Biogaz rolniczy

http://agroenergetyka.pl/?a=article&idd=147

W Polsce tego rodzaju źródła energii odnawialnej nie są często spotykane tak jak u naszych zachodnich sąsiadów. Wytwarzany w gospodarstwach rolnych obornik ulega fermentacji a niewykorzystany biogaz zostaje wprowadzony do atmosfery i powiększa efekt cieplarniany. W zależności od charakteru działalności produkcji rolnej różne są produkty odpadowe, z których wytwarza się biogaz. W większości gospodarstw hodowlanych substratem do produkcji biogazu są odchody zwierzęce, a w gospodarstwach rolno - hodowlanym są to odchody oraz odpady poprodukcyjne.

Jednak nie wszystkie substraty nadają się do produkcji biogazu. Biomasa taka jak słoma, drewno lub np. rośliny o dużej zawartości substancji trudno rozkładalnych biochemicznie (np. lignina) nadają się bardziej do spalania niż do fermentacji metanowej. To co wyróżnia biogaz wśród innych rodzajów energii odnawialnej pozyskiwanej z biomasy to możliwość zastosowania składników charakteryzujących się znaczną zawartością wody lub masy organicznej jak i również takich, które wymagają utylizacji (np. odpady poubojowe).

Biogaz może być wytwarzany z różnych rodzajów substratów. Do surowców bardzo dobrze nadających się do zastosowania w biogazowniach rolniczych należą takie materiały jak nawozy naturalne (np: gnojowica, obornik), odpady rolne poprodukcyjne (np: odpady zbożowe, odpady pasz), rośliny energetyczne (np: kukurydza, pszenżyto, pszenica, jęczmień, rzepak, lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak cukrowy, ziemniak). W biogazowniach rolniczych możliwe jest również przetwarzanie na biogaz odpady organiczne pochodzące na przykład z produkcji spożywczej lub biopaliw oraz inne czyste chemicznie odpady organiczne.

Rys. 1 Średnia wydajność biogazu otrzymanego z tony rolniczych odpadów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

1 - Obornik krowi

2 - Obornik świński

3 - Nawóz kurzy

4 - Odpady roślinne

5 - Buraki pastewne

6 - Kiszonki kukurydzy

7 - Kiszonki traw

8 - Osady ściekowe tłuszcze

U naszych zachodnich sąsiadów istnieją dopłaty dla rolników za każdy wyprodukowany KW energii z biogazu. Niestety u nas w kraju niczego takiego nie ma - a szkoda.

W świecie jeśli chodzi o wykorzystanie biogazu na skalę przemysłową przodują Amerykanie. Amerykanie budują elektrownie otrzymującą biogaz z indyczych odchodów. Ten nowatorski projekt będzie zasilał w energię 60 000 domów.

Według Kotowskiego pełne wykorzystanie odpadów rolno - spożywczych w Polsce ograniczy import gazu ziemnego o ok. 35 %.

Rys. 2 Schemat typowej rolniczej biogazowi.

Odpady na początku cyklu technologicznego zostają poddane mechanicznej obróbce z udziałem wody. Przygotowany tak wsad podawany jest higienizacji termicznej a następnie kierowany jest do bioreaktora, gdzie zachodzi proces fermentacji metanowej.

Źródło:

1. Lewandowski W. 2006.: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, wydanie 3, Warszawa.

2. Bogdanienko J. 1989.: Odnawialne źródła energii. Biblioteka Problemów, t. 290, Warszawa PWN.

3. Oleszkiewicz J. 1999.: Eksploatacja składowisk odpadów. Kraków.

4. Kujawski J. Kujawski O. 2005.: Biogazownie rolnicze - wysoce efektowna metoda produkcji energii z biomasy.

5. Grzesik K. 2006.:Wykorzystanie biogazu jako źródła energii.

http://sknos.agh.edu.pl/zielone-prady2/referaty/K.Grzesik.pdf

6. Kruczek S. 2001.: Kotły. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.Wrocław.

7. Kotowski W. 2006.: Do baku. Agroenergetyka. 4(18), s.33-35.

Produkcja energii biogazowni rolniczej

Naturalnym źródłem metanu są również odchody zwierzęce, obornik i gnojowica, dlatego odpady te są dobrym surowcem do produkcji biometanu w biogazowniach rolniczych. Jednak w odróżnieniu od dwu opisanych wcześniej technologii, celem funkcjonowania biogazowni rolniczych jest nie tylko redukcja emisji metanu i utylizacja odpadów, ale przede wszystkim produkcja energii elektrycznej i cieplnej. W tym celu wykorzystywane są nie tylko odpady, ale także biomasa z celowych upraw rolniczych. W Niemczech powstają nawet biogazownie rolnicze, w których surowcem jest wyłącznie biomasa roślin z celowych upraw. Właśnie w Niemczech notuje się dynamiczny rozwój biogazowni rolniczych, w Polsce natomiast funkcjonuje obecnie jedna biogazownia rolnicza, jednak obserwuje się rosnące zainteresowanie tą technologią w kraju.

Produkcja biogazu w biogazowniach rolniczych przeprowadzana jest w komorach fermentacyjnych, wyposażonych w instalacje: do mieszania wsadu, grzewczą, dozującą biomasę, gazową. Surowiec ze zbiornika wstępnego dozowany jest do komory fermentacyjnej, skąd po rozłożeniu substancji organicznej jest transportowany do laguny lub zbiornika pofermentacyjnego. Odpad pofermentacyjny wykorzystywany jest do użyźniania pól uprawnych. Biogaz jest kierowany do modułu kogeneracyjnego, w którym energia chemiczna biogazu ulega konwersji na energię elektryczną oraz cieplną. Część energii zostaje zużyta na potrzeby biogazowni (głównie do ogrzania komór fermentacyjnych), nadmiar jest sprzedawany do sieci energetycznej; ciepło również może być sprzedawane odbiorcom zewnętrznym. Ilość energii potrzebnej do zaspokojenia wewnętrznych potrzeb biogazowni zależy od szczegółów technologicznych rozwiązań konstrukcji (wyniesienie lub zagłębienie komór w stosunku do powierzchni ziemi, sposoby izolacji, grubość ścian komór itp.), warunków klimatycznych w danym regionie (zachowanie stabilnej temperatury zimą w Polsce wymaga znacznie większego zużycia energii niż np. w krajach południowej Europy). Przeciętne zapotrzebowanie biogazowni na energię elektryczną stanowi ok. 20% jej ogólnej produkcji, zaś w przypadku energii cieplnej ok. 40% wykorzystywane jest na potrzeby własne. Jeżeli instalacja kogeneracyjna w danym czasie nie pracuje, urządzeniem spalającym biogaz jest pochodnia gazowa. Stany te są najczęściej krótkotrwałe i sporadyczne (wymiana oleju, wymiana filtrów, pomiar luzów, sprawdzanie rozrządu itd.).

Produkcja biogazu

Ilość i skład biogazu zależy głównie od składu chemicznego poddawanych fermentacji związków organicznych, temperatury prowadzenia procesu i czasu przetrzymania substratów w reaktorze. Z 1 kg węglowodanów powstaje średnio 0,42 m3 CH4, z białek 0,47 m3 CH4, tłuszczów 0,75 m3 CH4. W przybliżeniu dla wsadu energetycznego komory można przyjąć łączną produkcję biometanu w oparciu o empiryczny wzór:

V(CH4) = 0,35 x (ChZTw - ChZTo) x Q

gdzie:

V(CH4) - produkcja biometanu [m3/doba]

ChZTw - chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji zasilających [kg O2/kg biomasy]

ChZTo - chemiczne zapotrzebowanie na tlen substancji przefermentowanych [kg O2/kg biomasy]

Q - masowe natężenie przepływu biomasy przez komorę [m3/doba]

Substraty rolnicze wykorzystywane w procesie fermentacji

Podstawowym substratem wykorzystywanym w biogazowni rolniczej jest gnojowica. W zależności od gatunku zwierząt, ilość energii zawartej w biogazie pochodzącym z gnojowicy, okazuje się różna.

