Biomasa - Dorośli

Wprowadzenie

Energetyczne użytkowanie biomasy rozpoczęło się ponad milion lat temu od momentu gdy człowiek ujarzmił ogień. Początkowo źródłem ognia były zjawiska przyrody, tj. pioruny i wywoływane przez nie pożary lasów. W ten sposób zdobyty ogień był podtrzymywany. Kolejnym krokiem milowym w wykorzystywaniu biomasy było zdobycie przez człowieka umiejętności rozniecania ognia.

Drewno na ponad milion lat stało się podstawowym materiałem energetycznym wykorzystywanym przez człowieka. Od czasów Rewolucji Przemysłowej w  II połowie  XVIII wieku zaczęło ono być wypierane przez węgiel kamienny. Po pierwszym kryzysie energetycznym z lat 70-tych nastąpiło ponowne zainteresowanie biomasą, spowodowane m.in. wzrostem cen i niepewnością dostaw paliw kopalnych. Do rozwoju energetyki biomasy przyczyniły się także coraz ostrzejsze normy ochrony środowiska.

 


Wg definicji zawartej w dyrektywie 2001/77/WE w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych biomasa  to produkty podatne na rozkład biologiczny oraz ich frakcje, odpady i pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substancjami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich. Biomasą nazywany ogół materii organicznej, która może zostać energetycznie wykorzystana. Powstaje ona w reakcji fotosyntezy, która przebiega pod wpływem promieniowania słonecznego- można zatem powiedzieć, ze biomasa jest magazynem energii słonecznej.  Powstające węglowodany wchodzą w skład monosacharydów, oligosacharydów, polisacharydów oraz białek i tłuszczów. Podstawowymi składnikami biomasy są węglowodany, skrobia i lignina.  Węglowodany i skrobia są podstawowymi produktami upraw rolniczych, stanowiących produkt upraw rolniczych.  Celuloza, hemiceluloza i lignina nie mają już własności odżywczych, ale są doskonałym surowcem energetycznym.


Energia słoneczna jest akumulowana w biomasie w postaci energii wiązań chemicznych, początkowo w organizmach roślinnych, a następnie zgodnie z łańcuchem pokarmowym, także w organizmach zwierzęcych i ich odchodach. Biomasę możemy bezpośrednio spalić lub przetworzyć na biopaliwa. Wyróżniamy trzy postacie biopaliw:

  • Biopaliwa stałe
  • Biopaliwa ciekłe
  • Biopaliwa gazowe
  • Do biopaliw stałych zaliczamy drewno kawałkowe, słomę, siano, trawy roślin energetycznych, zrębki drzewne, brykiety i pelety.
  • Do biopaliw ciekłych zaliczamy bioetanol oraz estry metylowe różnych kwasów tłuszczowych, np.. rzepakowego, a także olej pizolityczny powstały w procesie tzw. pirolizy szybkiej.
  • Do biopaliw gazowych, tzw. biogazów zaliczmy mieszaniny gazów powstałe w fermentacji beztlenowej suchej i mokrej, a także w procesie gazyfikacji  oraz pirolizy.

Z powyższych biopaliw uzyskiwana jest energia cieplna, która następnie może być przekształcona na energię mechaniczną (np. w silnikach samochodów)  lub elektryczną (w elektrowniach).

Nośniki energii uzyskiwane z biomasy


Aby z biomasy pozyskać energię użyteczną należy przeprowadzić jej konwersję. Możliwa jest do przeprowadzenia konwersja termochemiczna, polegająca na:
•    Bezpośrednim spaleniu biomasy w postaci stałej. Spalanie jest procesem podczas którego energia chemiczna zawarta w paliwach jest przekształcana w energię cieplną przy udziale tlenu.
W procesie spalania drewna możemy wyróżnić następujące etapy:
o    Suszenie, zachodzi w temperaturze ok. 150 °C
o    Powstawanie gazów palnych- gazyfikacja, zachodzi w temperaturze ok. 300 °C
o    Spalanie gazów, zachodzi w temperaturze ok. 600 °C
o    Spalanie węgla drzewnego, zachodzi w temperaturze ok. 800-1200 °C
•    Gazyfikacji, podczas której powstaje gaz drzewny (holzgas). W procesie gazyfikacji możemy wyróżnić następujące etapy:
o    Suszenie, zachodzi w temperaturze ok. 150 °C
o    Wyodrębnienie z paliwa części lotnych- piroliza, zachodzi w temperaturze 200- 600 °C
o    Utlenianie- powstawanie tlenku i dwutlenku węgla oraz pary wodnej, zachodzi w temperaturze powyżej 600 °C
o    Redukcja dwutlenku węgla i pary wodnej do tlenku węgla i wodoru.
•    Piroliza, której produktem jest bioolej jest zwana szybką pirolizą. Następuje przy bardzo szybkim podgrzaniu substratu do temperatury 500- 1300 °C i potraktowaniu go wysokim ciśnieniem (pomiędzy 50 a 150 atmosfer). Produktami szybkiej pirolizy są: w około 70% olej pirolityczny, w około 10% gaz oraz w około 20% węgiel drzewny. Obecnie przeprowadzanie pirolizy w kierunku paliw płynnych jest w fazach testowych.
Drugą możliwością produkcji biopaliw jest przeprowadzenie konwersji biochemicznej, polegającej na zastosowaniu:
•    Fermentacji anaerobowej (beztlenowej, metanowej), której produktem jest biogaz składający się w głównej mierze z metanu, dwutlenku węgla i azotu. Podczas fermentacji do 60 % masy organicznej zamieniana jest w biogaz. Wyróżniamy fermentację mokrą i suchą.
•    Fermentacji alkoholowej, której produktem jest alkohol etylowy i dwutlenek węgla. Polega ona na rozkładzie węglowodanów pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże. Wytworzony alkohol etylowy po odwodnieniu nadaje się jako dodatek do benzyn lub ich substytut.
Możliwa jest również produkcja biopaliw z olejów roślinnych. Z nasion roślin oleistych tłoczony jest olej, który jest odpowiednio oczyszczony. Kolejnym krokiem jest jego transestryfikacja, a produktem jest biopaliwo zwane biodieslem.


