Surowce do produkcji biogazu – uproszczona metoda obliczenia wydajności biogazowni rolniczej
Autorzy: Andrzej Curkowski, Anna Oniszk-Popławska, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa
(„Czysta Energia” – nr 1/2010)
Jako substraty do produkcji biogazu rolniczego mogą być stosowane substancje organiczne, pochodzące z działalności rolniczej i/lub z produkcji przemysłowej.
Do najważniejszych substratów pochodzenia rolniczego, znajdujących zastosowanie w produkcji biogazu, zaliczyć można odchody zwierząt, uprawy energetyczne i odpady z hodowli roślin. Natomiast oddzielną kategorię stanowią odpady z przemysłu: spożywczego, mleczarskiego, cukrowniczego, farmaceutycznego, kosmetycznego, biochemicznego, papierniczego czy mięsnego. Głównym substratem do produkcji biogazu rolniczego jest najczęściej gnojowica (bydła, trzody i drobiu). Zalety stosowania gnojowicy w kofermentacji, oprócz utylizacji uciążliwego odpadu na terenach rolniczych, to możliwości produkcji biogazu i ekologicznego nawozu. Również ze względu na dobre właściwości buforujące gnojowica pozostaje podstawowym, powszechnie stosowanym substratem do produkcji biogazu, mimo iż rośnie udział innych surowców, takich jak rośliny energetyczne.
Substancje organiczne charakteryzują się różnym tempem rozkładu i różną ilością powstałego w wyniku fermentacji metanowej biogazu. Proces fermentacji, w którym stosuje się mieszaninę różnych substancji organicznych, nazywa się współfermentacją lub kofermentacją.
Zanim przystąpimy do projektowania biogazowni
W celu uzyskania optymalnego składu i proporcji mieszaniny substratów, na etapie projektowania biogazowni można wykonać próby fermentacyjne dla konkretnych mieszanek substratów, aby sprawdzić rzeczywiste możliwości produkcji biogazu przez planowaną instalację. Próby takie są wykonywane przez specjalistyczne laboratoria, z których dane gromadzą instytuty badawcze, takie jak niemieckie KTBL (Das Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft).
W celu usystematyzowania danych na temat substratów wykorzystywanych do produkcji biogazu opracowywane są tzw. atlasy substratów. W europejskim atlasie, stworzonym w ramach projektu EU
Agrobiogas, realizowanym w latach 2006-2009 w ramach 6 Programu Ramowego UE, znajduje się ponad 200 substancji organicznych, ocenionych pod kątem przydatności do pozyskiwania biogazu. Przed uruchomieniem biogazowni warto wykonać próby fermentacyjne próbek mieszaniny wybranych substratów, aby poznać rzeczywistą możliwość produkcji biogazu przez planowaną biogazownię.
Możliwe jest przeprowadzenie takich prób w wybranych laboratoriach w Polsce.
Charakterystykę stosowanych w procesie fermentacji odpadów wraz z potencjałem do produkcji biogazu przedstawia tabela 1. Są to jedynie wybrane substraty, w rzeczywistości przebadanych zostało ok. 200
różnych substancji organicznych.
Tab. 1. Charakterystyka wybranych substratów wraz z potencjałem produkcji biogazu1
Procentowa
Procentowa
Produkcja
zawartość s.m.
zawartość s.m.o.
metanu z
Nazwa substratu
w t substratu
w zawartości s.m.
1 t s.m.o.
