Biogazownie rolnicze – wysoce efektywna
metoda produkcji energii z biomasy
inŜ . Jerzy Kujawski, Pracownia Inwestycyjno-Projektowa INEKO, ul. Ostródzka 53, 14-200 Iława, tel./fax. 0048 89 648 71 51, www.ineko.pl, biuro@ineko.pl
Dipl.-Ing., mgr inŜ . Olaf Kujawski, EnerCess GmbH, Robert-Bosch-Str. 7, 32547 Bad Oeynhausen (Niemcy), tel. 0049 57 31 153 39 0, fax. 0049 57 31 153 39 30, www.enercess.de, info@enercess.de
Biogaz produkowany z biomasy –
energii
z
substratów
organicznych
na
odnawialnego źródła energii
biogazowniach rolniczych.
Obecnie, zmiany klimatu ziemskiego, za sprawą
Z jakich substratów moŜna produkować
szkodliwej działalności człowieka, juŜ nawet dla
biogaz?
niedowiarków stały się faktem. Ogromne emisje
Oczywiście nie wszystkie substraty nadają się do
dwutlenku węgla (CO2) oraz metanu (CH4) do
produkcji biogazu. Biomasa taka jak drewno czy
atmosfery
powodują
zwiększenie
efektu
słoma lub np. rośliny o duŜej zawartości substancji
cieplarnianego, czyli podwyŜszenie temperatury
trudno rozkładalnych biochemicznie (np. lignina)
atmosfery ziemskiej. Inwestowanie w rozwój
nadają się bardziej do spalania niŜ do fermentacji
technologii dla pozyskiwania energii ze źródeł
metanowej. To co wyróŜnia biogaz wśród innych
odnawialnych takich jak słońce, wiatr, woda
rodzajów energii odnawialnej pozyskiwanej z
biomasa (ogólnie materia organiczna pochodzenia
biomasy to moŜliwość zastosowania substratów
zwierzęcego
lub
roślinnego)
czy
energia
charakteryzujących się na przykład znaczną
geotermalna staje się powoli koniecznością a nie
zawartością wody lub masy organicznej jak i
jak przed paru laty tylko alternatywą. Polska
równieŜ takich, które wymagają utylizacji (np.
podpisując protokół z Kioto w grudniu 1997 roku
odpady poubojowe).
zobowiązała
się
do
redukcji
emisji
gazów
cieplarnianych jak i równie
Biogaz mo
Ŝ wspierania rozwoju
Ŝe być wytwarzany z róŜnych rodzajów
energii odnawialnej. Biogaz to paliwo pozyskiwane
oraz typów substratów. Do surowców odnawialnych
na drodze procesów biochemicznych z biomasy. W
bardzo dobrze nadających się do zastosowania na
nomenklaturze polskiej przyj
biogazowniach rolniczych nale
ęło się określać biogaz
Ŝą takie materiały jak
jako produkt fermentacji metanowej wytwarzany
nawozy naturalne (np: gnojowica, obornik), odpady
celowo w specjalnie do tego celu skonstruowanych
z produkcji rolnej (np: odpady zboŜowe, odpady
obiektach czyli biogazowniach rolniczych lub w
pasz), celowo hodowane rośliny energetyczne (np:
komorach fermentacyjnych oczyszczalni
kukurydza, pszen
ścieków
Ŝyto, pszenica, jęczmień, rzepak,
oraz jako produkt uboczny beztlenowych procesów
lucerna, trawa sudańska, burak pastewny, burak
rozkładu
organicznej
cz
cukrowy, ziemniak). Na biogazowniach rolniczych
ęści
odpadu
zgromadzonego na wysypisku
mo
śmieci. Artykuł ten
Ŝna równieŜ przetwarzać na biogaz odpady
obejmuje
swoim
zakresem
pierwszy
z
organiczne pochodzące na przykład z produkcji
wymienionych, celowych sposobów produkowania
spoŜywczej
lub
biopaliw
oraz
inne
czyste
- 1 -
chemicznie odpady organiczne. W obszarze
osadów
ściekowych
z
komunalnych
lub
zainteresowań są szczególnie substraty o
przemysłowych
oczyszczalni
ścieków.