Wartość energetyczna biogazu w funkcji liczby DJP (dużych jednostek przeliczeniowych - sztuk dużych)

Na ekonomikę procesu fermentacji ma wpływ stężenie substancji organicznych. Ze względu na niskie stężenie substancji organicznych w gnojowicy uzasadnione jest uzupełnianie wsadu różnymi substratami organicznymi, dostępnymi na lokalnym rynku. Mogą to być odpady z rzeźni, pozostałości z produkcji roślinnej, a także biomasa z celowych upraw polowych. Kosubstraty w procesie fermentacji beztlenowej umożliwiają właściwe obciążenie komory fermentacyjnej, optymalizują kinetykę procesu fermentacji metanowej poprzez lepszą konfigurację proporcji węgla do azotu, polepszając jej efektywność i opłacalność ekonomiczną.

Do produkcji biogazu nadaje się zarówno gnojowica pochodząca z ferm trzody chlewnej, jak i bydła. Porównanie jednostkowej wydajności tych substratów wypada na korzyść gnojowicy świńskiej (tab. 1). Ponadto biogaz z gnojowicy bydlęcej charakteryzuje się niższą zawartością biometanu. Różnice te wynikają z faktu, że w żołądkach bydła, a więc zwierząt przeżuwających, zachodzi już wstępna fermentacja związków organicznych, przez co gnojowica jest nieco uboższa.

Nie tylko gnojowica może być surowcem z produkcji zwierzęcej, ale również odchody o większej zawartości suchej masy, jak obornik czy odchody drobiu. O ile obornik znajduje obecnie w Polsce w całości wykorzystanie w rolnictwie jako nawóz organiczny, o tyle kurzeniec często nastręcza problemy, gdyż fermy kurze prowadzące chów bezściółkowy nie potrzebują gruntów, na których mógłby on być stosowany. W tej sytuacji fermentacja jest racjonalnym sposobem utylizacji odchodów i zmniejszenia obciążenia środowiska biogenami wprowadzanymi wraz ze świeżym kurzeńcem. Ze względu na fakt, że odchody drobiu charakteryzują się dość wysokim stężeniem (zawartość suchej masy na poziomie 25-40% w zależności od systemu utrzymania zwierząt), niezbędne jest zastosowanie kosubstratów płynnych, które pozwolą na odpowiednie rozcieńczenie wsadu do poziomu poniżej 15%, co jest wartością graniczną dla procesu fermentacji mokrej. W technologii proponowanej przez firmę PolHoSt do rozcieńczania odchodów proponowana jest woda, której część jest następnie zawracana z odcieku do komory fermentacyjnej, co pozwala ograniczyć wykorzystanie czystej wody w celach produkcyjnych. Zamiast wody można też zastosować inne ciecze, jak np. serwatka, jednak wówczas należy uwzględnić zawartość poszczególnych składników w ciekłym kosubstracie, gdyż mogą one wpływać znacząco na przebieg procesu, choćby wskutek zmiany stosunku C:N. Budowa biogazowni przy fermie drobiu pozwala zagospodarować ciepło do ogrzewania budynków inwentarskich. Zagospodarowanie pozostałości po fermentacji nastręcza znacznie mniej problemów w porównaniu z odchodami świeżymi, dzięki zmianie ich właściwości: zmniejszeniu uciążliwości zapachowej, ograniczeniu emisji amoniaku do atmosfery, lepszej przyswajalności składników przez rośliny. Istnieje też możliwość suszenia odpadu pofermentacyjnego i stosowaniu go jako biomasy stałej w procesie spalania.

Poszukiwanie bazowych substratów do produkcji biogazu w otoczeniu rolnictwa może nas zaprowadzić do zakładów przetwarzających płody rolne, jak gorzelnie i browary, gdzie powstają produkty uboczne: wywar gorzelniany i młóto (wysłodziny) browarnicze. Właśnie wywar jest podstawowym substratem w technologii proponowanej w Polsce przez Aufwind Schmack Nowa Energia. Jako kosubstraty znajdują zastosowanie odpady z przetwórstwa warzyw i biomasa z celowych upraw kukurydzy. Koncepcja łączenia biogazowni z gorzelnią jest racjonalna pod warunkiem stabilnej sytuacji krajowego gorzelnictwa, co niestety ostatnio stało się problematyczne. Jednak w przypadku jednostek, których funkcjonowanie nie jest zagrożone, jest to bardzo korzystny mariaż. Gorzelnia wówczas jest z jednej strony dostawcą podstawowego kosubstratu, z drugiej zaś odbiorcą ciepła z biogazowni, co znacząco podnosi efektywność ekonomiczną inwestycji. Nadmiar energii cieplnej powstającej w biogazowni jest często poruszanym problemem, a jego racjonalne zagospodarowanie nastręcza kłopoty. Stały odbiorca tej energii, jakim byłaby gorzelnia, to ogromny atut tego rozwiązania technologicznego. W zależności od zapotrzebowania gorzelni, mogłaby ona zagospodarowywać nie tylko nadmierną część ciepła z kogeneratora, ale też np. spalać część biogazu w kotle parowym. Biogazownia będzie też być dostawcą energii elektrycznej dla gorzelni, uniezależniając ją od dostawców zewnętrznych. Rozwiązanie to ma również zalety środowiskowe: zmniejszenie zużycia energii konwencjonalnej i węgla, utylizacja wywaru, zmniejszenie uciążliwości związanych z jego stosowaniem w przypadku rozlewania na polach, eliminacja odoru, zmniejszenie zawartości suchej masy, podwyższenie stopnia mineralizacji składników, a dzięki temu wzrost ich biodostępności.

Innym odpadem powstającym przy przerobie surowców pochodzenia rolniczego jest serwatka. Jako uboczny produkt powstający w zakładach mleczarskich podczas wytwarzania serów twardych i twarogów, jest złożoną mieszaniną wielu wartościowych składników: węglowodanów (zwłaszcza laktozy), bia¬łek, tłuszczu, kwasów organicznych, witamin i soli mineralnych. Z całkowitej objętości mleka wykorzystywanego do produkcji serów blisko 80-90% opuszcza proces technologiczny jako ser¬watka. Pomimo istnienia wielu możliwości przemysłowego zago¬spodarowania serwatki, stanowi ona w mleczarniach olbrzymi problem. Dlatego wciąż poszukuje się nowatorskich i efektywnych metod transformacji serwatki do użytecznych produktów. Serwatka jest doskonałym substratem fermentacyjnym. Ocenia się, że w Polsce objętość powstającej serwatki wynosi blisko 2 mln m3/rok. Ilość energii, jaką można uzyskać z takiej ilości serwatki w procesie fermen¬tacji metanowej mieści się w przedziale 198-560 GWh/rok.

W związku z tym, że w zasadzie każdy rodzaj substratów organicznych podlega tym samym przemianom w warunkach beztlenowych, wybór substratów dla biogazowni uwarunkowany jest przede wszystkim ich ceną i dostępnością. Najmniejsze koszty ponoszone są w przypadku zastosowania różnego rodzaju odpadów: z produkcji zwierzęcej, roślinnej czy przemysłu rolno-spożywczego. Szeroko dostępnym surowcem ubocznym jest gnojowica, dlatego wiele biogazowni powstaje właśnie przy fermach trzody chlewnej i bydła. Fermentacja gnojowicy pozwala na jej odpowiednie zagospodarowanie, poprawę jakości tego naturalnego nawozu, a równocześnie przynosi dodatkowy dochód dla gospodarstwa. Właśnie gnojowica jest podstawowym substratem w pierwszych rolniczych biogazowniach, jakie powstały w Polsce, należących do firmy Poldanor. Jednak doświadczenia biogazowni duńskich, które służyły za przykład dla Poldanoru, a także słabe wyniki uzyskiwane przed laty w krajowych biogazowniach IBMER-u wskazują, że fermentacja samej gnojowicy jest nieefektywna. Aby zintensyfikować proces należy zwiększyć zawartość suchej masy w komorze, przez dodanie kosubstratów. Często w tym celu wykorzystuje się biomasę z celowych upraw: kukurydzy, żyta, sorgo, lucerny itp. Mogą być to również odpady z przetwórni owoców, warzyw, a nawet substraty pochodzenia zwierzęcego z ubojni i rzeźni, odpadowy tłuszcz, frakcja glicerynowa itp. Istotne jest zachowanie proporcji pomiędzy węglem i azotem (stosunek C:N). Jeśli ta relacja jest za wysoka (dużo C i mało N), nie może dojść do całkowitej przemiany węgla, a tym samym nie można uzyskać możliwego potencjału metanu. W odwrotnym przypadku, przy nadmiarze azotu, może dojść do powstania amoniaku (NH3), który już w niewielkich stężeniach hamuje wzrost bakterii. Do prawidłowego przebiegu procesu stosunek C:N powinien mieścić się w zakresie 10-30. Ważne są też relacje pomiędzy zawartością fosforu i siarki. Aby bakterie otrzymywały dostateczną porcję substancji pokarmowych, stosunek C:N:P:S powinien wynosić 600:15:5:1. W składzie substratów niezbędne jest też występowanie pierwiastków śladowych i składników pokarmowych, takich jak żelazo, nikiel, kobalt, selen, molibden i wolfram, koniecznych do wzrostu i przetrwania bakterii.