Rodzaje konwersji biomasy i jej produkty

Zasoby biomasy
Każdy rodzaj biomasy posiada odmienne właściwości, co powoduje, ze musi być wykorzystany przy pomocy odpowiedniej technologii (np. bulwy ziemniaków idealnie nadają się do przetworzenia na bioetanol, ale nie nadają się do energetycznego spalenia). Z niektórych upraw istnieje możliwość pozyskania energii na kilka sposobów. Dlatego tez podczas obliczania potencjału energetycznego biomasy należy posługiwać się ujednoliconą jednostką energetyczną dla ciepła, a także dla energii elektrycznej (mogą to być PJ albo TWh).
Zasoby biomasy w Polsce można sklasyfikować na (Siejka, Trańczuk, Trinczek, 2008):
•    Potencjał teoretyczny, który jest zdefiniowany jako ilość energii możliwej do wykorzystania, przy założeniu 100% sprawności procesu przetwarzania. Nie uwzględnia on rzeczywistych sprawności procesów przetwarzania biomasy. Potencjał teoretyczny uwzględnia, że całkowity dostępny potencjał jest wykorzystywany w celach energetycznych.
•    Potencjał techniczny jest częścią potencjału teoretycznego, lecz uwzględnia sprawność dostępnych technologii, energię zużywaną na podtrzymanie procesu przetwarzania, położenie geograficzne oraz aspekty związane z magazynowaniem energii.
•    Potencjał ekonomiczny jest częścią potencjału technicznego zależną od cen paliw, wysokości podatków, wysokości wsparcia dla danej działalności energetycznej. Jest on obliczany w oparciu o szczegółowe analizy opłacalności danej działalności.

Potencjał zasobów biomasy w Polsce

Według danych zawartych na rysunku powyżej potencjał ekonomiczny zasobów energii biomasy w Polsce jest czteroipółkrotnie mniejszy od całkowitego zapotrzebowania na energię w Polsce. Wynika z tego, że przy obecnych cenach paliw jest możliwe, że 22% energii w Polsce będzie pochodzić z energii biomasy. Jest to wartość przewyższająca zobowiązanie Polski, że do 2020 roku 15% energii będzie pochodzić z odnawialnych źródeł energii. Natomiast potencjał techniczny jest o 50% wyższy niż potencjał ekonomiczny, więc w przypadkach uzasadnionych ekonomicznie może stać się on opłacalnym do wykorzystania.


Produkcja biomasy
Biouprawy
Biouprawy to uprawy określonych roślin zwanych energetycznymi w celu późniejszego ich wykorzystania do produkcji energii lub nośników energii. Mimo licznych ograniczeń i zagrożeń biouprawy na cele energetyczne mają w Polsce największy potencjał spośród źródeł biomasy. Ich tworzenie jest jednym z lepszych kierunków zrównoważonego rozwoju lokalnego. Obecnie jednak nie jest zauważalny znaczący wzrost powierzchni upraw roślin energetycznych. Jest to spowodowane brakiem stabilnego odbiorcy, problemami z długoterminową  kontraktacją oraz niestabilną ceną skupu, a także zlikwidowaniem dopłat do roślin energetycznych. Nakładają się na to także problemy natury agrotechnicznej- przy uprawach wieloletnich roślin energetycznych, np. wierzby energetycznej, są problemy z dostępnością wydajnych maszyn do jej zbioru. Dodatkowo niewystarczająca wiedza rolników na temat zagadnień związanych z uprawą, nie sprzyja powstawaniu plantacji.
Rośliny energetyczne powinny charakteryzować się:
• dużym plonem suchej masy z hektara oraz dużym przyrostem rocznym
• odpornością na warunki atmosferyczne, szkodniki, choroby
• niskimi wymaganiami glebowymi - powinny rosnąć na słabych glebach
• powinny w jak najmniejszym stopniu erodować i wyjaławiać glebę
Wymienione powyżej pożądane cechy roślin energetycznych sprawiają, że ich uprawa nie jest kosztochłonna i może odbywać się na glebach słabych oraz zdegradowanych, nie nadających się do produkcji żywności. W Polskich warunkach klimatycznych najwyższe plony osiągają następujące rośliny energetyczne: miskant olbrzymi, proso rózgowate, wierzba wiciowa oraz ślazowiec pensylwański.

