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. m³. Dla biogazowni 500 kW zbiorniki będą miały objętość ok. 3 do 4 tys. m³. Dla unaocznienia, zbiornik o objętości 3 400 m³ może mieć wysokość 6 metrów i średnicę 27 metrów, i zajmie powierzchnię 570 m², 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 m³ 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/Nm³, a zawartość energii chemicznej 1 m³ 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 m³ 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

1. 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.

1. Obliczenia:

   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

1. 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
	trawa	19	11,7	2,22	88,0	1,96	587,5
	siano	21	87,8	18,44	89,6	16,52	417,9
	słoma	13	87,5	11,38	87,0	9,90	387,5
Suma	41,71		36,44		15087,14

$M = 0,65 \bullet B\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{r} \right\rbrack$

$M = 0,65 \bullet 52034,40 = 33822,36\ \frac{m^{3}}{r}$

$M = \sum_{}^{}{M_{z} + \sum_{}^{}{M_{r}\ \left\lbrack \frac{m^{3}}{r} \right\rbrack}}$

M_r – roczna produkcja metanu z odpadów roślinnych;

M_z – roczna produkcja metanu z odpadów zwierzęcych.

$M = 33822,36 + 15087,14 = 48909,5\ \frac{m^{3}}{r}$

1. Roczna produkcja energii:

Roczna produkcja energii

$E = \frac{M \bullet \text{kal}_{\text{CH}_{4}}}{1000}\ \left\lbrack \frac{\text{MWh}}{r} \right\rbrack$

M - roczna produkcja metanu [m³/r];

kal_CH4– kaloryczność metanu$\ \left\lbrack \text{kal}_{\text{CH}_{4}} = 9,17\frac{\text{kWh}}{r} \right\rbrack$

$E = \frac{48909,5 \bullet 9,17}{1000}\ = 448,5\frac{\text{MWh}}{r}$

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

Teoretyczne moc cieplna:

$P_{\text{TC}} = \frac{M}{8760} \bullet \text{kal}_{\text{CH}_{4}} \bullet \eta_{kog \bullet C}\left\lbrack \text{kW} \right\rbrack$

M - roczna produkcja metanu [m³/r];

kal_CH4– kaloryczność metanu [kWh/m³];

η_kogC.- sprawność cieplna w kogeneracji [η_{kog .}= 43%]

$P_{\text{TC}} = \frac{48909,5}{8760} \bullet 9,17 \bullet 0,43 = 22,02\ kW$

Produkcja ciepła brutto:

$Q_{\text{brutto}} = \frac{P_{\text{TC}} \bullet \eta_{\text{urz}} \bullet t \bullet 3,6}{1000}\ \left\lbrack \frac{\text{GJ}}{r} \right\rbrack$

P_TC – teoretyczna moc cieplna, kW

η_{urz C.} - dyspozycyjność urządzenia, (95%)

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

$Q_{\text{brutto}} = \frac{22,02 \bullet 0,95 \bullet 8300 \bullet 3,6}{1000} = 625,06\ \frac{\text{GJ}}{r}$

Zużycie ciepła na cele procesowe:

$Q = Q_{\text{brutto}} \bullet 0,3\left\lbrack \frac{\text{GJ}}{r} \right\rbrack$

$Q = 625,06 \bullet 0,3 = 187,52\ \frac{\text{GJ}}{r}$

Produkcja ciepła netto:

$Q_{\text{netto}} = Q_{\text{brutto}} - Q\left\lbrack \frac{\text{GJ}}{r} \right\rbrack\ $

$Q_{\text{netto}} = 625,06 - 187,52 = 437,54\ \frac{\text{GJ}}{r}\ $

1. Teoretyczna moc elektryczna (produkcja energii elektrycznej brutto, zużycie energii elektrycznej na cele procesowe, produkcja energii elektrycznej netto):

Teoretyczna moc elektryczna:

$P_{\text{TE}} = \frac{M}{8760} \bullet \text{kal}_{\text{CH}_{4}} \bullet \eta_{kog \bullet E}\left\lbrack \text{kW} \right\rbrack$

M - roczna produkcja metanu [m³/r];

kal_CH4– kaloryczność metanu [kWh/m³];

η_kogC.- sprawność cieplna w kogeneracji [η_{kog .}= 38%]

$P_{\text{TE}} = \frac{48909,5}{8760} \bullet 9,17 \bullet 0,38 = 19,46\ kW$

Produkcja energii elektrycznej brutto:

$E_{\text{brutto}} = \frac{P_{\text{TE}} \bullet t}{1000}\ \left\lbrack \frac{\text{MWh}}{r} \right\rbrack$

P_TC – teoretyczna moc elektryczna [kW];

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

$E_{\text{brutto}} = \frac{19,46 \bullet 8300}{1000}\ \frac{= 161,52\ MWh}{r}$

Zużycie energii na cele procesowe:$\backslash nE = E_{\text{brutto}} \bullet 0,09\ \left\lbrack \frac{\text{MWh}}{r} \right\rbrack\ \ $

$E = 161,52 \bullet 0,09 = 14,54\ \frac{\text{MWh}}{r}\ \ $

Produkcja energii elektrycznej netto:

$E_{\text{netto}} = E_{\text{brutto}} - E\ \left\lbrack \frac{\text{MWh}}{r} \right\rbrack\ $

$E_{\text{netto}} = 161,52 - 14,54 = 146,98\ \frac{\text{MWh}}{r}\ $

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