ROZWIĄZANIE TECHNICZNE

PRODUKCJI ENERGII I BIOPALIW

CHEŁM

28 marca 2008 r.

Adam Kryłowicz; Kazimierz Chrzanowski; Janusz Usidus

Stowarzyszenie Elektryków Polskich Oddział w Zamościu

Wprowadzenie

W nowym układzie zgłoszonym do patentowania w Urzędzie
Patentowym RP, w polskim patencie nr 197595 pt.:”Sposób i
układ wytwarzania metanu i energii elektrycznej i cieplnej”
wytworzone

paliwo

gazowe

po

ustandardowieniu

jest

wykorzystywane do napędu agregatu prądotwórczego i ogniwa
termoregeneracyjnego.

Zgłoszony układ do opatentowania (również w systemie PCT w
Europejskim

Urzędzie

Patentowym)

jest

układem

multienergetycznym, służącym do wytwarzania paliwa gazowego
(metanu lub ustandardowionej mieszaniny CH

4

i CO

2

), energii

mechanicznej, energii elektrycznej i energii cieplnej.

Charakteryzuje się wysoką sprawnością wytwarzania energii
elektrycznej – przez agregat prądotwórczy do 42%, a przez układ
skojarzony agregat- ogniwo do 70%.

Obecny stan techniki

Wytwarzanie energii elektrycznej z biomasy jest obecnie
realizowane w sposób następujący:

Pierwszy jest oparty na procesach spalania, w wyniku czego
wytwarzana jest para wodna napędzająca turbinę parową
połączoną z generatorem prądu elektrycznego. Układ taki
charakteryzuje się niska sprawnością, wynikającą głównie z
niskich parametrów pary uzyskiwanej przy spalaniu biomasy.

Znacznie większą sprawnością charakteryzuje się metoda
wytwarzania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie do
napędu agregatu prądotwórczego biogazu powstającego w
procesach fermentacji metanowej.

Obecny stan techniki

Tradycyjne źródła pozyskiwania biogazu:

- fermentacja osadu czynnego w komorach fermentacyjnych
oczyszczalni ścieków;

- fermentacja organicznych odpadów przemysłowych i
konsumpcyjnych na wysypiskach;

- fermentacja gnojowicy i obornika w indywidualnych
gospodarstwach rolnych.

Analizując przydatność takich źródeł biogazu do wytwarzania
energii elektrycznej należy zwrócić uwagę na niską wydajność
wytwarzania metanu, zmienny skład biogazu oraz długotrwały
proces utylizacji takiej biomasy.

Wszystko to ma wpływ na bardzo wysokie koszty jednostkowe
budowy komór fermentacyjnych, które muszą posiadać dużą
objętość.

Nowe rozwiązania w produkcji metanu i energii

Aby proces uzyskiwania biogazu był opłacalny należy zastosować
biomasę o dużej wydajności metanu z 1 tony suchej masy.
Biomasę o takich własnościach otrzymuje się z celowych upraw
rolniczych. Odpady roślinne, śmieci z wysypisk oraz odpady
pochodzenia zwierzęcego mogą stanowić dodatkowe źródło
biomasy. Wytwarzanie biometanu przebiega z zastosowaniem
anaerobowego przetwarzania biomasy i fermentacji metanowej
przez bakterie metanowe mezofilne, termofilne i psychrofilne.
Część metanu wydzielonego z biogazu i biogaz miesza się
otrzymując standardowe paliwo gazowe służące do napędu
agregatu prądotwórczego. Pozostała część może być sprzedawana
odbiorcom. W procesie wytwarzania energii elektrycznej powstaje
znaczna ilość energii cieplnej, która może generować dodatkowy
dochód z eksploatacji MEB. W elektrogazowni całe ciepło
pozyskane z kogeneracji kierowane jest do ogrzewania
fermentorów o większej objętości, przez co kieruje się na sprzedaż
większą ilość wyprodukowanego biometanu.