Nazwa rośliny

Miskant olbrzymi

Proso rózgowe

Wierzba wiciowa - Wierzba energetyczna

Ślazowiec pensylwański

Opis

Trawa rosnącą w kępach osiągająca wysokość 2,0 3,5 m. Średnica pędów waha się od 1 do 3 cm.

Twarda trawa wieloletnia rosnąca w kępach. Może osiągnąć wysokość 1.3-2.2 m.

Krzew osiągający wysokość do 5 m i średnicę kilku centymetrów.

Roślina z rodziny ślazowatych wytwarza zwarte i silnie ukorzenione kępy składające się z kilkunastu łodyg o średnicy 3,5 cm i wysokości 3,5 m.

Roczny plon suchej

Masy z hektara uprawy

10-20 ton

15-20 ton

6-12 ton

15-20 ton

Specjalne wymogi glebowe

brak

brak

duża wilgotność gleby

brak

Czas od posadzenia do pierwszych zbiorów

2 lata

2 lata

2-3 lata

2-3 lata

Pochodzenie

Wschodnia Azja

Ameryka północna

Euroazja

Ameryka północna

Cechy charakterystyczne uprawianych w Polsce roślin energetycznych

Rośliną, która również nadaje się do uprawy na cele energetyczne jest także słonecznik bulwiasty- topinambur. Jest to roślina uprawiana obecnie, m.in. w najbliższym otoczeniu lasów i służy za pokarm dla dzików w okresie zimowym. Cechą charakterystyczną topinamburu jest posiadanie, oprócz łodyg nadziemnych, podziemnych bulw. Plon części nadziemnych wynosi od 10-16 t/ha, a plon bulw od 18-34 t/ha.


Miskant olbrzymi wczesną jesienią

Proso rózgowate

Ślazowiec pensylwański

Wierzba wiciowa- energetyczna

Bulwy i części nadziemne topinamburu [www.potrawyregionalne.pl, www.asta.etat.lu]

Rośliny energetyczne pochodzące z upraw, po zbiorze i wstępnej obróbce mogą zostać przetoworzone na energię w ciepłowniach , elektorciepłowniach lub elektrowniach, mogą również zostać również przetworzone na inne biopaliwo, np. brykiety i pelety.


Biomasa odpadowa.

Idealnym surowcem energetycznym jest biomasa odpadowa. Występuje ona zarówno w postaci stałych, jak i płynnych oraz wilgotnych odpadów organicznych.
Odpady organiczne stałe pozyskiwane są z:
•    Rolnictwa (słoma, siano, drobne gałęzie pochodzące z przecinki sadów, zboże nienadające się do spożycia)
•    Przemysłu przetwórstwa zbożowego, tartacznego, meblarskiego, tłuszczowego (są to otręby, trociny, wióry, zrzyny, kora, makuchy rzepakowe, itp.)
•    Leśnictwa (drewno opałowe, zrębki pochodzące z rozdrobnienia gałęziówki pozostałej na zrębach)
Odpady organiczne płynne i o dużej zawartości wilgoci pochodzą z:
•    Rolnictwa (obornik, gnojowica, gnojówka)
•    Przemysłu skrobiowego, cukrowniczego, przetwórstwa owocowo-warzywnego, mięsnego, gorzelniczego, piwowarskiego (wytłoki, odpady z przeróbki owoców i warzyw, odpadu poubojowe, itp.)

Biomasa odpadowa

Wśród biomasy odpadowej największe znaczenie ma obecnie słoma. W 2009 roku nadwyżka produkcji słomy w rolnictwie, możliwa do wykorzystania na cele energetyczne, wynosiła 2,6 miliona ton, co daje około 39 PJ energii.. Węgiel w porównaniu ze słomą o zawartości wilgoci nie większej niż 20%, ma o ok.  70% wyższą wartość opałową. Można zatem przyjąć , że jednej tonie węgla odpowiada niecałe dwie tony słomy.