W rolnictwie i jego otoczeniu powstaje wiele surowców, które można przeznaczyć do efektywnej produkcji biogazu. Wybór optymalnej technologii powinien być poprzedzony uważnym rozpoznaniem tych zasobów, ich jakości, ilości, stabilności dostaw, kosztów pozyskania, przechowywania i transportu. Oferty poszczególnych firm oferujących usługi w zakresie budowy biogazowni pozwalają wybrać odpowiednią technologię, zaś specjaliści pomogą zoptymalizować proces tak, aby był możliwie wydajny w warunkach konkretnej lokalizacji.

Potencjał ilości biomasy ze źródeł rolniczych i przemysłowych w Polsce

Warunkiem powstania biogazowi rolniczej jest ciągły dostęp do substratów. Analizując pod tym kontem potencjał biogazowy w Polsce, założono, iż w gospodarstwach rolnych o obsadzie zwierząt powyżej 100 SD (sztuk dużych) możliwa jest produkcja biogazu wykorzystująca odchody zwierząt.

W Polsce istnieje ok. 1300 gospodarstw zajmujących się hodowlą bydła, 3000 gospodarstw zajmujących się hodowlą trzody, 3500 gospodarstw zajmujących się hodowlą drobiu - razem 7800 gospodarstw o obsadzie zwierząt powyżej 100 SD.

Liczba ferm bydła o obsadzie powyżej 100 sztuk:

Liczba ferm drobiu o obsadzie powyżej 5000 sztuk:

Liczba ferm trzody chlewnej o obsadzie powyżej 500 sztuk (w przypadku województwa powyżej 400 szt., dolnośląskiego powyżej 100 szt., pomorskiego powyżej 24 szt., lubelskiego powyżej 380 szt.):

Całkowity potencjał techniczny do produkcji biogazu rolniczego z odchodów zwierząt w Polsce wynosi 674 mln m3 biogazu tj.26,2 PJ, co stanowi ok. 21% potencjału teoretycznego. Potencjał ekonomiczny wykorzystania biogazu rolniczego jest jeszcze bardziej ograniczony.

Podstawy procesu fermentacji metanowej

Biogaz to gaz powstający w czasie fermentacji metanowej, składający się głównie z metanu, dwutlenku węgla oraz niewielkich ilości azotu, siarkowodoru i wodoru. Biogaz powstaje w naturalnych procesach zachodzących w dnach zbiorników wodnych (oceany, jeziora), podczas erupcji wulkanicznych i pęknięć skorupy ziemskiej, w przewodach pokarmowych przeżuwaczy i termitów, podczas rozkładu nawozów organicznych (obornika, gnojowicy). Do antropogenicznych źródeł metanu zalicza się:

- wydobycie węgla, gazu ziemnego i ropy naftowej,

- przetwórstwo bogactw naturalnych,

- hodowla zwierząt domowych,

- pola ryżowe,

- składowiska odpadów i oczyszczalnie ścieków.

Oprócz naturalnych i antropogenicznych źródeł, z których metan trafia do atmosfery, produkowany jest on również w procesach sterowanych przez człowieka w celu bądź to utylizacji odpadów, bądź też produkcji energii elektrycznej i cieplnej.

Funkcjonowanie biogazowni

Fermentacja beztlenowa jest procesem biochemicznym zachodzącym w warunkach beztlenowych. Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste, głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej zamienia się w biogaz.

Biogazownia rolnicza wytwarzająca metan realizuje pięć etapów procesu technologicznego. Są nimi:

1. Dostarczanie, składowanie i przygotowywanie substratów.

2. Wprowadzanie substratów (wsadu) do komory fermentacyjnej.

3. Uzyskiwanie biogazu.

4. Uzdatnianie i zagospodarowywanie odpadów pofermentacyjnych.

5. Uzdatnianie i wykorzystywanie biogazu.

Wszystkie etapy procesu są ze sobą ściśle powiązane. Należy zwrócić szczególną uwagę powiązania etapów 3 oraz 5. Podczas wykorzystania biogazu (etap 5) produkowana jest energia cieplna, którą można wykorzystać do utrzymania pożądanej temperatury fermentacji (etap 3).

Schemat przebiegu produkcji biogazu

Przebieg fermentacji metanowej

Faza hydrolityczna: rozkład spolimeryzowanych, nierozpuszczalnych związków organicznych (białka, węglowodany, tłuszcze) przy współudziale zewnątrzkomórkowych enzymów. Białka ulegają hydrolizie do aminokwasów, wielocukry (w tym celuloza) do cukrów prostych, tłuszcze do alkoholi wielowodorotlenowych i kwasów tłuszczowych.

C6H10O4 + 2H2O -> C6H12O6 (cz. organiczna/glukoza)

Faza acidogenna (kwasogeneza): rozkład produktów hydrolizy do krótkołańcuchowych kwasów organicznych, głównie (76%) do lotnych kwasów tłuszczowych (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, kapronowy), do alkoholi (metanol, etanol), aldehydów i produktów gazowych CO2 i H2. Pozostała część biodegradowalna jest do octanów (około 20%)

np. C6H12O6 -> 2 CH3CH2OH + 2CO2 (glukoza/etanol)

C6H12O6 + 2H2 -> 2CH3CH2COOH + 2H2O (glukoza/kwas propionowy)

Niektóre ze związków powstałych w fazie acidogennej mają charakter metanogenny i są bezpośrednio wykorzystywane przez bakterie metanowe (kwas octowy, kwas mrówkowy, metanol, CO2 i H2). Redukcja dwutlenku węgla wodorem obniża ciśnienie cząstkowe wodoru, co jest zjawiskiem korzystnym dla fazy acetogennej.

Faza acetogenna (octanogeneza): przetwarzanie etanolu oraz lotnych kwasów tłuszczowych do octanów oraz CO2 i H2 przez bakterie acetogenne, których czas generacji jest stosunkowo długi (84 h). Zahamowanie aktywności tych bakterii prowadzi do kumulacji lotnych kwasów organicznych, co prowadzi do obniżenia odczynu i zahamowania wzrostu bakterii metanogennych. Wówczas uaktywniają swoją działalność bakterie homoacetogenne, produkujące octany z CO2 i H2, umożliwiając rozwój bakterii acetogennych, a później metanogennych. Ważniejsze reakcje tej fazy:

C6H12O6 + 2H20 -> 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2 (glukoza/octan)

CH3CH2OH + 2H2O -> CH3COO- + 2H2 + H+ (etanol/octan)

2HCO3- + 4H2 + H+ -> CH3COO- + 4H2O (wodorowęglan/octan)

Faza metanogenna: produkcja metanu przez bakterie metanowe (autotroficzne i heterotroficzne). 2/3 metanu powstaje z octanów lub alkoholi:

2CH3CH3OH + CO2 -> 2CH3COOH + CH4

CH3COOH -> CH4 + CO2

CH3OH + H2 -> CH4 + H20

a 1/3 z redukcji dwutlenku węgla wodorem:

CO2 + 4H2 -> CH4 + 2H2O.