duŜym
potencjale
energetycznym,
Zastosowanie
tego
typu
substratu
jest
charakteryzuj
problematyczne z uwagi na fakt wykorzystania
ące się duŜą zawartością masy
pozostałości pofermentacyjnej jako nawozu. W
organicznej oraz tanie do pozyskania. Do takich
osadach
ściekowych
mogą
znajdować
się
materiałów naleŜą np: odpady warzyw i owoców,
substancje zawierające materiały szkodliwe i
odpady z produkcji Ŝelatyny, skrobi, odpady z
uniemoŜliwiające zastosowanie przetworzonego
piekarni, cukierni, odpady tłuszczy i serów z
substratu w produkcji rolnej. Dla producenta energii
mleczarni, wytłoki owoców i warzyw, wywar
z biogazu zastosowanie osadów ściekowych wiąŜe
gorzelniany,
wysłodziny
browarniane,
odpady
się wiec z dodatkowymi nakładami na badanie
poubojowe jak i równieŜ odpady Ŝywności ze
obecności i zawartości niedozwolonych substancji
stołówek, restauracji, gliceryna itd.
oraz kosztowną utylizacją przefermentowanego
Dobranie odpowiednich rodzajów i proporcji
osadu w razie braku moŜliwości jego wykorzystania
substratów dla fermentacji nie jest łatwym
jako nawozu.
zadaniem z uwagi na róŜnorodne wydajności
Jak zbudowana jest biogazownia rolnicza ?
produkcji biogazu (tabela 1), dynamikę procesu,
jakości uzyskanego z nich biogazu, zawartości
Typowa biogazownia rolnicza składa się urządzeń i
substancji hamujących i toksycznych oraz reakcje
obiektów do przechowywania, przygotowania oraz
zachodzące między poszczególnymi materiałami
dozowania
substratów.
W
zaleŜności
od
wsadowymi.
zastosowanych
substancji
wejściowych,
wyróŜniamy trzy rodzaje budowli magazynowych
Tabela 1 RóŜnorodne substraty i ich wydajności
produkcji biogazu1
takich jak silosy przejazdowe, zbiorniki oraz hale
(substraty
charakteryzujące
się
emisją
substraty
ilość biogazu
nieprzyjemnych zapachów). Substraty w formie
(m3gaz/tsubstrat)
stałej wprowadza się do komór fermentacji za
pomocą specjalnych stacji dozujących, natomiast
gnojowica bydlęca
25
materiały płynne mogą być dozowane techniką
gnojowica świńska
36
pompową. Niektóre substraty wymagają równieŜ
serwatka
55
rozdrabniania oraz higienizacji lub pasteryzacji w
krajanka buraczana
75
specjalnie do tego celu zaprojektowanych ciągach
technologicznych.
wysłodziny browarniane
75
Najczęściej stosowanym obecnie rozwiązaniem
wywar gorzelniany
80
konstrukcyjnym
komory
fermentacyjnej
jest
odpady zielone
110
Ŝelbetowy, izolowany zbiornik wyposaŜony w
odpady biologiczne
120
foliowy, gazoszczelny dach samonośny. Zbiornik
kiszonka kukurydzy
200
taki pełni rolę fermentatora jak i równieŜ
„zasobnika” biogazu. Zawarto
flotaty
695
ść zbiornika jest
ogrzewana
systemem
rur
grzewczych
przy
tłuszcz
800
wykorzystywaniu ciepła procesowego, powstałego
Szczególne zainteresowanie budzi w Polsce
przy
chłodzeniu
kogeneratora.
Urządzenia
wykorzystywanie na biogazowniach rolniczych
mieszające zainstalowane w komorze spełniają
bardzo
waŜną
rolę.
Mieszanie
powoduje
1 źródło: Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe e.V
- 2 -
równomierny rozkład substratów i temperatury w
przetwarzające energię biogazu na energię cieplna
zbiorniku oraz ułatwia uwalnianie się metanu.
i/lub elektryczną czyli na przykład kogenerator
wytwarzający
w
sposób
skojarzony
prąd
Pozostałość
pofermentacyjna
jest
wysoko-
elektryczny i ciepło.
wartościowym nawozem gromadzonym w zbiorniku
magazynowym, którego objętość jest tak dobrana
Coraz częściej elementem integralnym wielu
aby wystarczyła na przechowywanie substratu na
biogazowni stają się systemy (obiekty i instalacje
czas zakazu jego rozrzucania na polu (okres
budowane celowo) pozwalające na wykorzystania
zimowy).
energii cieplnej i uzyskanie z tego tytułu
dodatkowych dochodów: suszarnie zboŜa, trocin,
W budynku gospodarczym umieszczone są trzy
drewna, sieci cieplne zasilające pobliskie budynki,
bardzo istotne elementy biogazowni takie jak
chłodziarki absorpcyjne wytwarzające zimno z
pompownia obsługująca transport substratów oraz
ciepła itd.
pozostałości
pofermentacyjnej
pomiędzy
poszczególnymi zbiornikami, sterownia wraz z
Na ilustracji 1 widoczna jest biogazownia rolnicza
pomieszczeniem
szaf
sterowniczych
będąca
przetwarzająca
na
biogaz
głównie
kiszonkę
„mózgiem”
całego
obiektu
oraz
urządzenie
kukurydzy, odpady zboŜowe oraz gnojowicę.
