ROLA I MOŻLIWOŚCI MAŁYCH ELEKTROWNI BIOMETANOWYCH W ZAOPATRZENIU WSI W NOŚNIKI ENERGETYCZNE

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

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

i CO

), 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

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

) 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

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

=35,79 MJ/m

=9,94

kW/m

aby wytworzyć rocznie 105 GWh energii, stąd

=10,6x10

/a.

Średni przepływ biometanu V

=1325m

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

gęstości metanu 

=0,7168 kg/m

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

i 25% obj. CO

, czyli w stosunku objętości 3:1.

Stąd roczna produkcja dwutlenku węgla:
V

=0,33V

=3,5 x 10

/a; M

=6,34 x 10

kg/a, a przy gęstości



=1.811 kg/m

; M

=792,5 kg/h.

Roczna produkcja biogazu wyniesie 14,1 x 10

/a.

Docelowe parametry układu

 moc elektryczna oddawana do sieci P

=5MWe;

 moc potrzeb własnych P

=250kWe;

 roczna produkcja energii elektrycznej W

=42 GWh;

 roczne zużycie biometanu przy sprawności
elektrycznej
agregatów prądotwórczych 

=0,4 i wartości

opałowej
biometanu H

=9,94 kWh/m

wynosi V

=10,6 x 10

;

 przepływ mieszanki V M

=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

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

, w tym zużycie przez

kogeneratory 3,4 mln m

, sprzedaż biometanu do sieci ok. 12 mln

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

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

) 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

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

/tsm

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

) a w zakupionym sianie w

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

/tsm

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

). 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

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.

Document Outline