UNIWERSYTET PRZYRODNICZY W POZNANIU
WYDZIAŁ MELIORACJI I INŻYNIERII ŚRODOWISKA
KATEDRA INŻYNIERII WODNEJ I SANITARNEJ

ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA

ENERGII

PROJEKT BIOGAZOWNI

KLAUDIA KARTAWIK, GR. IW

INŻYNIERIA ŚRODOWISKA, ROK II, MGR

ROK AKADEM. 2013/14

TERMIN ODDANIA .01.2014r

1. Opis i schemat biogazowni rolniczej

Wstęp

Typowa biogazownia rolnicza przetwarza biomasę występującą w rolnictwie (gnojowica,

gnojówka, kiszonki, pomiot kurzy, zboża itp.).
Biogazownia rolnicza najczęściej składa się ze:



zbiorników wstępnych na biomasę, niekiedy również hali przyjęć,



zbiorników fermentacyjnych, przykrytych szczelną membraną,



zbiorników pofermentacyjnych lub laguny,



układu kogeneracyjnego (silnik gazowy plus generator elektryczny) produkującego



energię elektryczną i cieplną, zainstalowanego w budynku technicznym lub w
kontenerze,



instalacji sanitarnych, zabezpieczających, elektrycznych, łącznie z układami sterującymi,
które integrują wszystkie elementy w funkcjonalną całość.

Wielkość biogazowni

Wielkość biogazowni określa się najczęściej mocą zainstalowaną układu kogeneracyjnego,

czyli mocą maksymalną, wyrażaną w kW. Typowa moc zainstalowana to 100-1400 kW, ostatnio
coraz częściej jest to ok. 500 kW – a więc moc wystarczająca dla wykorzystania w 5 tys.
zwykłych żarówek 100W.

Należy zwrócić uwagę na jednostki: kW jest jednostką mocy, natomiast kWh jest jednostką

pracy i energii, a więc generator elektryczny o mocy 100 kW wyprodukuje przez godzinę 100
kWh energii elektrycznej, a w ciągu roku, zakładając realistycznie że pracuje ok. 7500 godzin,
wyprodukuje 750 000 kWh.

Istotna jest również wielkość zbiorników fermentacyjnych, która w zależności od technologii,

wielkości zainstalowanej mocy, rodzaju stosowanej biomasy itp. wynosi od kilkuset do nawet
10 tys. m

3

. Dla biogazowni 500 kW zbiorniki będą miały objętość ok. 3 do 4 tys. m

3

. Dla

unaocznienia, zbiornik o objętości 3 400 m

3

może mieć wysokość 6 metrów i średnicę 27

metrów, i zajmie powierzchnię 570 m

2

, a więc tyle co kilka domków jednorodzinnych.

Biomasa i biogaz

Niemal każda biomasa nie zawierająca substancji toksycznych może być przetworzona na

biogaz, ale w biogazowniach rolniczych stosunkowo najłatwiej jest produkować biogaz z
biomasy która mogłaby być wykorzystana jako pasza dla krów, których żołądki w rzeczywistości
też funkcjonują jak małe biogazowni.

Bakterie metanowe funkcjonują w środowisku wodnym, a więc biomasę miesza się z płynem

(gnojowicą, wodą itp.) w odpowiednich proporcjach. Gnojowica też może wyprodukować
niewielkie ilości biogazu. Ilość biogazu z jednej tony dostarczonej do biogazowni biomasy ściśle
zależy od rodzaju tej biomasy.

Dostarczana biomasa musi być jednak wymieszana w określonej proporcji z płynem, innej

dla każdego rodzaju biomasy i płynu. Po wymieszaniu, uzysk biogazu z jednej tony mieszanki
wynosi kilkadziesiąt m

3

biogazu na tonę mieszanki.

Główne składniki biogazu to metan (50-75%), dwutlenek węgla i woda, występują w nim

również śladowe ilości: azotu (amoniak), siarkowodoru i wodoru.

Najcenniejszym składnikiem biogazu jest metan. Wartość opałowa metanu to 35,8 MJ/Nm

3

,

a zawartość energii chemicznej 1 m

3

biogazu wynosi ok. 5,3 kWh. Z tej energii chemicznej

można wyprodukować ok. 40% energii elektrycznej i 45% energii cieplnej a pozostałe 0,8 kWh
jest tracone w procesie. A więc każdy 1 m

3

biogazu rolniczego w efekcie pozwala zasilić 21

żarówek 100-watowych przez godzinę.
Proces technologiczny

Po przyjęciu i krótkim okresie przechowywaniu w zbiornikach wstępnych, określona część

biomasy jest codziennie rozdrabniana, mieszana z płynem i wpompowywana do zbiorników
fermentacyjnych. W zbiornikach, przeciętnie w ciągu 30-50 dni od dostarczenia porcji biomasy
zachodzi proces fermentacji i wydziela się biogaz, który zbiera się w górnej części zbiornika
fermentacyjnego pod charakterystyczną dla biogazowni wypukłą membraną, utrzymującą
określone ciśnienie biogazu. Biogaz jest następnie oczyszczany i dostarczany do układu
kogeneracyjnego, w którym jest spalany. Wyprodukowana energia elektryczna jest
sprzedawana do sieci elektrycznej, ciepło jest częściowo wykorzystane do ogrzewania
zbiorników fermentacyjnych (20-30% wyprodukowanego ciepła), a pozostała część może być
wykorzystywana np. do ogrzewania lub również sprzedana.

