Biogazownia rolnicza – inwestycja chroniąca klimat

Autor: Katarzyna Janczur - Aufwind Schmack Nowa Energia

(„Czysta Energia” – styczeń 2009)


Na skutek działalności człowieka w atmosferze ziemskiej nastąpiła kumulacja gazów
cieplarnianych – dwutlenku węgla (CO

2

), metanu (CH

4

), ozonu, tlenków azotu, siarki i węgla,

amoniaku oraz chlorofluorowęglowodorów.

Spośród nich najwyższą zawartością w atmosferze charakteryzuje się CO

2

, a koncentracja pozostałych

gazów jest ok. tysiąc razy mniejsza. Jednak ich wkład w powiększenie efektu cieplarnianego jest
wielokrotnie większy niż CO

2

.

Metan jako gaz cieplarniany

W przypadku metanu efekt cieplarniany związany z działaniem jednej jego molekuły jest równoważny
działaniu 21 cząsteczek CO

2

. Metan jest lżejszym od powietrza, bezbarwnym i bezzapachowym gazem

o czasie trwania w atmosferze ok. 10 lat. Z uwagi na znacznie szybsze tempo wzrostu jego zawartości
w atmosferze z roku na rok rośnie udział metanu w globalnych zmianach klimatu. Przykładowo od
1750 r. stężenie CH

4

wzrosło z 700 do 1720 ppbv, a przewidywany jest wzrost do 2000 w 2030 r.

(tab. 1).

Tab.1. Zmiany stężenia gazów cieplarnianych i ich czas trwania w atmosferze

1

Gaz

Roczna emisja
[mln ton]

Czas trwania w
atmosferze

Stężenie 100 lat
temu [ppbv]

Obecne
stężenie
[ppbv]

Stężenie w roku
2030 [ppbv]

CH

4

300 500

10 lat

900

1720

2000

NO
NO

2

20-50

Kilka –
kilkanaście dni

0,001

0,001-50

0,001-50

SO

2

100-200

Do kilku tygodni

0,3

0,3-50

0,3-50

Freony 1

60-100 lat

0

3 atomy Cl

2,4-6 atomów Cl

Metan pochłania promieniowanie podczerwone ok. 60 razy silniej niż CO

2

i tym samym bardziej

przyczynia się do zatrzymania energii cieplnej w otoczeniu Ziemi. Jest drugim po CO

2

gazem mającym

największy udział w powstawaniu efektu cieplarnianego. Zdecydowana większość występującego w
atmosferze metanu, pochodzącego zarówno ze źródeł naturalnych, jak i antropogenicznych, wydzielana
jest przez bakterie metanogenne. Emisje następują w sposób naturalny w ilości 100-200 Tg z terenów
podmokłych, zbiorników wodnych, a także w wyniku erupcji wulkanów oraz aktywności zwierząt
przeżuwających i termitów. Ponad 70% metanu wpływającego na powstawanie efektu cieplarnianego
pochodzi z rolnictwa i z przemysłowej działalności człowieka, czyli z wydobycia węgla, gazu
ziemnego i ropy naftowej, z transportu i przetwórstwa bogactw naturalnych, hodowli zwierząt, uprawy
pól ryżowych, eksploatacji wysypisk i oczyszczalni ścieków oraz ze spalania materii organicznej

1

.

Metan w biogazowniach rolniczych

Obok instalacji działających przy oczyszczalniach ścieków oraz na składowiskach odpadów jednym z
typów elektrowni biogazowych są biogazownie rolnicze. W obiektach tych pozyskiwany jest metan
jako składnik biogazu w oparciu o proces beztlenowej fermentacji biomasy plonów roślin
energetycznych oraz odpadów z produkcji rolnej i przemysłu rolno-spożywczego. Biogaz stanowi lotną
mieszaninę o składzie zależnym od zastosowanej kompozycji kosubstratów procesu fermentacji

2

– w

przybliżeniu: 50-75% CH

4

, 25-37% CO

2

, 2-7% pary wodnej, 20-20 000 ppm H

2

S, do 2% N

2

, do 1%

H

2

, do 1% O

2

.

