Biogazownie: elastyczna produkcja energii odnawialnej z biomasy
Technologia produkcji biogazu wykorzystuje przyjazne dla środowiska procesy naturalne
Obiektywnie rzecz ujmując, biogaz jest uważany za palny produkt uboczny fermentacji beztlenowej materii organicznej. Biogaz jest jednym z najbardziej elastycznych elementów miksu odnawialnych źródeł energii. Umożliwia magazynowanie w postaci ciepła lub energii elektrycznej w celu wykorzystania w przyszłości, gdy będzie to potrzebne. Ta elastyczność sprawia, że biogaz stanowi idealne uzupełnienie energii słonecznej lub wiatrowej, które cierpią z powodu wahań niezawodności i są trudne do uregulowania.
Firma Vogelsang dostarcza niezawodne części do ekonomicznej produkcji biogazu. Oferuje kompleksowe portfolio technologii do produkcji biogazu dla całego zakresu fermentacji – od technologii pomp po technologie maceracji i dezintegracji oraz systemy podawania substancji stałych. Z tego powodu postrzegamy siebie jako doskonałego partnera w sektorze produkcji biogazu. Nieustannie rozwijamy nasze technologie do produkcji biogazu we współpracy z klientami, dostosowując ją do ciągłych zmian warunków bazowych, aby zapewniać rozwiązania wydajnej produkcji biogazu. Ważnym aspektem jest indywidualna analiza każdej biogazowni. Tylko w ten sposób można określić i w pełni wykorzystać potencjał optymalizacji.
Sytuacja na międzynarodowym rynku biogazu
Dziś w samych Niemczech istnieje około 10 tysięcy biogazowni (w zależności od przyjętej metody liczenia) dostarczających prąd dla ludności, zaś w całej Europie jest ich ponad 17 tysięcy. Średnia wielkość biogazowni różni się w poszczególnych krajach w zależności od rodzaju stosowanej biomasy. Oznacza to, że w niektórych krajach szczególnie promowane są małe biogazownie. W Niemczech są to instalacje o mocy maksymalnej 75 kW, które przetwarzają prawie wyłącznie odpady rolnicze. Z drugiej strony są też duże zakłady generujące kilka megawatów (MW). Materiałami wejściowymi są materiały odnawialne pochodzące z recyklingu, a także domowe odpady organiczne oraz odpady spożywcze.
Zastosowanie w biogazowniach
Biogazownię buduje się w taki sposób, aby zapewnić optymalne warunki do produkcji biogazu: Biomasa jest przechowywana w dużych pojemnikach („komorach fermentacyjnych”), gdzie fermentuje przy braku światła i tlenu. Taka fermentacja beztlenowa przebiega w czterech etapach, podczas których każda z wyspecjalizowanych bakterii krok po kroku przekształca biomasę, wytwarzając biogaz. Te kroki (zwane też fazami) są następujące:
- Pierwszy krok: Hydroliza (fermentacja surowców)
- Drugi krok: Kwasogeneza (zakwaszenie)
- Trzeci krok: Acetogeneza (powstawanie kwasu octowego)
- Czwarty krok: Metanogeneza (powstawanie metanu)
Sam biogaz składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla, ale także z wielu innych gazów, takich jak siarkowodór, azot, tlen i amoniak. Po zakończeniu procesu fermentacji pozostaje jedynie pozostałość pofermentacyjna, która może być wykorzystana w rolnictwie jako nawóz. W ten sposób kończy się naturalny cykl – brak innych użytecznych produktów ubocznych sprawia, że biogaz jest wysoce zrównoważony.
Biogazownie: betonowe krowy
Biorąc pod uwagę etapy procesu opisane powyżej, można zauważyć duże podobieństwo do układu pokarmowego krów – dlatego biogazownie określane są niekiedy mianem betonowych krów. Zarówno w biogazowni, jak i w układzie pokarmowym przeżuwaczy bakterie przetwarzają biomasę na energię. W nowoczesnych biogazowniach proces określany jako „przygotowanie substratu” jest odpowiednikiem przeżuwania przez krowę. Hydroliza odbywa się w pierwszym żołądku krowy (żwaczu). Zakwaszanie i tworzenie kwasu octowego odbywa się następnie w księgach i trawieńcu, natomiast energia powstaje (tzn. jest wchłaniana do organizmu krowy) w jelicie cienkim i grubym, a także w wyrostku robaczkowym. Kolejne uderzające podobieństwo dotyczy stałego materiału wejściowego (substratu). Podobnie jak w przypadku krów, wielu rolników zasila swoje biogazownie materiałami odnawialnymi takimi jak kiszonka z kukurydzy czy kiszonka z trawy.
Elementy biogazowni
Ważnymi elementami podstawowymi każdej biogazowni są:
- Substrat / dozowanie substancji stałych
- Zbiornik fermentacyjny
- Mieszalniki do komór fermentacyjnych
- Magazynowanie gazu
- Przechowywanie pozostałości po fermentacji dla pozostałego materiału fermentacyjnego
- Biogaz jest zazwyczaj wykorzystywany w zespołach kogeneracyjnych lub rzadziej do przetwarzania i magazynowania gazu w sieci
Zespół kogeneracyjny to silnik gazowy sprzężony z generatorem wytwarzającym energię elektryczną (moc) z energii biogazowej. Mieszalniki są niezbędne, ponieważ tylko one są w stanie stworzyć optymalne warunki do wytwarzania biogazu poprzez dokładne i równomierne mieszanie komory fermentacyjnej. Celem dozowania substancji stałych jest wprowadzenie biomasy stałej do komory fermentacyjnej. W idealnym przypadku odbywa się to przy niskim zużyciu energii i bezproblemowej pracy, niezależnie od rodzaju biomasy.
To, jakich substancji stałych można użyć w biogazowni, zależy od kilku czynników. Zasadniczo zawartość organiczna powinna być bardzo gęsta, ponieważ tylko ona może zostać przekształcona w biogaz. Czas retencji musi również odpowiadać użytej substancji stałej. Czas retencji oznacza średni czas, przez który biomasa znajduje się w komorze fermentacyjnej do momentu wypłynięcia. Jeśli ten czas jest zbyt krótki, bakterie nie zdążą rozłożyć większość substancji stałych w odpowiednim stopniu. Wskutek tego energia zawarta w biomasie nie zostanie w pełni wykorzystana. Z technologicznego punktu widzenia nie stanowi to problemu, lecz ma to wpływ na opłacalność eksploatacji biogazowni. Ponadto materiały wsadowe o wysokim poziomie energii nie zawsze zapewniają największą wydajność z ekonomicznego punktu widzenia. Należy również uwzględnić koszty materiału wsadowego oraz rzeczywistą energię, którą może zapewnić. Na koniec należy wystąpić o oficjalną zgodę dla wybranego typu biomasy.
Dwie metody fermentacji – mokra i fermentacja
Biogazownie są często kategoryzowane według różnych aspektów. Na przykład rozróżnia się fermentację mokrą i suchą. Podczas fermentacji mokrej substancje stałe są mieszane z cieczą. Powstała zawiesina organiczna jest zazwyczaj płynna i przenoszona za pomocą pomp. Podczas suchej fermentacji biomasa w postaci stosów jest pakowana do „skrzynkowej komory fermentacyjnej” lub „garażowej komory fermentacyjnej ”, a następnie spryskiwana cieczą („perkolatem”). Perkolat wyciekający z dna jest zbierany i ponownie umieszczany w górnej części biomasy. Ułatwia to proces fermentacji, a tym samym umożliwia produkcję biogazu. Ten rodzaj instalacji nie jest powszechnie stosowany i służy przede wszystkim do fermentacji odpadów organicznych takich jak zielone sadzonki czy odpady spożywcze z gospodarstw domowych.
Biogazownie i biometanownie – liczy się uzysk
Kolejnym rozróżnieniem jest podział na biogazownie a biometanownie. Obie instalacje produkują biogaz. W biogazowniach (najczęściej spotykany typ w Niemczech) biogaz ten jest nieznacznie przetwarzany, a następnie bezpośrednio przekształcany w prąd i ciepło w pobliskich zespołach kogeneracyjnych. Instalacje do produkcji biometanu przetwarzają biogaz w tak dokładny sposób, że składa się on prawie wyłącznie z metanu – podobnie jak gaz ziemny. Ów biometan może być zatem wprowadzony bezpośrednio do sieci gazowej, która umożliwia przesyłanie oraz spalanie w miejscu, gdzie energia jest potrzebna.
Zakłady utylizacji odpadów: racjonalne wykorzystanie odpadów organicznych
Inna powszechna klasyfikacja bazuje na wykorzystywanej biomasie. Występuje tu podział na instalacje kofermentacyjne, instalacje na odpady oraz instalacje na materiały odnawialne. Termin „instalacja kofermentacyjna” sięga początków boomu biogazowego w Niemczech. Rolnicy budowali systemy, w których chcieli generować i wykorzystywać energię, która wciąż znajdowała się w gnojowicy w postaci biogazu. Szybko zorientowali się, że mogą produkować znacznie więcej biogazu, jeśli do gnojowicy dodadzą również kosubstraty takie jak niedojedzona żywność, ziarna lub odpady organiczne. W ten sposób powstało pojęcie instalacji kofermentacyjnej dla biogazowni, które fermentują pozostałości przemysłowe i materiały odpadowe, a także odpady rolnicze takie jak gnojowica i obornik. W miarę upływu czasu udział tych biogazowni rolniczych fermentujących materiały odpadowe uległ gwałtownemu zmniejszeniu. W zamian za to wybudowano wiele zakładów przemysłowych do gospodarowania odpadami komunalnymi, gospodarczymi i przemysłowymi. W trakcie tego rozwoju pojawiła się kategoria instalacji zasilanych odpadami, w których fermentowane są odpady organiczne.
Instalacje na materiały odnawialne – czym są i co je wyróżnia
Określenie „instalacje na materiały odnawialne” pojawiło się w okresie, kiedy rząd postanowił promować fermentację materiałów odnawialnych, w szczególności upraw energetycznych. W tych biogazowniach oprócz odpadów rolniczych biogazownie można fermentować wyłączenie surowce odnawialne. Odpadami rolniczymi są najczęściej obornik i gnojowica. Typowe materiały odnawialne (uprawy energetyczne) to:
- Kiszonka z kukurydzy i trawy,
- Kiszonka z całych roślin
- Uprawy takie jak ziemniaki, rzepa itp., o ile nie są ani nie były przeznaczone do produkcji żywności.
Ten rodzaj roślin jest szeroko rozpowszechniony w Niemczech. Podlegają one specjalnym zasadom i dotacjom w ramach ustawy o odnawialnych źródłach energii (EEG). Dla wielu przedsiębiorstw rolnych stanowią one w miarę przewidywalne i pewne źródło dochodów.
Biorąc wszystkie te kwestie pod uwagę, w biogazowni należy zainstalować odpowiednią technologię dozowania substancji stałych, która może w ekonomiczny sposób zasilać instalację biomasą. Płynne odpady z rolnictwa takie jak obornik i gliceryna lub pozostałości z separatorów tłuszczu mogą zwykle być pompowane bezpośrednio do komory fermentacyjnej za pomocą pomp. Ponieważ często oznacza to, że odpady zawierają substancje obce takie jak kamienie, elementy metalowe i zanieczyszczenia (np. drewno, taśmy itp.), zalecamy stosowanie maceratorów i separatorów ciał obcych, aby zredukować wielkość materiału do akceptowalnego poziomu.
Higiena
W przypadku stosowania materiałów wsadowych, które podlegają przepisom higienicznym, wymagane jest dogłębne czyszczenie, które pozwala zapewnić eliminację wszelkich zawartych w materiale pasożytów, wirusów i bakterii mogących stanowić zagrożenie dla środowiska. Dotyczy to zwłaszcza substratów pochodzenia zwierzęcego, takich jak odpady z ubojni i odpady spożywcze. Najczęściej stosowana procedura zakłada podgrzewanie materiału wsadowego do temperatury co najmniej 70°C przez godzinę, a następnie macerowanie go do wielkości max. 12 mm. Sprawdzonymi systemami do realizacji tego procesu są maceratory kontaktowe w połączeniu z pompami wyporowymi. Pompy wyporowe Vogelsang są często stosowane do bezpiecznego pompowania lepkich oraz ściernych odpady, natomiast sito o strukturze plastra miodu z 12-milimetrowymi otworami w maceratorze RotaCut zapewnia redukcję wszystkich elementów do maksymalnych dopuszczalnych rozmiarów. Specjalne opcje zapewniają, że żaden materiał wejściowy nie przejdzie przez macerator bez obróbki.
Proces podawania niepłynnej biomasy
Biogazownie zasilane są głównie niepłynną materią stałą (zwaną również substratem). Procesy dozowania można generalnie podzielić na dwie kategorie: Dozowanie substancji stałych oraz dozowanie płynów. W przypadku dozowania substancji stałych materiały wsadowe są umieszczane bezpośrednio w komorze fermentacyjnej. Najczęściej stosowaną metodą są ślimaki podające, które transportują substancje stałe ku górze na zawiesinę organiczną. Główną zaletą tej technologii są stosunkowo niskie koszty inwestycyjne. Materia stała musi być jednak mieszana przez mieszadła w komorze fermentacyjnej, co jest możliwe tylko przy bardzo wysokich poziomach energii. Technika ta nie jest również w pełni odpowiednia dla substratów o długich włóknach (np. trawa, słoma lub odpady rolnicze takie jak obornik).
W przypadku dozowania płynów biomasa jest najpierw mieszana z płynną zawiesiną, odpadem pofermentacyjnym lub recyrkulacyjnym z komory fermentacyjnej. Proces ten określany jest również mianem zacierania. Powstały w ten sposób zacier jest następnie transportowany do przestrzeni fermentacyjnej (zwykle oznacza to pompowanie). Zaletami tej procedury jest to, że biomasa dociera do komory fermentacyjnej w postaci płynnej, a mieszanie wymaga znacznie mniejszego zużycia energii, gdy zawartość komory fermentacyjnej dobrze miesza się z zawiesiną organiczną. Jeśli w tym samym czasie przetwarzane są również substancje stałe, oprócz redukcji zapotrzebowania na energię następuje również zwiększony uzysk gazu. To również znacznie ogranicza powszechny problem, jakim jest tworzenie się pływających warstw.
Alternatywą są systemy dozowania płynów, które oprócz materiałów odnawialnych mogą być zasilane również odpadami organicznymi o skrajnie różnych właściwościach. Wiele biogazowni bazuje właśnie na takich systemach. Wynika to z faktu, iż oprócz klasycznych materiałów odnawialnych chcą wykorzystywać również takie rośliny jak ziemniaki czy buraki, bądź też z bardzo zmiennych właściwości stosowanej biomasy (np. odpady spożywcze lub domowe odpady organiczne). Inne biogazownie reagują w bardzo elastyczny sposób, ponieważ skupują biomasę dostępną aktualnie na rynku na korzystnych warunkach. Systemy takie jak PreMix są przeznaczone dla tego rodzaju biogazowni. Są one w stanie w łatwy i niezawodny podawać do komory fermentacyjnej wiele różnych rodzajów dobrze rozdrobnionej biomasy, spełniając podstawowy warunek ekonomicznej eksploatacji tych biogazowni.