Przetwarzanie biomasy
Biopaliwa stałe
Biomasa, pochodząca z upraw energetycznych, jak i pozyskana z lasów i rolnictwa, bardzo często jest przetwarzana na stabilną postać o ujednoliconym kształcie, wartości opałowej i wilgotności. Tą przetworzoną formą są brykiety i pelety. Brykiety mają kształt walca,  prostopadłościanu, a czasem innego wielościanu foremnego. Ich średnica wynosi od 3 do kilkunastu centymetrów, a  długość od 20 mm do kilkunastu centymetrów. Wilgotność brykietów nie powinna przekraczać 18-20%. Brykiety są produkowane z rozdrobnionych i wysuszonych: odpadów z przeróbki drzewnej,  z roślin energetycznych, a także ze słomy i siana. Obecnie największy udział na rynku mają brykiety drzewne. Pelety natomiast z wyglądu przypominają granulki paszy.  Są w kształcie walca o średnicy od  6- do 10 mm i długości do kilku centymetrów. Produkowane są z podobnych biosurowców jak brykiety, z tym że biosurowce do ich produkcji muszą posiadać drobniejsze frakcje i zawierać mniej zanieczyszczeń. Brykiety  jak i pelety  powstają ze sprasowanych pod wysokim ciśnieniem, wcześniej odpowiednio przygotowanych biomateriałów. W procesie produkcji nie są dodawane żadne materiały wiążące czy klejące. Substancją spajającą jest lignina zawarta w biomasie, która w procesie peletyzacji i brykietowania pod wpływem wysokiego ciśnienia nagrzewa się i przyjmuje półpłynną postać, dzięki czemu można ją dowolnie formować. Dodatkowo materiał wejściowy o zazwyczaj niskiej gęstości usypowej pod wpływem procesu peletyzacji  ulega znacznemu zagęszczeniu, dzięki czemu uzyskuje znacznie wyższą wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę objętości. Należy zwrócić również uwagę, że wartość opałowa w odniesieniu do masy, również wzrasta. Spowodowane jest to dalszym spadkiem wilgotności surowca w trakcie peletowania lub brykietowania.

Brykiety drzewne

Pelety


Technologia produkcji peletów składa się z kilku etapów:
1.    Rozdrabniania wstępnego, polegającego na rozdrobnieniu biosurowca do wielkości frakcji około 25 mm
2.    Suszenia - o ile wilgotność surowca przekracza 15%.
3.    Oczyszczania , czyli usunięcia materiałów mogących zaszkodzić urządzeniom technologicznym, np. metali, piasku - stosowane są magnesy i sita- jest to proces szczególnie ważny przy produkcji peletów. W produkcji brykietów, często w niewielkich instalacjach, jest on pomijany.
4.    Mielenia, podczas którego  ujednolicana i dodatkowo rozdrabniana jest frakcja dostarczonych trocin, zrębków i wiór- uzyskiwana jest frakcji pyłu o wielkości 4-5 mm.
5.    Granulowania - przed formowaniem do materiału dostarczana jest para wodna (w ilości 1-2%), która ogrzewa materiał do ok. 700C, powodując uwalnianie lignin, które poprawiają łączenie cząstek drewna (w urządzeniach o niewielkiej mocy przerobowej ten proces nie występuje). Tak przygotowany materiał jest transportowany do prasy, gdzie jest on granulowany. Granulacja polega na wciskaniu przez prasę materiału w matrycę.
6.    Chłodzenia - proces chłodzenia zmniejsza temperaturę peletów do temperatury pokojowej. Proces ten zwiększa ich trwałość oraz obniża pylenie podczas przechowywania i transportu.
7.    Usuwania pyłów - wyprodukowane pelety trafiają na sita, gdzie jest odseparowana najdrobniejsza frakcja, która jest poddana ponownej obróbce.

Pelety są pakowane w worki (przeważnie o pojemnościach 20-40kg) lub w tzw. „big bagi”, w których mieści się ich 1000 kg. W przypadku ciepłowni średnich i dużych mocy opał dostarczany jest luzem cysternami (stosowany jest wtedy wyładunek pneumatyczny do magazynu) lub wywrotkami ( jeśli jest możliwy wyładunek mechaniczny do magazynu opału).

Jakość wyprodukowanych peletów zależy od:
1.    Zawartości pyłów. Pomimo, że w procesie produkcyjnym pyły zostały usunięte, to mogły powstać nowe, np. podczas transportu. Zawartość pyłów nie powinna przekraczać 8%.
2.    Wilgotności paliwa. Zawartość wody w peletach nie powinna przekraczać 10%.
3.    Trwałości paliwa. Zależy głównie od zawartości ligniny w surowcu, z którego zostały wyprodukowane oraz od siły prasowania. Wilgoć również niekorzystnie wpływa na ich trwałość, dlatego też magazyn peletów powinien znajdować się w suchym miejscu.
Linia technologiczna produkcji brykietów jest podobna do linii produkcyjnej peletów, z tym że surowiec nie musi być w tym przypadku tak dokładnie rozdrobniony i oczyszczony. Podczas produkcji brykietów nie występuje proces kondycjonowania biomasy. Zagęszczanie może być realizowane na brykieciarkach tłokowych- mechanicznych, hydraulicznych lub ślimakowych.

Wykorzystanie biopaliw stałych
Biopaliwa stałe w postaci szczap drewna, zrębków, brykietów, peletów, czy też balotów słomy mogą zostać wykorzystane na cele grzewcze. Każdy z wymienionych powyżej rodzajów biomasy spalany powinien być w specjalnie przystosowanym do tego kotle. W przypadku kotłów o niewielkiej mocy, np. dla domów jednorodzinnych, kotły spalające pelety występują z podajnikiem paliwa, dzięki czemu nie ma potrzeby częstego dokładania paliwa do kotła. Kotły na drewno kawałkowe lub brykiety mogą występować w kilku rodzajach: najprostsze i najtańsze są kotły z  górnym spalaniem, nieco bardziej efektywne są kotły z dolnym spalaniem, najbardziej wydajne są kotły zgazowujące (wytwarzany jest gaz drzewny, który następnie jest spalany w dyszy.

Kocioł z palnikiem na pelety  i zasobnikiem

Kocioł na zgazowanie drewna (Viessmann)

Kocioł na słomę [Metalerg]

Instalacje grzewcze większej mocy, np. takie ogrzewające całe osiedle mogą być zautomatyzowane niezależnie od tego czy spalają słomę, brykiety, pelety, czy też zrębki.

Schemat kotłowni opalanej słomą

Współspalanie
W przypadku zawodowych elektrowni i elektrociepłowni spalanie biomasy możliwe jest do zrealizowania na dwa sposoby:
•    Poprzez współspalanie biomasy z węglem
Produkcja energii odnawialnej może być także realizowana w procesie współspalania biomasy i paliw kopalnych w elektrowniach i elektrociepłowniach. Zazwyczaj odbywa się to według jednego z trzech wariantów technologicznych:
Współspalanie bezpośrednie, które zachodzi w przypadku, kiedy do procesu spalania doprowadzany jest osobno strumień węgla i biomasy lub gotowa mieszanka węgla i biomasy (tzw. mieszane paliwo wtórne).
Współspalanie pośrednie realizowane jest w 2 przypadkach:
o    biomasa spalana jest w tzw. przedpalenisku, zaś energia cieplna powstających spalin wykorzystywana jest w głównej komorze spalania,
o     biomasa jest zgazowywana w gazogeneratorze, a powstający gaz jest doprowadzany do komory spalania, gdzie jest spalany w palnikach gazowych.
Współspalanie w układzie równoległym obejmujące przypadki, gdy każde paliwo konwencjonalne i odnawialne jest spalane w osobnej komorze spalania z zachowaniem indywidualnych wymogów odnośnie do procesu spalania.
W procesie współspalania produkowane jest w Polsce najwięcej odnawialnej energii elektrycznej. W 2009 polskie elektrownie wytworzyły 4 TWh energii elektrycznej w procesie współspalania biomasy z węglem.
Z uwagi na niskie koszty inwestycyjne najbardziej popularne jest współspalanie bezpośrednie. Jako biopaliwo dodawane do węgla mogą być:
o    Drewno i zrębki, trociny pochodzenia leśnego
o    Zrębki pochodzące z bioupraw
o    Ziarna zbóż
o    Pelety


Biomasa jest termodynamicznie gorszym paliwem, zawiera często nawet 50% wody i pogarsza sprawność przemiany termodynamicznej w elektrowni. Tradycyjne elektrownie mogą dodawać tylko około 10% biomasy do węgla w ujęciu wagowym, co stanowi 5% energetycznego udziału. „Wąskim gardłem” są młyny węglowe, gdyż biomasa jest włóknista i trudna do rozdrobnienia, zwiększa tarcie przy mieleniu mieszanki węglowo-biomasowej powoduje wzrost temperatury, odgazowuje i w konsekwencji niesie ryzyko eksplozji.
Zagrożenia związane z wykorzystaniem biomasy w energetyce zawodowej:
o    Produkcja energii elektrycznej z biomasy jest znacznie mniej efektywna niż produkcja energii cieplnej,
o    Wykorzystywanie biomasy leśnej w elektrowniach znacznie zwiększa popyt na drewno i zawyża jego cenę. Dodatkowo z punktu widzenia ograniczania emisji CO2 znacznie bardziej korzystne jest wykorzystywanie drewna w budownictwie czy meblarstwie niż jego spalanie,
o    Wykorzystanie biomasy z bioupraw w elektrowniach zwiększa zapotrzebowanie na wielkopowierzchniowe plantacje roślin energetycznych, które są zagrożeniem dla bioróżnorodności upraw,
o    Wykorzystywanie zbóż w energetyce budzi wiele kontrowersji etycznych, dodatkowo, należy zwrócić uwagę na fakt, że produkcja żywności jest subsydiowana w celu zapewnienia taniej żywności, a nie taniego paliwa dla energetyki,
o    Intensyfikacja upraw związana z zapotrzebowaniem energetycznym elektro-energetyki rodzi obawy o wzrost zużycia nawozów i środków ochrony roślin, które nie są korzystne dla środowiska naturalnego.

