Możliwości produkcji

biogazu

na bazie surowców

rolniczych

Józef Szlachta

Instytut Inżynierii Rolniczej

Uniwersytet Przyrodniczy we

Wrocław

Wrocław, dnia 5 czerwca 2007

Plan referatu

• 1. Wprowadzenie

• 2.

Strategia Energetyczna Dolnego Śląska

• 2.1 Biomasa – definicja, charakterystyka

• 3. Produkcja biogazu – fermentacja metanowa

• 4. Typowe produkty do produkcji biogazu rolniczego

• 5. Budowa biogazowni

• 6. Przykładowe instalacje do pozyskiwania biogazu,

• 6.1.Przykłady instalacji biogazowych

• 6.2. Przykładowe biogazownie niemieckie

• 6.3 Rodzaje instalacji biogazowych

• 7. Przykładowe wyliczenia produkcji biogazu

• 8. Podsumowanie i wnioski

1. Wprowadzenie - Strategia Rozwoju Energetyki

Odnawialnej

 Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej w

Polsce zakłada zwiększenie udziału energii

ze źródeł odnawialnych w bilansie paliwowo-

energetycznym kraju do 7,5% w 2010 roku i

do 14% w 2020 roku w strukturze zużycia

nośników pierwotnych,

 Głównymi zaletami wdrażania odnawialnych źródeł energii

są: decentralizacja krajowego sektora energetycznego,

zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju,

 Stworzenie szansy rozwoju lokalnych społeczności oraz

utrzymanie niezależności energetycznej i stworzenie

nowych miejsc pracy ok. (30-40 tys. nowych miejsc pracy),

a także przyczynienie się do poprawy stanu środowiska,

 Szacuje się, że emisja gazów cieplarnianych zostanie

zredukowana o około 18 mln ton.

Strategia Energetyczna Polski

Główne cele strategii energetycznej

Polski

decentralizacja wytwórców energii

zmierzająca do tworzenia

energetycznych rynków lokalnych i

regionalnych poprzez:



wprowadzanie na rynek energetyczny

rozproszonych wytwórców energii

 o małej i średniej

mocy

,

w dużej części wytwarzających w

skojarzeniu energię elektryczną i ciepło

(w układach kogeneracyjnych).

2. Strategia Energetyczna Dolnego Śląska

Strategia Energetyczna

Dolnego Śląska zakłada

decentralizację (Generację

Rozproszoną) wytwarzania

energii o małej i średniej mocy,

w dużym stopniu opartej o

wykorzystanie odnawialnych

źródeł energetycznych.

Energetyka rozproszona to możliwość

wykorzystania …

miejscowych małych źródeł gazu i biogazu,
zasobów energii odnawialnej tj. energii:

promieniowania słonecznego, biomasy,

wiatru oraz złóż geotermalnych,

odzysku ciepła odpadowego.

Szczególnie ważnym aspektem tych działań jest
optymalizacja, oszczędność wykorzystywania OZE
oraz zmniejszenie materiałochłonności i
energochłonności produkcji. Oszczędność
zużywania energii to również prowadzenie działań
termomodernizacyjnych w budynkach
mieszkalnych i użyteczności publicznej.

Cele strategii energetycznej gminy to:

1.kreowanie lokalnego rynku energii

-

poprzez

wykorzystywanie odnawialnych źródeł

energetycznych,

2.minimalizacja kosztów usług

energetycznych

,

3.osiąganie wymiernych efektów

- w

odniesieniu do środowiska przyrodniczego, co może
pozytywnie wpływać na promocję gminy i
stymulować jej rozwój (np. poprzez turystykę),

4.tworzenie nowych miejsc pracy

-

związanych z rozwojem usług energetycznych.

2.1 Biomasa – definicja, charakterystyka

Biomasa – to produkty podatne na rozkład

biologiczny oraz ich frakcje, odpady i pozostałości

przemysłu rolnego (łącznie z substancjami

roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych

z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na

rozkład biologiczny frakcje odpadów

przemysłowych i miejskich (Dyrektywa

2001/77/WE).

Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra
Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 roku

biomasa to:

stałe lub ciekłe substancje pochodzenia
roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają
biodegradacji - pochodzące z produktów
rolniczych, odpadów i pozostałości z
produkcji rolnej, leśnej oraz przemysłu
przetwarzającego ich produkty, a także
części pozostałych odpadów, które ulegają
biodegradacji [Dz. U. Nr 267, poz. 2656

2. 1. Argumenty przemawiające za energetycznym wykorzystaniem

biomasy i biogazu:

 stałe i pewne dostawy krajowego nośnika energii,
 zapewnienie dochodu oraz alternatywna

produkcja roślinna przy ograniczeniach produkcji

roślinnej i zwierzęcej,

 tworzenie nowych miejsc pracy,
 ograniczenie emisji CO

2

przy spalaniu nośników

odnawialnych,

 aktywizacja ekonomiczna, przemysłowa i

handlowa lokalnych społeczeństw,

 decentralizacja produkcji energii (wyższy poziom

bezpieczeństwa energetycznego poprzez

poszerzenie oferty producentów energii).