% wsadu
% s.m.o.
m3/t s.m.o.
z y li cej
gnojowica bydlęca
9,5
77,4
222,5
gnojowica świńska
6,6
76,1
301,0
w
ad
o
p
d
gnojowica kurza
15,1
75,6
320,0
d
o
ierzę
O
h
zw
gnojowica krów mlecznych
8,5
85,5
154,0
gnojówka
2,1
60,0
222,5
e
osady poflotacyjne z rzeźni
14,6
90,6
680,0
y
w
ad
jo
zawartość żołądków (bydło)
15,0
84,0
264,0
p
o
d
b
O
uop
odseparowana tkanka
34,3
49,1
700,0
tłuszczowa
słoma
87,5
87,0
387,5
iczeln
trawa – kiszonka
40,3
83,4
396,6
roy
trawa
11,7
88,0
587,5
adp
siano
87,8
89,6
417,9
d
ziemniaki – liście
25,0
79,0
587,5
e i o
kukurydza – kiszonka
32,6
90,8
317,6
czn
ety
bób – kiszonka
24,1
88,6
291,0
erg
rzepak – kiszonka
50,8
87,6
376,5
eny
burak pastewny
13,5
85,0
546,6
buraki cukrowe
23,0
92,5
444,0
ślinoR
cebula
12,9
94,8
360,3
e
odpady i resztki owoców
45,0
61,5
400,0
cz
odpady i pozostałości
13,6
80,2
370,0
wy
warzyw
ż
melasa
81,7
92,5
301,6
o
sp
wysłodziny browarnicze
20,5
81,2
545,1
o
wywar pogorzelniany
13,6
89,5
387,7
rstw
ziemniaczany
ó
gliceryna
84,0
91,5
1196,0
etwrz
odpady z produkcji oleju
78,8
97,0
600,0
P
serwatka
5,4
86,0
383,3
79,3
94,0
610,2
odpady piekarnicze
87,7
97,1
403,4
e
odpady organiczne
60,3
55,0
396,8
aln
komunalne
num
odpady kuchenne i
o k
przeterminowane artykuły
18,9
71,9
530,0
y
żywnościowe
adpd
ścinki roślin i traw (zieleń
O
23,2
88,2
489,7
miejska)
s.m. – zawartość suchej masy
s.m.o. – zawartość suchej masy organicznej
Bardziej szczegółową metodę szacowania produkcji biogazu z odchodów zwierząt przedstawia tabela 2.
Tab. 2. Dane empiryczne dotyczące właściwości oraz potencjału do produkcji biogazu rolniczego z odchodów zwierzęcych2
Bydło
Trzoda chlewna
Drób
Parametr Jednostka
Oborni
Obornik Gnojowica
Gnojowica Obornik Gnojowica
k
s.m.
t s.m./t
0,237
0,095
0,238
0,066
0,303
0,15
odpadów
s.m.o.
t s.m.o/t
0,764
0,774
0,799
0,761
0,727
0,756
s.m.
s.m.o./DJ
kg
3-5,4
2,5-4
5,5-10 średnio: 7,78
P
s.m.o/DJP/d
średnio: 4,2
średnio: 3,3
Produkcja m3/t s.m.o
249,4
225,5
228,0
301,0
230,0
320,0
biogazu
1,5-2,9
0,56-1,5
Produkcja
0,6-1,25
3,5-4,0
m3/DJP/d
średnio:
średnio:
biogazu
średnio: 0,93
średnio: 3,75
2,2
1,03
DJP – duże jednostki przeliczeniowe inwentarza, odpowiada krowie o masie 500 kg Dzięki dodaniu materiału uzupełniającego o większym potencjale do produkcji biogazu zwiększa się efektywność ekonomiczna procesu fermentacji, wskutek czego coraz powszechniejsze jest uzupełnianie odchodów zwierzęcych innymi substratami.
Na bazie danych empirycznych można obliczyć roczną produkcję metanu, który stanowi ok. 65%
zawartości całkowitej produkcji biogazu. Roczna produkcja metanu w biogazowni szacowana jest wg poniższej formuły:
M = O × SM × SMO × P [m3/rok], gdzie:
M – roczna produkcja metanu [m3/rok],
O – roczna ilość odpadów [t/rok],
SM – procentowa zawartość suchej masy w 1 t substratu [%],
SMO – procentowa zawartość suchej masy organicznej w suchej masie organicznej [%], P – potencjał produkcji metanu [m3/t s.m.o.].
