Główne surowce służące obecnie do wytwarzania energii cieplnej, mechanicznej oraz elektrycznej to ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel.

Wykorzystanie tych surowców wiąże się jednak z emisją CO2 oraz innych zanieczyszczeń do atmosfery, co przyczynia się do powstawania efektu cieplarnianego. Alternatywą dla tego typu surowców są paliwa odnawialne, np. biomasa. Uzyskiwanie energii z biomasy jest obecnie realizowane na dwa podstawowe sposoby, poprzez spalanie biomasy i fermentację metanową.

W nowym układzie zgłoszonym do opatentowania w Urzędzie Patentowym RP, w zgłoszeniu patentowym nr P-348681 pt.: „Sposób i układ wytwarzania metanu i energii elektrycznej i cieplnej” wytworzone paliwo gazowe po ustandardowieniu jest wykorzystywane do napędu agregatu prądotwórczego i ogniwa termoregeneracyjnego. Zgłoszony układ do opatentowania (również w systemie PCT w Europejskim Urzędzie Patentowym) jest układem multienergetycznym, służącym do wytwarzania paliwa gazowego (metanu lub ustandardowionej mieszaniny CH4 i CO2), energii mechanicznej, energii elektrycznej i energii cieplnej. Charakteryzuje się wysoką sprawnością wytwarzania energii elektrycznej – przez agregat prądotwórczy do 42%, a przez układ skojarzony agregat – ogniwo do 70%.

Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych w świetle obowiązujących przepisów prawnych

Sektor energetyki związany z wytwarzaniem energii ze źródeł odnawialnych jest i będzie w najbliższej przyszłości najdynamiczniejszym sektorem gospodarki światowej. W Unii Europejskiej przewiduje się, że udział odnawialnych źródeł energii ma się podwoić do 12% w 2010 roku, a w 2020 przekroczyć 20%.Zadania takie zostały zawarte w strategii rozwoju odnawialnych źródeł energii w krajach Unii Europejskiej opublikowanej w Białej Księdze Komisji Europejskiej.

W Dyrektywie o Energii Elektrycznej z Odnawialnych Źródeł Energii określone zostały cele wskaźnikowe dla energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w roku 2010 dla wszystkich krajów będących członkami Unii Europejskiej. Wskaźniki te zakładają, że w roku 2010 krajowe zużycie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych wyniesie 22,1%.

W 2001 roku Sejm Rzeczypospolitej Polskiej przyjął dokument pod nazwą „Strategia Rozwoju Energetyki Odnawialnej do 2020 roku”, w którym przewiduje, iż udział źródeł odnawialnych w produkcji energii będzie wynosił odpowiednio 7,5% w 2010 i 14% w 2020 roku. Przyjęta przez Sejm RP powyższa „Strategia” jest realizacją Protokołu z Kyoto określającego międzynarodowe zobowiązania co do obniżenia emisji gazów cieplarnianych i wynika z Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu.

Charakterystyka wybranych produktów ubocznych stosowanych przy produkcji biometanu

W dniu 30 maja 2003r. Minister Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej wydał rozporządzenie w sprawie „szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii oraz energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła”. Rozporządzenie to nakłada na firmy zajmujące się obrotem energią elektryczną obowiązek sprzedaży energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w ilości odpowiednio od 2,65% całkowitej sprzedaży energii w 2003 roku do 7,5% w 2010 roku. Rozporządzenie to obliguje firmy energetyczne do poszukiwania możliwości pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Jednym z rozwiązań jest budowa i eksploatacja Małych Elektrownii Biometanowych (MEB). Elektrownia o mocy elektrycznej 5MW zdolna jest wyprodukować w ciągu roku 40 GWh energii elektrycznej. Europejskie Centrum Energii Odnawialnej CC BREC IBMER w Warszawie podaje jako jeden z celów „Strategii rozwoju energetyki odnawialnej” uzyskanie produkcji 17,3 TWh energii elektrycznej z OZE (7,5% w bilansie energii elektrycznej) w 2010r. Taka ilość energii elektrycznej jest możliwa do wyprodukowania przez 433 MEB o mocy elektrycznej 5MW.

