1 Biogazownie rolnicze Biogazownie działają na całym świecie, jednak ich poziom techniczny jest bardzo zróżnicowany; od bardzo prostych, wykonanych sposobem gospodarczym biogazowni w Azji, po zaawansowane technologicznie, nowoczesne biogazownie europejskie. W gospodarstwach rolnych szczególnie hodowlanych powstają znaczne ilości odpadów, które mogą być wykorzystane do produkcji biogazu. Ocenia się, że z 1 m 3 płynnych odchodów zwierzęcych można uzyskać średnio 20 m 3 biogazu, a z 1 m 3 obornika 30 m 3 biogazu, o wartości energetycznej ok. 23 MJ/m 3. Potencjał biogazu z odchodów zwierzęcych w Polsce wynosi 3310 mln m 3 [9], jednak w praktyce instalacje do pozyskania biogazu mają szanse powstać tylko w dużych gospodarstwach hodowlanych. Odpady w początkowym cyklu technologicznym biogazowni rolniczej, której schemat przedstawiono na rys. 3, zostają poddane mechanicznej obróbce z doprowadzeniem wody, w celu uzyskania homogenicznej pulpy. Tak przygotowany wsad jest poddawany higienizacji termicznej, a następnie kierowany do bioreaktora, gdzie zachodzi proces fermentacji metanowej. Przefermentowane osady są suszone i stosowane do nawożenia gleby, lub poddawane dalszej obróbce dla poprawy ich właściwości. Biogaz po usunięciu zanieczyszczeń jest kierowany do urządzeń kogeneracyjnych wytwarzających zarówno energię cieplną, jak i elektryczną [6]. odpady organicz ne Przygotowanie surowca Higienizacja surowca Zbiornik biogazu BIOREAKTOR Uzdatnianie pozostałości Układ CHP energia ciepło Rys. 3. Schemat typowej biogazowni rolniczej [6]. Przykładem biogazowni rolniczej jest instalacja firmy Poldanor w Pawłówku (gmina Przechlewo, woj. pomorskie). Firma Poldanor zajmuje się m.in. chowem trzody chlewnej i uprawą roślin. Biogazownia rolnicza składa się z dwóch komór fermentacyjnych o łącznej objętości efektywnej 1,5 tys. m 3, zbiornika wstępnego na odpady, stacji przyjęć odpadów organicznych, lagun o pojemności 20 tys. m 3, urządzeń umożliwiających higienizację odpadów poubojowych, filtra biologicznego oraz modułu kogeneracyjnego. Biogazownia w Pawłówku wytwarza biogaz w procesie fermentacji beztlenowej gnojowicy (24 tys. t/rok) 25
26 K.Grzesik oraz z odpadów z rzeźni (8 tys. t/rok), zapewniając produkcję energii elektrycznej i cieplnej o mocach rzędu 240 kw i 360 kw. Zapotrzebowanie na energię elektryczną biogazowni stanowi ok. 20% jej ogólnej produkcji, pozostała część energii sprzedawana jest do sieci energetycznej. Około 40% ogólnej produkcji ciepła to potrzeby własne, reszta wykorzystywana jest do ogrzewania ferm i budynków technicznych firmy Poldanor [7]. 4.2. Biogaz z oczyszczalni ścieków Potencjalne możliwości energetycznego wykorzystania biogazu z oczyszczalni ścieków są bardzo wysokie. W Polsce jest ponad 1700 oczyszczalni przemysłowych i blisko 1500 komunalnych oczyszczalni ścieków i liczba ta wzrasta. Standardowo z 1 m 3 osadu, o zawartości 4-5% suchej masy, można uzyskać do 10-20 m 3 biogazu [9]. Najlepsze efekty produkcji biogazu uzyskuje się w oczyszczalniach biologicznych, które mają zastosowanie we wszystkich komunalnych oczyszczalniach ścieków oraz w części oczyszczalni przemysłowych. Oczyszczalnie ścieków mają stosunkowo wysokie zapotrzebowanie własne na energię cieplną, jak i elektryczną, dlatego też energetyczne wykorzystanie biogazu z fermentacji osadów może w istotny sposób poprawić rentowność tych zakładów. Jednakże ze względów ekonomicznych pozyskanie biogazu do celów energetycznych jest uzasadnione tylko w większych oczyszczalniach ścieków przyjmujących średnio ponad 8 000-10 000 m 3 /dobę [8]. Modernizowana oczyszczalnia ścieków w Tychach Urbanowicach [5] wykorzystuje energetycznie biogaz. Biogaz jest produkowany w zamkniętych komorach fermentacyjnych, zbierany do wspólnego kolektora, a następnie po odwodnieniu kierowany do reaktorów odsiarczania. Odsiarczanie prowadzi się przy użyciu rudy darniowej w cylindrycznych absorberach o średnicy 2 m i wysokości 4. Po odwodnieniu i odsiarczeniu biogaz jest wprowadzany do elastycznego dwu-powłokowego zbiornika magazynowego o pojemności 1720 m 3. Zbiornik zabezpiecza zmagazynowanie 6 godzinnej produkcji biogazu. Następnie biogaz kierowany jest pod ciśnieniem wytwarzanym w zbiorniku 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 do strumienia wody obiegowej układu grzewczego komór fermentacyjnych i CO oczyszczalni. Łączna sprawność energetyczna wykorzystania biogazu wynosi 82-90 % z czego na produkcję energii elektrycznej przypada około 35% [5]. W celu zwiększenia efektywności inwestycji planuje się łączne zagospodarowanie biogazu pochodzącego z oczyszczalni i przyległego składowiska odpadów komunalnych. Na rys 4. przedstawiono schemat instalacji biogazu w oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach.
