Technologie Curkowski

Surowce do produkcji biogazu – uproszczona metoda obliczenia wydajności
biogazowni rolniczej
Autorzy: Andrzej Curkowski, Anna Oniszk-Popławska, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa
(„Czysta Energia” – nr 1/2010)
Jako substraty do produkcji biogazu rolniczego mogą być stosowane substancje organiczne,
pochodzące z działalności rolniczej i/lub z produkcji przemysłowej.
Do najważniejszych substratów pochodzenia rolniczego, znajdujących zastosowanie w produkcji
biogazu, zaliczyć można odchody zwierząt, uprawy energetyczne i odpady z hodowli roślin. Natomiast
oddzielną kategorię stanowią odpady z przemysłu: spożywczego, mleczarskiego, cukrowniczego,
farmaceutycznego, kosmetycznego, biochemicznego, papierniczego czy mięsnego. Głównym substratem
do produkcji biogazu rolniczego jest najczęściej gnojowica (bydła, trzody i drobiu). Zalety stosowania
gnojowicy w kofermentacji, oprócz utylizacji uciążliwego odpadu na terenach rolniczych, to możliwości
produkcji biogazu i ekologicznego nawozu. Również ze względu na dobre właściwości buforujące
gnojowica pozostaje podstawowym, powszechnie stosowanym substratem do produkcji biogazu, mimo
iż rośnie udział innych surowców, takich jak rośliny energetyczne.
Substancje organiczne charakteryzują się różnym tempem rozkładu i różną ilością powstałego w wyniku
fermentacji metanowej biogazu. Proces fermentacji, w którym stosuje się mieszaninę różnych substancji
organicznych, nazywa się współfermentacją lub kofermentacją.
Zanim przystąpimy do projektowania biogazowni
W celu uzyskania optymalnego składu i proporcji mieszaniny substratów, na etapie projektowania
biogazowni można wykonać próby fermentacyjne dla konkretnych mieszanek substratów, aby sprawdzić
rzeczywiste możliwości produkcji biogazu przez planowaną instalację. Próby takie są wykonywane
przez specjalistyczne laboratoria, z których dane gromadzą instytuty badawcze, takie jak niemieckie
KTBL (Das Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft).
W celu usystematyzowania danych na temat substratów wykorzystywanych do produkcji biogazu
opracowywane są tzw. atlasy substratów. W europejskim atlasie, stworzonym w ramach projektu EU
Agrobiogas, realizowanym w latach 2006-2009 w ramach 6 Programu Ramowego UE, znajduje się
ponad 200 substancji organicznych, ocenionych pod kątem przydatności do pozyskiwania biogazu. Przed
uruchomieniem biogazowni warto wykonać próby fermentacyjne próbek mieszaniny wybranych
substratów, aby poznać rzeczywistą możliwość produkcji biogazu przez planowaną biogazownię.
Możliwe jest przeprowadzenie takich prób w wybranych laboratoriach w Polsce.
Charakterystykę stosowanych w procesie fermentacji odpadów wraz z potencjałem do produkcji biogazu
przedstawia tabela 1. Są to jedynie wybrane substraty, w rzeczywistości przebadanych zostało ok. 200
różnych substancji organicznych.
Tab. 1. Charakterystyka wybranych substratów wraz z potencjałem produkcji biogazu1
Procentowa
zawartość s.m.
w t substratu
Procentowa
zawartość s.m.o.
w zawartości s.m.
Produkcja
metanu z
1 t s.m.o.
gnojowica bydlęca
gnojowica świńska
gnojowica kurza
gnojowica krów mlecznych
gnojówka
osady poflotacyjne z rzeźni
% wsadu
9,5
6,6
15,1
8,5
2,1
14,6
% s.m.o.
77,4
76,1
75,6
85,5
60,0
90,6
m3/t s.m.o.
