Biogaz
Biogaz, gaz wysypiskowy – palny gaz będący produktem fermentacji metanowej związków pochodzenia organicznego (np. ścieki, wysłodki, odpady komunalne, odchody zwierzęce, gnojowica, odpady przemysłu rolno-spożywczego), a częściowo także ich rozpadu gnilnego.
Biogaz jest mieszaniną różnych gazów wytwarzanych przez mikroorganizmy anaerobowe oraz wydobywających się z fermentowanych materiałów[1], składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla, może zawierać niewielkie ilości siarkowodoru, wody oraz siloksanów. Metan, wodór oraz tlenek węgla mogą ulec spaleniu lub utlenieniu wydzielając energię, co pozwala na wykorzystanie biogazu jako paliwa. Może być wykorzystywany do ogrzewania, także do gotowania oraz w generatorach prądu[2].
Biogaz może zostać oczyszczony do bio-metanu, aby spełniał standardy jakości gazu ziemnego[3], a następnie sprężony i jako biopaliwo (bio-CNG) wykorzystywany jako paliwo w pojazdach mechanicznych. Uważa się, że w samej Wielkiej Brytanii biogaz potencjalnie mógłby zaspokoić 17% zapotrzebowania na paliwo samochodowe[4].
Technologie wytwarzające i wykorzystujące biogaz kwalifikują się do otrzymania dofinansowania wspierającego rozwój OZE w niektórych krajach[5][6]. Biogaz jest uważany za odnawialne źródło energii, ponieważ obieg węgla w cyklu produkcji jego surowców i zużycia jest zamknięty i nie wiąże się z netto dwutlenku węgla[7]. Materia organiczna wykorzystywana w produkcji biogazu rośnie z wykorzystaniem dwutlenku węgla w powtarzalnym, bezstratnym cyklu. Taka sama ilość dwutlenku jest absorbowana z atmosfery, jak ilość wydalana podczas spalania biogazu.
Definicje
Nowelizacja Prawa Energetycznego, która weszła w życie dnia 11 marca 2010 roku, (art. 3 pkt 20a), definiuje biogaz rolniczy, jako:
- paliwo gazowe otrzymywane z surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych lub pozostałości przemysłu rolno-spożywczego lub biomasy leśnej w procesie fermentacji metanowej.
Definicja biogazu wprowadzona na potrzeby rozliczania energii wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii, zgodne z dyrektywą 2001/77/WE, zawarta jest w rozporządzeniu ministra gospodarki z dnia 19 grudnia 2005 roku w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii (Dz.U. Nr 261, poz. 2187, z późn. zm.)[8]. Definicja ta mówi, że:[9]
- Biogaz to gaz pozyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.
Skład biogazu
Skład biogazu różni się w zależności od surowców użytych w procesie fermentacji. Gaz wysypiskowy zwykle zawiera około 50% metanu. Zaawansowane technologie oczyszczania ścieków są w stanie wytworzyć biogaz zawierający 55-75% metanu[10]. Nieoczyszczony biogaz zawiera parę wodną, której ilość jest zależna od temperatury wytwarzania biogazu.
W niektórych przypadkach biogaz zawiera siloksany. Są one wynikiem beztlenowego rozkładu związków krzemu powszechnie występujących w mydłach i detergentach. Podczas spalania gazu zawierającego siloksany wydziela się krzem, który może reagować z tlenem lub innymi składnikami gazu. W wyniku reakcji wytrącają się osady, zawierające głównie ditlenek krzemu i krzemiany. Mogą także zawierać związki wapnia, siarki, cynku i fosforu. Osad przybiera formę warstwy białej substancji o grubości kilku milimetrów i musi być usunięty przy użyciu środków chemicznych lub mechanicznych. Istnieją praktyczne i efektywne ekonomicznie technologie oczyszczania biogazu z slikosanów oraz innych zanieczyszczeń[11].