Biogazownie rolnicze mogą wykorzystywać do procesu materię organiczną, której niekontrolowany
rozkład jest przyczyną emisji CH

4

do atmosfery. Dotyczy to odpadów ze skoncentrowanej hodowli

zwierząt (gnojowice, oborniki) oraz wszelkich odpadów pochodzenia roślinnego. Spalanie
pozyskanego w wyniku ich rozkładu metanu pozwala nie tylko na produkcję energii elektrycznej i/lub
cieplnej, ale także na redukcję emisji tego gazu cieplarnianego poprzez zamianę go w mniej szkodliwy
CO

2

. Pomimo że w wyniku spalania metanu do atmosfery emitowany jest CO

2

, w rolniczych

elektrowniach biogazowych ze względu na zamknięty obieg biomasy realizowana jest produkcja
energii wolna od takiej emisji. Dzieje się tak dlatego, że wyemitowany do atmosfery dwutlenek węgla
jest powtórnie wiązany przez biomasę uprawianych na cel roślin energetycznych, przez rośliny służące
do skarmiania zwierząt w hodowlach dostarczających wsad odzwierzęcy bądź przez rośliny uprawiane
na cele żywnościowe, których część biomasy trafia do elektrowni jako odpad z przetwórstwa rolno-
spożywczego (rys. 1).

Rys. 1. Wolna od emisji CO

2

produkcja energii w biogazowni rolniczej

W biogazowniach rolniczych energia elektryczna jest produkowana w wyniku spalania zawartego w
biogazie metanu w wysoko sprawnych silnikach spalinowych, natomiast całość wytwarzanej energii
cieplnej pochodzi z wykorzystania ciepła ich pracy. Ciepło odzyskane z układu chłodzenia może służyć
do produkcji ciepłej wody, a ciepło wysokotemperaturowych spalin do wytworzenia pary
technologicznej. Przy sprzyjającej infrastrukturze i zapotrzebowaniu pozyskane ciepło może być
wykorzystane praktycznie bez strat w obszarze danej lokalizacji. Z tego względu biogazownie

produkują energię w sposób wysoce efektywny. Wysoko sprawna kogeneracja pozwala na osiągnięcie
sprawności przetworzenia energii zawartej w biogazie nawet do ok. 87%, podczas gdy łączna energia
(elektryczna i cieplna) z dużych elektrociepłowni, docierająca do odbiorcy, stanowi do 80% energii
pierwotnej zawartej w paliwie

3

.

Uwarunkowania lokalne nie zawsze pozwalają na wykorzystanie ciepła powstającego przy okazji
produkcji energii elektrycznej z biogazu. Zwiększenie efektywności energetycznej produkcji energii z
biogazu jest możliwe poprzez wprowadzanie go do sieci przesyłowych gazu ziemnego oraz jego odbiór
i zużycie tam, gdzie występuje całoroczne zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz ciepło na
poziomie maksymalnych mocy wytwórczych instalacji.

Metan w sieci gazowniczej

Pierwszą tego typu instalacją jest funkcjonująca w oparciu o przetwarzanie kiszonki kukurydzianej
biogazownia w niemieckiej miejscowości Pliening. Od 2007 r. pracuje pełną mocą, zasilając sieć
gazowniczą Monachium odnawialnym substytutem gazu ziemnego w ilości równoważnej rocznemu
zapotrzebowaniu na ciepło 1400 domków jednorodzinnych zamieszkanych przez cztery osoby.
Elektrownia tłocząca biogaz do sieci gazowniczej wymaga zastosowania dodatkowego elementu
technologicznego, jakim jest instalacja uszlachetniająca biogaz do standardu gazu ziemnego. Jest to
konieczne ze względu na różnice w składzie biogazu i gazu ziemnego, przede wszystkim z uwagi na
niższą zawartość metanu w surowym biogazie (tab. 2).

Biogaz

Gaz ziemny (grupa E)

%

Składniki

%

55-75

Metan, CH

4

97,4

25-45

Dwutlenek węgla CO

2

0,07

0-0,3

Azot, N

2

1,22

1-5

Wodór, H

2

–

0-3

Siarkowodór, H

2

S

–

0,1-0,5

Tlen, O

2

–

Etan, C

2

H

6

0,94

Propan, C

3

H

8

0,22

Gazy szlachetne (argon, hel)

0,13

Tab. 2. Porównanie składu biogazu i gazu ziemnego

4

Technologia podwyższania zawartości metanu w biogazie do powyżej 96% opiera się o proces
zmienno-ciśnieniowej adsorpcji i desorpcji zanieczyszczeń na sitach molekularnych na bazie węgla
aktywnego (spreparowany węgiel w postaci granulek). Podczas przepływu biogazu pod ciśnieniem
przez sita molekularne następuje adsorpcja molekuł CO

2

, N

2

, H

2

O, H

2

S i in. na powierzchni adsorbenta

(rys. 2). Po wykorzystaniu całej jego powierzchni aktywnej reaktor wyłącza się z obiegu i dokonuje
jego regeneracji poprzez zastosowanie normalnego ciśnienia, przy którym powyższe cząsteczki są
uwalniane i usuwane z systemu. Dysponując kilkoma reaktorami, proces można prowadzić
nieprzerwanie.