Stosowane obecnie techniki pozyskiwania energii z biomasy

Wytwarzanie energii elektrycznej z biomasy jest obecnie realizowane na dwa sposoby. Pierwszy, oparty jest na procesach spalania, w wyniku czego wytwarzana jest para wodna napędzająca turbinę parową połączoną z generatorem prądu elektrycznego. Układ taki charakteryzuje się niską sprawnością, wynikającą głównie z niskich parametrów pary uzyskiwanej przy spalaniu biomasy. Znacznie większą sprawność wykazuje metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez wykorzystanie do napędu agregatu prądotwórczego biogazu, powstającego w procesach fermentacji metanowej. Tradycyjne źródła pozyskiwania biogazu to fermentacja osadu czynnego w komorach fermentacyjnych oczyszczalni ścieków, fermentacja organicznych odpadów przemysłowych i konsumpcyjnych na wysypiskach, fermentacja gnojowicy i obornika w indywidualnych gospodarstwach rolnych. Analizując przydatność takich źródeł biogazu do wytwarzania energii elektrycznej, należy zwrócić uwagę na niską wydajność wytwarzania metanu, zmienny skład biogazu oraz długotrwały proces utylizacji takiej biomasy. Wszystko to ma wpływ na bardzo wysokie koszty jednostkowe budowy komór fermentacyjnych, które muszą posiadać dużą objętość .

Nowe rozwiązania w produkcji metanu i energii

Proces uzyskiwania biogazu jest opłacalny, jeśli zastosuje się biomasę o dużej wydajności metanu z 1 tony suchej masy. Biomasę o takich własnościach otrzymuje się z celowych upraw rolniczych. Odpady roślinne, śmieci z wysypisk oraz odpady pochodzenia zwierzęcego mogą stanowić dodatkowe źródło biomasy. Wytwarzanie biometanu przebiega z zastosowaniem anaerobowego przetwarzania biomasy do biogazu w rozdzielonych i sterowalnych procesach hydrolizy biomasy i fermentacji metanowej przez bakterie metanowe mezofilne, termofilne i psychrofilne. Część metanu wydzielonego z biogazu i biogaz miesza się otrzymując standardowe paliwo gazowe służące do napędu agregatu prądotwórczego. Pozostała część może być sprzedawana odbiorcom. W procesie wytwarzania energii elektrycznej powstaje znaczna ilość energii cieplnej, która może generować dodatkowy dochód z eksploatacji MEB.

Biomasa jako potencjalny nośnik energii

Obecnie głównym źródłem biomasy stosowanej do fermentacji metanowej są odpady pochodzenia zwierzęcego, roślinnego i przemysłowego. Odpady te charakteryzują się niską wydajnością metanu z tony suchej masy (ts), która wynosi poniżej 300 m3/ts, a często poniżej 100 m3/ts. Wykorzystanie takiej biomasy do produkcji biogazu charakteryzuje się niską opłacalnością a ich ilość liczona w skali kraju nie pokryje zapotrzebowania na energię odnawialną przez bioekoenergetykę. Dlatego odpady tego typu mogą być stosowane jako dodatkowe źródło biomasy. podstawowym źródłem biomasy dla potrzeb bioekoenergetyki powinny być celowe uprawy roślin charakteryzujących się dużą wydajnością wytwarzania biometanu z jednej tony suchej masy dochodzącą nawet do 840 m3. Do takich roślin należą np. buraki pastewne czy trawy (tabela 1). Drugim, dużym źródłem biomasy mogą być produkty uboczne produkcji roślinnej tj. liście, łęty ziemniaczane, słomy zbóż i innych roślin lub też odpady poprodukcyjne z buraków cukrowych ziemniaków itp.

Proces anaerobowego przetwórstwa biomasy

Proces anaerobowego przetwórstwa biomasy przebiega w fermentorach etapowo.Etap I – hydroliza, podczas której dzięki enzymom tworzą się związki drobinowe, Etap II – bakteryjne wytwarzanie kwasów organicznych, alkoholi, CO2 i wodoru, Etap III – bakteryjne wytwarzanie metanu, przy czym wcześniej wytworzony wodór reaguje również z kwasem octowym w wyniku czego powstaje metan.Biogaz jest wytwarzany przez trzy grupy bakterii: bakterie psychrofilne, rozwijające się w temperaturze około 230C, bakterie mezofilne (temp. około 350C) i bakterie termofilne (temp. około 550C). Prawidłowy rozwój bakterii wymaga stałego dostępu do związków węgla i związków azotu, będących źródłem energii i materiałem budulcowym dla szczepów bakteryjnych. Optymalny stosunek węgla do azotu w biomasie stosowanej do otrzymywania biogazu powinien wynosić 10:1. Wszystkie reaktory biogazu należy starannie izolować od dopływu powietrza atmosferycznego, gdyż tlen zawarty w powietrzu będzie negatywnie oddziaływał na rozwój bakterii. Wzrost wydajności produkcji biogazu zależy również od temperatury – wraz ze wzrostem temperatury proces fermentacji ulega przyspieszeniu, a w konsekwencji maleje czas niezbędny do uzyskania odpowiedniej ilości biogazu z jednej porcji biomasy.

