BBI Zeneris

Biogaz z zastosowaniem biomasy roślinnej – technologia

System budowy biogazowni „NaWaRo” (Nachwachsende Rohstoffe), wdrażany w Niemczech, wykorzystuje głównie kiszonki z roślin (kukurydzy, traw, buraków itp.), zaś inne substraty (np. gnojowica, ziarno zbóż czy odpady) wykorzystywane są w zależności od konkretnych uwarunkowań gospodarstwa. Biogazownia taka składa się z komór: fermentacyjnej i pofermentacyjnej oraz modułu kogeneracyjnego. Przefermentowana zawiesina jest naturalnym nawozem, wykorzystywanym do wzbogacania gleby w substancje pokarmowe, co pozwala zmniejszyć zużycie nawozów sztucznych w rolnictwie.

Kosubstraty, zgromadzone uprzednio w zbiornikach wstępnych (np. gnojowica) oraz kiszonki po rozdrobnieniu i homogenizacji stają się wsadem energetycznym dla biogazowni, a nośnikiem energetycznym jest biometan, wytwarzany w procesie fermentacji mezofilnej (w temp. 37 st. C), przeprowadzanej w komorze fermentacyjnej. Wstępnym etapem produkcji biometanu jest hydroliza (białka, aminokwasy , wielocukry, cukry proste, tłuszcze ,alkohole wielowodorotlenowe i kwasy tłuszczowe), umożliwiająca proces zakwaszania, podczas którego dominujące, fakultatywne bakterie acidogenne przetwarzają rozpuszczone w wodzie substancje chemiczne, w tym produkty hydrolizy, do krótkołańcuchowych kwasów organicznych, głównie (w 76%) do lotnych kwasów tłuszczowych (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, kapronowy), do alkoholi (metanol, etanol), aldehydów i produktów gazowych CO2 i H2.

Kolejnym etapem produkcji biogazu jest faza acetogenna (octanogeneza): przetwarzanie etanolu oraz lotnych kwasów tłuszczowych do octanów oraz CO2 i H2 przez bakterie acetogenne. Następna jest faza metanogenna: produkcja metanu przez bakterie metanowe (autotroficzne i heterotroficzne) z kwasu octowego (prawie 70%), H2 i CO2 oraz mrówczanu, metanolu, metyloaminy lub siarczku dwumetylowego.

W komorze fermentacyjnej muszą być utrzymane właściwe warunki biologiczne zapewniające, iż biogaz produkowany będzie efektywnie. Parametry te wynikają z proporcji i stężeń kiszonek oraz gnojowicy. Są one dobierane na podstawie analizy fizykochemicznej oraz wstępnej symulacji procesu w warunkach laboratoryjnych. Konfiguracja instalacji zapewnia optymalizację procesu, nawet przy zmianach proporcji udziałowych kosubstratów lub zmianach w ich rodzaju. Udział kiszonek zależy od stężenia suchej masy w fermentorze. Przykładowo biogazownia o mocy 500 kWe, w której przerabia się 55 t gnojowicy świńskiej na dobę, wymaga wsadu 22 t/dobę kiszonki. Biogaz produkowany przez taką instalację będzie miał 53,66% metanu. Utrzymanie właściwego stężenia wsadu w przestrzeni fermentora zapewniają mieszadła mechaniczne, uniemożliwiające wystąpienie stref przeciążanie ładunkiem organicznym.

Osad pofermentacyjny jest transportowany do komory pofermentacyjnej, w której zachodzi proces wygaszania fermentacji i odgazowywania osadu. Następnie osad ten wykorzystywany jest jako nawóz rolniczy. Wyprodukowany biometan, po usunięciu siarkowodoru, jest kierowany do modułu kogeneracyjnego, czyli silnika gazowego, w którym energia chemiczna biogazu ulega konwersji na energię elektryczną oraz cieplną. Część tej energii jest przeznaczana na pokrycie potrzeb własnych, pozostała sprzedawana jest odbiorcom zewnętrznym. Jeżeli instalacja kogeneracyjna nie pracuje, co najczęściej spowodowane jest pracami konserwacyjnymi, urządzeniem spalającym biogaz jest pochodnia gazowa. Biogazownia wyposażona jest w urządzenia i podzespoły zapewniające bezpieczną eksploatację (system detekcji gazu, niezależne systemy zabezpieczeń poziomów oraz ciśnień) oraz zdalny monitoring (automatyka sterująca i kontrolująca).

Warunki prowadzenia procesu

O prawidłowym przebiegu fermentacji, poza właściwym substratem, decydują odpowiednie populacje mikroorganizmów oraz parametry środowiskowe, wpływające na ich aktywność i szybkość przemian, tj. pH, wymiar cząsteczek, temperatura, siła jonowa (zasolenie) orz obecność składników pokarmowych i związków toksycznych.
Optymalny przebieg kinetyki fermentacji metanowej wymaga: temperatury fermentacji mezofilnej 37 st. C (+/-2 st.), pH 6-8, stężenia lotnych kwasów organicznych 50-500 mg CH3COOH/dm3, potencjału oksydoredukcyjnego 520-530 mV i alkaliczności 2000-3000 mh/dm3 CaCO3.

Ponadto wymagana jest kontrola stężeń związków toksycznych: kwasów organicznych (zwłaszcza propionowego) jako produktu fazy kwaśnej; siarkowodoru przy zaniżonym pH jako produktu redukcji siarczanów, siarczynów i organicznych połączeń siarki; amoniaku jako produktu mineralizacji organicznych połączeń azotu przy zawyżonym pH.