Chemizm fermentacji metanowej

Procesy rozkładu materii organicznej mogą przebiegać w warunkach tlenowych lub beztlenowych. W warunkach tlenowych rozkład materii organicznej w skali przemysłowej wykorzystywany jest np. w produkcji podłoża do hodowli pieczarek. W warunkach beztlenowych produktami rozkładu węglowodanów są metan i dwutlenek węgla. W pierwszej fazie procesu musi nastąpić hydroliza węglowodanów. W procesie metanogenezy z węglowodanów powstaje metan i dwutlenek węgla.

Substancja organiczna -> rozkład beztlenowy CH4 + CO2 + NH3 + H2S

Ilość i skład chemiczny wydzielonego biogazu zależy od składu chemicznego fermentowanych związków. Oprócz wyżej wymienionych związków, które powstają w wyniku rozkładu złożonych związków organicznych, obserwowana jest synteza nowych połączeń. Pozostałe stałe produkty organiczne po fermentacji noszą nazwę kompostu. Również w zależności od składu chemicznego fermentowanego substratu w biogazie będą występować różne substancje śladowe, które mają istotny wpływ na własności biogazu i na proces jego oczyszczania. W biogazie wykryto kilkaset różnych związków występujących w ilościach śladowych, które mają istotne znaczenie dla wykorzystania biogazu.

Dostarczanie, składowanie i przygotowywanie substratów

Warunkiem niezbędnym prawidłowego funkcjonowania rolniczej biogazowi jest dokładne rozpoznanie, jaką ilością poszczególnych surowców dysponuje gospodarstwo, oraz zaplanowanie trybu ich dostarczania do instalacji. Dostarczanie substratów staje się dodatkowym i bardziej skomplikowanym zadaniem, jeśli w procesie używane są surowce dostarczane spoza gospodarstwa. W takim przypadku, poza opracowaniem harmonogramu dostaw, staje się kontrola jakości przywożonego substratu. Należy przy tym zwracać szczególną uwagę na klasyfikację dostarczanych surowców. Dotyczy to surowców, które są klasyfikowane jako odpady i uznawane za szkodliwe dla środowiska, które muszą być szczegółowo ewidencjonowane. Powierzchnia magazynowa powinna przede wszystkim być kształtowana tak, aby umożliwić wyrównywanie ewentualnych wahań w równomierności dostaw surowca. Ponadto, jeśli stosuje się odpady z przemysłu rolno-spożywczego należy wyodrębnić oddzielne strefy dla składowania materiałów o wątpliwej czystości higienicznej niedopuszczając do mieszania się substratów różnej kategorii. Bezpośrednio przed wprowadzeniem do komory fermentacyjnej substrat winien być poddany sortowaniu mającemu na celu oddzielenie materiałów, które nie podlegają fermentacji (kamienie i inne ciała nieorganiczne). W niektórych przypadkach zachodzi konieczność przeprowadzenia higienizacji substratu. Polega on na wygrzewaniu masy przed jej fermentacją w temperaturze rzędu 700C prze przynajmniej jedną godzinę. Taka wstępna obróbka termiczna ma za zadanie likwidację zagrożenia epidemiologicznego i zapewnienia fitohigieny. W przypadku biogazowi typowo rolniczych proces higienizacji jest zwykle zbędny. Niektóre substancje organiczne winny być rozdrobnione przed poddaniem fermentacji. Należą do nich na przykład: obornik inwentarski, warzywa, słoma, łęciny, typowe kiszonki itd. Najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest tutaj połączenie funkcji przenoszenia z rozdrabnianiem (przenośnik rozdrabniający). Korzystnym rozwiązaniem jest rozdrobnienie substratu przed jego podaniem do zbiornika wstępnego (magazynowego) tak, aby jego zawartość można było następnie podawać do komory fermentacyjnej za pomocą pomp. Rozdrobniony i właściwie wymieszany substrat w zbiorniku wstępnym ułatwia przebieg procesów gnilnych, które z kolei zwiększają efektywność procesu fermentacji. Wprowadzanie substratów (wsadu) do komory fermentacyjnej.

Uzyskiwanie biogazu

Biogaz powstaje w procesie fermentacji beztlenowej w zbiornikach nazywanych fermentatorami. Zbiornik ten powinien posiadać izolację termiczną, co obniża koszty przebiegającego procesu. Dodatkowo zbiornik fermentatora powinien być wyposażony w instalację grzewczą, układ mieszania substratu i system wygarniania przefermentowanego substratu. Fermentator może być jednocześnie zbiornikiem biogazu, w takim rozwiązaniu winien być zadaszony gazoszczelnym i elastycznym przykryciem. Zbiorniki fermentatorów wykonuje się w technologii zbrojonego betonu lub jako zbiorniki stalowe. Dla zapewnienia optymalnego procesu fermentacji wewnątrz fermentatora musi panować równomierna temperatura. Znaczne przekroczenie pożądanej temperatury może doprowadzić do całkowitego obumarcia procesu gnilnego. Bardzo dobre wyniki uzyskuje się, jeśli do fermentatora trafia wsad o właściwej temperaturze. Dlatego korzystnym jest montowanie wymienników ciepła również w zbiorniku wstępnym. Uzysk metanu zależy od składu podawanego podłoża, w szczególności od zawartości węglowodanów, białek i tłuszczów. W odniesieniu do masy największy uzysk metanu pochodzi z tłuszczów, mniejszy z białek i najmniejszy z węglowodanów. Biogaz składa się z mieszaniny gazów, głównie metanu i dwutlenku węgla. Metan (biometan), będący głównym składnikiem biogazu, charakteryzuje się następującymi parametrami fizyko-chemicznymi.

Metan należy do grupy tzw. gazów cieplarnianych (szklarniowych), które wpływają na zmiany klimatu, określane mianem efektu cieplarnianego. Według różnych ocen, wpływ metanu na pogłębianie efektu cieplarnianego jest 21-krotnie wyższy w porównaniu z dwutlenkiem węgla. Mimo podejmowanych działań ograniczenia emisji tego gazu do atmosfery, trudno jest uzyskać wymierny efekt, gdyż istnieje wiele naturalnych źródeł jego powstawania, zaś ok. 25% jego globalnej emisji stanowią zalane wodą pola ryżowe.

Właściwości fizyczne

Metan jest gazem bezbarwnym, bez zapachu, lżejszym od powietrza, o temperaturze topnienia -184°C, jego temperatura wrzenia wynosi -165° C, rozpuszczalny jest w alkoholu i eterze, pali się prawie nieświecącym, niebieskawym płomieniem.

Wiele gazów, wśród nich także metan, w pewnych wartościach temperatury i ciśnienia tworzy z wodą stosunkowo trwałe hydraty (wodziany), które są ciałami stałymi. W temperaturze kilku stopni i pod ciśnieniem, panującym np. w oceanie na głębokości 500 metrów, metan z wodą formują bezbarwne, szkliste bryły z wyglądu przypominające lód. Oczywiście, jeśli temperatura wzrośnie lub ciśnienie zmaleje (albo oba zjawiska wystąpią łącznie), hydrat rozkłada się, wydzielając gazowy metan i wodę.

W praktyce przemysłowej po raz pierwszy problem hydratów metanu wystąpił w początkowej fazie eksploatacji rurociągu naftowego, biegnącego przez Alaskę. Przepływ ropy niespodziewanie utrudniała biała gąbczasta substancja, osadzająca się wewnątrz rur. Analiza wykazała, że był to właśnie hydrat, produkt reakcji wilgoci i rozpuszczonego w ropie metanu. Reakcja ta przebiega w niskich temperaturach typowych dla zimy na Alasce. Hydraty mogą powstawać także w okolicach podzwrotnikowych, a oceaniczne górotwory hydratów mogą się osuwać. Istnieje teoria, że takie zjawiska mogą powodować zmniejszenie średniego ciężaru właściwego wody w rejonie tzw. trójkąta bermudzkiego, wskutek czego statki toną, zaś mniejsze nasilenie zjawisk powoduje zakłócenie działania urządzeń pomiarowych. Trudno również ocenić, jak zachowa się samolot w powietrzu wzbogaconym w metan. Prowadzone są projekty odzysku metanu z hydratów zalegających w dnach mórz i oceanów, a wyniki dotychczasowych badań pozwalają ocenić tę technologię jako przyszłościową.

