Biogazownia rolnicza, czyli instalacja służąca do produkcji biogazu z różnorodnych odpadów organicznych i biomasy roślinnej składa się z układu podawania biomasy, komory fermentacyjnej, zbiornika biogazu, zbiornika do magazynowania pulpy pofermentacyjnej oraz systemu generatorów prądotwórczych.
W ostatnich latach doświadczenia, szczególnie wytwórców oraz eksploatatorów biogazowni w Niemczech i Danii uzupełniły listę niezbędnego wyposażenia o systemy ujednoradniania i higienizacji wsadu do komory oraz systemy kogeneracyjne, jak również systemy zaawansowanego przetwarzania pulpy pofermentacyjnej. Obecnie w taki sposób dozbrajane są instalacje pracujące w technologii NAWARO w Europie Zachodniej.
Mikrobiogazownie na świecie
Doświadczenia związane z wydajnością komór fermentacyjnych oraz doborem rozwiązań technicznych w biogazowniach rolniczych i przemysłowych wskazują na realne możliwości powstania systemów biogazowni w skali mikro.
Mając na uwadze doświadczenia na świecie można dojść do wniosku, iż wytworzenie sprawnie działającej mikrobiogazowni nie nastręcza już żadnych problemów. Dzieje się tak dlatego, że rozwiązania takie od wielu lat wdrażane są w Chińskiej Republice Ludowej. Sumaryczna liczba biogazowni rolniczych w Chinach sięgająca 6 mln w dużej mierze zdominowana jest przez niewielkie biogazownie przydomowe. W tym przypadku chodzi o podziemne komory fermentacyjne z przewodem doprowadzającym oraz odprowadzającym substrat. System jednokomorowy sprawdza się w przypadku dość prostego systemu spławiania odchodów do szczeliny transportującej substrat z poziomu posadzki do fermentora w sposób grawitacyjny. Komora fermentacyjna o kształcie zbliżonym do walca o średnicy porównywalnej z wysokością i zawierającą się w przedziale od 2,4 do 2,7 metra stanowi przestrzeń wypełnioną w około 4/5 gnojowicą. Tego typu komory nie są podgrzewane z uwagi na ciepły klimat regionu środkowych i południowych Chin. Na uwagę zasługuje fakt, iż technologia mikrobiogazowni przydomowych w Chinach dotychczas nie uwzględnia stosowania mieszanek substratów w sposób świadomy. Naturalne domieszki do gnojowicy wynikające ze szczątkowego przedostawania się do niej resztek paszy lub ściółki nie są uwzględniane jako autonomiczne dodatki, co sugeruje dość duże uproszczenie technologiczne.
System mikrobiogazowni typu chińskiego uzupełnia system odprowadzenia gazu, który wykorzystywany jest do zasilania kuchenki, na której przygotowuje się w gospodarstwie pożywienie. Podobnie w Indiach biogazownie służą do produkcji energii na potrzeby pojedynczych gospodarstw do oświetlania obejść oraz gotowania. W krajach arabskich biogazownie wykorzystuje się do ograniczania odorów i produkcji kompostu. Mikrobiogazowe systemy chińskie i indyjskie różnią się więc od systemów europejskich pracujących w skali przemysłowej.
Biznes biogazowy w Europie nastawiony jest głównie na pozyskiwanie energii elektrycznej ze spalania wytworzonego biogazu lub na sprzedaż samego gazu do sieci gazowej po jego uprzednim kondycjonowaniu i uszlachetnieniu do parametrów gazu ziemnego.