222,5
301,0
320,0
154,0
222,5
680,0
zawartość żołądków (bydło)
15,0
84,0
264,0
odseparowana tkanka
tłuszczowa
34,3
49,1
700,0
słoma
trawa – kiszonka
trawa
87,5
40,3
11,7
87,0
83,4
88,0
387,5
396,6
587,5
siano
87,8
89,6
417,9
ziemniaki – liście
kukurydza – kiszonka
bób – kiszonka
rzepak – kiszonka
burak pastewny
buraki cukrowe
25,0
32,6
24,1
50,8
13,5
23,0
79,0
90,8
88,6
87,6
85,0
92,5
587,5
317,6
291,0
376,5
546,6
444,0
cebula
12,9
94,8
360,3
odpady i resztki owoców
odpady i pozostałości
warzyw
melasa
45,0
13,6
81,7
20,5
61,5
80,2
92,5
81,2
400,0
370,0
301,6
545,1
13,6
89,5
387,7
84,0
78,8
5,4
91,5
97,0
86,0
1196,0
600,0
383,3
Przetwórstwo spożywcze
Rośliny energetyczne i odpady rolnicze
Odpady
poubojowe
Odpady z
hodowli
zwierzęcej
Nazwa substratu
wysłodziny browarnicze
wywar pogorzelniany
ziemniaczany
gliceryna
odpady z produkcji oleju
serwatka
Odpady komunalne
odpady z produkcji serów
odpady piekarnicze
79,3
87,7
94,0
97,1
610,2
403,4
odpady organiczne
komunalne
60,3
55,0
396,8
odpady kuchenne i
przeterminowane artykuły
żywnościowe
18,9
71,9
530,0
ścinki roślin i traw (zieleń
miejska)
23,2
88,2
489,7
s.m. – zawartość suchej masy
s.m.o. – zawartość suchej masy organicznej
Bardziej szczegółową metodę szacowania produkcji biogazu z odchodów zwierząt przedstawia tabela 2.
Tab. 2. Dane empiryczne dotyczące właściwości oraz potencjału do produkcji biogazu rolniczego z
odchodów zwierzęcych2
Bydło
Parametr Jednostka
s.m.
t s.m./t
odpadów
s.m.o.
t s.m.o/t
s.m.
s.m.o./DJ
kg
P
s.m.o/DJP/d
Produkcja
m3/t s.m.o
biogazu
Trzoda chlewna
Drób
Oborni
Obornik Gnojowica
Gnojowica Obornik Gnojowica
k
0,237
0,095
0,238
0,066
0,303
0,15
0,764
0,774
0,799
0,761
0,727
0,756
3-5,4
średnio: 4,2
249,4
225,5
2,5-4
średnio: 3,3
228,0
301,0
5,5-10 średnio: 7,78
230,0
320,0
1,5-2,9
0,56-1,5
0,6-1,25
3,5-4,0
średnio:
średnio:
średnio: 0,93
średnio: 3,75
2,2
1,03
DJP – duże jednostki przeliczeniowe inwentarza, odpowiada krowie o masie 500 kg
Produkcja
biogazu
m3/DJP/d
Dzięki dodaniu materiału uzupełniającego o większym potencjale do produkcji biogazu zwiększa się
efektywność ekonomiczna procesu fermentacji, wskutek czego coraz powszechniejsze jest uzupełnianie
odchodów zwierzęcych innymi substratami.
Na bazie danych empirycznych można obliczyć roczną produkcję metanu, który stanowi ok. 65%
zawartości całkowitej produkcji biogazu. Roczna produkcja metanu w biogazowni szacowana jest wg
poniższej formuły:
M = O × SM × SMO × P [m3/rok], gdzie:
M – roczna produkcja metanu [m3/rok],
O – roczna ilość odpadów [t/rok],
SM – procentowa zawartość suchej masy w 1 t substratu [%],
SMO – procentowa zawartość suchej masy organicznej w suchej masie organicznej [%],
P – potencjał produkcji metanu [m3/t s.m.o.].