Działanie układu MEB

Przygotowanie biomasy polega na jej rozdrobnieniu i połączeniu z
wodą w mieszarce biomasy (1f). W uzasadnionych przypadkach
natomiast wody można używać płynnych odpadów organicznych,
np. ścieki z mleczarni (1c). Tak przygotowana biomasa jest
kierowana do hydrolizera (2) gdzie następuje proces hydrolizy. W
trakcie tego procesu następuje rozszczepienie dużych cząstek
organicznych na mniejsze przy udziale wody. Następnym etapem
procesu wytwarzania biometanu jest fermentacja metanowa
biomasy, która przebiega w układzie szeregowym fermentorów:
mezofilnym (3a) i termofilnym (3c) połączonych w dalszej części z
kompostownikiem (3g). Polega na anaerobowym przetwarzaniu
biomasy do biogazu początkowo przez bakterie metanowe
mezofilne, następnie przez bakterie termofilne, a w końcowym
etapie tej części fermentacji przez bakterie metanowe
psychrofilne . Sterowanie tym procesem jest realizowane przez
zawracanie

odcieków

zawierających

odpowiednie

kultury

bakteryjne do odpowiednich procesów technologicznych (4a, 4c
4e).

Rozdział biogazu na metan i CO

2

przebiega w saturatorze (8a).

Następnie w mieszaczu gazów (11) metan miesza się z częścią
oczyszczonego biogazu w wyniku czego uzyskuje się gazowe
paliwo standardowe o wartości opałowej (8,6 kWh/m

3

) i liczbie

metanowej (104,4)

Działanie układu MEB

Otrzymane w ten sposób paliwo służy do napędzania silnika
gazowego (13a) sprzężonego z prądnicą (13b). Możliwe jest
również skojarzenie termiczne kogeneratora silnika gazowego z
ogniwem termoregeneracyjnym (13c) produkującym prąd stały
zamieniany przez falownik na prąd przemienny. Tak otrzymaną
energię elektryczną można wprowadzić do sieci elektrycznej.

Na ostatnim etapie całego procesu powstają znaczne ilości ciepła.
Jest ono pozyskiwane z cieczy chłodzącej silnik oraz ze spalin.
Ciepło to jest wykorzystane do ogrzewania hydrolizera,
fermentorów

oraz

termogeneratora

ogniwa

termoregeneracyjnego.

Nadwyżki ciepła mogą być skierowane do sieci CO (14d).

W innym układzie mogą być produkowane nadwyżki biometanu
(9a, 9c) jaki inaczej ustandardowione paliwo gazowe do paliwa GZ
50 albo do CNG albo do LNG albo do LCNG.

Należy zauważyć, iż w całym procesie otrzymujemy jeszcze jeden
produkt, który będzie oferowany do sprzedaży. Jest to wysokiej
jakości kompost (3h).

Produkcja i zużycie roczne biometanu i biogazu dla MEB

5MW

e

Roczna produkcja biometanu wynika z zawartości chemicznej
energii w paliwie, o wartości opałowej H

u

=35,79 MJ/m

3

=9,94

kW/m

3

aby wytworzyć rocznie 105 GWh energii, stąd

V

a

=10,6x10

6

m

3

/a.

Średni przepływ biometanu V

a

=1325m

3

/h; Ma=949,8 kg/h przy

gęstości metanu 

m

=0,7168 kg/m

3

.

Najczęściej wytworzony biogaz zawiera w swej objętości 75%
obj. CH

4

i 25% obj. CO

2

, czyli w stosunku objętości 3:1.

Stąd roczna produkcja dwutlenku węgla:
V

d

=0,33V

a

=3,5 x 10

6

m

3

/a; M

d

=6,34 x 10

6

kg/a, a przy gęstości

CO

2



d

=1.811 kg/m

3

; M

d

=792,5 kg/h.

Roczna produkcja biogazu wyniesie 14,1 x 10

6

m

3

/a.

