Modelowanie gazowego i energetycznego potencjału składowisk odpadów komunalnych

MARIUSZ CZUREJNO KAZIMIERZ GAJ * Modelowanie gazowego i energetycznego potencjału składowisk odpadów komunalnych Wstęp Zgodnie z ustawą 1, już na etapie projektowania składowisk odpadów komunalnych niezbędne jest określenie sposobu gromadzenia, oczyszczania i wykorzystywania lub unieszkodliwiania gazu składowiskowego. Rozporządzenie 2 nakłada na administratorów składowisk, na których deponuje się odpady biodegradowalne, obowiązek wyposażania ich w instalację do odprowadzania biogazu oraz jego oczyszczenie i wykorzystanie do celów energetycznych. W przypadku gdy nie jest możliwe jego wykorzystanie, powinien być spalony w pochodniach. Aby dobrać właściwe moce urządzeń, np. agregatów prądotwórczych czy kotłów, oraz przeprowadzić wstępną analizę opłacalności inwestycji, należy w pierwszej kolejności określić potencjał gazowy składowiska, tj. możliwy do wyprodukowania strumień biogazu (m 3 /h, m 3 /r), oraz jego zmienność w czasie. Służą do tego m.in. metody modelowania matematycznego. Dobór modelu powinien uwzględniać specyfikę analizowanego składowiska, w tym ewentualną recyrkulację odcieków. Metodyka szacowania potencjału gazowego Najprostszym, a zarazem najmniej dokładnym sposobem określania potencjału jest metoda wskaźnikowa. Wg różnych autorów jednostkowa ilość generowanego biogazu wynosi od 35 do 180 m 3 /Mg zdeponowanych odpadów. Dla warunków polskich autorzy prac * Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej 1 Ustawa o odpadach - Dz.U.2001.62.628 wraz z późniejszymi zmianami. 2 Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk - Dz.U.2003,61.549. 1

[1, 2] proponują przyjmować wskaźnik produkcji biogazu na poziomie 120 m 3 /Mg. Niestety, metoda ta pozwala jedynie na oszacowanie sumarycznej ilości generowanego biogazu w całym okresie beztlenowego rozkładu odpadów lub średniego jego strumienia w tym okresie. Najbardziej wiarygodną produktywność gazową w czasie rzeczywistym można uzyskać za pomocą próbnych odwiertów i analiz biogazu. Metoda ta jest szczególnie przydatna przy ostatecznym projektowaniu odgazowania składowisk (rozmieszczenie studni gazowych w złożu odpadów, wymiarowanie sieci przesyłowej) oraz do weryfikacji modeli prognostycznych. Czasową zmienność produktywności gazowej składowisk można oszacować za pomocą obliczeń modelowych [3], na podstawie znajomości składu deponowanych odpadów oraz warunków przebiegu ich biochemicznego rozkładu. Ilość powstającego gazu jest bezpośrednio związana z zawartością węgla organicznego w odpadach, a pośrednio ze wzrostem populacji drobnoustrojów metanogennych. Zależy ona od wielu czynników [3]. Ich komplementarne ujęcie w modelach prognostycznych jest trudne i często nieuzasadnione ze względu na niewspółmierny do efektów wzrost kosztów ich stosowania. Dlatego przy konstruowaniu modeli przyjmuje się wiele założeń upraszczających oraz wykorzystuje wyniki badań rozkładu prostych substancji organicznych. Najprostszy model, oparty na wynikach badań rozkładu glukozy, zaproponował Tabasaran [4]: G o 3 ( 0,014T 0,28), m Mg = 1,87C + (1) gdzie: C org zawartość węgla organicznego w odpadach; kg/mg, org T temperatura w złożu odpadów; o C. Teoretycznie, przy pełnej przemianie 1 kg organicznego węgla, powstaje w warunkach normalnych 1,87 m 3 gazu, który składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla. W rzeczywistości możliwa do uzyskania ilość gazu jest mniejsza, ponieważ tylko część substratu ulega dysymilacji, reszta zaś zużywana jest do budowy komórek mikroorganizmów. Model ten jest stosowany do określania potencjalnej, maksymalnie możliwej, sumarycznej produkcji biogazu z jednostki masy odpadów. Dla projektanta bardziej istotna jest jednak znajomość zmienności produkcji biogazu z czasem zarówno w trakcie eksploatacji, jak i po jej zakończeniu. Do jej określania stosuje się najczęściej uproszczone modele oparte na założeniu, że rozkład materii organicznej odbywa się zgodnie z reakcją pierwszego rzędu: dg dt ( ) = k G o G t (2) 2