Ze zbiorników fermentacyjnych codziennie również jest odbierany tzw. płyn

pofermentacyjny, w ilości zbliżonej do wpompowanej, rozcieńczonej biomasy. Część tego płynu
może być użyta do ponownego rozcieńczenia biomasy jako tzw. recyrkulat, a część trafia do
zbiornika
pofermentacyjnego lub laguny, a w odpowiednim czasie jako nawóz naturalny o wysokiej
zawartości azotu, fosforu i potasu jest rozwieziona na pola w celu użyźniania gleby.

Schemat biogazowni rolniczej

2. Cel i zakres opracowania:

Celem opracowania jest projekt biogazowni rolniczej dla SK Jałowice wykonany metodą

uproszczoną. Do produkcji biogazu przyjęto substancje organiczne pochodzące z hodowli koni oraz
odpadów produkcji rolniczej.

Wykorzystane w projekcie materiały:



Curkowski Andrzej, Oniszk-Popławska Anna: Surowce do produkcji biogazu – uproszczona
metoda obliczenia wydajności biogazowni rolniczej. Czysta Energia – nr 1/2010.



Głuchowski Marcin: Biogaz z odchodów zwierzęcych. Luty 2008.

3. Obliczenia:

3.1. Określenie kategorii i liczby zwierząt hodowlanych:

Określenie kategorii i liczby zwierząt hodowlanych

Lp.

Kategoria

Ilość [szt.]

Współczynnik

przeliczeniowy

DJP

Przeciętna roczna produkcja

obornika [dt/DJP]

1.

Ogiery

5

1,2

6

100

2.

Klacze i wałachy

50

1,2

60

100

3.

Źrebaki powyżej 2 lat

8

1,0

8

101

4.

Źrebaki pow. 1 roku

7

0,8

5,6

97

5.

Źrebaki od 1/2 do 1 roku

10

0,5

5

108

6.

Źrebięta do 1/2 roku

12

0,3

3,6

160

3.2. Roczna produkcja metanu:

Produkcja metanu z odchodów zwierzęcych

Nazwa substratu

Roczna produkcja

obornika

Jednostkowa

ilość s.m. w

substracie [t

s.m./t

odpadów]

Ilość s.m. w

substracie

[t]

Jednostkowa

ilośc s.m.o.

w s.m. [t

s.m.o./t s.m.]

Jednostkowa

ilość s.m.o.

w substracie

[t]

Produkcja

metanu

[m

3

/t

s.m.o.]

Roczna

produkcja

metanu

[m

3

/r]

Produkcja

biogazu

[m

3

/DJP/d]

Roczna

produkcja

biogazu

[m

3

/r]

Obornik koński (ogiery)

600,0

0,23

115

0,8

92

347

31924,00

2,20

4015,00

Obornik koński (klacze i wałachy)

6000,0

0,23

124

0,8

99

347

34477,92

2,20

40150,00

Obornik koński (źrebaki pow. 2 lat)

808,0

0,23

110

0,8

88

347

30647,04

2,20

6424,00

Obornik koński (źrebaki pow.1 roku)

543,2

0,23

37

0,8

30

347

10247,60

2,20

642,40

Obornik koński (źrebaki 0,5-1 roku)

540,0

0,23

37

0,8

30

347

10247,60

2,20

401,50

Obornik koński (źrebaki do 0,5 roku)

540,0

0,23

12

0,8

9

347

3192,40

2,20

401,50

Suma

435

348

120736,57

52034,40

Produkcja metanu z odpadów roślinnych

Nazwa substratu

Roczna ilość

produkowanych

odpadów

roślinnych [t]

Procentowa

zawartość s.m.

w t ubstratu [%

wsadu]

Zawartość

s.m. w

substracie [t]

Procentowa

zawartość

s.m.o. w s.m.

[% s.m.]

Zawartość

s.m.o. w

substracie [t]

Produkcja

metanu z 1 tony

s.m.o. [m

3

/t

s.m.o.]

