Regionalny warsztat szkoleniowo-informacyjny w ramach projektu

„Biogazownia-przemyślany wybór”

“Podstawowe informacje na temat technologii

wytwarzania biogazu rolniczego ”

Andrzej Curkowski

Instytut Energetyki Odnawialnej

Świętokrzyskie Centrum Innowacji i Rozwoju Technologii,

4 marca 2014 r

Fermentacja metanowa - beztlenowy rozkład substancji organicznych do związków prostych (m.in. CH4, CO2, H2)

WARUNKI BEZTLENOWE

CXHYOZ CH4 + CO2 +inne śladowe + BIOMASA ZWIĄZKI ORGANICZNE BIOGAZ MASA POFERMENTACYJNA

Podstawowe cechy i warunki procesu:

- 4 fazowy proces realizowany przez bakterie beztlenowe oraz względnie beztlenowe (fakultatywne),

- Zakres temperatur: psychorfilowy 22°C, mezofilowy 35°C, termofilowy 55°C,

- Zakres pH: 6,8-7,4,

- Czas retencji (przebywania w komorze) 15-80 dni (w zależności od substratów),

- Mieszanie zapewniające jednolite warunki procesu w całej objętości zbiornika,

- Substraty: substancje organiczne -białka, węglowodory i tłuszcze,

- Produkty: biogaz + masa pofermentacyjna o własnościach nawozowych.

Fermentacja metanowa – idea procesu

Źródło: opracowanie własne IEO

Mechanizm powstawania biogazu

Biogazownia – „betonowa krowa”

Fermentacja jest procesem naturalnie zachodzącym w układzie pokarmowym zwierząt

Źródło: opracowanie własne IEO

Białka

Węglowodany

Tłuszcze

Faza procesu Hydroliza

Kwasogeneza (acidogenaza)

Octanogeneza (acetogeneza)

Metanogeneza

Bakterie

Fakultatywne (względne) beztlenowce

Fakultatywne (względne) beztlenowce, bakterie octanowe

Bakterie octanowe i metanogenne

Bakterie metanogenne

Substancje rozkładane i produkty rozkładu

aminokwasy, alkohole, wyższe kwasy tłuszczowe, cukry proste

kwasy karboksylowe (gł. walerianowy, mrówkowy i propionowy), alkohole, ketony, aldehydy, CO2, H2

kwas octowy (octan), CO2, H2

CH4, CO2, H2

Całkowita i jednostkowa produktywność biogazu

z poszczególnych substratów

Całkowita produktywność biogazu [m3/kg s.m]

- maksymalny możliwy uzysk biogazu z jednostki suchej masy,

- maksimum miedzy 14 a 21 dniem trwania procesu.

Źródło: From lab scale to full scale biogas plants, R. Farina – A. Spagni, EuroBioRef Summer School 2011

Jednostkowa produktywność biogazu [m3/m3*d]

- dynamika produkcji biogazu w odniesieniu do produkcji całkowitej,

- najbardziej dynamiczny rozkład substancji organicznych w ciągu pierwszych 5-8 dni

- po osiągnięciu maksimum wydajność procesu stopniowo się zmniejsza.

Dynamika procesu fermentacji

Proces fermentacji przebiega w trzech zakresach temperatur:

Zakres temperatur Temperatura Czas trwania Zastosowanie

psychrofilowa 10-25 °C 70–80 dni instalacje w Afryce i krajach azjatyckich

mezofilowa 32-42 °C ok. 30 dni większość instalacji biogazowni rolniczych w Europie

termofilowa 52-57 °C 15-20 dni stosowana m.in. do bioodpadów pochodzenia komunalnego oraz z przemysłu rolno-spożywczego

Źródło: opracowanie własne IEO

• Wybór temperatury procesu – determinuje m.in. parametry technologiczne, właściwości przetwarzanych substratów,

• Wyższa temperatura procesu

- większa aktywność bakterii

- większa wydajność fermentacji,

- większa produkcja metanu,

- krótszy czas retencji,

- spadek zapotrzebowania na czynną objętość zbiornika fermentacyjnego,

- konieczność precyzyjnego sterowania.

• Opłacalność produkcji biogazu na skalę przemysłową - fermentacja mezofilowa i termofilowa,

• Fermentacja psychrofilowa – instalacje przydomowe w Azji i Afryce,

Produktywność biogazu poszczególnych

substratów rolniczych Źródło: Biogaz Inwest 2012

[m3 CH4/t s m.o.]