gdzie: G t ilość biogazu wyprodukowana z jednostki masy odpadów po czasie t; m 3 /Mg, G o potencjalna produkcja biogazu z jednostki masy odpadów, obliczona wg (1); m 3 /Mg, k stała szybkości rozkładu; r -1. Całkując równanie (2) po czasie t, ilość biogazu wyprodukowaną w dowolnym okresie czasu można zapisać w postaci: kt 3 ( 1 e ) m Mg G = G (3) t 0, Znając ilość deponowanych odpadów w poszczególnych latach, można określić odpowiednio strumienie generowanego biogazu. Stałą szybkości rozkładu można określić znając czas połowicznego i pełnego rozkładu (odpowiednio t 1/2 i t 99/100 ). Uzyskamy w ten sposób różne stałe szybkości generowania biogazu w dwóch fazach: dla t t 1/2 : ln(2) k 1 =, r -1 (4) t 1/ 2 dla t > t 1/2 : k 2 ln(2) = t t, r -1 (5) 99 /100 1 / 2 Bazując na powyższych równaniach oraz wprowadzając dodatkowo podział odpadów na trzy frakcje i własne współczynniki bilansowe, opracowano w Instytucie Inżynierii Ochrony Środowiska Politechniki Wrocławskiej model GACY [5]. Powstały na jego podstawie program komputerowy pozwala na obliczenie ilości produkowanego biogazu w zależności od wielkości deponowanego rocznego ładunku odpadów, ilości lat eksploatacji składowiska i okresu składowania odpadów, zawartości węgla organicznego w odpadach, temperatury fermentacji oraz udziałów i czasów rozkładu poszczególnych frakcji odpadów. W Polsce stosowny też bywa model LandGEM [6], rekomendowany przez US EPA do prognostycznych obliczeń wielkości emisji ze składowisk (w tym emisji metanu). Jest to model również oparty na pierwszorzędowej reakcji rozkładu. Nie uwzględniono w nim jednak fazowości procesu fermentacji ani podziału odpadów na frakcje o różnej podatności na rozkład. Takie uproszczenie modelu skutkować może zaniżaniem wyników obliczeń w fazie eksploatacji składowiska i ich zawyżaniem w okresie kilku lat po jej zakończeniu (rys. 1). 3

Produkcja biogazu, m 3 /r wg LandGEM wg GACY 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 Rok Rys. 1. Zmienność produkcji biogazu dla przykładowego składowiska eksploatowanego przez 20 lat Przytoczone wyżej modele dotyczą składowisk, na których nie stosuje się recyrkulacji odcieków. Rozdeszczowywanie odcieków na powierzchni składowiska powoduje wzrost szybkości biodegradacji odpadów a tym samym stymuluje produkcję biogazu w czasie. W takim przypadku konieczne jest skorygowanie stosowanych w ww. modelach stałych szybkości rozkładu. Nie uwzględnienie tego czynnika może spowodować znaczące błędy prognozy potencjału gazowego, a w efekcie wpłynąć na efektywność ekonomiczną inwestycji. Proponowany sposób uwzględnienia recyrkulacji odcieków w modelowaniu potencjału gazowego oraz energetycznego, na przykładzie wybranego składowiska [7], przedstawiono poniżej. Model dla przypadku recyrkulacji odcieków Poniżej przedstawiono dwie propozycje uwzględniania recyrkulacji odcieków w prognostycznych obliczeniach potencjału gazowego składowisk, oparte na: a) określeniu reprezentatywnej stałej rozkładu odpadów, b) określeniu korelacji przeliczeniowej modeli. 4