Wykorzystanie biogazu jako źródła energii 27 Rys. 4. schemat instalacji biogazu w oczyszczalni ścieków w Tychach Urbanowicach [5]. 4.3. Wykorzystanie gazu wysypiskowego Odpady organiczne stanowią jeden z głównych składników odpadów komunalnych. Ulegają one procesowi biodegradacji. W warunkach beztlenowych, a takie panują na składowisku komunalnym, z odpadów organicznych, w procesie fermentacji metanowej, powstaje biogaz. W optymalnych warunkach z jednej tony odpadów komunalnych może powstać około 400-500 m 3 gazu wysypiskowego. Jednak w rzeczywistości nie wszystkie odpady organiczne ulegają pełnemu rozkładowi, a przebieg procesu fermentacji metanowej zależy od wilgotności, rodzaju i gęstości (ubicia) odpadów itd. Przyjmuje się, że z jednej tony odpadów można pozyskać do 200 m 3 gazu wysypiskowego [4]. Zasoby metanu, które realnie można pozyskać ze składowisk odpadów komunalnych w Polsce, są szacowane na 135-145 mln m 3 metanu rocznie. Potencjał ten jest obecnie wykorzystywany tylko w nieznacznym stopniu. W 2002 roku w Polsce działało zaledwie 18 instalacji do wykorzystania gazu wysypiskowego [9]. Powstający biogaz, nie odprowadzany w sposób kontrolowany, stwarza określone zagrożenia: m.in. wybuchowe (mieszanina 5-15 % metanu z powietrzem jest wybuchowa), samozapłonu składowisk, zanieczyszczenia wód gruntowych, zanieczyszczenia powietrza - emisji gazów cieplarnianych i odorów. Dla każdego składowiska odpadów komunalnych powinno być zapewnione odgazowanie, które może odbywać się w sposób pasywny lub aktywny [4]. 27
28 K.Grzesik Odgazowanie pasywne polega na wykonaniu odwiertów tzw. studni w składowisku, przez całą jego głębokość i zainstalowaniu pochodni spalających gaz wydobywający się pod własnym ciśnieniem, lub tylko kominów wentylacyjnych. W odgazowaniu aktywnym studnie poboru gazu połączone są ze sobą kolektorami poziomym, a całość podłączona jest do odpowiednich urządzeń wytwarzających w układzie podciśnienie o stałej wartości. Metoda ta daje większą efektywność odgazowania i pozwala wykorzystać pozyskany gaz do celów energetycznych [4]. Gaz wysypiskowy może być wykorzystywany w silniku gazowym napędzającym prądnicę lub w kotłach gazowych, gdzie służy do podgrzewania wody. Najbardziej rozpowszechnione jest wykorzystanie gazu wysypiskowego do produkcji energii elektrycznej w silnikach iskrowych. Coraz częściej instaluje się jednostki do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w systemach skojarzonych [9]. Schemat wykorzystania biogazu przedstawiono na rys 5. Rys. 5. Schemat wykorzystania gazu wysypiskowego [9].