Ilustracja 1 Biogazownia rolnicza firmy EnerCess GmbH
W jakich warunkach powstaje biogaz?
płynnej, zawartość suchej pozostałości w komorach
Jak moŜna je utrzymywać i kontrolować?
fermentacji nie powinna przekraczać 12 – 15 %.
Bardzo istotną wielkością mierzoną w komorze
Biogaz na biogazowni rolniczej powstaje w
fermentacji jest odczyn pH. Jego wartość w
zamkniętej komorze (bez dostępu powietrza oraz
przypadku stabilnej fermentacji powinna wynosić
światła) w procesie fermentacji metanowej w
od 7 do 7,7. Niestabilność procesu spowodowana
przedziałach temperatur od 35 – 40oC (fermentacja
na przykład dozowaniem zbyt duŜej ilości łatwo
mezofilowa – większość obecnych biogazowni
rozkładalnej materii organicznej moŜe spowodować
rolniczych pracuje w tym przedziale temperatur)
nagły spadek wartości pH a w konsekwencji nawet
oraz od 45 – 55 oC (fermentacja termofitowa). Aby
unicestwienie większości organizmów odpowiada-
utrzymać substrat w moŜliwej do pompowania fazie
- 3 -
jących za fermentację metanową, a co za tym idzie
Biogazownie
rolnicze
produkują
wysoko-
długą przerwę w pracy biogazowni. Oczywiście pH
wartościowy
nawóz
zawierający
pierwiastki
obok np: składu biogazu, czy zawartości suchej
biogenne w formie łatwiej przyswajalnej dla roślin
pozostałości i azotu amonowego jest jedną z wielu
oraz o zredukowanych w porównaniu do nawozów
wielkości jakie naleŜy obserwować i analizować. Z
naturalnych emisjach zapachu i wyeliminowaniu
tego powodu na nowoczesnych biogazowniach
niektórych szkodliwych dla roślin właściwości (np:
rolniczych
wykorzystujących
100%
mocy
wypalanie roślin przez gnojowicę).
wytwórczych ogromną rolę dla stabilności procesu
Biogazownie to obiekty o stosunkowo małej mocy
fermentacji metanowej odgrywa zastosowanie
(od 100 do 2000 kWel.), idealnie nadające się do
aparatury kontrolno-pomiarowej oraz automatyki i
efektywnego, zdecentralizowanego zaopatrzenia w
sterowania pozwalającej na kontrolowanie jej pracy
energię,
na
przykład
obszarów
wiejskich,
takŜe zdalnie, np. poprzez złącza internetowe.
charakteryzującego
się
niskimi
stratami
na
Co przemawia za wytwarzaniem energii
przesyle, brakiem konieczności szeroko zakrojonej
odnawialnej na biogazowni rolniczej?
rozbudowy istniejących sieci oraz moŜliwością
wykorzystania powstałego ciepła na miejscu.
Biogazownie rolnicze produkują energię w sposób
wysoce efektywny. Skojarzona produkcja energii
Biogazownie rolnicze to równieŜ nowe miejsca
cieplnej oraz elektrycznej pozwala na osiągnięcie
pracy dla lokalnej społeczności przy produkcji
sprawności przetworzenia energii zawartej w
substratów, budowie i obsłudze, oraz nowe firmy
biogazie nawet do około 87 %, z czego ca. 37 %
dostarczające przychodów do budŜetu lokalnych
stanowi energia elektryczna natomiast ca. 50 %
władz.
energia cieplna, które praktycznie bez strat mogą
Potencjał produkcji energii z biogazu według
być wykorzystane w obszarze danej lokalizacji. Dla
niemieckiej
Agencji
Surowców
Odnawialnych
porównania
energia
elektryczna
z
duŜych
(Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe) w
elektrowni
kondensacyjnych
docierająca
do
krajach Unii Europejskiej wynosi 469 bilionów m3
odbiorcy stanowi 36 % energii pierwotnej zawartej
metanu rocznie co stanowi około ¾ rosyjskiej
w paliwie, natomiast łączna energia (ciepło i prąd)
produkcji gazu ziemnego2. W Niemczech działa
dostarczana do odbiorcy z duŜych elektrociepłowni
obecnie prawe 4000 biogazowni dostarczając 1,1
to około 80% energii pierwotnej (przy relatywnie
GWel. mocy. W Polsce tak naprawdę obecnie jedna.
niskiej sprawności - około 29 % dla produkcji
Kto moŜe być bezpośrednio zainteresowany
energii elektrycznej). W przyszłości będzie równieŜ
inwestycj
powszechnie mo
ą budowy biogazowni rolniczej?
Ŝliwe wprowadzanie uzdatnianego
biogazu do sieci gazu ziemnego oraz jego przesył
Biogazownie z uwagi na rodzaj pozyskiwanych
na większe odległości. Obecnie trwają prace
substratów oraz specyfikę ich działania idealnie
badawcze na pierwszych tego typu instalacjach w
wpisują się w wiejski krajobraz. Stąd na zachodzie
skali 1:1 w Niemczech, Austrii i w Szwecji.
przyjęła się równieŜ nazwa biogazownie rolnicze,
W porównaniu do innych
pomimo tego,
źródeł energii odnawialnej
Ŝe przerabiane są na nich nie tylko
jej produkcja z biomasy przetwarzanej w procesie
substraty pochodzące z gospodarstwa rolnego.
fermentacji metanowej pozwala na jej ci
Korzy
ągłą oraz
ści finansowe wynikające ze sprzedaŜy
sterowaln
energii odnawialnej, gwarancja jej stałej ceny oraz
ą produkcję, co oznacza oszczędności
przy eksploatacji sieci oraz mo
ci
Ŝliwość wytwarzania
ągle wzrastający na nią popyt, przyciągają wielu
energii w momencie zapotrzebowania.
2 Dane szacunkowe Fachagentur für Nachwachsende Stoffe
(Niemcy) z roku 2005
- 4 -
potencjalnych inwestorów (w tym w większości
wytwarzanej w skojarzeniu (energia cieplna i
rolników). Budową biogazowni zainteresowane są
elektryczna)
w
małych
jednostkach
równieŜ
zakłady,
szczególnie
przemysłu
kogeneracyjnych mają równieŜ zgodnie z ustawa
spoŜywczego,
mające
problem
z
utylizacja
prawo
do
uzyskania
oraz
upłynnia
tzw.
zwłaszcza uwodnionych odpadów poprodukcyjnych
„czerwonych certyfikatów”.
o duŜej zawartości substancji organicznych (np:
Jak jest z opłacalnością produkcji energii z
mleczarnie,
piekarnie,
gorzelnie,
zakłady
biogazu?
piwowarskie, producenci przetworów owocowych,
zakłady
ziemniaczane,
zakłady
przetwórstwa
Opłacalność produkcji energii z biogazu jest
mięsnego) jak i równieŜ lokalne władze (powiat,
uwarunkowana przede wszystkim zyskami z jej
gmina) chcące rozwiązać problem z utylizacją
sprzedaŜy, kosztami eksploatacyjnymi (głównie
odpadów lub zaopatrzeniem w energię.
kosztami pozyskiwania substratów oraz napraw i
remontów) jak i kosztami inwestycyjnymi.
Jakie mechanizmy wspierają rozwój
energetyki odnawialnej w Polsce?
Zyski ze sprzedaŜy energii na rynku są zaleŜne od
wysokości ceny energii, za którą wytwórca ją
Rozwój energii odnawialnej jest wspierany poprzez
sprzedaje. Cena energii elektrycznej sprzedawanej
odpowiednie akty prawne często narzucające
do sieci składa się z dwóch członów. Pierwszy jej
równieŜ cenę jej odbioru. W Polsce aktem prawnym
człon stanowi równowartość średniej ceny energii
regulującym obrót energią odnawialną jest ustawa
konwencjonalnej na rynku konkurencyjnym (w 2005
Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r.
było to około 117,49 zł/MWh) ogłaszanej przez
(Dz.U. z 1997 r. Nr 54, poz. 348) z późniejszymi
Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Drugi
zmianami. Dokument ten gwarantuje odbiór energii
jej człon stanowi rynkowa cena tzw. „zielonego
wytworzonej z odnawialnych źródeł oraz wyznacza
certyfikatu“ którego wartość zaleŜna jest od popytu
zasady jej obrotu. Według ustawy producent
na energię odnawialną oraz od wysokości kary
„zielonej energii“ po uzyskaniu odpowiedniej
ustalonej za nie wypełnienie obowiązku zakupu
koncesji moŜe sprzedawać prawa majątkowe do
energii
odnawialnej
przez
przedsiębiorstwo
świadectw pochodzenia (czyli tak zwane zielone i
wytwarzające energię w sposób konwencjonalny.