W celu określenia reprezentatywnej stałej rozkładu odpadów (a) dla wariantu z recyrkulacją odcieków, posłużono się wykresami jednostkowej produkcji biogazu (rys. 2). m 3 /Mg 35 30 25 Gt - bez recyrkulacji odcieków Grt - z recyrkulacją odcieków 20 15 10 5-0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Rok Rys. 2. Wpływ recyrkulacji odcieków na produkcję biogazu składowiskowego, [8] Założono iż biogaz jest generowany przez 50 lat po zdeponowaniu odpadów. Sumując roczne ilości generowanego biogazu dla wariantu z recyrkulacją odcieków wyznaczono jednostkowy potencjał biogazu na poziomie 255 m 3 /Mg. Wykorzystując równania (4) i (5) wyznaczono stałe rozkładu dla dwóch faz generowania biogazu (tabela 1) oraz uśredniono ich wartości w okresie założonej produktywności złoża. Tabela 1. Wyniki obliczeń stałych szybkości rozkładu dla dwóch wariantów technologii składowania odpadów Parametr Wariant bez recyrkulacji odcieków Wariant z recyrkulacją odcieków t 1/2 11,5 5,0 t 99/100 88,5 44,0 k 1 0,060 0,139 k 2 0,009 0,018 5

Wg US EPA [6] średnia stała rozkładu odpadów komunalnych dla klimatu umiarkowanego wynosi 0,05 r -1. Ze względu na recyrkulację odcieków stała ta została skorygowana poprzez wyznaczenie współczynnika przeliczeniowego α k : k r śr t α k =, co jak łatwo zauważyć jest równoznaczne zapisowi: 99 /100 k = kśr tr99 / 100 α, (6) gdzie k śr oznacza średnią ważoną stałą rozkładu a indeks r przypadek recyrkulacji odcieków. Dla danych zestawionych w tabeli 1, wartość współczynnika α k wynosi 2. Otrzymana stała rozkładu dla wariantu z recyrkulacją odcieków na poziomie k = 0,1 r -1 jest zbieżna z zalecaną przez US EPA wartością k dla składowisk zlokalizowanych w strefie klimatycznej wilgotnej [9]. Dla określenia korelacji przeliczeniowej (b), wykonano modelowe obliczenia potencjałów gazowych dla hipotetycznego składowiska, przyjmującego średniorocznie 10 000 Mg odpadów. Obliczenia wykonano dla dwóch wariantów (k = 0,05 r -1 i k = 0,1 r -1 ) i czterech okresów eksploatacji (5, 10, 15 i 20 lat). Dla każdego z wariantów wyznaczono współczynnik α G : G = rt α G (7) Gt gdzie: G rt - potencjał gazowy w przypadku recyrkulacji odcieków; m 3 /r, G t - potencjał gazowy bez recyrkulacji odcieków; m 3 /r, i określono korelacje na jego zmienność w poszczególnych latach, zarówno dla okresu eksploatacji (α G1 ), jak i po jej zakończeniu (α G2 ): 0,0189 t α G1 = 2, 0424 e ; 2 = 0, 99 R, { 1,2,3 } 0,2133 0,05 ( t te ) α G 2 = 2, 7175 te e ; 2 = 0, 99 t,...,t e (8) R, { t + 1, t + 2, t + 3,...,50} t (9) e e e gdzie: t - kolejny rok bilansowy, t { 1,2,3,...,50 }, t e - ostatni rok eksploatacji składowiska, { 5,6,7,...,20} t. e Wyniki obliczeń dla czterech ww. okresów eksploatacji przedstawia rys. 3. W okresie eksploatacji składowiska α G nie zależy od czasu jej trwania - równanie (8), w przeciwieństwie do okresu po jej zakończeniu - równanie (9). 6