Właściwości energetyczne

Metan jest gazem palnym. Przy wystarczającym dostępie powietrza metan spala się całkowicie, co można zapisać równaniem reakcji:

CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O

Przy ograniczonym dostępie powietrza spalanie przebiega inaczej, produktami reakcji mogą być wówczas tlenek węgla lub sadza.

CH4 + 3/2O2 -> CO + 2H2O

CH4 + O2 -> C + 2H2O

Wartość opałowa czystego metanu wynosi 35,7 MJ×m-3. Wartość energetyczna biogazu waha się w granicach 16,7 do 23 MJ×m-3 i jest ściśle uzależniona od proporcji gazów wchodzących w jego skład, szczególnie od udziału metanu. Średnia wartość opałowa biogazu wynosi ok. 21,54 MJ×m-3. W przypadku oczyszczenia biogazu z CO2 jego wartość opałowa zwiększa się do 35,7 MJ×m-3. Energia zawarta w 1 m3 takiego biogazu odpowiada energii zawartej w 0,93 m3 gazu ziemnego, w 1 dm3 oleju napędowego, w 1,25 kg węgla lub odpowiada 9,4 kWh energii elektrycznej. W krajach rozwijających się, które nie mają wystarczających zasobów ropy naftowej lub węgla i są zbyt biedne, aby te paliwa importować, pokładają duże nadzieje w możliwości produkcji energii elektrycznej właśnie z biogazu.

Usuwanie, uzdatnianie i zagospodarowywanie odpadów pofermentacyjnych

Przefermentowany substrat może być usuwany na zasadzie odpływu poprzez przelew lub odciągany za pomocą pomp. Jest on transportowany do zbiornika odpadów pofermentacyjnych, gdzie jest schładzany i przechowywany do czasu wywózki. Na tym etapie możliwe jest także oddzielenie frakcji płynnej od stałej. Frakcja płynna może być rozlewana jako nawóz płynny, albo wykorzystywana do przygotowania zacieru przedfermentacyjnego. Frakcję stałą można składować przed przygotowaniem i wykorzystaniem jako kompost. Do oddzielenia frakcji płynnej od stałej stosuje się taśmowe prasy filtracyjne, wirówki, separatory ślimakowe lub śrubowe. Separacja podnosi jednak znacząco koszty produkcji biogazu.

Materia organiczna w odpadzie nigdy nie jest przefermentowana w 100%. Dlatego też przykrycie zbiornika pofermentacyjnego można zamknąć gazoszczelnym przykryciem co pozwoli na uzyskanie dodatkowej ilości biogazu, mogącą wynosić nawet 20% jego całkowitej produkcji. Ponadto zadaszenie zbiornika fermentacyjnego ogranicza emisje zapachowe.

Odpady pofermentacyjne stanowią wysoko wartościowy nawóz zawierający pierwiastki biogenne w formie łatwo przyswajalnej dla roślin. Jest to nawóz o mniejszych, porównaniu do nawozów naturalnych, emisjach zapachu, a także jest bezpieczniejszy dla roślin niż gnojowica, która może powodować wypalanie roślin.

Zakłócenia produkcji biogazu

Produkcja biogazu przebiega w trakcie wrażliwych na zmienne warunki procesach biologicznych. Odchylenia parametrów od pożądanych może zachwiać procesem lub całkowicie go zahamować. Spadek temperatury w fermentatorze powoduje mniejszą aktywności bakterii metanowych, które mogą przeżyć tylko w określonej temperaturze. Natomiast bakterie octowe i hydrolizujące są mniej wrażliwe na wahania temperatury i mogą przeżyć w niższych temperaturach. Dlatego też spadek temperatury w fermentatorze, prowadzi obniżenia się wartości odczynnika Ph i do nagromadzenia się kwasów. W takiej sytuacji, przed ponownym uzyskaniem właściwej temperatury konieczne jest przerwanie dostarczania substratu.

Stosowanie podłoży o wysokiej zawartości białka prowadzi do uwolnienia zbyt dużej ilości azotu amonowego. Nadmiar amoniaku zdecydowanie spowalnia przebieg reakcji powstawania biogazu. Hamujące działanie amoniaku wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, tak więc szczególnie narażone są proces termofilne.

W odniesieniu do siarkowodoru obowiązują tu takie same reguły jak w przypadku powstawania amoniaku. Siarka może występować w postaci płynnej albo jako siarkowodór w mieszaninie cieczy i gazów. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ilość uwalnianego siarkowodoru w stanie ciekłym. Wraz ze wzrostem produkcji biogazu wzrasta ciśnienie w zbiorniku, a więc i zawartość uwalnianego związku. Wraz ze wzrostem wartości odczyny pH maleje ilość związków siarki. Nadzwyczaj ważne jest właściwe zainicjowanie procesu oraz stała kontrola jego temperatury i kontrolowanie odczynu pH. Jeśli do fermentatora dostarczymy nadmierne ilości kwaśnego substratu (np. kiszonki) zajdzie potrzeba szybkiego uregulowania wartości pH, na przykład poprzez dodanie ługu.

Częstym błędem w prowadzeniu biogazowi jest niewłaściwy jej rozruch. W pierwszej fazie, fazie zaszczepiania instalacji, stosuje się gnojowicę bydlęcą. Takie podłoże ma już wymagane stężenie wymaganych bakterii. Podłoże musi być jednorodne i podawane małymi porcjami, co da bakteriom czas na właściwy rozwój.

W trakcie normalnej eksploatacji biogazowi należy przestrzegać również czasu aktywności, czyli czasu od wprowadzenia substratu o jego usunięcia. Zbyt krótki czas aktywności daje wysoką prędkość uzyskiwania biogazu (wysoka produktywność bakterii), ale jednocześnie jego mniejszy uzysk. Dalsze skracanie okresu aktywności poprzez częstą zmianę podłoża, może doprowadzić do przerwania produkcji gazu. Poprzez zbyt częstą wymianę podłoża usuwa się więcej bakterii niż może się ich namnożyć. Na rysunku 7 przedstawiono zależność produktywności instalacji w zależności od czasu aktywności.

Uzysk gazu i prędkość jego powstawania w zależności od czasu aktywności jednorodnego substratu

Używane substraty powinny być możliwie dobrej jakości. Podłoża zepsute, czy zagrzybiałe moą prowadzić do powstania piany i przerwania produkcji gazu. Można się w tym względzi kierować prostą zasadą: co najmniej 80% substratu powinny stanowić surowce, które równie dobrze nadają się na paszę dla bydła.

Podział metod fermentacji w zależności od wilgotności substratów

Najczęściej bierze się pod uwagę cztery kryteria podziału systemów produkcji biogazu: temperaturę, w jakiej prowadzony jest proces; liczbę etapów procesu fermentacji; zawartość suchej masy w substratach poddawanych procesowi; tryb napełniania komór fermentacyjnych.

Zawartość suchej masy we wsadzie

Jednoznaczny podział metod na fermentację mokrą i suchą z biologicznego punktu widzenia jest właściwie mylny, ponieważ bakterie biorące udział procesie fermentacji zawsze potrzebują płynnego środowiska do przeżycia. Również w przypadku definicji zawartości masy suchej fermentującego podłoża dochodzi do nieporozumień, ponieważ bardzo często stosuje się podłoża o różnych zawartościach masy suchej. Użytkownik musi zdać sobie sprawę, o podziale metody nie decyduje zawartość masy suchej poszczególnych podłoży, a zawartość masy suchej mieszanki podłoży podawanej do fermentora. Z tego powodu podział na fermentację mokrą lub suchą następuje na podstawie zawartości masy suchej materiału w komorze fermentacyjnej.