Różnica między wspomnianą skalą mikro oraz skalą przemysłową upatrywana jest w nastawieniu rolników do utylizacji znaczącej masy odpadów, pochodzących z produkcji rolniczej lub ze skojarzonego przemysłu przetwórczego. Skala rozwiązań przyniosła jednak monopolizację rynku przez instalacje o mocy od 300-400 kW do nawet kilku megawatów mocy elektrycznej. To w pewien sposób na stałe charakteryzuje biogazownię jako obiekt drogi i zajmujący obszar około 1-2 ha. Ceny biogazowni są zróżnicowane i silnie uzależnione od koniunktury, natomiast znamienne jest, iż średnio każdy wytworzony kilowat energii elektrycznej wymaga zainwestowania przynajmniej 4000 do 5000 euro. Naturalnie nakłada się na tą sytuację także sieć energetyczna i jej przepustowość. Zakłady energetyczne, rezerwując wartości energii elektrycznej sprzedawanej do sieci przez biogazownie, kierują się pewnymi wymaganiami formalnymi, przede wszystkim równomiernością dostaw oraz co w pewien sposób dyskwalifikuje instalacje małe, także potencjałem wytwórczym instalacji. Umowy zawierane są chętniej w sytuacji oferty rzędu setek kilowatów i powyżej tej mocy.
Problematyka procesu fermentacji
Naturalnie koszty oraz skala przedsięwzięcia ma także inne uzasadnienie. Jest nim produktywność substratów rozumiana jako wydajność biogazu z 1m3 wsadu lub z podobnej objętości komory fermentacyjnej.
Proces metanizacji
Należy w tym momencie scharakteryzować proces metanizacji. Otóż jest to proces biochemiczny, który zachodzi w warunkach beztlenowych, a wysokocząsteczkowe substancje organiczne zawarte w substracie dostarczanym do procesu rozkładane są przez bakterie metanowe, które fermentują kwasy tłuszczowe, wyższe kwasy tłuszczowe, alkohole I- rzędowe, alkohole II-rzędowe i inne związki przetwarzane m. in. na metan oraz dwutlenek węgla. Bakterie metanowe w warunkach naturalnych bywają zwykle fakultatywnymi beztlenowcami fermentującymi cukry i wielocukry, celulozy, w bagnach, w żołądkach przeżuwaczy, w ściekach itp. Fermentacja ta może zachodzić w zakresie mezofilnym (34-420C) i termofilnym(45-560C) oraz dzielić się na suchą (powyżej 16% s.m.) i mokrą (4-6 do 14% s.m.).
Substraty
Najodpowiedniejsze dla wydajności procesu jest oczywiście przetwarzanie materii bogatej w białko jak np. odpady z rzeźni, w tym treść jelit, wnętrzności, krew (do 460 litrów gazu/kg s.m), ścieki z mleczarni (do 1050 litrów gazu/kg s.m), odpady buraczane (do 450 litrów gazu/kg s.m) odpady gorzelniane/browarnicze (do 500 litrów gazu/kg s.m). Utylizacji podlegają także odchody zwierząt takie jak: gnojowica świńska i bydlęca (do 300-450 litrów gazu/kg s.m), możliwe jest również wykorzystanie kiszonki z kukurydzy (do 400-500 litrów gazu/kg s.m). Zawansowana utylizacja w komorach fermentacyjnych przebiega przy obecności mieszanek w.w. substratów.
Jakkolwiek wysoka nie byłaby produktywność z jednostki suchej substancji w praktyce mamy do czynienia z materiałami zanieczyszczonymi i uwodnionymi (tzw. świeżą masą), której produktywność w takich warunkach jest kilkukrotnie niższa. I tutaj znajduje się kolejny powód dużej skali rozwiązań biogazowych i zamierzenia uzyskania odpowiedniej wydajności objętościowej biogazowni.
W tym zakresie mikrobiogazownie chińskie nie ustępują znacząco rozwiązaniom przemysłowym, dostarczając około 1m3 biogazu do spalenia dziennie z objętości około 6-8 m3 komory (około 130 litrów gazu z 1 m3 komory dziennie), szczególnie biorąc pod uwagę niski poziom zaawansowania technicznego oraz technologicznego tych instalacji. Zwracać należy także uwagę na to, iż nie współpracują one z reguły z generatorami prądu elektrycznego. W przypadku rozwiązań przemysłowych typu NAWARO przy komorach powyżej 1000 m3 objętości (wykorzystywane jest około 80% objętości z uwagi na konieczność pozostawienia przestrzeni na gromadzenie się piany, elementy mechaniczne mieszadeł, system pomp, zaworów gazowych itp.) instalacje te uzyskują wydajność od 43 do nawet 160 litrów biogazu z 1 m3 objętości komory na godzinę pracy biogazowni. Walory energetyczne biogazu określają, iż z 1 m3 objętości można uzyskać od 2 do 5 kWh energii w skojarzeniu (zwykle 38% to energia elektryczna, natomiast pozostałe 62% stanowi odpadowa energia cieplna). Przeliczając to na potrzeby generatorów spalających biogaz potrzebne jest około 0,5 do nawet 5 m3 biogazu dla wytworzenia 1 kWh el. Wartości te są zazwyczaj przybliżone z uwagi na bardzo różne parametry biogazu, w którym najważniejszym jest poziom metanu, a wahać się on może od ok. 55 do nawet 70% objętości wytworzonego gazu w zależności od intensywności procesu, przyjętej technologii i przyjętych do biogazowania substratów.