•    Poprzez spalanie biomasy w kotłach do tego przystosowanych. Kilka elektrowni w Polsce rozpoczęło budowę lub już eksploatuje kotły specjalnie skonstruowane do spalania biomasy. Takie kotły spalają zrębki drzewne, brykiety lub pelety z dużą efektywnością.

Biopaliwa gazowe
Biogazownie rolnicze

Biogaz powstaje w procesie fermentacji beztlenowej, która może przebiegać zarówno pod nadzorem i kontrolą w biogazowniach, jak również wewnątrz torfowisk, w składowisku odpadów, w warstwach mułu i tam gdzie pola uprawne z roślinnością zostały zalane, jako proces fermentacji "dzikiej" niekontrolowanej.

Widok ogólny na biogazownię

Kontrolowana fermentacja w biogazowni może przebiegać jako:
• fermentacja mokra
• fermentacja sucha
Nie ma dokładnej definicji dla fermentacji mokrej i suchej, jednak w praktyce przyjęto, że o fermentacji mokrej mówimy wtedy, gdy zawartość masy suchej w fermentorze wynosi od 12 do 15% i przy tej zawartości wody możliwe jest pompowanie materiału do fermentora. Jeżeli zawartość masy suchej wzrośnie powyżej 16%, to materiał przeważnie traci zdolność do pompowania i mówimy wtedy o fermentacji suchej.

Schemat biogazowni


Biogazownia składa się z następujących elementów:
•    Zbiornika odpadów przeznaczonych na wsad do biogazowi, którym substancja organiczna jest rozdrabniana i ujednolicana
•    Fermentora, który jest szczelnym zbiornikiem, w którym bez udziału tlenu i w odpowiedniej temperaturze (zazwyczaj wynoszącej około 40°C) jest produkowany biogaz
•    Zbiornika substancji przefermentowanej- w którym dofermentowuje pozostała po właściwej fermentacji substancja organiczna
•    Zbiornika biogazu, najczęściej znajdującego się nad komora fermentacyjną
•    Układu oczyszczania biogazu
•    Agregatu ko generacyjnego, w którym spalany jest biogaz w celu produkcji energii elektrycznej i cieplnej
Biogaz jest mieszaniną gazów, w której dominują metan i dwutlenek węgla.

Typowy skład biogazu może się różnić w zależności od ilości i jakości substratów i zawiera:

• metan CH4 40% - 80%
• dwutlenek węgla CO2 20% - 55%
• siarkowodór H2S 0,1% - 5,5%
• wodór H2,tlenek węgla CO, azot N2, tlen O2 - w śladowych ilościach.

Substraty do produkcji biogazu

Biogaz ze składowisk odpadów
Proces powstawania biogazu na składowiskach odpadów i jego skład związany jest z czterema fazami rozkładu materii organicznej:
-    I faza – w fazie tej powstaje dwutlenek węgla;
-    II faza – w fazie tej po wyczerpaniu tlenu zaczynają zachodzić procesy anaerobowe. Wzrasta wydzielanie się wodoru natomiast spada gwałtownie zawartość metanu;
-    III faza – w tej fazie pojawiają się warunki sprzyjające powstawaniu metanu. Ilość dwutlenku węgla zmniejsza się do wielkości odpowiadającej końcowemu stanowi równowagi, szybko wzrasta ilość metanu;
-    IV faza – w fazie tej rozkład metanogenny jest stabilny. Faza ta trwa zazwyczaj 10 - 20 lat z tendencją do spadku szybkości powstawania gazu
Skład gazu wysypiskowego zależny jest od sposobu składowania i rodzaju odpadów.
Zazwyczaj gaz wysypiskowy zawiera:
•    45-65 % obj. metanu (CH4);
•    25-35 % obj. dwutlenku węgla (CO2);
•    10-20 % obj. azotu (N).

Wartość opałowa gazu wysypiskowego związana jest z zawartością metanu, średnia wartość opałowa wynosi 20 000 kJ/m3. Z zawartością metanu związana jest również eksplozywność gazu wysypiskowego. Metan jest gazem palnym i tworzy mieszaninę wybuchową z powietrzem w zakresie stężeń 5 ÷ 15 %. W odróżnieniu od innych biogazów biogaz z wysypiska odpadów komunalnych charakteryzuje się ogromną ilością organicznych substancji śladowych, których wykryto do tej pory około 350. Stwierdzono, że na każdym wysypisku można wykryć 100 ÷ 200 różnych składników gazu.