Docelowe parametry układu

 moc elektryczna oddawana do sieci P

e

=5MWe;

 moc potrzeb własnych P

w

=250kWe;

 roczna produkcja energii elektrycznej W

e

=42 GWh;

 roczne zużycie biometanu przy sprawności
elektrycznej
agregatów prądotwórczych 

e

=0,4 i wartości

opałowej
biometanu H

u

=9,94 kWh/m

3

wynosi V

a

=10,6 x 10

6

m

3

;

 przepływ mieszanki V M

5

=3,9t/h=3,3 tsm/h

Tabela 1. Efekty ekonomiczne MEB 5 MWe

Produkcja roczna

Wariant I

Wariant II

Wariant III

Cena

Wartość

tys. zł

Cena

Wartość

tys. zł

Cena

Wartość

tys. zł

energia elektryczna 40
GWh
energia cieplna 164 200
GJ
Kompost 27 270 t

360 zł/MWh
33 zł/GJ
35 zł/t

14 400

5 418,6

954,45

260
zł/MWh
28 zł/GJ
25 zł/t

10 400

4 597,6

681,75

220
zł/MWh
20 zł/GJ
20 zł/t

8 800
3 284
545,4

Przychód
RAZEM tys.
PLN

20 773,05

15 679,35

12 629,40

Minus koszty tys. PLN

9 430

9 430

9 430

Zysk ze sprzedaży PLN

11 343,05

6 249,35

3 199,40

Wskaźnik rentowności
sprzedaży %

54,6

39,9

25,3

Zwrot nakładów inwestycyjnych.

Zwrot nakładów inwestycyjnych budowy MEB 5 MW nastąpi w okresie 2 lat i 3
miesięcy (wariant I) do 7 lat i 10 miesięcy (wariant III).

Nie uwzględniając amortyzacji zwrot nakładów inwestycyjnych budowy MEB 5 MW
ulegnie skróceniu do 1 roku i 10 miesięcy (wariant I) oraz do 4 lat i 5 miesięcy
(wariant III).

Współdziałanie systemu MEB z siecią energetyki

dystrybucyjnej (Zakładów Energetycznych)

Dotychczas energia elektryczna wytwarzana jest głównie w dużych elektrowniach i
elektrociepłowniach zawodowych i przemysłowych dostarczających energię elektryczną do
połączonego systemu sieci krajowych 400, 220 i 110 kV.

Następnie sieciami średnich i niskich napięć energia elektryczna dostarczana jest do
odbiorców komunalnych i drobnego przemysłu.

Z wymienionych uwarunkowań technicznych droga przesyłu energii elektrycznej do
odbiorców komunalnych, a w szczególności do odbiorców terenów wiejskich jest bardzo
wydłużona.

Powoduje to powstawanie dużych strat na przesyle wynoszących (łącznie) 9% i więcej (do
18%) energii wprowadzonej do sieci.

Dywersyfikacja wytwarzania energii elektrycznej przez MEB zlokalizowanych na terenach
wiejskich zbliży odbiorców tych terenów do źródeł energii, powodując tym samym
zmniejszenie strat energii na przesyle.

Ma to istotny wpływ na efekty ekonomiczne zakładów energetycznych, a tym samym winno
się przełożyć na zmniejszenie cen sprzedaży tej energii. Ponadto dywersyfikacja wytwarzania
energii elektrycznej i innych nośników podniesie pewność dostaw tych nośników zarówno w
skali mikroregionalnej jak również makroregionalnej i krajowej.

Wykorzystanie biomasy roślinnej do produkcji biometanu na szeroką skalę (np. z upraw roślin
na obszarze ok. 5 mln ha) może całkowicie zapewnić bezpieczeństwo energetyczne Polski i
być motorem rozwoju gospodarczego kraju.