Ilość i częstotliwość doprowadzenia wsadu do komory fermentacyjnej, właściwe proporcje węgla do azotu, wynikające z rodzaju kosubstratów oraz częstotliwość mieszania decydują o efektywności produkcji biometanu. Właściwie realizowana kinetyka fermentacji beztlenowej umożliwia obciążenie komory 5 kg s.m.o. /m3 komory na dobę.

System produkcji „NaWaRo” w oparciu głównie o biomasę cieszy się w Niemczech dużym zainteresowaniem a liczba biogazowni stale rośnie. W związku z tym pojawiły się propozycje, aby również w Polsce wdrażać takie rozwiązanie.

Porównanie opłacalności

Aby sprawdzić, czy biogaz produkowany wyłącznie na bazie biomasy roślinnej przyniesie w Polsce podobne korzyści jak w Niemczech, przeprowadzono analizę uwzględniającą koszty funkcjonowania biogazowni, ceny sprzedaży energii w obu krajach oraz wartość sprzedanej energii w zależności od substratu. Analizę przeprowadzono dla biogazowni o mocy mniejszej od 150 kWe. Przyjęto następujące okresy amortyzacji: zbiorniki 20 lat, instalacje i urządzenia pomocnicze 10 lat, układ kogeneracyjny (bez silnika) 9 lat, silnik 4,5 roku oraz stopę procentową 6% i ubezpieczenie 0,5% wartości inwestycji.

Jednostkowe ceny sprzedaży prądu elektrycznego w Polsce są sumą sprzedaży prądu do sieci i sprzedaży praw majątkowych świadectw pochodzenia zielonej energii. Produkcja biogazu jest opłacalna ekonomicznie, jeżeli wartość rynkowa pozyskania kosubstratów nie przekracza wartości granicznych podanych w ostatniej kolumnie tabeli. Wynikają one z różnicy wpływów ze sprzedaży prądu do sieci i kosztów eksploatacyjnych biogazowni (stałych i zmiennych). Dal przykładu: koszt wyprodukowania kiszonki kukurydzy (w fazie dojrzałości woskowej) w Niemczech nie może przekroczyć 42 EUR/tonę świeżej masy, a w Polsce 7 EUR/tonę świeżej masy. Koszt produkcji kiszonki w Niemczech nie przekracza w praktyce 20 EUR/tonę, więc rolnik zyskuje dodatkowo 20 EUR po przetworzeniu kiszonki na energię odnawialną. W Polsce koszt produkcji kiszonki waha się od 70 do 90 PLN, więc zastosowanie jej w biogazowni jest ekonomicznie nieuzasadnione (maksymalny koszt zakupu 7 EUR). Wartości ujemne wskazują na konieczność łączenia kosubstratów niedochodowych z kosubstratami wyżej dochodowymi. Niemiecki rolnik może dodatkowo otrzymać dopłatę 2 centy/kWh za wykorzystanie ciepła z modułu kogeneracyjnego przez zewnętrznego odbiorcę oraz 2 centy/kWh za wdrożenie dodatkowego urządzenia zwiększającego efektywność wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu np. silnik Rankina czy silnik Kaliny. Z przeprowadzonej analizy wynika, że w obecnych realiach prawno-finansowych produkcja energii w biogazowni rolniczej wyłącznie w oparciu o biomasę roślinną i gnojowicę jest w Polsce nieuzasadniona. Szansą na rozwój tego sektora jest wykorzystanie wysokoenergetycznych odpadów tłuszczowych (kat. II i III), stosowanych w biogazowniach europejskich, regulowanych prawnie przez rozporządzenie 1774/2002/WE, poddanych procesowi higienizacji przed dostarczeniem do fermentora, oraz racjonalna inżynieria finansowa uwzględniająca środki publiczne, unijne i zagraniczne. Niestety istnieje realne zagrożenie, że nowe regulacje prawne uniemożliwią wykorzystanie w polskich biogazowniach substratów podnoszących efektywność procesu fermentacji. Może się tak stać, jeżeli wejdzie w życie rozporządzenie Ministra Środowiska (projekt z 16 stycznia 2006 roku) w sprawie warunków odzysku za pomocą procesu odzysku R10 ?Rozprowadzanie na powierzchni ziemi w celu nawożenia lub ulepszenia gleby i rodzajów odpadów dopuszczonych do takiego odzysku?. Projekt ten nie uwzględnia żadnego odpadu pofermentacyjnego, więc uniemożliwia wykorzystanie go do użyźniania pól uprawnych. Projekt rozporządzenia jest obecnie na etapie uzgodnień międzyresortowych. Z nieoficjalnych informacji wynika, że być może zostanie w nim uwzględniona masa pofermentacyjna, pochodząca z fermentacji gnojowicy i biomasy roślinnej. Takie rozwiązanie uniemożliwi jednak stosowanie np. odpadów pochodzenia zwierzęcego, tłuszczowych itd., a wiec o najwyższej wydajności biogazu. Należy mieć nadzieję, że postulaty zgłaszane podczas konsultacji projektu rozporządzenia znajdą zrozumienie u władz ustawodawczych, dzięki czemu rozwój polskich biogazowni rolniczych nie zostanie zahamowany. Ponadto nowe regulacje prawne, dotyczące zielonych i czerwonych certyfikatów, pozwolą na podniesienie efektywności ekonomicznej jednostek produkujących energię w kogeneracji.

Stanisław Rusak, Zeneris S.A.
dr inż. Alina Kowalczyk-Juśko, Akademia Rolnicza w Lublinie