czerwone certyfikaty) na Towarowej Giełdzie
Popyt
na
taki
rodzaj
energii
w
sposób
Energii S.A. Do nabycia prawa do tych certyfikatów
kontrolowany5 z roku na rok rośnie. Warunki te
zobowiązane są przedsiębiorstwa energetyczne
pozwalają sądzić, Ŝe w najbliŜszej przyszłości
wytwarzające energię w sposób konwencjonalny.
realna cena za 1 MWh energii elektrycznej osiągnie
Względna ilość energii, którą zobowiązane jest
stabilny poziom 350 zł. Wspomniane „czerwone
nabyć przedsiębiorstwo energetyczne określona
certyfikaty” wprowadzone w celu obrotu energii
jest w Rozporządzeniach Ministra Gospodarki z
cieplnej wytworzonej w skojarzeniu z energią
dnia 19 grudnia 20053 oraz z dnia 3 listopada
elektryczną nie pojawiły się jeszcze w obrocie
20064. Od 01.01.2007 producenci energii cieplnej
Towarowej Giełdy Energii S.A., dlatego ich wartość
na dzień dzisiejszy nie jest znana6.
3 Rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu
obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia
świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz
w 2007 r., 7 % w 2008 r., 8,7 % w 2009 r. i 10,4 % w latach
zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w
2010 – 2014.
odnawialnych
5
źródłach energii
regulacja udziałów energii w Rozporządzeniu Ministra
4 Rozporządzenie obowiązku zakupu z dnia 3 listopada 2006 –
Gospodarki z dnia 3 Listopada
wymagany udział energii elektrycznej wytwarzanej w
6 według wstępnych danych szacunkowych 1 MWh energii
odnawialnych źródłach energii w sprzedaŜy energii
cieplnej wytworzonej w skojarzeniu z energią elektryczną
elektrycznej odbiorcom końcowym został podniesiony do 5,1 %
będzie kosztował około 90 zł
- 5 -
Polska, z punktu widzenia pozyskiwania substratów
jest wymarzonym rynkiem dla produkcji energii z
biogazu.
Biomasę
a
szczególnie
odpady
organiczne moŜna obecnie pozyskać za darmo a
często nawet istniałaby moŜliwość zarabiania na
ich utylizacji. Substraty tego typu, z uwagi równieŜ
na ich często duŜy potencjał energetyczny, są
bardzo korzystne dla produkcji energii z biogazu.
Nie są one jednak dostępne dla wszystkich
moŜliwych lokalizacji oraz przez cały rok (np:
melasa, wytłoki owoców i warzyw powstają tylko w
okresie kampanii produkcyjnej).
Podstawową
zaletą
stosowania
roślinnych
surowców odnawialnych jest ich dostępność przez
cały rok dla większości lokalizacji po stosunkowo
stałych kosztach produkcji (mowa tu o produkcji na
potrzeby własne). Przykładowo koszt produkcji 1 t
kiszonki kukurydzy waha się obecnie na poziomie
45 do 55 zł. Od tego roku startuje w Polsce
program dopłat z Unii Europejskiej do hodowli
roślin energetycznych. Rolnicy mogą się zatem
starać się o sumę 45 € do 1 ha uprawy np.
kukurydzy przeznaczonej do produkcji energii z
biogazu. Dopłaty przyczynią się do obniŜenia
kosztów produkcji np: kiszonki kukurydzy o około 4
- 5 zł/t.
Zasadniczą
rolę
dla
opłacalności
inwestycji
odgrywa równieŜ wielkość planowanego obiektu. Z
jednej strony im większa moc biogazowni tym
bardziej efektywne wykorzystanie zainstalowanej
na niej drogiej techniki maszynowej, a z drugiej tym
niŜsze jednostkowe koszty inwestycyjne. Większa
biogazownia to równieŜ jednak konieczność
dostarczania substratów z większej odległość, a
wiec wyŜsze koszty transportu. Do analizy
opłacalności inwestycji naleŜy zatem podejść
indywidualnie, poniewaŜ kaŜda lokalizacja jest
specyficzna. Ogólnie jednak przyjmuje się, Ŝe
wielkość
najbardziej
opłacalnych
biogazowni
przypada w przedziale od 500 kWel. do 2 MWel.
- 6 -