Skala mikrobiogazowni i wnioski
Takie przedstawienie problemu uzmysławia skalę przedsięwzięcia, które będziemy mogli nazwać mikrobiogazownią gospodarską w ujęciu europejskich standardów. Wychodząc z zapotrzebowania gospodarstw rolniczych na energię elektryczną, które plasuje się w gospodarstwach małych i średnich (od 20 do 50 ha) na poziomie do 50 KWh (w ujęciu dobowym) [GUS 2008] przewiduje się, iż mikrogazownia rolnicza powinna osiągać moc przynajmniej 25-30 kW. Średnie zapotrzebowanie ma związek z okresowymi szczytami zapotrzebowania w zależności od podejmowanych prac.
Z drugiej strony chodzi o możliwości komór fermentacyjnych w zaspokojeniu wymaganej wydajności objętościowej na godzinę pracy instalacji. Z tego punktu widzenia biogazownia powinna mieć oczywiście jak największą wydajność. Teoretycznie możliwe jest (przy odpowiednim doborze substratów i parametrów procesu) pozyskanie nawet 1 m3 biogazu z 1 m3 komory, jednakże realne są parametry uzyskiwane dla rozwiązań systemu NAWARO (około 160 do 200 litrów biogazu z 1 m3 komory). Przy takich założeniach początkowych potrzebnych jest około 5 m3 komory dla wytworzenia 1 m3 biogazu, co odpowiada blisko 1 do 2,5 kWh el. Aby więc zaspokoić potrzeby gospodarstwa wymagany jest przynajmniej zbiornik o objętości 50 m3.
Bazując na ograniczeniach prawnych dotyczących prawa budowlanego określa się, iż ustawienie zbiornika o objętości do 25 m3 nie wymaga pozwolenia na budowę. Wychodząc z takiego założenia mikrobiogazownia powinna mieć więc konstrukcję modułową, bazującą na wielokrotności zbiorników o objętości brutto 25 m3.
W zakresie kosztów instalacji pomocne byłoby założenie, iż sprzedaż każdej wytworzonej kWh może przynieść przychód w wysokości 0,43 zł/kWh energii sprzedanej (cena za 1 kWh energii elektrycznej plus przychód ze sprzedaży zielonych certyfikatów).
Szacuje się, iż mikrobiogazownia warunkująca przychód w wysokości około 250 zł brutto na każdy dzień pracy wypracowałaby około 75 000 zł przychodu w ciągu roku (bazując na gwarantowanej sprawności procesu NAWARO równej 7000 h pracy/rok).
Szacuje się również, że koszt instalacji biogazowej (nie uwzględniający jednak kosztu kogeneratora) małej mocy (ok. 50 m3), która swoim poziomem technicznym gwarantowałaby długotrwałą i stabilną pracę oraz możliwie niską awaryjność (czujniki gazowe, system informatyczny zarządzający zdalnie procesem, zaawansowane rozwiązania hydrauliczne i pneumatyczne) może realnie kosztować około 150 000 zł netto. Taki poziom kosztu (przy założeniu leasingowania systemów kogeneracyjnych) ustala okres zwrotu inwestycji realnie na 2 do 2,5 roku (zakładając okres rozruchu oraz przerwy techniczne).
Źródło: FERMA ŚWIŃ i DROBIU 2010
Autor: dr inż. Mariusz Adamski – Instytut Inżynierii Rolniczej – Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu