marzec 2007

Biogazownie rolnicze – wysoce efektywna

metoda produkcji energii z biomasy

inż . Jerzy Kujawski, Pracownia Inwestycyjno-Projektowa INEKO, ul. Ostródzka 53, 14-200 Iława, tel./fax. [phone], www.ineko.pl, [e-mail]

Dipl.-Ing., mgr inż . Olaf Kujawski, EnerCess GmbH, Robert-Bosch-Str. 7, 32547 Bad Oeynhausen (Niemcy), tel. [phone], fax. [phone], www.enercess.de, [e-mail]

Biogaz produkowany z biomasy –

energii

z

substratów

organicznych

na

odnawialnego źródła energii

biogazowniach rolniczych.

Obecnie, zmiany klimatu ziemskiego, za sprawą

Z jakich substratów można produkować

szkodliwej działalności człowieka, już nawet dla

biogaz?

niedowiarków stały się faktem. Ogromne emisje

Oczywiście nie wszystkie substraty nadają się do

dwutlenku węgla (CO2) oraz metanu (CH4) do

produkcji biogazu. Biomasa taka jak drewno czy

atmosfery

powodują

zwiększenie

efektu

słoma lub np. rośliny o dużej zawartości substancji

cieplarnianego, czyli podwyższenie temperatury

trudno rozkładalnych biochemicznie (np. lignina)

atmosfery ziemskiej. Inwestowanie w rozwój

nadają się bardziej do spalania niż do fermentacji

technologii dla pozyskiwania energii ze źródeł

metanowej. To co wyróżnia biogaz wśród innych

odnawialnych takich jak słońce, wiatr, woda

rodzajów energii odnawialnej pozyskiwanej z

biomasa (ogólnie materia organiczna pochodzenia

biomasy to możliwość zastosowania substratów

zwierzęcego

lub

roślinnego)

czy

energia

charakteryzujących się na przykład znaczną

geotermalna staje się powoli koniecznością a nie

zawartością wody lub masy organicznej jak i

jak przed paru laty tylko alternatywą. Polska

również takich, które wymagają utylizacji (np.

podpisując protokół z Kioto w grudniu 1997 roku

odpady poubojowe).

zobowiązała

się

do

redukcji

emisji

gazów

cieplarnianych jak i równie

Biogaz mo

ż wspierania rozwoju

że być wytwarzany z różnych rodzajów

energii odnawialnej. Biogaz to paliwo pozyskiwane

oraz typów substratów. Do surowców odnawialnych

na drodze procesów biochemicznych z biomasy. W

bardzo dobrze nadających się do zastosowania na

nomenklaturze polskiej przyj

biogazowniach rolniczych nale

ęło się określać biogaz

żą takie materiały jak

jako produkt fermentacji metanowej wytwarzany

nawozy naturalne (np: gnojowica, obornik), odpady

celowo w specjalnie do tego celu skonstruowanych

z produkcji rolnej (np: odpady zbożowe, odpady

obiektach czyli biogazowniach rolniczych lub w

pasz), celowo hodowane rośliny energetyczne (np:

komorach fermentacyjnych oczyszczalni

kukurydza, pszen

ścieków

żyto, pszenica, jęczmień, rzepak,

oraz jako produkt uboczny beztlenowych procesów

lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak

rozkładu

organicznej

cz

cukrowy, ziemniak). Na biogazowniach rolniczych

ęści

odpadu

zgromadzonego na wysypisku

mo

śmieci. Artykuł ten

żna również przetwarzać na biogaz odpady

obejmuje

swoim

zakresem

pierwszy

z

organiczne pochodzące na przykład z produkcji

wymienionych, celowych sposobów produkowania

spożywczej

lub

biopaliw

oraz

inne

czyste

- 1 -

chemicznie odpady organiczne. W obszarze

osadów

ściekowych

z

komunalnych

lub

zainteresowań są szczególnie substraty o

przemysłowych

oczyszczalni

ścieków.

dużym

potencjale

energetycznym,

Zastosowanie

tego

typu

substratu

jest

charakteryzuj

problematyczne z uwagi na fakt wykorzystania

ące się dużą zawartością masy

pozostałości pofermentacyjnej jako nawozu. W

organicznej oraz tanie do pozyskania. Do takich

osadach

ściekowych

mogą

znajdować

się

materiałów należą np: odpady warzyw i owoców,

substancje zawierające materiały szkodliwe i

odpady z produkcji żelatyny, skrobi, odpady z

uniemożliwiające zastosowanie przetworzonego

piekarni, cukierni, odpady tłuszczy i serów z

substratu w produkcji rolnej. Dla producenta energii

mleczarni, wytłoki owoców i warzyw, wywar

z biogazu zastosowanie osadów ściekowych wiąże

gorzelniany,

wysłodziny

browarniane,

odpady

się wiec z dodatkowymi nakładami na badanie

poubojowe jak i również odpady żywności ze

obecności i zawartości niedozwolonych substancji

stołówek, restauracji, gliceryna itd.

oraz kosztowną utylizacją przefermentowanego

Dobranie odpowiednich rodzajów i proporcji

osadu w razie braku możliwości jego wykorzystania

substratów dla fermentacji nie jest łatwym

jako nawozu.

zadaniem z uwagi na różnorodne wydajności

Jak zbudowana jest biogazownia rolnicza ?

produkcji biogazu (tabela 1), dynamikę procesu,

jakości uzyskanego z nich biogazu, zawartości

Typowa biogazownia rolnicza składa się urządzeń i

substancji hamujących i toksycznych oraz reakcje

obiektów do przechowywania, przygotowania oraz

zachodzące między poszczególnymi materiałami

dozowania

substratów.

W

zależności

od

wsadowymi.

zastosowanych

substancji

wejściowych,

wyróżniamy trzy rodzaje budowli magazynowych

Tabela 1 Różnorodne substraty i ich wydajności

produkcji biogazu1

takich jak silosy przejazdowe, zbiorniki oraz hale

(substraty

charakteryzujące

się

emisją

substraty

ilość biogazu

nieprzyjemnych zapachów). Substraty w formie

(m3gaz/tsubstrat)

stałej wprowadza się do komór fermentacji za

pomocą specjalnych stacji dozujących, natomiast

gnojowica bydlęca

25

materiały płynne mogą być dozowane techniką

gnojowica świńska

36

pompową. Niektóre substraty wymagają również

serwatka

55

rozdrabniania oraz higienizacji lub pasteryzacji w

krajanka buraczana

75

specjalnie do tego celu zaprojektowanych ciągach

technologicznych.

wysłodziny browarniane

75

Najczęściej stosowanym obecnie rozwiązaniem

wywar gorzelniany

80

konstrukcyjnym

komory

fermentacyjnej

jest

odpady zielone

110

żelbetowy, izolowany zbiornik wyposażony w

odpady biologiczne

120

foliowy, gazoszczelny dach samonośny. Zbiornik

kiszonka kukurydzy

200

taki pełni rolę fermentatora jak i również

„zasobnika” biogazu. Zawarto

flotaty

695

ść zbiornika jest

ogrzewana

systemem

rur

grzewczych

przy

tłuszcz

800

wykorzystywaniu ciepła procesowego, powstałego

Szczególne zainteresowanie budzi w Polsce

przy

chłodzeniu

kogeneratora.

Urządzenia

wykorzystywanie na biogazowniach rolniczych

mieszające zainstalowane w komorze spełniają

bardzo

ważną

rolę.

Mieszanie

powoduje

1 źródło: Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V

- 2 -

równomierny rozkład substratów i temperatury w

przetwarzające energię biogazu na energię cieplna

zbiorniku oraz ułatwia uwalnianie się metanu.

i/lub elektryczną czyli na przykład kogenerator

wytwarzający

w

sposób

skojarzony

prąd

Pozostałość

pofermentacyjna

jest

wysoko-

elektryczny i ciepło.

wartościowym nawozem gromadzonym w zbiorniku

magazynowym, którego objętość jest tak dobrana

Coraz częściej elementem integralnym wielu

aby wystarczyła na przechowywanie substratu na

biogazowni stają się systemy (obiekty i instalacje

czas zakazu jego rozrzucania na polu (okres

budowane celowo) pozwalające na wykorzystania

zimowy).

energii cieplnej i uzyskanie z tego tytułu

dodatkowych dochodów: suszarnie zboża, trocin,

W budynku gospodarczym umieszczone są trzy

drewna, sieci cieplne zasilające pobliskie budynki,

bardzo istotne elementy biogazowni takie jak

chłodziarki absorpcyjne wytwarzające zimno z

pompownia obsługująca transport substratów oraz

ciepła itd.

pozostałości

pofermentacyjnej

pomiędzy

poszczególnymi zbiornikami, sterownia wraz z

Na ilustracji 1 widoczna jest biogazownia rolnicza

pomieszczeniem

szaf

sterowniczych

będąca

przetwarzająca

na

biogaz

głównie

kiszonkę

„mózgiem”

całego

obiektu

oraz

urządzenie

kukurydzy, odpady zbożowe oraz gnojowicę.