Znając wartość potencjału gazowego wyznaczoną bez uwzględniania recyrkulacji odcieków, na podstawie równań (7, 8) i (7, 9), można wyznaczyć teoretyczny potencjał gazowy uwzględniający ten czynnik. α G 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 5 lat 10 lat 15 lat 20 lat 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Rok Rys. 3. Zmienność współczynnika α G z czasem dla czterech założonych okresów eksploatacji składowiska (rok zerowy oznacza rok rozpoczęcia składowania) Przykładowe obliczenia Potencjał gazowy Obliczenia wykonano dla danych ze składowiska odpadów komunalnych w Siedlęcinie k. Jeleniej Góry [7], na którym deponuje się od 1987 r. średnio ok. 34 800 Mg/r odpadów o przeciętnej zawartości C org na poziome 113,7 kg/mg (rys. 4). Stosowana tam recyrkulacja odcieków obejmuje ok. 25 % całkowitej ich ilości. Eksploatacja składowiska zostanie 7

zakończona w 2005 r. Na rys. 5 przedstawiono wyniki obliczeń potencjału gazowego, zarówno bez uwzględniania recyrkulacji odcieków (k=0,05 r -1 ), jak i z jej uwzględnieniem (k=0,1 r -1 ). Obliczono również potencjał gazowy korzystając z opracowanych korelacji przeliczeniowych, tj. równań (7, 8) dla okresu eksploatacji składowiska i równań (7, 9) dla okresu po jej zakończeniu. Całkowitą, potencjalną produkcję biogazu wyznaczono w oparciu o równanie (1), zakładając przeciętną roczną temperaturę w złożu na poziomie 20 o C (G o = 119 m 3 /Mg). 60000 50000 Ilość deponowanych odpadów, Mg 40000 Zawartość Corg, kg/100mg 30000 20000 10000 0 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 Rok Rys. 4. Skład ilościowo-jakościowy odpadów deponowanych na składowisku w Siedlęcinie 8

400 m 3 /h 350 k=0,05 k=0,1 300 z modelu (równania: 7,8 i 7,9) 250 200 150 100 50 0 1987 1997 2007 2017 2027 2037 Rok Rys. 5. Potencjał gazowy składowiska odpadów komunalnych w Siedlęcinie Obliczony wg proponowanego modelu potencjał gazowy (rys. 5) jest zgodny z wynikami obliczeń opartymi na znajomości stałych rozkładu dla obu wariantów. Jedynie w końcowej fazie eksploatacji występują nieznaczne odstępstwa (2 4%), będące wynikiem specyficznego rozkładu ilości deponowanych odpadów na analizowanym składowisku. W praktyce nie ma to większego znaczenia, gdyż głównym celem obliczeń jest zwykle prognoza wydatku biogazu po zakończeniu eksploatacji składowiska. Potencjał energetyczny W oparciu o wyżej określony potencjał gazowy, rzeczywisty skład biogazu determinujący jego wartość opałową, realny stopień jego pozyskania oraz sprawność przemiany energii chemicznej zawartej w biogazie, można oszacować potencjał energetyczny 9

biogazu, tj. ilość możliwej do wyprodukowania energii elektrycznej lub ciepła w jednostce czasu: P = V & Wd η, kw (10) gdzie: V & -strumień pozyskiwanego biogazu; m 3 /h, W d wartość opałowa biogazu; kwh/m 3, η - współczynnik konwersji energii chemicznej zawartej w biogazie. Potencjał energetyczny dla analizowanego składowiska (rys. 6) wyznaczono zakładając: zawartość metanu w biogazie na poziomie 50 %, czemu odpowiada wartość opałowa ok. 18000 kj/m 3, tj. 5 kwh/m 3, współczynnik konwersji energii chemicznej zawartej w biogazie na energię elektryczną: η = 0,3, realny stopień pozyskania biogazu: - przy odgazowaniu pasywnym (tj. odbywającym się samoczynnie, pod wpływem naturalnej różnicy ciśnień) - 0,25, - przy odgazowaniu aktywnym (tj. w przypadku zastosowaniu ssawy) - 0,5. Analogicznie można wyznaczyć potencjał energetyczny w odniesieniu do ciepła (stosując zamiennie odpowiedni współczynnik przemiany). 10