Rośliny energetyczne jako substrat
Obserwowana jest tendencja do zwiększania zastosowania roślin energetycznych przeznaczonych do
kofermentacji. W samych Niemczech w 2009 r. powierzchnia upraw energetycznych do produkcji
biogazu zwiększyła się do ok. 450 tys. ha3. Stosowane rośliny to: trawa, koniczyna, ziemniaki,
kukurydza, bób, żyto, burak pastewny, buraki cukrowe, cebula, gorczyca, groch, kalarepa, kapusta,
kalafior, pszenica, owies, jęczmień, sorgo, rzepak, dynia i słonecznik.
Rośliny te mogą być stosowane w całości lub jedynie w postaci owoców, bulw, liści i nasion, jak
również po przetworzeniu w formie kiszonki lub słomy. Wśród gatunków wykorzystywanych do
produkcji biogazu dominuje kukurydza, posiadająca 90% udziału w rynku niemieckim4, ponadto
stosowane są też często słonecznik, trawy oraz sucrosorgo. Spośród upraw celowych do produkcji
biogazu najlepiej nadaje się kiszonka z kukurydzy, o czym decydują następujące czynniki:
•
•
•
•
wysoka wydajność produkcji biogazu w porównaniu do innych roślin zbożowych,
mniejsze koszty pozyskania w porównaniu z innymi uprawami,
nie wymaga zmiany dotychczas stosowanej techniki uprawy i zbioru,
łatwe długookresowe magazynowanie.
Przy doborze odmiany kukurydzy do produkcji biogazu należy wziąć pod uwagę: klasę wczesności
danej odmiany, która wpływa na termin zbioru, zawartość suchej masy, wysokość plonu suchej masy
oraz wydajność produkcji biogazu. Istotna jest odpowiednia wczesność odmiany, dobierana tak, aby w
latach chłodnych można było osiągnąć min 30 % s.m. Właściwy czas zbioru decyduje o zawartości s.m.,
która może wahać się w granicach od 28% dla późnej odmiany (plon 17,2 t/ha) do 33-35% s.m. dla
wczesnej odmiany (plon 16,5 t/ha)4.
Parametry produkcji energii
Znajomość rocznej produkcji metanu umożliwia obliczenie energii wytwarzanej w biogazowni. Ze
względu na aktualnie istniejący w Polsce system wsparcia dla zielonej energii najkorzystniejszą metodą
wykorzystania biogazu jest skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Przy obliczaniu
produkcji energii w kogeneracji należy uwzględnić następujące parametry5.
•
•
•
•
wartość kaloryczną metanu zawartego w biogazie: 9,17 kWh/m3,
sprawność agregatu: cieplna: 40-43%, elektryczna: 30-40%, w zależności od producenta,
czas pracy agregatu w ciągu roku: 7500-8300 h/r., oznacza to dyspozycyjność urządzenia na
poziomie 85-95%, średnio przyjmuje się 8.000 h pracy urządzenia w ciągu roku,
ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto: całkowita produkcja ciepła brutto pomniejszona
jest o zużycie ciepła na cele technologiczne. Przyjmuje się, że w skali roku ciepło
wykorzystywane na potrzeby własne to 25-40% całkowitej produkcji. Należy jednak zwrócić
uwagę na sezonowe wahania, szczególnie w sezonie zimowym (grzewczym), gdy
zapotrzebowanie na ciepło procesowe do ogrzania komory jest większe, a tym samym
zmniejsza się ilość ciepła możliwego do sprzedaży na zewnątrz lub do ogrzewania własnych
pomieszczeń czy innych procesów technologicznych. Dobrym pomysłem jest takie
wykorzystanie ciepła, które umożliwia odbiór jego nadwyżek poza sezonem grzewczym, np. do
suszenia ziaren, drewna bądź w zakładach przemysłowych,
• ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto: całkowita produkcja energii
elektrycznej pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne. Innymi słowy na potrzeby
technologiczne, wynikające z użycia mieszadeł, pomp, układów sterowania, oświetlenia itp.,
które zużywają średnio ok. 9% wyprodukowanej energii. Należy zwrócić uwagę na to, że ze
względu na mechanizmy wsparcia dla zielonej energii elektrycznej zazwyczaj całą
wyprodukowana energię przekazuje się do sieci elektroenergetycznej, a na potrzeby procesowe
kupuje się energię elektryczną po niższej cenie.