Rośliny energetyczne jako substrat
Obserwowana jest tendencja do zwiększania zastosowania roślin energetycznych przeznaczonych do kofermentacji. W samych Niemczech w 2009 r. powierzchnia upraw energetycznych do produkcji biogazu zwiększyła się do ok. 450 tys. ha3. Stosowane rośliny to: trawa, koniczyna, ziemniaki, kukurydza, bób, żyto, burak pastewny, buraki cukrowe, cebula, gorczyca, groch, kalarepa, kapusta, kalafior, pszenica, owies, jęczmień, sorgo, rzepak, dynia i słonecznik.
Rośliny te mogą być stosowane w całości lub jedynie w postaci owoców, bulw, liści i nasion, jak również po przetworzeniu w formie kiszonki lub słomy. Wśród gatunków wykorzystywanych do produkcji biogazu dominuje kukurydza, posiadająca 90% udziału w rynku niemieckim4, ponadto stosowane są też często słonecznik, trawy oraz sucrosorgo. Spośród upraw celowych do produkcji biogazu najlepiej nadaje się kiszonka z kukurydzy, o czym decydują następujące czynniki:
• wysoka wydajność produkcji biogazu w porównaniu do innych roślin zbożowych,
• mniejsze koszty pozyskania w porównaniu z innymi uprawami,
• nie wymaga zmiany dotychczas stosowanej techniki uprawy i zbioru,
• łatwe długookresowe magazynowanie.
Przy doborze odmiany kukurydzy do produkcji biogazu należy wziąć pod uwagę: klasę wczesności danej odmiany, która wpływa na termin zbioru, zawartość suchej masy, wysokość plonu suchej masy oraz wydajność produkcji biogazu. Istotna jest odpowiednia wczesność odmiany, dobierana tak, aby w latach chłodnych można było osiągnąć min 30 % s.m. Właściwy czas zbioru decyduje o zawartości s.m., która może wahać się w granicach od 28% dla późnej odmiany (plon 17,2 t/ha) do 33-35% s.m. dla wczesnej odmiany (plon 16,5 t/ha)4.
Parametry produkcji energii
Znajomość rocznej produkcji metanu umożliwia obliczenie energii wytwarzanej w biogazowni. Ze względu na aktualnie istniejący w Polsce system wsparcia dla zielonej energii najkorzystniejszą metodą wykorzystania biogazu jest skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Przy obliczaniu produkcji energii w kogeneracji należy uwzględnić następujące parametry5.
• wartość kaloryczną metanu zawartego w biogazie: 9,17 kWh/m3,
• sprawność agregatu: cieplna: 40-43%, elektryczna: 30-40%, w zależności od producenta,
• czas pracy agregatu w ciągu roku: 7500-8300 h/r., oznacza to dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%, średnio przyjmuje się 8.000 h pracy urządzenia w ciągu roku,
• ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto: całkowita produkcja ciepła brutto pomniejszona jest o zużycie ciepła na cele technologiczne. Przyjmuje się, że w skali roku ciepło wykorzystywane na potrzeby własne to 25-40% całkowitej produkcji. Należy jednak zwrócić
uwagę na sezonowe wahania, szczególnie w sezonie zimowym (grzewczym), gdy zapotrzebowanie na ciepło procesowe do ogrzania komory jest większe, a tym samym zmniejsza się ilość ciepła możliwego do sprzedaży na zewnątrz lub do ogrzewania własnych pomieszczeń czy innych procesów technologicznych. Dobrym pomysłem jest takie wykorzystanie ciepła, które umożliwia odbiór jego nadwyżek poza sezonem grzewczym, np. do suszenia ziaren, drewna bądź w zakładach przemysłowych,
• ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto: całkowita produkcja energii elektrycznej pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne. Innymi słowy na potrzeby technologiczne, wynikające z użycia mieszadeł, pomp, układów sterowania, oświetlenia itp., które zużywają średnio ok. 9% wyprodukowanej energii. Należy zwrócić uwagę na to, że ze względu na mechanizmy wsparcia dla zielonej energii elektrycznej zazwyczaj całą wyprodukowana energię przekazuje się do sieci elektroenergetycznej, a na potrzeby procesowe kupuje się energię elektryczną po niższej cenie.