350,0 kw el. 300,0 250,0 przy odgazowaniu aktywnym prz odgazowaniu pasywnym 200,0 150,0 100,0 50,0 0,0 1987 1992 1997 2002 2007 2012 2017 2022 2027 Rok Rys. 6. Potencjał energetyczny składowiska odpadów komunalnych w Siedlęcinie Wnioski Przyjęta przez Sejm Rzeczypospolitej Polskiej w sierpniu 2001 r. Strategia rozwoju energetyki odnawialnej zakłada, że udział energii odnawialnej w bilansie paliwowoenergetycznym kraju w 2010 r. wynosić będzie 7,5 % a w 2020-14 %. Wobec obecnego jej udziału na poziomie ok. 3 %, spodziewać się można w najbliższych kilku latach zwiększenia zainteresowania m.in. energetycznym wykorzystaniem biogazu składowiskowego. Aby myśleć o racjonalnym jego odzysku i wykorzystaniu, niezbędna jest miarodajna prognoza jego potencjału. W tym celu opracowano uniwersalną zależność pomiędzy potencjałem gazowym dla wariantu z recyrkulacją i bez recyrkulacji odcieków. Można ją stosować również przy opracowywaniu wymaganych prawem instrukcji eksploatacji składowisk i ocenach oddziaływania na środowisko obiektów projektowanych. Przedstawione w niniejszym artykule propozycje sposobu modelowania potencjału gazowego składowiska dotyczą fazy opracowywania wstępnych założeń inwestycji utylizacji 11

biogazu. Na etapie projektu technicznego powinny zostać przeprowadzone polowe badania weryfikacyjne - zarówno ilości możliwego do pozyskania gazu, jak i jego składu. Pozwoli to zmniejszyć, w aspekcie stricte komercyjnym, ryzyko inwestycji. Dysponując zweryfikowanym potencjałem gazowym można zaprojektować instalację odgazowania i wykorzystania biogazu, w tym dobrać adekwatne moce urządzeń i - co ważniejsze - wykonać analizę techniczno-ekonomiczną wybranych wariantów zagospodarowania biogazu oraz sprawdzić, zgodnie z wymaganiami prawnymi przytoczonymi we wstępie, czy ekonomicznie opłacalne jest jego energetyczne wykorzystanie. Literatura [1] Opęchowski S.: Gaz z wysypisk komunalnych, OBREM, Warszawa 1994 r. [2] Nowakowski S.: Pozyskiwanie biogazu wysypiskowego do celów energetycznych, Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 1/1997. [3] Gaj. K, Cybulska H.: Modelowanie emisji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych. Podstawy modelowania, analiza wybranych modeli i zakresy stosowanych parametrów, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 1/2002. [4] Tabasaran O.: Überlegungen zum Problem Deponiegas, Müll und Abfall, 1976, 7, 204. [5] Gaj K., Cybulska H.: Modelowanie emisji biogazu ze składowisk odpadów komunalnych. Część 2. Algorytm obliczeniowy, Chemia i Inżynieria Ekologiczna, 2-3/2002. [6] Landfill Gas Emissions Model, US EPA, Air Pollution Prevention and Control Division, Research Triangle Park, NC27711, 1998. [7] Czurejno M.: Koncepcja odgazowania i utylizacji biogazu dla składowiska odpadów komunalnych w Siedlęcinie, praca magisterska, PWr, Jelenia Góra 2004 r. [8] Szpadt R., Sebastian M.: Najnowsze kierunki projektowania, budowy i eksploatacji wysypisk. Część 2, Biuletyn Informacyjny o Budownictwie, 6/1990. [9] A Landfill Gas-to-Energy Project Development Handbook, U.S. Environmental Protection Agency, www.epa.gov.pl. 12