Zawartość metanu w biogazie :

• Gliceryna spożywcza: 50%

• Kiszonka kukurydzy: 52%

• Odchody kurze: 55%

• Obornik bydlęcy: 55%

• Gnojowica świńska: 60%

• Mleko tłuste: 63%

• Tłuszcze zwierzęcy z separatora, 68%

• Tłuszcz po frytkach 68%

Opcje technologiczne biogazowni rolniczych

Źródło: opracowanie własne IEO

Instalacje do produkcji biogazu rolniczego mogą się różnić pod względem:

• rodzaju i właściwości stosowanych substratów,

• doboru elementów ciągu technologicznego,

• sposobu wykorzystania biogazu (ciepło, kogeneracja biometan),

Zasada działania biogazowni rolniczej i

główne procesy technologiczne

Źródło: Xergi AS

• Fermentacja mokra – dla wsadu do zawartości max. 16 % suchej masy zapewniona jest możliwość pompowywania do komory fermentacyjnej,

• Komory fermentacyjne – zbiorniki o kształcie pionowego lub poziomego walca, posiadające :

- betonowe dno,

- stalowe lub betonowe ściany,

- gazoszczelne zadaszenie,

- uzbrojone w armaturę dostarczania substratu i odprowadzania masy pofermentacyjnej.

- system mieszania,

- wymienniki ciepła,

• Właściwy przepływ i cyrkulację substratu w komorze zapewnia system mieszadeł.

• Napełnianie komory może być rozwiązane poprzez przepływ tłokowy lub ciągły (najprostsze konstrukcje).

Fermentacja mokra

Źródło: Xergi AS

Źródło: Farm-scale biogas plants, T. Fisher, A.Krieg, Krieg & Fisher Ingenieure GmBH

Źródło: opracowanie własne IEO

Fermentacja sucha (>16% s.m.)

• zastosowanie mieszanek substratów o zawartości suchej masy > 16 %,

• optymalne rozwiązanie jeżeli brak wystarczającej ilości gnojowicy do rozcieńczania,

• proces prowadzony w kilku oddzielnych komorach fermentacyjnych, co stabilizuje ilość wytwarzanego biogazu,

• biomasa jest zraszana płynem perkolacyjnym, poprawiającym dostępność substancji organicznej dla bakterii.

Źródło: http://www.bekon.eu/waste-to-energy.html

Źródło: http://www.smartferm.com/en/the-system.html?no_cache=1

Źródło: opracowanie własne IEO

Sposoby napełniania zbiornika

fermentacyjnego Napełnianie nieciągłe (wsadowe)

• zmienna ilość i jakość produkowanego biogazu,

• równomierność produkcji biogazu zwiększa zastosowanie zbiorników wymiennych,

Napełnianie częściowo ciągłe

• zwiększa równomierność produkcji biogazu,

• spada zapotrzebowanie składowania materiału wsadowego,

Napełnianie ciągłe-przepływowe

• wzrasta równomierność produkcji biogazu,

• dobre wykorzystanie pojemności fermentora,

• ryzyko odpływu części nieprzefermentowanego substratu, - konieczność zapewnienia efektywnego systemu mieszania

Napełnianie mieszane

• fermentacja także w zbiorniku pofermentacyjnym,

• większa równomierność wytwarzania biogazu ,

• wydajność wykorzystania substratu.

Źródło: http://agroenergetyka.pl

Zalety rozdziału fazy kwaśnej i metanogennej w procesie dwustopniowym:

• skrócenie czasu trwania fermentacji,

• zwiększenie stopnia rozkładu substancji organicznej do 60-80%, stworzenie optymalnych warunków dla powstawania kwasów w fazie kwaśniej pozwala na większą redukcję suchej masy,

• stworzenie optymalnych warunków do rozwoju mikroorganizmów w poszczególnych fazach procesu, większa stabilność procesu i mniejsze problemy z powstawaniem piany,

• wyższy uzysk biogazu.