Ilustracja 1 Biogazownia rolnicza firmy EnerCess GmbH

W jakich warunkach powstaje biogaz?

płynnej, zawartość suchej pozostałości w komorach

Jak można je utrzymywać i kontrolować?

fermentacji nie powinna przekraczać 12 – 15 %.

Bardzo istotną wielkością mierzoną w komorze

Biogaz na biogazowni rolniczej powstaje w

fermentacji jest odczyn pH. Jego wartość w

zamkniętej komorze (bez dostępu powietrza oraz

przypadku stabilnej fermentacji powinna wynosić

światła) w procesie fermentacji metanowej w

od 7 do 7,7. Niestabilność procesu spowodowana

przedziałach temperatur od 35 – 40oC (fermentacja

na przykład dozowaniem zbyt dużej ilości łatwo

mezofilowa – większość obecnych biogazowni

rozkładalnej materii organicznej może spowodować

rolniczych pracuje w tym przedziale temperatur)

nagły spadek wartości pH a w konsekwencji nawet

oraz od 45 – 55 oC (fermentacja termofitowa). Aby

unicestwienie większości organizmów odpowiada-

utrzymać substrat w możliwej do pompowania fazie

- 3 -

jących za fermentację metanową, a co za tym idzie

Biogazownie

rolnicze

produkują

wysoko-

długą przerwę w pracy biogazowni. Oczywiście pH

wartościowy

nawóz

zawierający

pierwiastki

obok np: składu biogazu, czy zawartości suchej

biogenne w formie łatwiej przyswajalnej dla roślin

pozostałości i azotu amonowego jest jedną z wielu

oraz o zredukowanych w porównaniu do nawozów

wielkości jakie należy obserwować i analizować. Z

naturalnych emisjach zapachu i wyeliminowaniu

tego powodu na nowoczesnych biogazowniach

niektórych szkodliwych dla roślin właściwości (np:

rolniczych

wykorzystujących

100%

mocy

wypalanie roślin przez gnojowicę).

wytwórczych ogromną rolę dla stabilności procesu

Biogazownie to obiekty o stosunkowo małej mocy

fermentacji metanowej odgrywa zastosowanie

(od 100 do 2000 kWel.), idealnie nadające się do

aparatury kontrolno-pomiarowej oraz automatyki i

efektywnego, zdecentralizowanego zaopatrzenia w

sterowania pozwalającej na kontrolowanie jej pracy

energię,

na

przykład

obszarów

wiejskich,

także zdalnie, np. poprzez złącza internetowe.

charakteryzującego

się

niskimi

stratami

na

Co przemawia za wytwarzaniem energii

przesyle, brakiem konieczności szeroko zakrojonej

odnawialnej na biogazowni rolniczej?

rozbudowy istniejących sieci oraz możliwością

wykorzystania powstałego ciepła na miejscu.

Biogazownie rolnicze produkują energię w sposób

wysoce efektywny. Skojarzona produkcja energii

Biogazownie rolnicze to również nowe miejsca

cieplnej oraz elektrycznej pozwala na osiągnięcie

pracy dla lokalnej społeczności przy produkcji

sprawności przetworzenia energii zawartej w

substratów, budowie i obsłudze, oraz nowe firmy

biogazie nawet do około 87 %, z czego ca. 37 %

dostarczające przychodów do budżetu lokalnych

stanowi energia elektryczna natomiast ca. 50 %

władz.

energia cieplna, które praktycznie bez strat mogą

Potencjał produkcji energii z biogazu według

być wykorzystane w obszarze danej lokalizacji. Dla

niemieckiej

Agencji

Surowców

Odnawialnych

porównania

energia

elektryczna

z

dużych

(Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe) w

elektrowni

kondensacyjnych

docierająca

do

krajach Unii Europejskiej wynosi 469 bilionów m3

odbiorcy stanowi 36 % energii pierwotnej zawartej

metanu rocznie co stanowi około ¾ rosyjskiej

w paliwie, natomiast łączna energia (ciepło i prąd)

produkcji gazu ziemnego2. W Niemczech działa

dostarczana do odbiorcy z dużych elektrociepłowni

obecnie prawe 4000 biogazowni dostarczając 1,1

to około 80% energii pierwotnej (przy relatywnie

GWel. mocy. W Polsce tak naprawdę obecnie jedna.

niskiej sprawności - około 29 % dla produkcji

Kto może być bezpośrednio zainteresowany

energii elektrycznej). W przyszłości będzie również

inwestycj

powszechnie mo

ą budowy biogazowni rolniczej?