Należy ponadto zwrócić uwagę na fakt, iż bakterie w swoim bezpośrednim otoczeniu w obu przypadkach potrzebują środowiska wodnego. Co prawda nie ma dokładnej definicji granicy między fermentacją mokrą i suchą, to jednak w praktyce przyjęło się, że o fermentacji mokrej mówimy wtedy, gdy zawartość masy suchej w fermentorze wynosi od 12 do 15% i przy tej zawartości wody możliwe jest pompowanie materiału. Jeśli zawartość masy suchej wzrośnie powyżej 16%, to materiał przeważnie traci zdolność do pompowania i mówimy wtedy o fermentacji suchej.

Zawartość substancji suchej w fermentatorze (zawartość s.m.) może wpływać na uzysk gazu ze względu na dwie rzeczy. Po pierwsze bakterie przy wysokich zawartościach s.m. mogą mieć problemy z poruszaniem się i docierając tylko do części podłoża mogą powodować tylko częściowy rozkład. Przy bardzo wysokich zawartościach suchej masy wynoszącej od 40% i więcej, może nawet dojść do całkowitego przerwania procesu fermentacji, ponieważ zabraknie dostatecznej wilgoci potrzebnej do wzrostu komórek. Po drugie ze względu na wysokie zawartości suchej masy może dojść do problemów z inhibitorami, ponieważ przy niskiej zawartości wilgoci mogą one występować w stężonej formie. Również obróbka wstępna używanych podłoży (rozdrabnianie, ujednorodnienie itp.) może spowodować wzrost uzysku, ponieważ podłoże jest lepiej dostępne.

Fermentacja sucha. W procesach fermentacji suchej podstawa wsadu są substraty o wysokiej zawartości suchej masy i są składowane luzem. Stosują je gospodarstwa rolne nie dysponujące wystarczającą ilością gnojowicy stosowanej jako podstawowy substrat. W takiej sytuacji pozyskanie gazu w fermentacji mokrej oznaczałoby konieczność upłynnienia wsadu lub sporządzenia zacieru, a to oznacza dodatkowe nakłady. W praktyce istnieją już instalacje pracujące metodą suchej fermentacji, ale w przypadku biogazowni rolniczych właściwsze jest stosowanie procesu mokrego.

Fermentacja mokra. W praktyce rolniczej przeważająca większość instalacji biogazowych pracuje w systemie fermentacji mokrej. Stosowane przy tym są biogazownie z przepływem tłokowym i przepływem pełnym. Najprostsze w budowie są biogazownie stosujące metodę przepływu pełnego. Reaktory budowane są w formie pionowego walca. W zasadzie fermentatorem może być typowy zbiornik na gnojowice z betonowym dnem i stalowymi lub betonowymi ścianami. Taki zbiornik należy przykryć gazoszczelnym zadaszeniem i uzbroić w armaturę dostarczania substratu i odprowadzania osadów. Właściwy przepływ zapewnia zamontowane wewnątrz mieszadło pionowe. Zaletami takiego rozwiązania są:

a) zasadność budowy fermentatorów o dużych pojemnościach przekraczających 300 m3,

b) możliwość prowadzenia prac konserwacyjnych bez konieczności opróżniania zbiornika,

c) łatwość budowy zbiornika przy zastosowaniu tradycyjnych metod prac budowlanych,

Do wad natomiast należy zaliczyć wysoki koszt konstrukcji przykrycia zbiornika i możliwość powstawania złogów dennych.

Biogazownie z przepływem tłokowym wykorzystuja efekt wyporu doprowadzanego substratu w fermentatorze poziomym. Przeciwstrumień przepływu wymuszany jest przez mieszadło łopatkowe o poziomej osi. Do zalet takiej instalacji nalezy zaliczyć:

a) zwarty rodzaj konstrukcji,

b) niewielkie straty ciepła,

c) efektywne ogrzewanie,

d) brak powstawania korzuchów i złogów dennych.

Do zasadniczych wad należy konieczność całkowitego opróżnienia zbiornika w przypadku konieczności wykonania prac konserwacyjnych wewnątrz zbiornika.

Liczba etapów procesu technologicznego

W zależności od liczby stosowanych zbiorników i realizacji w nich poszczególnych etapów procesu technologicznego można wyróżnić procesy jedno, dwu i wieloetapowe. W biogazowniach rolniczych najczęściej stosuje się procesy jednoetapowe. W instalacjach jednoetapowych nie oddziela się fizycznie poszczególnych faz fermentacji. Proces w całości przebiega w jednym zbiorniku.

W procesach dwu i wieloetapowych poszczególne fazy przebiegają w odrębnych zbiornikach. Na przykład w procesie dwuetapowym w zbiorniku głównym przebiega fermentacja, w odrębnym zewnętrznym zbiorniku ma natomiast miejsce hydroliza i zakwaszanie substratu.

Tryb napełniania fermentatora

Tryb napełniania fermentatora wynika z dostępności substratu i konstrukcji instalacji.

Napełnianie nieciągłe. W takim trybie napełniania zbiornik fermentacyjny jest całkowicie napełniany świeżym substratem i następnie hermetycznie zamykany. Substrat pozostaje w zbiorniku przez zaplanowany okres, w tym czasie nie uzupełnia się go nowym substratem. Po upływie przyjętego czasu fermentator opróżnia się, pozostawiając na dnie niewielką ilość wsadu dla zaszczepienia nowego procesu i ponownie zapełnia zbiornik. W tej metodzie zmianie ulega ilość i jakość produkowanego biogazu z upływem czasu, co jest jej zasadnicza wada. Zwiększeniu równomierności produkcji biogazu sprzyja zastosowanie metody napełniania nieciągłego ze zbiornikami wymiennymi. Metoda ta polega na zastosowaniu dwu zbiorników. Zbiornik pierwszy jest powoli i równomiernie napełniany substratem i tu podlega procesom gnicia, podczas gdy jest wypełniony całkowicie i w nim przebiega właściwa fermentacja. Zapełnienie pierwszego zbiornika następuje w momencie zakończenia fermentacji w zbiorniku głównym, jego zawartość jest usuwana, a na jej miejsce jest przenoszona zawartość zbiornika pierwszego.

Napełnianie częściowo ciągłe. Charakteryzuje się tym, ze przynajmniej jeden raz w ciągu dnia zbiornik fermentatora jest zasilany świeżym ładunkiem substratu. Takie uzupełnianie fermentatora zwiększa równomierność pozyskiwania gazu, poprawia jego niezmienność oraz pozwala na zagospodarowywanie materiału wsadowego zaraz po jego powstaniu. Jest to szczególnie ważne w przypadku trudności z przechowywaniem materiału wejściowego w dłuższych okresach.

Napełnianie ciągłe. Ciągłe napełnianie zbiornika głównego powoduje, że proces ma charakter procesu przepływowego. Zbiornik fermentatora jest napełniany wielokrotnie w ciągu doby i taka sama ilość odpadów pofermentacyjnych jest wypierana lub wygarniana do zbiornika składowego. Tak więc, zbiornik fermentacyjny jest cały czas zapełniony wsadem o podobnych lub jednolitych parametrach. Zapewnia to wysoką równomierność produkcji gazu i dobre wykorzystanie pojemności fermentatora. Istnieje jednak niebezpieczeństwo, że część świeżego substratu zostanie od razu zrzucona do zbiornika składowego. Przy metodzie tej bardzo ważna jest skuteczność systemu mieszania wsadu.

Pewnym rozszerzeniem koncepcji procesu przepływowego przy napełnianiu ciągłym jest proces mieszany. W takim rozwiązaniu zbiornik składowy odpadów pofermentacyjnych jest także fermentatorem. Zbiornik fermentacyjny główny pracuje w cyklu napełniania ciągłego. Zbiornik na odpady pofermentacyjne jest również przykryty i pozwala na gromadzenie powstającego tam gazu. Ten zbiornik pracuje metodą napełniania nieciągłego. W procesie mieszanym wzrasta równomierność wytwarzania biogazu i zwiększa się wydajność substratu. Wykorzystywana również jest ta część substratu, która zbyt wcześnie wypływa z głównego zbiornika fermentacyjnego.