2. Biomasa

- jako najważniejszy nośnik energii

odnawialnej

Szacuje się, że biomasa dostarcza 1250 mln ton

masy organicznej, co stanowi 14 % światowego

zużycia energii. W celach energetycznych można

wykorzystywać odnawialne nośniki energii jak:

 drewno odpadowe w przemyśle drzewnym i

leśnictwie, odpadowe opakowania, plantacje roślin

energetycznych (jak: wierzba, topola, miscanthus,

ślazowiec pensylwański, topinambur),

 słoma i ziarno zbóż,

 biogaz z odpadów produkcji zwierzęcej oraz z

odpadów ściekowych i organicznych (odpady

organiczne z cukrowni, gorzelni, browarów itd.,

 (gnojowica, obornik) oraz osady ściekowe, wysypiska

śmieci,

 biopaliwa płynne (bioetanol, oleje roślinne, biodiesel).

Biomasa stanowi trzecie, co do wielkości na świecie,

naturalne źródło energii

Tabela 1. Możliwości energetycznego wykorzystania
biomasy i biogazu

(Wojciechowski 2004)

BIOMASA

BIOPALIWA

STAŁE

BIOPALIWA GAZOWE

BIOPALIWA

CIEKŁE

-

pozostałości z

rolnictwa:
słoma zbóż,

rzepaku,
siano, łęty
- drewno opałowe:

ścinki, kora, wióry,

zrębki, trociny,
- odpady z produkcji

zwierzęcej,
-osady ściekowe
odwodnione,
- rośliny

energetyczne
drzewiaste i

trawiaste.

 biogaz rolniczy z fermentacji
gnojowicy i odpadów

rolniczych,

 gaz drzewny,
 gaz wysypiskowy z
fermentacji odpadów

komunalnych,

 biogaz z fermentacji osadów

ściekowych,

 biogaz z fermentacji odpadów
przetwórstwa spożywczego

- biodiesel - olej

rzepakowy;

- etanol
- metanol
- biooleje
- oleje po

smażeniu z

placówek

żywienia

zbiorowego

Z gnojownicy

38 mln

m

3

/rok

Z obornika

85 mln m

3

/rok

 z 1 m

3

płynnych odchodów możemy otrzymać około

20 m

3

/dobę biogazu

 z 1 m

3

obornika 30 m

3

/dobę biogazu

Ogółem potencjał produkcji biogazu: 3,3 mld
m

3

/rok

tj. ogółem ok. 1,8 – 2,3 mld m

3

/rok

metanu.

Możliwości pozyskiwania biogazu w gospodarstwach rolnych z

odchodów produkcji zwierzęcej w warunkach polskich kształtują się

następująco: (dane GUS 2000 r):

3. Fermentacja metanowa jako

biotechnologia

• Wielocząsteczkowa

substancje organiczne

jak gnojowica:
tłuszcze,
białka,
węglowodany

• Wielocząsteczkowa

substancje organiczne

jak gnojowica:
tłuszcze,
białka,
węglowodany

Fermentacja

metanowa

(przemiana

biochemiczna)

Część związków

ulega

mineralizacji

Fermentacja

metanowa

(przemiana

biochemiczna)

Część związków

ulega

mineralizacji

Biogaz:

Głównie metan (CH

4

)

oraz CO

2

Biogaz:

Głównie metan (CH

4

)

oraz CO

2

3. Fermentacja metanowa jako

biotechnologia

Fermentacja metanowa odpadów produkcji

zwierzęcej pozwala na:

1. produkcję biogazu jako paliwa z

możliwością przetworzenia na różne formy

energii,

2. utylizację gnojowicy dzięki czemu stwarza

ona mniejsze zagrożenie ekologiczne dla

otaczającego środowiska,

3. produkcję nawozu organicznego w postaci

kompostu na bazie przefermentowanej

gnojowicy z dodatkiem innych

komponentów organicznych w postaci

słomy, trocin itp.

3. W zależności od temperatury fermentację metanową

można podzielić na trzy grupy:

• fermentacja psychrofilna

4°C - 30°C,

• fermentacja mezofilna

31°C - 40°C,

• fermentacja termofilna

50°C - 65°C.