Działanie elektrogazowni

Spośród trzech możliwości zestawienia układu: elektrociepłowni,
elektrowni o wysokiej sprawności i elektrogazowni, jedną z
bardziej perspektywistycznych jawi się możliwość budowy sieci
elektrogazowni, zwłaszcza na terenie pozbawionym sieci
dostawczej gazu ziemnego. Dla takiego układu całe ciepło z
kogeneratora kierowane jest do kaskadowego układu hydrolizera i
fermentorów a część ustandardowionego paliwa gazowego (ok.
25% ) kierowana jest do zasilania kogeneratorów, pozostała część
biogazu ustandardowiona zostaje do gazu o parametrach GZ 50
kierowanego do magistrali gazowej lub ustandardowiona do
prawie czystego biometanu kierowanego do skraplacza.
Przykładem takiej elektrogazowni jest elektrogazownia o mocy
elektrycznej 1642 kWe o parametrach: moc oddawana do sieci
1492 kWe, produkcja energii elektrycznej na sprzedaż ~ 12 GWh,
produkcja biometanu ~ 15,4 mln m

3

, w tym zużycie przez

kogeneratory 3,4 mln m

3

, sprzedaż biometanu do sieci ok. 12 mln

m

3

.

Szacunkowy koszt budowy MEB ok. 17 mln zł. Dla porównania
koszt budowy jednego odcinka gazociągu w okolicach
Białegostoku transportującego 6 mln m

3

gazu ziemnego rocznie

wyniesie ok. 33 mln zł.

(na podstawie danych z konferencji w Białymstoku,

październik 2005 r.).

Działanie elektrogazowni

Istotną możliwością zastosowania biometanu jest użycie go w
postaci CNG (sprężony metan) lub LNG (skroplony metan) lub
LCNG do napędu pojazdów. Paliwo to, podobnie jak gaz ziemny,
będzie ok. 5-krotnie tańsze od benzyny, czy oleju napędowego a
więc 5-krotnie tańsze od biopaliwa RME z oleju rzepakowego
(„Jazda za grosze „ - nr 3(24) czerwiec 2004)

Inne zalety CNG: 3 razy mniej związków toksycznych w
porównaniu z benzyną, nie wydziela dymu, pyłu, sadzy; o 10 dB
spadek hałasu (czyli kilka razy ciszej);zwiększa żywotność silnika
(gaz nie zmywa filtru olejowego z powierzchni cylindrów).

Działanie elektrogazowni

Porównanie z RME: przy wysokim plonie ziarna rzepakowego- 3
tony z ha uzyskuje się 1143 kg (1,3 m

3

) biopaliwa o energii 42,5

GJ/ha (energia dostarczona do uzyskania tego paliwa to 36,3
GJ/ha). Wytwarzanie biometanu z roślin energetycznych stwarza
możliwość uzyskania ok. 13 500 m

3

CH

4

o energii 483,2 GJ/ha –

czyli ponad 11 razy więcej w porównaniu z RME. CNG z biometanu
będzie 5 krotnie tańsze od RME.

Koszt jednostki energii chemicznej z zakupionej słomie zbóż w
cenie 100 zł/tsm i przy wytworzeniu ze słomy 390 m

3

/tsm

biometanu wynosi 7,16 zł/GJ (0,26 zł/m

3

) a w zakupionym sianie w

cenie 200 zł/tsm i przy wytworzeniu z siana 540 m

3

/tsm

biometanu wynosi 10,35 zł/GJ (0,37 zł/m

3

). Stąd koszt jednostki

energii chemicznej z mieszanki nr 5 (słoma +siano) wynosi 8,76
zł/GJ. Stąd też wynikają wysokie przychody z ha dla rolników z
upraw traw introdukowanych (miskant, spartina preriowa).

Działanie elektrogazowni

Porównanie z gazem ziemnym: biometan jest tańszy od gazu
ziemnego kupowanego za granicą, wykazuje zerową emisję CO

2

do otoczenia; elektrogazownie budować można w pobliżu stacji
paliwowych przez co nie będzie konieczności budowy rozległej i
kosztownej sieci gazowej gazu ziemnego do dostarczania CNG do
tych stacji. Biometan jest łatwy do przechowywania i dystrybucji.
Przechowywać go można w postaci CNG lub LNG albo w klatratach
w lodzie metanowym. Metan posiada także szereg zastosowań w
przemyśle chemicznym.