 Mieszanie zawartości komór fermentacyjnych

Autor: Redakcja ([e-mail])

Data: 2010-01-03

Mieszanie zawartości komór fermentacyjnych

Osad fermentacyjny ma postać aglomeratów - kłaczków. Zewnętrzna część kłaczka otoczona jest bakteriami kwasogennymi, bakteriami redukującymi siarczany oraz bakteriami homooctanowymi wiążącymi wodór z dwutlenkiem węgla, produkującymi octany. Pod zewnętrzną warstwą występują bakterie homooctanowe i metanowe zużywające wodór i dwutlenek węgla. W części środkowej dominują bakterie metanowe, rozkładające octany.

Zawartość komory fermentacyjnej nie jest jednorodna. Nie mieszana zawartość komory ulega rozwarstwieniu. Powierzchnia pokryta jest wówczas warstwą wyflotowanych zawiesin, a dno zawiera zagęszczony osad. Jest to zjawisko niekorzystne, redukujące szybkość przemian biochemicznych, a więc produkcję biometanu.

Istotnym parametrem fermentacji jest stopień wymieszania substratu. Waga stopnia i ciągłości mieszania wynika z następujących powodów:

• zapewnia równomierny rozkład ciepła i substancji odżywczych w całej masie substratu,

• zapobiega powstawaniu powierzchniowych kożuchów i złogów dennych,

• zapewnia właściwe zaszczepienie dzięki wymieszaniu substratu świeżego z przefermentowanym,

• ułatwia uwalnianie biogazu z substratu

Najprostszym sposobem mieszania substratu jest ciągłe dodawanie świeżego wsadu. Prądy konwekcyjne i wznoszenie pęcherzy gazu powoduje łagodne mieszanie się masy wsadu. O jednak zwykle nie wystarcza. Dlatego w fermentatorach montuje się aktywne mieszadła mechaniczne, urządzenia pneumatyczne lub pompy hydrauliczne. Najprostszym i wystarczająco efektywnym rozwiązaniem jest montaż mieszadeł mechanicznych. W praktyce stosuje się różnorodne rozwiązania - mieszadła śmigłowe, prętowe, łopatkowe, płytowe.

Stosunkowo wydajne i skuteczne jest mieszanie hydrauliczne. Świeży substrat jest wtłaczany do fermentatora pompami przez specjalnie ustawione dysze powodującymi stałe mieszanie wsadu w trakcie podawania substratu. Ten sposób mieszania jest efektywny jedynie w przypadku wsadu o wysokim stopniu upłynnienia.

Niewłaściwe mieszanie powoduje występowanie miejsc przegrzanych i niedogrzanych, miejsc o nierównym stężeniu produktów metabolizmu, tworzeniu się kożucha na powierzchni osadu. Celem mieszania jest nie tylko ujednorodnienie składu zawartości komory, ale również i ułatwienie odgazowania fermentującego wsadu. Istotnym problemem jest także niedopuszczenie do powstania na powierzchni cieczy "kożucha" utrudniającego odgazowanie. Przyjęta technologia mieszania musi zatem spełniać te wymagania za możliwie niską cenę. Na cenę tę składają się: zużycie energii na mieszanie, koszty urządzeń, serwisu, napraw i remontów. Stosowane są róże metody mieszania. Należą do nich:

Mieszanie pompowe - do mieszania stosowany jest zewnętrzny układ pomp wymuszający cyrkulację w komorze. Przy tym sposobie mieszania zapotrzebowanie mocy wynosi około 5,5 W×m-3 objętości komory.

Mieszanie przez wtłaczanie gazu - jest to intensywny sposób mieszania, ale najbardziej energochłonny. Polega na wtłaczaniu poprzez dno komory uzyskanego wcześniej biogazu, który przechodząc przez całą objętość komory miesza jej zawartość, a ponadto pozwala podwyższyć stężenie metanu w biogazie dzięki dodatkowej redukcji CO2 przez bakterie metanogenne. W tym przypadku zapotrzebowanie mocy wynosi około 10 W×m-3 objętości komory.

Mieszanie z zastosowaniem mieszaczy śrubowych - jest to w zasadzie mieszadło pompujące umieszczone w centralnej rurze transportowej. Dla tego sposobu mieszania zapotrzebowanie mocy wynosi około 4-7 W×m-3 objętości komory.

Mieszanie wolnoobrotowymi śmigłami - ruch osadu w komorze wymuszany jest zwykle dwoma wolnoobrotowymi śmigłami pracującymi w układzie pionowym. Śmigła o średnicy kilku metrów osadzone są na wspólnym wale, mają więc tę samą prędkość obrotową - kilka do kilkunastu obrotów na minutę.

Ostatni sposób mieszania uznawany jest za najmniej energochłonny. Zapotrzebowanie mocy wynosi około 1-1,5 W×m-3 objętości komory. Stosowane są dwa śmigła - jedno mniejsze, montowane blisko powierzchni cieczy dla likwidacji "kożucha", drugie większe, montowane głęboko, do mieszania w centralnej i dolnej części komory i zapobiegania osadzaniu się zanieczyszczeń na dnie. Śmigła przetłaczają czynnik z góry ku dołowi. Wytwarzany przez nie strumień zaśmigłowy wymywa zanieczyszczenia z dna, a następnie wymusza ruch wznoszący wzdłuż ścian zbiornika, sprzyjający odgazowaniu osadu. Średnice stosowanych śmigieł mają po kilka metrów. Pobór mocy zależy od charakterystyki hydraulicznej śmigieł, ich rozmiaru i prędkości obrotowej. Te dwa ostatnie parametry muszą być więc dobrane optymalnie, aby mieszanie było skuteczne, a pobór mocy umiarkowany.

Istnieje szereg istotnych aspektów konstrukcyjnych i montażowych. Należą do nich: konstrukcja i technologia samych śmigieł, problem łożyskowania stosunkowo długiego wału i jego sztywności. Ważnym problemem jest wyznaczenie obciążeń mechanicznych śmigieł występujących w różnych stanach ruchu mieszadła. Mieszadło w ciągu doby podlega kilkakrotnym rozruchom oraz krótkotrwałym okresom pracy "wstecz". Rozwiązanie konstrukcyjne całego układu odbija się na sposobie montażu, a także na możliwościach obsługi. Ważnym jest aby znaczna część czynności serwisowych mogła być wykonywana bez konieczności opróżniania zbiornika. Istotną sprawą jest również odporność użytych materiałów na korozyjne działanie mieszanego czynnika.

Wpływ składu substratów na ilość i skład biogazu

Ilość i skład biogazu zależy głównie od składu chemicznego poddawanych fermentacji związków organicznych, temperatury prowadzenia procesu i czasu przetrzymania substratów w reaktorze. Z 1 kg węglowodanów powstaje średnio 0,42 m3 CH4, z białek 0,47 m3 CH4, tłuszczów 0,75 m3 CH4. Mimo, iż najwięcej biogazu można uzyskać z rozkładu tłuszczów (tabela), należy pamiętać, iż związki te charakteryzują się długim czasem rozkładu.

Badania nad kinetyką wytwarzania biogazu pozwoliły stwierdzić, że najszybciej zużywane są substraty węglowodanowe, zaś najwolniej - tłuszcze. Odpowiednio szybkość wytwarzania metanu jest największa w przypadku surowców zawierających polisacharydy, a najmniejsza w przypadku tłuszczów. Przyjmuje się, że w przypadku surowców roślinnych etapem limitującym szybkość fermentacji metanowej jest hydroliza surowca. Wykorzystanie zhydrolizowanych substratów powoduje, że czas procesu ulega znacznemu skróceniu, zaś etapem decydującym o szybkości wytwarzania biogazu jest w takim przypadku metanogeneza. Z kolei końcowa wydajność metanu jest najwyższa w przypadku surowców tłuszczowych, a najmniejsza w przypadku węglowodanowych. Biorąc pod uwagę fakt, że stopień redukcji tłuszczów jest znacznie wyższy od stopnia redukcji węglowodanów, uzyskuje się większą maksymalną ilość metanu z jednostki masy surowca tłuszczowego niż węglowodanowego. Dla krótkich czasów prowadzenia fermentacji najwięcej metanu uzyskuje się w przypadku surowców węglowodanowych.