Źródło: BARIŞ ÇALLI, Anaerobic Treatment, Chapter 8 Anaerobic Sludge Digestion, Marmara University, Faculty of Engineering, Environmental Engineering Department, 2011

Fermentacja jednostopniowa

lub wielostopniowa

Źródło: opracowanie własne IEO

Produkcja energii elektrycznej i ciepła

w układzie kogeneracyjnym Wartość kaloryczna:

• biogazu: ok. 6 kWh/m3,

• metanu: ok. 10 kWh/m3,

Sprawność agregatu CHP:

• cieplna: 40-do 55%,

• elektryczna: 30- do 44 % (wyższa dla jednostek większych),

• sprawność układu ok. 85 %,

Czas pracy agregatu w ciągu roku:

• 7.500-8.300 godz./r, średnio 8.000 godz./r,

• dyspozycyjność urządzenia na poziomie 85-95%,

Źródło: IEO

Źródło: opracowanie własne IEO

Ilość wyprodukowanego ciepła brutto i netto

• całkowita produkcja brutto, pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne (ciepło technologiczne): 25-40% całkowitej produkcji ciepła,

Ilość wyprodukowanej energii elektrycznej brutto i netto

• całkowita produkcja brutto pomniejszona jest o zużycie na potrzeby własne - średnio ok. 9% wyprodukowanej energii elektrycznej na potrzeby technologiczne: mieszadła, pompy, układ sterowania, oświetlenie.

Wydzielone sieci biogazu

Produkcja biometanu z biogazu

• ograniczone możliwości wykorzystywania ciepła na terenach wiejskich,

• możliwości gromadzenia zapasów biogazu w specjalnych zbiornikach ograniczone są do kilkunastu dni,

• 1 możliwość: przesył siecią gazową do miejsc, gdzie biogaz może być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej i ciepła w agregatach kogeneracyjnych,

• Instalacje demonstracyjne wydzielonych sieci wiejskich w Austrii.

• 2 możliwość: zatłaczanie biometanu do sieci gazu ziemnego.

• Kilkadziesiąt instalacji w Niemczech. Dwie pierwsze inwestycje w Polsce w budowie w Długoszynie (woj. lubuskie) oraz w Sudwie (woj. warmińsko - mazurskie).

Źródło: BIOMETHANE REGIONS , Introduction to the Production of Biomethane from Biogas A Guide for England and Wales

Porównanie składu i właściwości

biogazu i biometanu

Parametr Biogaz Biometan

(oczyszczony biogaz) Gaz ziemny

Metan 45-75% (śr. 60%) 94-99% 93-98%

Dwutlenek węgla 28-45% (śr. 40%) 0,1-4% 1%

Azot <3% <3% 1%

Tlen <2% <1% -

Wodór ilości śladowe ilości śladowe -

Siarkowodór <10 ppm <10 ppm -

Amoniak ilości śladowe ilości śladowe -

Etan - - <3%

Propan - - <2%

Wartość kaloryczna 5,5-7,7 kWh/m3 Śr. 6

kWh/m3 (w zależności od wsadu do biogazowni)

10,2-10,9 kWh/m3 ok. 9-11 kWh/m3

Źródło: opracowanie własne IEO

Technologie uszlachetniania biogazu

W Polsce jakość gazu ziemnego określa:

• PN-C-04752:2002.Jakość gazu w sieci przesyłowej,

• PN-C-04753:2002 Jakość gazu w sieci rozdzielczej,

• Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 6 kwietnia 2004 r w sprawie warunków przyłączenia podmiotów do sieci gazowych (Dz. U. 105 poz.1113).

).

Technologia Efekt Stężenie metanu po procesie

Straty metanu

Adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA)

Adsorpcja CO2 pod ciśnieniem na węglu aktywnym

> 96% 2-4%

Płuczka wodna Rozpuszczenie CO2 w wodzie pod wysokim ciśnieniem

> 96% 1-3%

Chemiczna absorpcja - płuczka aminowa

Chemiczna reakcja CO2 z MEA (monoetanoloamina)

> 99% < 0,1%

Fizyczna absorpcja -wymywanie z zastosowaniem Selexol-®, Rectisol-®, Purisol®

Rozpuszczenie CO2 w rozpuszczalniku pod wysokim ciśnieniem

> 96% ok. 2%

Separacja membranowa Różna prędkość permeacji molekuł gazowych > 95% ok. 2%

Separacja kriogeniczna Warunki agregacji w zależności od temperatury > 99% -

Źródło: http://biogazownierolnicze.pl/technologia/1419/technologia-uszlachetniania-biogazu

Źródło: opracowanie własne IEO

Zastosowanie biometanu

w transporcie miejskim i taksówkowym

na przykładzie Szwecji

Źródło: http://www.balticbiogasbus.eu/web/Upload/Distribution_of_biogas/Act_5_2/Fuelling%20systems.pdf

Produkcja biogazu Przechowywanie sprężonego gazu

Kompresja

Wolne tankowanie na rampie

Szybkie tankowanie na stacji

Mobilny system przechowywania

Syst

em

dys

tryb

ucy

jny

Dziękujemy za uwagę!

acurkowski@ieo.pl