| Składnik | % |
|---|---|
| metan, CH4 | 50-75 |
| dwutlenek węgla, CO2 | 25-50 |
| azot, N2 | 0-10 |
| wodór, H2 | 0-1 |
| siarkowodór, H2S | 0-3 |
| tlen, O2 | 0-0,5 |
Wytwarzanie biogazu
Na składowiskach odpadów biogaz wytwarza się samoczynnie, stąd nazwa gaz wysypiskowy. Obecnie na wysypiskach instaluje się systemy odgazowujące. Nowoczesne sposoby zagospodarowania odpadów obejmują etap fermentacji niektórych frakcji odpadów przez ich składowaniem w komory fermentacyjnych lub bioreaktorach. Fermentacja metanowa tych odpadów odbywa się w stałych temperaturach 35-40°C dla bakterii metanogennych mezofilnych, rzadziej w temperaturach 50-70°C dla bakterii termofilnych. Ze składowiska o powierzchni około 15 ha można uzyskać 20 do 60 GWh energii w ciągu roku, jeżeli roczna masa składowanych odpadów to około 180 tys. ton.
Celowa, kontrolowana produkcja biogazu następuje w komorach fermentacyjnych biogazowni[13]. Najczęściej fermentacja zachodzi w nich w temperaturze 35-40°C (fermentacja mezofilowa). W Polsce mianem biogazowni określa się instalacje funkcjonujące na oczyszczalniach ścieków oraz składowiskach odpadów komunalnych. Biogazownie, które wykorzystują do wytwarzania biogazu wyłącznie surowce rolnicze określane są mianem biogazowni rolniczych, a biogaz z nich pozyskiwany - biogazem rolniczym, potocznie agrogazem.
Biogaz w sposób naturalny powstaje np. na torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy gazem błotnym lub gazem gnilnym.
Surowce biogazu
| Materiał | Wydajność produkcji biogazu
w m3 na tonę mokrej masy |
Zawartość metanu[14] |
|---|---|---|
| Kiszonka z kukurydzy | 202[14] (200-220)[15] | 52% |
| Ziarno kukurydzy | 560[16] | |
| Kiszonka z traw | 172[14] (160-200)[15] | 54% |
| Trawa | 298-467[16] | |
| Żyto (Ogólna uprawa na kiszonkę - GPS, cała roślina) | 163[14] | 52% |
| Żyto ziarno | 283-492[16] | |
| Burak pastewny | 111[14] | 51% |
| Odpady organiczne | 100[14] | 61% |
| Obornik kurzy | 80[14] (30-100)[15] | 60% |
| Burak cukrowy | 67[14] | 72% |
| Obornik świński | 60[14] | 60% |
| Obornik bydlęcy | 45[14] | 60% |
| Wysłodziny | 40[14] | 61% |
| Gnojowica świńska | 28[14] (15-25)[15] | 65% |
| Gnojowica bydlęca | 25[14] (15-25)[15] | 60% |
| Pszenica
(ogólna uprawa na kiszonkę - cała roślina) |
185[16] (170-190)[15] | |
| Ziarno pszenicy | 610[16] | |
| Ziarno owsa | 250-295[16] | |
| Ziarno pszenżyta | 337-555[16] | |
| Ziarno jęczmień | 353-658[16] | |
| Ziarno rzepaku | 340[16] | |
| Gliceryna | 580-1000[15] | |
| Tłuszcze | do 1200[16] | |
| Śruta rzepakowa | 600-650[15] | |
| Pokrzywy | 120-420[16] | |
| Słonecznik | 154-400[16] | |
| Miskant | 179-218[16] | |
| Len | 212[16] | |
| Trawa sudańska | 213-303[16] | |
| Mozga kanaryjska | 340-430[16] | |
| Życica | 390-410[16] | |
| Jarmuż | 240-334[16] | |
| Słoma | 242-324[16] | |
| Plewy | 270-316[16] | |
| Ziemniaki | 276-400[16] | |
| Koniczyna biała | 290-390[16] | |
| Koniczyna łąkowa | 300-350[16] | |
| Sorgo | 295-372[16] | |
| Słonecznik bulwiasty | 300-370[16] | |
| Rzepa | 314[16] | |
| Burak pastewny | 160-180[16] | |
| Rabarbar | 320-490[16] | |
| Lucerna | 340-500[16] | |
| Konopie | 355-409[16] | |
| Groch | 360[16] | |
| Liście | 417-453[16] | 50%[17] |
Badana nad wykorzystaniem liści jako substratu w produkcji biogazu koncentrują się głównie wokół liści zebranych na terenach miejskich i wiejskich. Możliwość wykorzystania świeżych lub opadłych liści pozyskanych z terenów leśnych lub sadów/plantacji[18][19] wzbudziła zainteresowanie naukowców w różnych krajach[20][21][22][23][24], ale nie została opisana w sposób zadowalający w Europie. Także badania nad wykorzystaniem biomasy zebranej na nieprzydatnych rolniczo terenach, takich jak zwałowiska odpadów są bardzo skromne.