Wodór

Wodór jest jednym z niewielu nośników energii, o wszechstronnym zastosowaniu a przy tym przyjazny dla środowiska. W 1980 roku wyprodukowano na świecie 21 mln ton wodoru, z czego 50% zużyto przy produkcji amoniaku, 30% do przeróbki ropy naftowej, 12% do uwodornienia tlenku węgla.

Aktualna światowa produkcja wynosi 46 mln ton rocznie, lecz przewidywania są takie, że w 2020 roku zastąpi 20% użytkowanej ropy. Aktualnie wodór produkowany jest z gazu ziemnego lecz wzrasta wytwórczość wodoru na bazie energii wody, wiatru, promieniowania, biomasy. Również możliwe jest uzyskiwanie wodoru przez elektrolizie wody w reaktorach jądrowych.

Obecnie głównym zadaniem jest utworzenie sieci dystrybucyjnej dla wodoru. W większości krajów wysoko rozwiniętych działają już referencyjne stacje wodoru. Można tam zatankować wodór zarówno w postaci gazowej jak i ciekłej np. dla aut będących w trakcie testowania. Ogniwa paliwowe są sprawniejsze do silników spalinowych. Dlatego też przeprowadzane są próby wykorzystania ich w pojazdach, pracują nad tym czołowe koncerny samochodowe takie jak: GM, Daimler-Chrysler, BMW, Ford są już daleko zaawansowane w testowaniu tego typów pojazdów.

Wodór jest także otrzymywany z biomasy na drodze pirolizy procesami termochemicznymi. Proces przebiega bez dostępu powietrza lub poprzez zagazowanie tlenem lub parą wodną. Gaz wytworzony w ten sposób bywa oczyszczany, a wodór wydzielany o czystości nawet 99,9%. Szczególnym przypadkiem termochemicznej przemiany biomasy i jej odpadów do wodoru jest reakcja z wodą w temperaturze 700 oC i pod ciśnieniem 350 barów.

Ponieważ Polska posiada ok. 50% europejskich zasobów węgla, stwarza to dodatkowe oprócz energetyki wiatrowej i słonecznej perspektywy rozwoju energetyki wodorowej.

Źródło:

1. Lewandowski W. 2006.: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, wydanie 3, Warszawa.

2. Bogdanienko J. 1989.: Odnawialne źródła energii. Biblioteka Problemów, t. 290, Warszawa PWN.

3. Oleszkiewicz J. 1999.: Eksploatacja składowisk odpadów. Kraków.

4. Kujawski J. Kujawski O. 2005.: Biogazownie rolnicze - wysoce efektowna metoda produkcji energii z biomasy.

5. Grzesik K. 2006.:Wykorzystanie biogazu jako źródła energii.

http://sknos.agh.edu.pl/zielone-prady2/referaty/K.Grzesik.pdf

6. Kruczek S. 2001.: Kotły. Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej.Wrocław.

7. Kotowski W. 2006.: Do baku. Agroenergetyka. 4(18), s.33-35.

Metan CH₄

Data: 2008-03-10

Metan CH₄(czterowodorek węgla, gaz błotny) jest pierwszym i najprostszym związkiem z grupy węglowodorów alifatycznych - alkanów. Został odkryty w 1776 roku przez włoskiego fizyka Alessandro Volta. Atom węgla w cząsteczce metanu związany jest z 4 atomami wodoru za pomocą 4 wiązań C - H o długości 1,1 Ǻ (10-10 m). Kąt pomiędzy wiązaniami wynosi 10905' i powoduje, że cząsteczka metanu wpisana jest w strukturę czworościanu foremnego.

Metan jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, łatwopalnym, lżejszym od powietrza (prężność par metanu w temperaturze 00C i ciśnieniu 760 mm Hg wynosi 0,554; prężność par powietrza w tych samych warunkach wynosi 1). Metan jest praktycznie obojętny wobec kwasu siarkowego (VI), kwasu azotowego, zasad i soli, ale reaguje z chlorem oraz roztworem wody bromowej (Br2) w obecności światła. Stwierdzono również, że metan jest słabo rozpuszczalny w wodzie natomiast lepiej rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych - alkoholach, eterze i benzynie. W połączeniach z powietrzem lub tlenem może powodować mieszanki wybuchowe. Szczególnie niebezpieczne są połączenia metanu z dziesięcioma objętościami wagowymi powietrza lub dwoma objętościami wagowymi tlenu. Siła radiacyjna metanu (zdolność do oddawania promieniowania krótkofalowego) jest 21 razy większa od dwutlenku węgla. Średni czas przebywania metanu w atmosferze wynosi ok. 12 lat.

Tabela 1. Właściwości fizyczne metanu

Metan powstaje w wyniku metanogenezy jako jeden z końcowych produktów beztlenowego rozkładu węgla organicznego. Źródła metanu można podzielić na antropogeniczne i naturalne. Ludzka aktywność w zakresie rozwoju przemysłu i hodowli zwierząt spowodowała zwiększenie zawartości metanu w atmosferze z 0,7 ppm (parts per million, 10-6) około 1850 roku do 1,7 ppm obecnie. Z tego powodu około 70% źródeł metanu ma charakter antropogeniczny. Uwalnianie metanu do atmosfery związane jest głównie z przemysłem wydobywczym, procesami utylizacji odpadów oraz procesami fermentacyjnymi zachodzącymi w organizmach zwierząt hodowlanych. W przemyśle wydobywczym głównym źródłem metanu są wycieki, które zachodzą podczas przetwarzania, przesyłu oraz dystrybucji gazu ziemnego. Ponadto metan uwalniany jest również przy produkcji węgla. W tym przypadku emisja zależy od rodzaju węgla, głębokości szybu, sposobu wydobycia oraz zawartości metanu w danym pokładzie węgla. Spośród procesów utylizacji odpadów podstawowym źródłem metanu są wysypiska śmieci. Czynnikami kształtującymi emisję na tych terenach są: temperatura, wilgotność gleby, zawartość materii organicznej oraz czas składowania odpadów. Zwierzęta hodowlane produkują metan w wyniku niekompletnego trawienia niskoenergetycznego pokarmu. Stanowi ok. 50 - 75% biogazu.

Tabela 2. Źródła i pochłaniacze metanu (Tg CH4/rok)

Bibliografia:

1. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 2001. Cambridge University Press. Cambridge. 87-104.

2. Jakubke H.D., Jeschkeit H. 1994. Concise encyclopedia chemistry. Walter de Gruyter Berlin. New York.

3. Megonigal J.P., Hines M. E. and Visscher P. T. 2004. Anaerobic metabolism: linkages to trace gases and aerobic processes. 317-424. [W:] Schlesinger W. H. (red.) Biogeochemistry. Elsevier-Pergamon. Oxford.

4. Morrison R.T., Boyd R.N. 1983. Organic chemistry. Allyn and Bacon Inc. Boston.

5. Paul E. A., Clark F. E. 1996. Soil microbiology and biochemistry. Academic Press. Toronto. 175-176.

6. Wuebbles D. J., Hayhoe K. 2002. Atmospheric methane and global change. Earth-Science Revievs 57. 177-210.

Kinetyka wytwarzania metanu dla różnych substratów w fermentacji okresowej [Szewczyk, 2006]. Linią przerywaną zaznaczono zmiany ilości substratów, linią ciągłą - ilość powstającego biometanu.

Poza wyżej wymienionymi substancjami pokarmowymi do wzrostu mikroorganizmów w komorze fermentacyjnej potrzebne są również rozpuszczalne formy potasu, sodu, żelaza, magnezu i wapnia oraz pierwiastki śladowe, takie jak: molibden, mangan, miedź, cynk, kobalt, nikiel, selen i wolfram. Substraty stosowane najczęściej w biogazowniach, takie jak surowce i odpady z rolnictwa czy osady ściekowe, zawierają odpowiednie ilości wymienionych pierwiastków, niekiedy jednak pojawia się potrzeba uzupełnienia substratów o mikroelementy.

---