Rys. 2. Podwyższanie jakości surowego biogazu do jakości gazu ziemnego

Tak przygotowany biogaz wprowadza się np. do sieci przesyłowych gazu ziemnego, jednak wysoce
efektywnym sposobem jego zagospodarowania jest także sprężanie i bezpośrednie sprzedawanie
posiadaczom pojazdów.

Tworzenie lokalnej sieci

Szczególnie praktycznym kierunkiem jest tworzenie lokalnych sieci gazowniczych w oparciu o
dostawy biogazu o jakości gazu ziemnego z gminnej biogazowni (rys. 3). Dotyczy to obszarów
wiejskich dotychczas nieobjętych sieciami gazowniczymi. W odróżnieniu od odnawianej energii
słonecznej bądź wiatru energia z biogazu może być produkowana nieprzerwanie i przeznaczona na
pokrycie podstawowego zapotrzebowania społeczności lokalnych. Koncepcja polega na zaopatrzeniu w
ramach specjalnie rozbudowanych na ten cel instalacji gazowych zabudowy mieszkaniowej i/lub
przemysłowej, zlokalizowanej w bezpośrednim sąsiedztwie biogazowni zawierającej element
technologiczny uszlachetniania surowego biogazu. Zapewnia to podwyższenie standardu infrastruktury
wiejskiej przy jednoczesnym zużyciu energii w miejscu jej powstania, a więc zminimalizowaniu strat
na jej przesyle w oparciu o biogazownię funkcjonującą w danej gminie.

Rys. 3. Lokalna sieć gazownicza oparta o dostawy biogazu z gminnej biogazowni

Produkcja nawozu bez CO

2

Mający miejsce w ostatnich miesiącach gwałtowny wzrost cen nawozów sztucznych jest skorelowany
ze wzrostem cen energii. Produkcja nawozów sztucznych pochłania ok. 37% całości zużycia energii.
Ponadto jest związana z wytwarzaniem tlenku azotu, który ma trzysta razy silniejsze działanie jako gaz
cieplarniany niż CO

2

. Powstająca w biogazowni w znacznych ilościach przefermentowana biomasa ma

charakter płynnego nawozu organicznego. Stanowi ona doskonałe źródło pierwiastków biogennych.
Wartość nawozowa przefermentowanej biomasy została potwierdzona m.in. przez Kutnowską
Hodowlę Buraka Cukrowego w Staszkowie. W doświadczeniach opartych o hodowlę sorgo i buraka
cukrowego nawożenie roślin stymulowało je do wzrostu (średnia wysokość roślin nawożonych wyższa
o ponad 20%) oraz w obu przypadkach powodowało ponad 60-procentowy wzrost produkcji biomasy
w porównaniu z roślinami nienawożonymi. Nawóz opuszcza biogazownię w formie gotowej do
rolniczego wykorzystania przez rozdysponowanie na polach. Charakteryzuje się wyższą o 95%
mineralizacją w porównaniu z substratami wyjściowymi, obniżoną o 50% zawartością masy suchej
oraz zredukowaną zawartością substancji rolniczo szkodliwych, zwłaszcza powodujących porażenie
roślin oraz przykry efekt zapachowy kwasów organicznych. Podwyższenie mineralizacji i zawartość
związków rozpuszczonych w wodzie dodatnio wpływa na dostępność pierwiastków dla roślin, a tym
samym wydajność nawożenia. Odpowiednio długi czas fermentacji zapobiega skażeniu wód
gruntowych niebezpiecznymi bakteriami, a kontrolowane nawożenie spływowi nawozu do wód
powierzchniowych i ich eutrofizacji. Skład nawozu zależny jest w pewnej mierze od kompozycji
kosubstratów procesu (tab. 3).

Przefermentowana biomasa z biogazowni na
bazie:

N (azot)

P (fosfor)

K (potas)

[%]

Sieczki kukurydzianej

0,43

0,18

0,42

Wywaru pogorzelnianego z pszenicy

0,35

0,07

0,06

Wywaru pogorzelnianego z kukurydzy

0,32

0,14

0,08

Odpadów roślinno-zwierzęcych

0,9

0,4

0,4

Tab. 3. Różnice w składzie pierwiastków biogennych w przefermentowanej biogazowni zależnie od
zastosowanych w procesie materiałów wsadowych


Przefermentowana biomasa z biogazowni w Niemczech podlega certyfikacji i cieszy się znacznym
powodzeniem wśród tamtejszych rolników jako dobrej jakości nawóz naturalny, łatwy do pozyskania
za darmo lub po cenach znacznie niższych od cen nawozów sztucznych. Wytwarzanie w biogazowni
nawozu dwojako przyczynia się do ochrony klimatu – z jednej strony redukując zużycie energii, z
drugiej emisję gazów cieplarnianych.