Wykorzystanie biogazu
Najbardziej efektywnym sposobem wykorzystnia biogazu jest zasilenie nim układu ko generacyjnego. Idea kogeneracji  polega na konwersji termodynamicznej energii chemicznej paliwa do postaci nośników użytecznych- ciepła, zimna, energii elektrycznej lub mechanicznej, realizowanej w pojedynczym urządzeniu lub w grupie urządzeń wzajemnie połączonych ze sobą. Produkcja nośników energii w skojarzeniu może być realizowana zarówno w dużych elektrociepłowniach zawodowych, jak i w rozproszonych układach mniejszych mocy, tzw. układach CHP- z ang. Combined Heat and Power.  Agregat kogeneracyjny jest zbudowany z silnika (np. tłokowego silnika zasilanego paliwem gazowym), generatora elektrycznego oraz szeregu wymienników ciepła odbierających ciepło z układu chłodzenia silnika, z chłodzenia powietrza doładowanego, a także ze spalin.
Kolejną możliwością jest oczyszczenie biogazu i dostarczanie go do sieci gazowej lub po sprężeniu zasilać pojazdy- gaz CNG. Istnieje również możliwość wykorzystania metanu zawartego w biogazie do produkcji chemikaliów. W przypadku biogazu z osadu ściekowego, często biogaz ten spalany w kotłach w celu ogrzewania pomieszczeń przy oczyszczalni, a także komór fermentacyjnych. Dla biogazu czerpanego ze składowisk odpadów, w przypadku braku odpowiednich instalacji, jest on spalany w pochodniach.


Możliwości zagospodarowania biogazu ze składowiska odpadów

Schemat układu kogeneracyjnego z silnikiem tłokowym

Biopaliwa płynne
Obecnie najbardziej rozpowszechnione biopaliwa płynne to estry kwasów tłuszczowych oraz bioetanol .
Biodiesel, czyli ester metylowy kwasów tłuszczowych (FAME- Fatty Acid Metyl Ester) jest substytutem oleju napędowego. W Polsce najczęściej stosowanym surowcem do produkcji biodiesla jest olej rzepakowy, wtedy takie paliwo nazywane jest estrem metylowym kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (EMKOR). Biodiesel może być sprzedawany w postaci czystej i jest to wtedy tzw. B 100 (100% EMKOR) oraz jako mieszanka z ON, np.  B80 zawiera 80% biopaliwa EMKOR i 20% oleju napędowego,  B20 zawiera 20% EMKOR i  80% ON.

Biodiesel posiada wiele zalet, m.in.:
•    biodiesel podobnie jak olej napędowy nie jest wybuchowy (w przeciwieństwie do benzyny)
•    paliwo estrowe praktycznie nie zawiera związków siarki, spaliny zawierają małą ilość SO2
•    biodiesel ma możliwość mieszania się w dowolnych proporcjach z olejem napędowym
•    charakteryzuje się obniżoną emisją tlenku węgla (CO) i niespalonych węglowodorów (HC), nawet do 40%
•    obniżona emisja cząstek stałych od 10 do ok 60%
•    Spalanie biodiesla, ze względu na zamknięty lub częściowo zamknięty obieg CO2,  niesie ze sobą ograniczoną jego emisję
•    Biodiesel również może być stosowany w zimie (podobnie jak olej napędowy występuje w wersji letniej, przejściowej i zimowej)

Biodiesel posiada również wady:

•    mała lotność biodiesla sprawia, że wymagane jest bardzo dokładne rozpylenie paliwa przez wtryskiwacz w celu ułatwienia odparowania
•    wartość opałowa paliwa rzepakowego jest niższa w porównaniu do oleju napędowego, co wpływa na zwiększenie jego zużycia od 8 do 14%
•    biodiesle mogą wchłonąć o ok. 40 razy więcej wody niż olej napędowy
•    charakteryzuje się wyższą emisją aldehydów
•    zwiększona emisja tlenków azotu o ok. 17%
•    możliwe jest korozyjne oddziaływanie na niektóre metale i elementy gumowe układu paliwowego


Biopaliwem, które może być stosowane w silnikach z zapłonem iskrowym jest bioetanol. Aby służyć do napędu pojazdów etanol musi zostać całkowicie odwodniony. Brazylia jest przykładem kraju, w którym bioetanol jest z powodzeniem uzywany do napędu pojazdów mechanicznych.
Bioetanol, podobnie jak biodiesel może być sprzedawany w postaci czystej:
• E100 (100 Etanolu)
oraz jako mieszanka z benzyną
• E 80 80% etanolu 20% benzyny
• E 20 20% etanolu 80% benzyny