Sposób obliczeń pozwalający na dobór mocy agregatów kogeneracyjnych oraz na oszacowanie produkcji
energii elektrycznej i ciepła netto w celu ich sprzedaży przedstawia tabela 3.
Tab. 3. Metody obliczenia produkcji energii w biogazowni
Jedn
ostka
Roczna produkcja metanu
m3/r.
Roczna produkcja energii
MWh
/r.
Teoretyczna moc cieplna
kW
Teoretyczna moc elektryczna
kW
Produkcja ciepła brutto
GJ/r.
Zużycie ciepła na cele
procesowe
Produkcja ciepła netto
GJ/r.
GJ/r.
Produkcja energii elektrycznej
brutto
MWe
/r.
Sposób obliczenia
ilość odpadów [t/rok]
× procentowa zawartość suchej masy w 1 t
substratu [%]
× procentowa zawartość suchej masy
organicznej w suchej masie organicznej [%]
× potencjał produkcji metanu [m3/t s.m.o.]
roczna produkcja metanu
× wartość kaloryczna metanu (9,17
kWh/m3)/1000
produkcja metanu na godzinę
× wartość kaloryczna metanu (9,17 kWh/m3)
× sprawność cieplna w kogeneracji (43%)
produkcja metanu na godzinę
× wartość kaloryczna metanu (9,17 kWh/m3)
× sprawność elektryczna w kogeneracji (38%)
teoretyczna moc cieplna
× dostępność urządzeń w ciągu roku
× czas pracy (8000 h)
× 3,6 (przeliczenie jednostek)
produkcja ciepła brutto
× 0,3
produkcja ciepła brutto
- zużycie ciepła na cele procesowe
teoretyczna moc elektryczna
× czas pracy (8000 h)
Zużycie energii elektrycznej
na cele procesowe
Produkcja energii elektrycznej
netto
MWe
/r.
MWe
/r.
produkcja energii elektrycznej brutto
× 0,9
produkcja energii elektrycznej brutto
- zużycie energii elektrycznej na cele
procesowe
Źródła
1. UE: Agrobiogaz. 2007-2010. Europejska inicjatywa instytucji badawczo-rozwojowych na rzecz
zwiększenia efektywności wykorzystania biogazu. Projekt 6 Programu Ramowego Badań i Rozwoju
Unii Europejskiej. URL: http://www.eu-agrobiogas.net/index.php. 91-8.
2. .Schulz H., Eder B.: Biogas Praxis, Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele. (Praktyka biogazu,
podstawy, planowanie, budowa, przykłady). Őkobuchverlag: Fryburg. 2001.
3. Gegner M.: Biogaz w Niemczech. Rozwój, stan obecny oraz perspektywy. Prezentacja wygłoszona
podczas seminarium „OŹE nowym wyzwaniem dla obszarów wiejskich”. Opole 2009.
4. Syngenta Seeds: Kukurydza NK na biogaz dla betonowej krowy. Jakość się opłaca. 2006. URL:
http://www.syngenta-seeds.pl/asp/pliki/do_pobrania/kukurydza_folder_betonowa_krowa.pdf
5. Handreichung Biogasgewinnung und –nutzung (Poradnik pozyskiwania i wykorzystania biogazu)
Ergabnise des Biogas-Messeprograms (Rezultaty programu monitoringu biogazowni). Institut für
Energetik und Umwelt gGmbH; Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft. Kuratorium für Technik
und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. Fachagentur Nachwachsenderohstoffr e.V. Gülzow 2005.