3. Jak powstaje biogaz

Polimery: substancje organiczne o rozbudowanej

strukturze np. polischarydy, tłuszcze, lipdy, białka

Monomery np. cukry proste (glukoza), wyższe kwasy

tłuszczowe aminokwasy

Proste kwasy organiczne, alkohole, ketony, aldehydy

Kwas octowy (Octan), dwutlenek węgla, wodór

Metan (CH

4

)+dwutlenek węgla (CO

2

)

Bakterie z grupy względnych
beztlenowców

Hydroliza

Faza kwaśna
(acidogenna)

Faza octanogenna

Faza metanogenna

Fakultatywne beztlenowce bakterie
acidogenne

Bakterie fazy octanogennej,
metanowe

Bakterie metanowe

FERMENTACJA I ROZKŁAD SUBSTACNJI ORGANICZYCH

3. Przebieg fermentacji - liczba etapów procesu

technologicznego

• Dla biogazowni rolniczych najczęściej stosuje się metodę

jedno-lub dwuetapową.

• Metoda jednoetapowa - ma miejsce gdy wszystkie fazy

procesu fermentacji metanowej odbywają się w jednym

zbiorniku tzn. nie są rozdzielone przestrzennie.

• W metodzie dwu- lub wieloetapowej - stosuje się

rozdzielenie poszczególnych faz na rożne zbiorniki np. część

procesu technologicznego odbywa się w zbiorniku

zewnętrznym.

• Przy fermentacji mokrej najczęstsze zastosowanie znajdują

instalacje jednoetapowe, które pracują według metody

przepływowej. W procesach dwuetapowych do fermentatora

właściwego jest podłączony fermentator wstępny, który

otwiera proces. W tymże fermentatorze wstępnym zostają

optymalnie ustawione warunki dla pierwszych dwóch etapów

procesu rozkładu (hydrolizy i tworzenia kwasów). Z

fermentatora wstępnego substrat przedostaje się do

fermentatora głównego [Institut für Energetik und Umwelt

gGmbH].

Tabela 2. Klasyfikacja metod wytwarzania biogazu według różnych

kryteriów

[źródło: Institut für Energetik und Umwelt gGmbH].

3. Skład biogazu

Składnik

Zawartość

zakres (%)

Zazwyczaj (%)

Metan (CH

4

)

54-85

59

dwutlenek węgla

(CO

2

)

16-48

38,8

Siarkowodór (H

2

S)

0,08- 5,5

0,2

Wodór (H

2

)

0-5

0,5

tlenek węgla (CO)

0-2,1

0,5

Azot (N

2

)

0,6-7,5

0,4

Tlen (O

2

)

0-1

0,6

Tabela 2. Porównanie wartości opałowej biogazu innymi nośnikami
energii [

Szlachta i inni 1999]

Rodzaj paliwa

Wartość opałowa

Przelicznik w stosunku

do 1 m

3

biogazu o

wartości opałowej

26 MJ/ m

3

Biogaz

20-26 MJ/ m

3

1 m

3

Gaz ziemny

33,5 MJ/ m

3

0,77 m

3

Olej napędowy

41,9 MJ/l

0,62 m

3

Węgiel kamienny

23,4 MJ/kg

1,1 kg

Biopaliwo z

rzepaku

36,5 MJ/kg

0,70 kg

Etanol

29,6 MJ/kg

0,85 kg

Drewno

opałowe*

13,3* MJ/kg

2 kg

• Biogaz rolniczy
• Biogaz przemysłowy
• Biogaz komunalny
• Biogaz wysypiskowy

5. Miejsce wytwarzania biogazu - budowa biogazowni

Biogaz

rolniczy

5.1. Biogaz rolniczy

Obróbka wstępna materiału wsadowego

 Zbiornik surowca, kraty, sito, pompa, macerator, urządzenie do usuwania

piasku z dna komory / wybierak hydrauliczny, rurociągi i armatura,

przechowywanie i odprowadzenie materiału: zlewnia zbiornik(i)

magazynujący(e) pompa(y), układ do higienizacji odpadów pochodzenia

zwierzęcego.

Komora fermentacyjna

 Komora fermentacyjna, z blachy stalowej, betonowa lub z tworzywa

sztucznego, mieszadło lub inny system mieszający, detektor i wyłapywacz

piany, miernik poziomu cieczy w komorze, instalacja elektryczna.

System ogrzewania

Rurociągi, armatura, wymiennik ciepła.

Instalacja gazowa

 Oczyszczanie biogazu: odwadniacz, cyklon, filtry H

2

S, zbiornik na gaz,

ciśnieniomierz, przerywacz płomienia, pochodnia do spalania nadwyżek

biogazu.

Instalacja elektroenergetyczna

 Stacja transformatorowa, okablowanie dojścia do sieci, liczniki pomiarowe,

montaż przyłącza, agregat do skojarzonego wytwarzania energii

elektrycznej i ciepła.

Instalacja do obróbki przefermentowanej gnojowicy

 Zbiornik magazynujący, układ do produkcji bionawozu, wóz asenizacyjny.

6. Przykładowe instalacje biogazowe

Biogazownia rolnicza w
Tworogu

Biogazownia w
Dani