Bariery dla inwestycji biogazowej

W dotychczasowym rozwoju sektora biogazu rolniczego w Polsce brak odzwierciedlenia postępu
zachodzącego w innych krajach europejskich. Pod względem produkcji biogazu w przeliczeniu na
mieszkańca Polska znajduje się na odległym 17 miejscu wśród 27 krajów UE. Projekty biogazowe
spotykają się z barierami prawnymi, kapitałowymi i technologicznymi. Bariery technologiczne można

łatwo przezwyciężyć poprzez transfer sprawdzonych technologii z Europy Zachodniej. Rozwój sektora
takiego jak energetyka biogazowa, która realizuje strategie ochrony klimatu, ale charakteryzuje się
mniejszą konkurencyjnością przy prostych porównaniach cenowych, nieuwzględniających kosztów
społecznych konwencjonalnych źródeł energii, wymaga wsparcia poprzez odpowiednie akty prawne.
Prawo dla biogazowni w Polsce dopiero powstaje, ma obecnie wiele luk i nie jest zbieżne z prawem
europejskim. Konieczność wytworzenia mechanizmów niezbędnych do bardziej dynamicznego
rozwoju sektora w Polsce dotyczy zmian, m.in. w ustawach: Prawo energetyczne i ustawa o nawozach i
nawożeniu. Nowe regulacje muszą zapewnić możliwość pozyskiwania dochodów jednocześnie z
czerwonych i zielonych certyfikatów oraz racjonalną gospodarkę materiałami wsadowymi i
przefermentowaną biomasą.

W celu umożliwienia wprowadzania biogazu do sieci gazowniczych konieczne jest uruchomienie
systemu wsparcia, np. poprzez certyfikację produkcji takiego biogazu w systemie zbliżonym do
funkcjonującego dla produkcji energii odnawialnej.

WZROST LICZBY BIOGAZOWNI ROLNICZYCH

W POLSCE DO ROKU 2020

1

1

1

3

7

214

415

616

817

1018

1219

1420

1621

1822

2023

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

20

05

20

06

20

07

20

08

20

09

20

10

20

11

20

12

20

13

20

14

20

15

20

17

20

18

20

19

20

20

Lata

L

ic

z

b

a

b

io

g

a

z

o

w

n

i

Rys. 4. Konieczny wzrost liczby biogazowni w Polsce w przypadku, gdy ich liczba w 2020 r. miałaby

wynosić 2020

Tempo rocznego przyrostu liczby instalacji konieczne do realizacji celu „Biogazownia w każdej
gminie”, jest zilustrowane na rysunku 4 i w praktyce oznacza budowę kilkunastu biogazowni na rok.
Biogazownie wpisują się w strategie ochrony klimatu, takie jak: wolna od emisji CO

2

produkcja

energii, zamiana metanu na powodujący mniejszy efekt cieplarniany CO

2

, redukcja zużycia energii i

emisji związanych z wytwarzaniem nawozów sztucznych oraz zwiększenie efektywności energetycznej
(kogeneracja i zasilanie biogazem sieci gazowniczych). Ponadto przyczyniają się do realizacji celów
pakietu klimatycznego 3 × 20. Dynamiczny rozwój tego sektora w Polsce jest obecnie uzależniony od
wprowadzenia zdecydowanych mechanizmów wsparcia w dziedzinie prawa i finansowania.


Źródła

1. Stępniewska Z., Przywara G., Bennicelli R.P.: Reakcje roślin w warunkach anaerobiozy. „Acta
Agrophysica” nr 7. 2004.

2. Błaszczyk-Pasteczka A., śukowski W.: Energetyczne wykorzystanie biogazu. „Czasopismo
Techniczne Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej” nr 1. 2007.

3. Kujawski J., Kujawski O.: Biogazownie rolnicze – wysoce efektywna metoda produkcji energii z
biomasy. Iława. 2007.

4. Łętowski S., Roman T.: Certyfikacja biogazu szansą na rozwój skojarzonych technologii
odnawialno-gazowych.

Opracowanie

opublikowane

w

Internecie.

2007.

http://snwes.pl/download/cwesnr/4.%20Biometan.pdf