Roczna

produkcja

metanu

[m

3

/r]

Rośliny energetyczne i

odpady rolnicze

trawa - kiszonka

24

40,3

9,67

83,4

8,07

396,6

3199,15

trawa

19

11,7

2,22

88,0

1,96

587,5

1149,29

siano

21

87,8

18,44

89,6

16,52

417,9

6903,90

słoma

13

87,5

11,38

87,0

9,90

387,5

3834,80

Suma

41,71

36,44

15087,14

𝑀 = 0,65 ∙ B [𝑚

3

𝑟

⁄ ]

𝑀 = 0,65 ∙ 52034,40 = 33822,36 𝑚

3

𝑟

⁄

𝑀 = ∑ 𝑀

𝑧

+ ∑ 𝑀

𝑟

[𝑚

3

𝑟

⁄ ]

M

r

– roczna produkcja metanu z odpadów roślinnych;

M

z

– roczna produkcja metanu z odpadów zwierzęcych.

𝑀 = 33822,36 + 15087,14 = 48909,5 𝑚

3

𝑟

⁄

3.3. Roczna produkcja energii:

Roczna produkcja energii

𝐸 =

𝑀∙𝑘𝑎𝑙

𝐶𝐻4

1000

[𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄ ]

M - roczna produkcja metanu [m

3

/r];

𝑘𝑎𝑙

𝐶𝐻

4

– kaloryczność metanu [𝑘𝑎𝑙

𝐶𝐻

4

= 9,17 𝑘𝑊ℎ 𝑟

⁄ ]

𝐸 =

48909,5∙9,17

1000

= 448,5 𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄

3.3.1. Teoretyczna moc cieplna (produkcja ciepła brutto, zużycie ciepła na cele procesowe):

Teoretyczne moc cieplna:

𝑃

𝑇𝐶

=

𝑀

8760

∙ 𝑘𝑎𝑙

𝐶𝐻

4

∙ 𝜂

𝑘𝑜𝑔∙𝐶

[𝑘𝑊]

M - roczna produkcja metanu [m

3

/r];

kal

CH4

– kaloryczność metanu [kWh/m

3

];

η

kogC.

- sprawność cieplna w kogeneracji [η

kog .

= 43%]

𝑃

𝑇𝐶

=

48909,5

8760

∙ 9,17 ∙ 0,43 = 22,02 𝑘𝑊

Produkcja ciepła brutto:

𝑄

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

=

𝑃

𝑇𝐶

∙𝜂

𝑢𝑟𝑧

∙𝑡∙3,6

1000

[𝐺𝐽 𝑟

⁄ ]

P

TC

– teoretyczna moc cieplna, kW

η

urz C.

- dyspozycyjność urządzenia, (95%)

t – czas pracy urządzenia w ciągu roku (t = 8300h/r)

𝑄

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

=

22,02∙0,95∙8300∙3,6

1000

= 625,06 𝐺𝐽 𝑟

⁄

Zużycie ciepła na cele procesowe:

∆𝑄 = 𝑄

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

∙ 0,3[𝐺𝐽 𝑟

⁄ ]

∆𝑄 = 625,06 ∙ 0,3 = 187,52 𝐺𝐽 𝑟

⁄

Produkcja ciepła netto:

𝑄

𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜

= 𝑄

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

− ∆𝑄[𝐺𝐽 𝑟

⁄ ]

𝑄

𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜

= 625,06 − 187,52 = 437,54 𝐺𝐽 𝑟

⁄

3.3.2. Teoretyczna moc elektryczna (produkcja energii elektrycznej brutto, zużycie energii

elektrycznej na cele procesowe, produkcja energii elektrycznej netto):

Teoretyczna moc elektryczna:

𝑃

𝑇𝐸

=

𝑀

8760

∙ 𝑘𝑎𝑙

𝐶𝐻

4

∙ 𝜂

𝑘𝑜𝑔∙𝐸

[𝑘𝑊]

M - roczna produkcja metanu [m

3

/r];

kal

CH4

– kaloryczność metanu [kWh/m

3

];

η

kogC.

- sprawność cieplna w kogeneracji [η

kog .

= 38%]

𝑃

𝑇𝐸

=

48909,5

8760

∙ 9,17 ∙ 0,38 = 19,46 𝑘𝑊

Produkcja energii elektrycznej brutto:

𝐸

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

=

𝑃

𝑇𝐸

∙𝑡

1000

[𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄ ]

P

TC

– teoretyczna moc elektryczna [kW];

t – czas pracy urządzenia w ciągu roku [t = 8300 h/r]

𝐸

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

=

19,46∙8300

1000

= 161,52 𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄

Zużycie energii na cele procesowe:

∆𝐸 = 𝐸

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

∙ 0,09 [𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄ ]

∆𝐸 = 161,52 ∙ 0,09 = 14,54 𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄

Produkcja energii elektrycznej netto:

𝐸

𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜

= 𝐸

𝑏𝑟𝑢𝑡𝑡𝑜

− ∆𝐸 [𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄ ]

𝐸

𝑛𝑒𝑡𝑡𝑜

= 161,52 − 14,54 = 146,98 𝑀𝑊ℎ 𝑟

⁄

W przeliczeniu na 1 dobę wartość produkcji elektrycznej netto wynosi 408,1 kW