Wykorzystanie biogazu jako źródła energii 29 W Toruniu funkcjonuje instalacja odgazowania składowiska, która ujmuje biogaz z dwóch kwater składowiska. W kwaterze o powierzchni 11 ha wywiercono 40 studni 15- metrowych, w kwaterze o powierzchni 3 ha zbudowano 12 studni biogazowych. Instalacja wyposażona jest w sieć przewodów, urządzenia techniczne zasysające biogaz, magistralę gazową i elektrociepłownię (CHP) składającą się z dwóch zespołów prądotwórczych, stacji transformatorowej i linii kablowej. Elektrociepłownia przyłączona jest do sieci ciepłowniczej i energetycznej. Całość jest w pełni zautomatyzowana, sterowana komputerowo i bezobsługowa [10]. W ciągu roku w instalacji pozyskuje się 3 170 280 Nm 3 gazu wysypiskowego o zawartości 45-50% metanu oraz wytwarza 5 422 MWh energii elektrycznej i 23 712 GJ ciepła. Przewiduje się, że instalacja eksploatowana będzie przez około 15 lat, produkując co roku około 5 500 MWh energii elektrycznej i ok. 25 000 GJ energii termicznej [10]. 5. Zalety wykorzystania biogazu Według Holm-Nielsen i Al Seadi cykl wytwarzanie biogazu jest zintegrowanym systemem: wykorzystania zasobów naturalnych, unieszkodliwiania odpadów organicznych, zawracania i dystrybucji składników nawozowych, produkcji energii odnawialnej, co przynosi korzyści zarówno energetyczne, środowiskowe, jak i rolnicze [1]. Dzięki produkcji biogazu z odchodów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych następuje eliminacja patogenów w procesie higienizacji, takich jak: bakterie Salmonelli, Escherichia Coli, bakterie tuberkulozy, wirusy pryszczycy. Dodatkowo osiąga się poprawę warunków nawożenia pól uprawnych w porównaniu z nie przefermentowaną gnojowicą oraz zdolność do utrzymania równowagi humusu w glebie i zniszczenie nasion chwastów, a tym samym zmniejsza się zużycie chemicznych środków ochrony roślin. Poprzez wytwarzanie i wykorzystanie biogazu z odchodów zwierzęcych osiąga się redukcję emisji odorów o ponad 80%, zmniejsza ryzyko zanieczyszczenia wód gruntowych i powierzchniowych, ogranicza emisję gazów cieplarnianych, przede wszystkim metanu [7]. Bowiem głównie metan jest odpowiedzialny za efekt cieplarniany, jest ok. 20 razy bardziej szkodliwy w porównaniu z dwutlenkiem węgla. Odgazowanie składowisk zapobiega niekontrolowanej ucieczce gazu ze składowiska, zmniejsza groźbę wybuchów, rozprzestrzenianie się odorów oraz niekontrolowaną emisję gazów cieplarnianych [4]. Skutki środowiskowe ujmowania biogazu są zdecydowanie korzystne, z biogazu produkowana jest energia odnawialna, przez co następuje zmniejszenie zużycia kopalnych surowców energetycznych oraz emisji związków powstających podczas ich spalania. W porównaniu z innymi źródłami energii odnawialnej biogaz cechuje się dodatkową zaletą - jego wytwarzanie zachodzi w sposób ciągły, nie jest uzależnione od warunków pogodowych w przeciwieństwie do zmienności w przypadku energii wiatrowej i słonecznej. Potencjał biogazu jako źródła energii jest jeszcze ciągle niewykorzystany. Zwiększenie jego wykorzystania uwzględniono w przyjętej przez Radę Ministrów w 2000 r. krajowej Strategii Rozwoju Energetyki Odnawialnej [11]. W podstawowym scenariuszu rozwoju energetyki odnawialnej do roku 2010 zakłada się 7,5% udział OZE w ogólnym zużyciu energii elektrycznej. Planowany przyrost energii uzyskiwanej z biogazu przedstawiono w tab. 4. 29
30 K.Grzesik Tab. 4. Planowany przyrost energii z biogazu [11]. Źródło odnawialne Gaz wysypiskowy Biogaz rolniczy Biogaz z osadów ściekowych Planowany przyrost mocy zainstalowanej w latach 2000-2010 60 MW 30 MW 500 MW Literatura: [1] Wiese J.: Biogas / Biogas Plants An Overview. ASA GmbH. Bad Oeynhausen 05. August 2005. [2] Wójcik W.: Odnawialne źródła energii na gospodarczej mapie Polski. Urząd Regulacji Energetyki. Warszawa, czerwiec 2005 r. [3] Żygadło M., Schalk P., Orman Ł.: Czy warto segregować? - Mechaniczno-biologiczna przeróbka odpadów komunalnych. Przegląd Komunalny listopad 2005. [4] Oleszkiewicz J.: Eksploatacja składowiska odpadów. Lem projekt s.c., Kraków 1999. [5] Bacza T.: Energetyczne wykorzystanie biogazu. Regionalne Centrum Gospodarki Wodno-Ściekowej. http://www.rcgw.pl/ [6] Piątek R.: Produkcja i energetyczne wykorzystanie biogazu. Materiały Konferencji Naukowo- Technicznej. Odnawialne źródła energii odnawialnej w województwie śląskim. Zasoby, techniki, technologie oraz systemy wykorzystania OŹE. Katowice, 22 kwietnia 2005. [7] Kowalczyk-Juśko A., Laursen B., Rusak S.: Biogazownia rolnicza firmy Poldanor w Pawłówku. Przegląd Komunalny, październik 2005. [8] Biogaz czysta energia http://www.bioenergia.eco.pl/biogaz.html [9] Energia biogazu. Europejskie Centrum Energii Odnawialnej. http://www.ibmer.waw.pl/ecbrec/main.html [10] Instalacja biogazowa. Biogaz Inwestor Sp. z o.o. w Toruniu. http://www.biogaz.torun.pl/ [11] Strategia rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce (MP z 2000 r. Nr 25 poz. 365).