Wydajność produkcji metanu
Porównanie wybranych surowców stosowanych w produkcji biogazu pod względem produkcji metanu na ha uprawy[25]
| Roślina | Kraj | Plon biomasy
[w tonach suchej masy / ha] |
Wydajność produkcji metanu
w m3 na ha |
|---|---|---|---|
| Łubin | Finlandia | 4-7 | 1300-2300 |
| Rabarbar | Finlandia | 2-4 | 800-1700 |
| Trawy | Austria, wzgórza | 4,2-6,4 | 1000-1200 |
| Sorgo | Finlandia | 8,6 | 2500 |
| Konopie-rzepik | Finlandia | 6,5 | 1200 |
| Amarantus | Finlandia | 11,3 | 2700 |
| Pokrzywy | Finlandia | 6-10 | 2200-3600 |
| Konopie | Finlandia | 14 | 3066 |
| Bobik | Finlandia | 10 | 3390 |
| Słonecznik | 2500-4600 | ||
| Trawy | 6-13 | 1200-3600 | |
| Mozga trzcinowata | Finlandia | 9-10 | 3800-4200 |
| Tymotka łąkowa-koniczyna | Finlandia | 8-11 | 2900-4000 |
| Trawy w dolinie | Austria | 2700-3500 | |
| Proso japońskie | Finlandia | 13,9 | 4300 |
| Rdestowiec ostrokończysty | Finlandia | 14-27 | 2300-4300 |
| Nawłoć późna | Finlandia | 22,7 | 4000 |
| Słonecznik bulwiasty | Finlandia | 3100-5400 | |
| Sorgo | 9,9-20,8 | 4500-5800 | |
| Kukurydza (ziarno) | Finlandia | 13-20 | 4000-9200 |
| Kukurydza (ziarno) | Finlandia | 15 | 5600 |
| Kukurydza (ziarno) | Dania | 11-18 | 3600-6500 |
| Kukurydza (ziarno) | Słowenia | 24-29 | 6400-8900 |
| Kukurydza (ziarno) | Austria | 20-30 | 8000-13000 |
| Chaber łąkowy | 15-23 | 2700-6100 |
Zastosowanie biogazu
Biogaz ma szerokie zastosowanie: wykorzystuje się go głównie w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech i USA jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego, jako źródło energii do ogrzewania wody użytkowej, a po oczyszczeniu i sprężeniu jako paliwo do napędu silników (instalacje CNG).
Uszlachetnianie biogazu - biometan
Uszlachetnianie biogazu to jedna z alternatyw dla wykorzystania biogazu w układzie kogeneracyjnym. Wprowadzenie biometanu do sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego rozwiązuje problem zagospodarowania ciepła/chłodu. Biogaz, w porównaniu z gazem ziemnym, ma mniejszą kaloryczność, nie zawiera węglowodorów wyższych, zawiera dużą ilość CO2 oraz inne zanieczyszczenia. Właśnie dlatego wprowadzenie biogazu do sieci dystrybucyjnej wymaga jego uzdatnienia do tzw. biometanu.
Biogaz w Polsce
Zakładano że produkcja biogazu w Polsce w 2013 roku osiągnie 1 mld m3. Według Ministerstwa Rolnictwa wprowadzenie tego planu poprawi bezpieczeństwo energetyczne oraz stan środowiska naturalnego[26].
Magazynowanie biogazu
Do magazynowania biogazu stosuje się najczęściej niskociśnieniowe zbiorniki z ciśnieniem roboczym 0,005 - 0,5 milibarów. Są to zbiorniki membranowe dwupowłokowe. Powłokę wewnętrzną stanowi powłoka, w której jest biogaz, zaś powłoka zewnętrzna pełni funkcję ochronną, zabezpieczającą przed wpływem niekorzystnych czynników zewnętrznych. Pomiędzy powłokami jest tłoczone powietrze zaś czujnik ciśnienia wskazuje odpowiednia ilość biogazu w zbiorniku. Zbiorniki wykonywane są w pojemnościach od kilkudziesięciu do kilkunastu tysięcy m3.
Oczyszczanie biogazu
Oczyszczanie biogazu składa się z następujących faz:
- Usuwanie siarkowodoru
- Usuwanie siliksanów
- Osuszanie biogazu
Usuwanie siarkowodoru
Do usuwania siarkowodoru stosuje się metody:
- Metoda ze złożem stałym
- Proces odsiarczania prowadzony jest przez swobodny przepływ biogazu prze kilka warstw złoża, którym jest ruda darniowa. Układy te wyposaża się w system do regeneracji złoża tlenem. W wyniku przepływu biogazu przez złoże, siarkowodór ulega reaguje z tlenkami żelaza, tworząc siarczki żelaza.
- Biologiczne odsiarczanie
- Metoda odsiarczania biogazu przez zastosowanie bakterii z rodziny Thiobacillus. Proces odsiarczania biologicznego prowadzona jest w bioskruberach lub biofiltrach.
- Metoda mokra z roztworem alkalitycznym
- Absorpcja siarkowodoru następuje poprzez zraszanie biogazu roztworem alkalicznym. W wyniku reakcji chemicznej zasady z siarkowodorem powstają siarczki, których roztwór jest odpadem.
- Metoda mokra katalityczna
- Siarkowodór przetwarzany jest na siarkę, która w postaci nieaktywnej pulpy siarkowej o konstrukcji pasty jest usuwana w biogazu. Skuteczność tej metody wynosi 99% przy stężeniu siarkowodoru na poziomie kilku ppm.
- Adsorpcyjne odsiarczanie
- Biogaz przepływa przez kolumnę filtracyjną wypełnioną adsorberem, w którym czynnikiem roboczym jest w większości węgiel aktywny. Złoże filtrowe po wyczerpaniu swoich właściwości sorpcyjnych może być kilkakrotnie regenerowane i powtórnie wykorzystywane.
Usuwanie siliksanów
- Adsorpcja na węglu aktywnym
- Adsorpcja w ciekłej mieszaninie węglowodorów
- Osuszanie biogazu poprzez oziębianie z jednoczesnym usuwaniem wody
Osuszanie biogazu
Proces osuszania biogazu polega na schłodzeniu biogazu do temperatury 6-10 °C i kondensacji zawartej w biogazie pary wodnej oraz na wyprowadzaniu z instalacji skroplonego kondensatu, łącznie z zawieszonymi w strumieniu biogazu aerozolami. Biogaz wprowadzony jest do schładzacza, w nim następuje kilkukrotne schłodzenie przy jednoczesnym podgrzaniu biogazu odwodnionego. Następnie biogaz jest kierowany do drugiego schładzacza o temperaturze 10 °C zaś wilgoć kondensuje z biogazu.
Zobacz też
Przypisy
- ↑ NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion — NNFCC [online], www.nnfcc.co.uk [dostęp 2016-11-05].
- ↑ Biogas. Combined heat and power, „Clarke Energy” [dostęp 2016-11-05] (ang.).
- ↑ About biogas and biomethane [online], www.fortisbc.com [dostęp 2016-11-05].
- ↑ Biomethane fueled vehicles - the carbon neutral option [online], www.claverton-energy.com [dostęp 2016-11-05].
- ↑ Jonathan Reuvid, The Handbook of Personal Wealth Management: How to Ensure Maximum Investment Returns with Security, Kogan Page Publishers, 3 lipca 2012, ISBN 978-0-7494-6490-5 [dostęp 2016-11-05] (ang.).
- ↑ IEA BIOENERGY Task 37 – Energy from Biogas. Country Overview (Country Reports) (pdf) [dostęp 5.11.2016]
- ↑ Stephen R. Smith, Chris Cheeseman, Nick Blakey, Waste Management and Minimization, EOLSS Publications, 17 września 2009, s. 196, ISBN 978-1-84826-119-8 [dostęp 2016-11-05] (ang.).
- ↑ Dz.U. z 2005 r. nr 261, poz. 2187
- ↑ Brian K. Richards i inni, In situ methane enrichment in methanogenic energy crop digesters, „Biomass and Bioenergy”, 4, 1994, s. 275–282, DOI: 10.1016/0961-9534(94)90067-1 [dostęp 2016-11-05].
- ↑ Anna McElhatton, Paulo José do Amaral Sobral: Novel Technologies in Food Science: Their Impact on Products, Consumer Trends and the Environment. T. Tom 7 z Integrating Food Science and Engineering Knowledge Into the Food Chain. Springer Science & Business Media, 2011, s. 44. ISBN 978-1-4419-7880-6.
- ↑ New Landfill Gas Treatment Technology Dramatically Lowers Energy Production Costs - Tyler's Biogas Digester News, „Tyler's Biogas Digester News” [dostęp 2016-11-05] (ang.).
- ↑ Basic information on biogas [online], 6 stycznia 2010 [dostęp 2016-11-05] [zarchiwizowane z adresu 2010-01-06].
- ↑ Biogaz rolniczy - produkcja i wykorzystanie. (pdf) Mazowiecka Agencja Energetyczna sp. z.o.o. Warszawa. 12.2009, [dostęp 5.11.2016]
- ↑ a b c d e f g h i j k l m Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: styczeń 2008.
- ↑ a b c d e f g h National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion", [dostęp 06.11.2016]
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af Feedstocks. Anaerobic Digestion [online], www.biogas-info.co.uk [dostęp 2016-11-06].
- ↑ Dubrovskis i inni, Biogas production potential from agricultural biomass and organic residues in Latvia, „AGRIS: International Information System for the Agricultural Science and Technology”, 2012 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
- ↑ Franco Cotana i inni, Lignocellulosic Biomass Feeding in Biogas Pathway: State of the Art and Plant Layouts, „Energy Procedia”, 81, 69th Conference of the Italian Thermal Engineering Association, ATI 2014, 2015, s. 1231–1237, DOI: 10.1016/j.egypro.2015.12.334 [dostęp 2016-11-06].
- ↑ A Complete Guide to Biogas [online], Bright Hub [dostęp 2016-11-06].
- ↑ S.D. Roy Chowdhury, S.K. Gupta, S.K. Banerjee, Evaluation of the Potentiality of Tree Leaves for Biogas Production, „Indian Forester”, 8, 1 sierpnia 1994, s. 720–728, ISSN 2321-094X [dostęp 2016-11-06].
- ↑ S. Arisutha i inni, Evaluation of Methane from Sisal Leaf Residue and Palash Leaf Litter, „Journal of The Institution of Engineers (India): Series E”, 2, 2014, s. 105–110, DOI: 10.1007/s40034-014-0045-x, ISSN 2250-2483 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
- ↑ Anaerobic Digestion of Gliricidia Leaves for Biogas and Organic Manure [online] [dostęp 2016-11-06].
- ↑ Javed Ali, R.P. Singh, Vimal Durgapal, Biogas Production from Different Organic Biomass Materials by Anaerobic Batch Fermentation, „ResearchGate”, 1, 2016, DOI: 10.7726/ajbb.2016.1004 [dostęp 2016-11-06].
- ↑ Abhilash Kumar Tripathi i inni, Generation of Biogas Using Pine Needles as Substrate in Domestic Biogas Plant, „International Journal of Renewable Energy Research (IJRER)”, 3, 16 września 2015, s. 716–721, ISSN 1309-0127 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
- ↑ Mari Seppälä, Antti Laine, Jukka Rintala, Screening of novel plants for biogas production in northern conditions, „Bioresource Technology”, 139, 2013, s. 355–362, DOI: 10.1016/j.biortech.2013.04.014 [dostęp 2016-11-06].
- ↑ Polska na biogazie stoi - Nasz Dziennik, „stary.naszdziennik.pl” [dostęp 2016-11-05].
Bibliografia
- Powszechna encyklopedia PWN. Warszawa: PWN, 2010.
- Witold M. Lewandowski: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: WNT, 2006, s. 350-372. ISBN 83-204-3112-3.
- Oczyszczalnie ścieków i ich eksploatacja Łukasz Karamus wyd KEBE
- Egzamin kwalifikacyjny osób zajmujących się eksploatacją sieci urządzeń i instalacji gazowych Dyb Jan, Miś Ryszard, Zawadzki Tadeusz wyd. KEBE
- Biogaz