Zalety etanolu:

•    możliwe jest konstruowanie silników o zwiększonym stopniu sprężania, dzięki wysokiej liczbie oktanowej etanolu
•    redukcję lub co najmniej utrzymanie na dotychczasowym poziomie emisji tlenku węgla (CO), niespalonych węglowodorów (HC) i  cząstek stałych (PM)
•    obniżenie emisji CO2 (częściowe lub pełne zamknięcie łańcucha obiegu CO2)
•    niższa zawartość siarki przekładająca się na niższą emisję SO2
•    mniejsza toksyczność niż czystej benzyny
•    umożliwienie zasilania ubogimi mieszankami dzięki niskiej dolnej granicy zapłonu


Wady etanolu:

•    zwiększone zużycie paliwa spowodowane niższą wartością opałową
•    utrudniony rozruch silnika w niskich temperaturach, ze względu na niską prężność par i wysokie utajone ciepło parowania
•    wzrost skłonności do tworzenia korków parowych powodowany niską temperaturą wrzenia
•     niska smarność wpływająca na zmniejszenie trwałości aparatury wtryskowej
•    korozyjne oddziaływanie na metale ołów, żelazo, aluminium, mosiądz
•    bardzo energochłonny proces produkcji
Obecnie w Polsce w każdym paliwie dostępnym na rynku jest stosowany biododatek w postaci biodiesla lub bioetanolu w wielkości 6,2% (w 2011 roku).  Do roku 2013 procentowy udział biopaliw w paliwach wzrośnie do 7,1%.
Na niektórych stacjach w Polsce jest możliwość zakupu czystego biodiesla, który zastępuje olej napędowy. Cena tego paliwa jest nieco niższa w porównaniu z ceną oleju napędowego.

Dwie generacje biopaliw
Stosowane biopaliwa możemy podzielićna biopaliwa pierwszej generacji- obecnie stosowane i biopaliwa drugiej generacji- które być może niedługo zastąpią biopaliwa pierwszej generacji.
Biopaliwa I generacji są produkowane z roślin uprawnych, takich jak: zboża, ziemniaki, buraki cukrowe, rzepak w klimacie umiarkowanym czy trzcina cukrowa, olej palmowy w klimacie ciepłym. W przypadku biopaliw I generacji bioetanol otrzymywany jest w wyniku fermentacji alkoholowej a biodiesel w wyniku estryfikacji olejów roślinnych.

Biopaliwa II generacji to pojęcie bardzo szerokie obejmujące m.in. produkcję paliwa z celulozowych odpadów organicznych jak słoma, oraz upraw roślin energetycznych. Do tej kategorii zalicza się też biogaz oraz proces upłynniania biomasy, w którym jest ona najpierw zgazowywana, a gaz następnie wykorzystuje się do produkcji paliwa.

Wskaźnik EROEI (Energy Return On Energy Invested) charakteryzuje biopaliwa pod kątem energochłonności ich produkcji. Jest to stosunek uzyskanej energii lub nośnika energii do energii włożonej na jej (jego) przetworzenie.


Podsumowanie
Stosowanie biomasy w każdej postaci ma zarówno pozytywne, jak i negatywne strony.
Zalety stosowania biomasy:
•    Zerowy bilans emisji CO2, gdyż rośliny w procesie wzrostu pochłaniają i wiążą CO2 powstałe w procesie spalania
•    Niska lub zerowa zawartość siarki przekładająca się na niską emisję tlenków siarki
•    Niska zawartość popiołu
•    Stałe dostawy, możliwość składowania
•    Wykorzystanie surowców odpadowych
•    Transfer kapitału do lokalnego rynku, pozytywny efekt na rynek pracy
•    Decentralizacja produkcji energii i poprawa bezpieczeństwa energetycznego
Wady wykorzystania biomasy:
•    Spalanie biomasy jak każde spalanie paliw stałych powoduje emisję NOx a w wielu przypadkach także CO, 16 WWA, TOC, BaP, pyłów
•    Spalanie biomasy zanieczyszczonej pestycydami, związkami chloru, czy innymi chemikaliami niesie za sobą ryzyko emisji dioksyn i furanów o działaniu rakotwórczych
•    Zmniejszenie bioróżnorodności wynikające ze stosowania monokultur roślin energetycznych
•    Popiół niektórych biopaliw topi się w temperaturze spalania i może być przyczyną zaślepiania rusztów
•    Wyższa zawartość wilgoci w biomasie wpływa negatywnie na efektywność procesu spalania oraz niższą wartość opałową

 

Loga patronów

Projekt biogazownie

biogazownie korzyści czy zagrożenia

Kalkulatory

Gry Edukacyjne

Sponsorzy

Sondy

Co sądzisz o projekcie?
 

Odwiedziło Nas

osób