żliwe wprowadzanie uzdatnianego

biogazu do sieci gazu ziemnego oraz jego przesył

Biogazownie z uwagi na rodzaj pozyskiwanych

na większe odległości. Obecnie trwają prace

substratów oraz specyfikę ich działania idealnie

badawcze na pierwszych tego typu instalacjach w

wpisują się w wiejski krajobraz. Stąd na zachodzie

skali 1:1 w Niemczech, Austrii i w Szwecji.

przyjęła się również nazwa biogazownie rolnicze,

W porównaniu do innych

pomimo tego,

źródeł energii odnawialnej

że przerabiane są na nich nie tylko

jej produkcja z biomasy przetwarzanej w procesie

substraty pochodzące z gospodarstwa rolnego.

fermentacji metanowej pozwala na jej ci

Korzy

ągłą oraz

ści finansowe wynikające ze sprzedaży

sterowaln

energii odnawialnej, gwarancja jej stałej ceny oraz

ą produkcję, co oznacza oszczędności

przy eksploatacji sieci oraz mo

ci

żliwość wytwarzania

ągle wzrastający na nią popyt, przyciągają wielu

energii w momencie zapotrzebowania.

2 Dane szacunkowe Fachagentur für Nachwachsende Stoffe

(Niemcy) z roku 2005

- 4 -

potencjalnych inwestorów (w tym w większości

wytwarzanej w skojarzeniu (energia cieplna i

rolników). Budową biogazowni zainteresowane są

elektryczna)

w

małych

jednostkach

również

zakłady,

szczególnie

przemysłu

kogeneracyjnych mają również zgodnie z ustawa

spożywczego,

mające

problem

z

utylizacja

prawo

do

uzyskania

oraz

upłynnia

tzw.

zwłaszcza uwodnionych odpadów poprodukcyjnych

„czerwonych certyfikatów”.

o dużej zawartości substancji organicznych (np:

Jak jest z opłacalnością produkcji energii z

mleczarnie,

piekarnie,

gorzelnie,

zakłady

biogazu?

piwowarskie, producenci przetworów owocowych,

zakłady

ziemniaczane,

zakłady

przetwórstwa

Opłacalność produkcji energii z biogazu jest

mięsnego) jak i również lokalne władze (powiat,

uwarunkowana przede wszystkim zyskami z jej

gmina) chcące rozwiązać problem z utylizacją

sprzedaży, kosztami eksploatacyjnymi (głównie

odpadów lub zaopatrzeniem w energię.

kosztami pozyskiwania substratów oraz napraw i

remontów) jak i kosztami inwestycyjnymi.

Jakie mechanizmy wspierają rozwój

energetyki odnawialnej w Polsce?

Zyski ze sprzedaży energii na rynku są zależne od

wysokości ceny energii, za którą wytwórca ją

Rozwój energii odnawialnej jest wspierany poprzez

sprzedaje. Cena energii elektrycznej sprzedawanej

odpowiednie akty prawne często narzucające

do sieci składa się z dwóch członów. Pierwszy jej

również cenę jej odbioru. W Polsce aktem prawnym

człon stanowi równowartość średniej ceny energii

regulującym obrót energią odnawialną jest ustawa

konwencjonalnej na rynku konkurencyjnym (w 2005

Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r.

było to około 117,49 zł/MWh) ogłaszanej przez

(Dz.U. z 1997 r. Nr 54, poz. 348) z późniejszymi

Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Drugi

zmianami. Dokument ten gwarantuje odbiór energii

jej człon stanowi rynkowa cena tzw. „zielonego

wytworzonej z odnawialnych źródeł oraz wyznacza

certyfikatu“ którego wartość zależna jest od popytu

zasady jej obrotu. Według ustawy producent

na energię odnawialną oraz od wysokości kary

„zielonej energii“ po uzyskaniu odpowiedniej

ustalonej za nie wypełnienie obowiązku zakupu

koncesji może sprzedawać prawa majątkowe do

energii

odnawialnej

przez

przedsiębiorstwo

świadectw pochodzenia (czyli tak zwane zielone i

wytwarzające energię w sposób konwencjonalny.