Sposób obliczeń pozwalający na dobór mocy agregatów kogeneracyjnych oraz na oszacowanie produkcji energii elektrycznej i ciepła netto w celu ich sprzedaży przedstawia tabela 3.
Tab. 3. Metody obliczenia produkcji energii w biogazowni
Jedn
Sposób obliczenia
ostka
Roczna produkcja metanu
m3/r.
ilość odpadów [t/rok]
× procentowa zawartość suchej masy w 1 t
substratu [%]
× procentowa zawartość suchej masy
organicznej w suchej masie organicznej [%]
× potencjał produkcji metanu [m3/t s.m.o.]
Roczna produkcja energii
MWh
roczna produkcja metanu
/r.
× wartość kaloryczna metanu (9,17
kWh/m3)/1000
Teoretyczna moc cieplna
kW
produkcja metanu na godzinę
× wartość kaloryczna metanu (9,17 kWh/m3)
× sprawność cieplna w kogeneracji (43%)
Teoretyczna moc elektryczna
kW
produkcja metanu na godzinę
× wartość kaloryczna metanu (9,17 kWh/m3)
× sprawność elektryczna w kogeneracji (38%)
Produkcja ciepła brutto
GJ/r.
teoretyczna moc cieplna
× dostępność urządzeń w ciągu roku
× czas pracy (8000 h)
× 3,6 (przeliczenie jednostek)
Zużycie ciepła na cele
GJ/r.
produkcja ciepła brutto
procesowe
× 0,3
Produkcja ciepła netto
GJ/r.
produkcja ciepła brutto
- zużycie ciepła na cele procesowe
Produkcja energii elektrycznej
MWe
teoretyczna moc elektryczna
brutto
/r.
× czas pracy (8000 h)
MWe
produkcja energii elektrycznej brutto
na cele procesowe
/r.
× 0,9
Produkcja energii elektrycznej
MWe
produkcja energii elektrycznej brutto
netto
/r.
- zużycie energii elektrycznej na cele
procesowe
Źródła
1. UE: Agrobiogaz. 2007-2010. Europejska inicjatywa instytucji badawczo-rozwojowych na rzecz zwiększenia efektywności wykorzystania biogazu. Projekt 6 Programu Ramowego Badań i Rozwoju Unii Europejskiej. URL: http://www.eu-agrobiogas.net/index.php. 91-8.
2. .Schulz H., Eder B.: Biogas Praxis, Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. (Praktyka biogazu, podstawy, planowanie, budowa, przykłady). Őkobuchverlag: Fryburg. 2001.
3. Gegner M.: Biogaz w Niemczech. Rozwój, stan obecny oraz perspektywy. Prezentacja wygłoszona podczas seminarium „OŹE nowym wyzwaniem dla obszarów wiejskich”. Opole 2009.
4. Syngenta Seeds: Kukurydza NK na biogaz dla betonowej krowy. Jakość się opłaca. 2006. URL: http://www.syngenta-seeds.pl/asp/pliki/do_pobrania/kukurydza_folder_betonowa_krowa.pdf
5. Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung (Poradnik pozyskiwania i wykorzystania biogazu) Ergabnise des Biogas-Messeprograms (Rezultaty programu monitoringu biogazowni). Institut für Energetik und Umwelt gGmbH; Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. Fachagentur Nachwachsenderohstoffr e.V. Gülzow 2005.