Proces technologicznego wytwarzania metanu oraz energii elektrycznej i cieplnej

Biometan uzyskuje się poprzez fizykochemiczny rozdział biogazu na metan i dwutlenek węgla. Oba te gazy mają zastosowanie przy wytwarzaniu gazowego paliwa standardowego. Proces technologiczny przebiega w układzie przedstawionym na poniższym rysunku.Przygotowanie biomasy polega na jej rozdrobnieniu i połączeniu z wodą w mieszarce biomasy (1f). W uzasadnionych przypadkach zamiast wody można używać płynnych odpadów organicznych, np. ścieki z mleczarni (1c). Tak przygotowana biomasa jest kierowana do hydrolizera (2) gdzie następuje proces hydrolizy. W trakcie tego procesu następuje rozszczepienie dużych cząstek organicznych na mniejsze przy udziale wody. Następnym etapem procesu wytwarzania biometanu jest fermentacja metanowa biomasy, która przebiega w układzie szeregowym fermentorów: mezofilnym (3a) i termofilnym (3c) połączonych w dalszej części z kompostownikiem (3g). Polega na anaerobowym przetwarzaniu biomasy do biogazu początkowo przez bakterie metanowe mezofilne, następnie przez bakterie metanowe termofilne a w końcowym etapie tej części fermentacji przez bakterie metanowe psychrofilne. Sterowanie tym procesem jest realizowane przez zawracanie odcieków zawierających odpowiednie kultury bakteryjne do odpowiednich procesów technologicznych (4a, 4c, 4e).Rozdział biogazu na metan i CO2 przebiega w saturatorze (8a). Następnie w mieszaczu gazów (11) metan miesza się z częścią oczyszczonego biogazu, w wyniku czego uzyskuje się gazowe paliwo standardowe o wartości opałowej (8,6 kWh/m3). Otrzymane w ten sposób paliwo służy do napędzania silnika gazowego (13a) sprzężonego z prądnicą (13b). Możliwe jest również skojarzenie termiczne kogeneratora silnika gazowego z ogniwem termoregeneracyjnym (13c). Produkowany w ten sposób prąd stały, zamieniany przez falownik na prąd przemienny można wprowadzić do sieci energetycznej.Na ostatnim etapie całego procesu powstają znaczne ilości ciepła. Jest ono pozyskiwane z cieczy chłodzących silnik oraz ze spalin. Ciepło to jest wykorzystane do ogrzewania hydrolizera, fermentorów oraz termoregeneratora ogniwa termoregeneracyjnego. Nadwyżki ciepła mogą być kierowane do sieci CO (14d). W innym układzie mogą być produkowane nadwyżki biometanu (9a, 9c).Należy zauważyć, iż w całym procesie otrzymujemy jeszcze jeden produkt, który będzie oferowany do sprzedaży. Jest to wysokiej jakości kompost (3h).

Biogaz i metan uzyskiwany z biomasy

Dotychczas stosowane rozwiązania techniczne w instalacjach do pozyskiwania biometanu w drodze fermentacji anaerobowej biomasy, cechowały się niską efektywnością energetyczna (50 do 200 m3 CH4 i czas fermentacji do 40 dni) i ukierunkowane były na utylizację odpadów komunalnych i przemysłowych oraz ścieków.

Przedstawione nowe rozwiązanie techniczne dzięki zastosowanym w nim urządzeniom, pozwala na sterowanie między innymi procesami fermentacji metanowej zarówno pod względem czasowym, ilościowym, jak i jakościowym. Dało to możliwość pomniejszenia objętości fermentorów o ok. 30 – 40 razy w stosunku do rozwiązań dotychczasowych i powiększenie tym samym w sposób zasadniczy efektywności i sprawności energetycznej prowadzonego procesu. Do przeprowadzenia badań optymalizacyjnych wszystkich występujących procesów przetwórczych i funkcjonowania zastosowanych maszyn i urządzeń, niezbędne jest wybudowanie instalacji o stosunkowo niewielkiej mocy tj. 360 kWe i 550 kWt. Instalacja o takiej mocy będzie również niezbędna w MEB o większych docelowo mocach np. 5 MWe, jako źródło energii potrzeb własnych. Docelowo budowana instalacja MEB w Łaszczowie (II etap) ma mieć moc 5MWe i ok. 7MWt i sprawność łączną (elektryczna + cieplna) ok 0,9.

 

Adam Kryłowicz, Kazimierz Chrzanowski, Janusz Usidus
Wschodni Klub Techniki i Racjonalizacji