czerwone certyfikaty) na Towarowej Giełdzie

Popyt

na

taki

rodzaj

energii

w

sposób

Energii S.A. Do nabycia prawa do tych certyfikatów

kontrolowany5 z roku na rok rośnie. Warunki te

zobowiązane są przedsiębiorstwa energetyczne

pozwalają sądzić, że w najbliższej przyszłości

wytwarzające energię w sposób konwencjonalny.

realna cena za 1 MWh energii elektrycznej osiągnie

Względna ilość energii, którą zobowiązane jest

stabilny poziom 350 zł. Wspomniane „czerwone

nabyć przedsiębiorstwo energetyczne określona

certyfikaty” wprowadzone w celu obrotu energii

jest w Rozporządzeniach Ministra Gospodarki z

cieplnej wytworzonej w skojarzeniu z energią

dnia 19 grudnia 20053 oraz z dnia 3 listopada

elektryczną nie pojawiły się jeszcze w obrocie

20064. Od 01.01.2007 producenci energii cieplnej

Towarowej Giełdy Energii S.A., dlatego ich wartość

na dzień dzisiejszy nie jest znana6.

3 Rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu

obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia

świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz

w 2007 r., 7 % w 2008 r., 8,7 % w 2009 r. i 10,4 % w latach

zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w

2010 – 2014.

odnawialnych

5

źródłach energii

regulacja udziałów energii w Rozporządzeniu Ministra

4 Rozporządzenie obowiązku zakupu z dnia 3 listopada 2006 –

Gospodarki z dnia 3 Listopada

wymagany udział energii elektrycznej wytwarzanej w

6 według wstępnych danych szacunkowych 1 MWh energii

odnawialnych źródłach energii w sprzedaży energii

cieplnej wytworzonej w skojarzeniu z energią elektryczną

elektrycznej odbiorcom końcowym został podniesiony do 5,1 %

będzie kosztował około 90 zł

- 5 -

Polska, z punktu widzenia pozyskiwania substratów

jest wymarzonym rynkiem dla produkcji energii z

biogazu.

Biomasę

a

szczególnie

odpady

organiczne można obecnie pozyskać za darmo a

często nawet istniałaby możliwość zarabiania na

ich utylizacji. Substraty tego typu, z uwagi również

na ich często duży potencjał energetyczny, są

bardzo korzystne dla produkcji energii z biogazu.

Nie są one jednak dostępne dla wszystkich

możliwych lokalizacji oraz przez cały rok (np:

melasa, wytłoki owoców i warzyw powstają tylko w

okresie kampanii produkcyjnej).

Podstawową

zaletą

stosowania

roślinnych

surowców odnawialnych jest ich dostępność przez

cały rok dla większości lokalizacji po stosunkowo

stałych kosztach produkcji (mowa tu o produkcji na

potrzeby własne). Przykładowo koszt produkcji 1 t

kiszonki kukurydzy waha się obecnie na poziomie

45 do 55 zł. Od tego roku startuje w Polsce

program dopłat z Unii Europejskiej do hodowli

roślin energetycznych. Rolnicy mogą się zatem

starać się o sumę 45 € do 1 ha uprawy np.

kukurydzy przeznaczonej do produkcji energii z

biogazu. Dopłaty przyczynią się do obniżenia

kosztów produkcji np: kiszonki kukurydzy o około 4

- 5 zł/t.

Zasadniczą

rolę

dla

opłacalności

inwestycji

odgrywa również wielkość planowanego obiektu. Z

jednej strony im większa moc biogazowni tym

bardziej efektywne wykorzystanie zainstalowanej

na niej drogiej techniki maszynowej, a z drugiej tym

niższe jednostkowe koszty inwestycyjne. Większa

biogazownia to również jednak konieczność

dostarczania substratów z większej odległość, a

wiec wyższe koszty transportu. Do analizy

opłacalności inwestycji należy zatem podejść

indywidualnie, ponieważ każda lokalizacja jest

specyficzna. Ogólnie jednak przyjmuje się, że

wielkość

najbardziej

opłacalnych

biogazowni

przypada w przedziale od 500 kWel. do 2 MWel.

- 6 -