Zmiany następujące w Polskim rolnictwie są dostrzegalne już od wielu lat. Dotyczą one m.in. efektywności prowadzenia gospodarstwa rolnego, odpowiedniego traktowania zwierząt, racjonalnej gospodarski nawozami, ale również zwraca się coraz częściej uwagę na poszanowanie energii, stosowanie technologii pozwalającej na obniżenie nakładów energetycznych a przez to emisję szkodliwych gazów i pyłów do atmosfery będące wynikiem produkcji energii cieplnej i elektrycznej metodami tradycyjnymi: z surowców kopalnych.
Wykorzystywanie źródeł energii odnawialnej nie tylko redukuje stopień zanieczyszczeń środowiska naturalnego, ale również wspomaga produkcję i wykorzystanie energii w sposób lokalny – zdecentralizowany – co posiada wiele zalet. W poniższym artykule zostało szczegółowo przedstawione zagadnienie związane z rolniczym wykorzystaniem biomasy – w postaci biogazowni.
Początki wprowadzania technologii produkcji biogazu i uruchamiania pierwszych biogazowni w naszym kraju były bardzo trudne i towarzyszyły im niestety spore emocje. Wynikały one przede wszystkim z obaw lokalnych społeczności przed ewentualną szkodliwością działania tego typu urządzeń w pobliżu zamieszkiwania ludzi, zagrożeniem skażenia środowiska, nieprzyjemnymi odorami, które według obiegowym opinii miały towarzyszyć procesowi produkcji biogazu. Obawy te posiadały dwa podstawowe źródła i przyczyny. Przede wszystkim pierwsze technologie i rozwiązania techniczne rzeczywiście mogły w niektórych przypadkach pierwszych biogazowni – uruchamianych przez instytucje lub osoby nie posiadające dostatecznej wiedzy i doświadczenia w tego typu pracach – posiadać błędy technologiczne oraz procesowe prowadzące do nieprawidłowego prowadzenia procesu fermentacji biomasy i dalej pozyskiwania biogazu. Drugą przyczyną tych społecznych niechęci i panicznego strachu przed biogazowniami była…niewiedza ludzi, posiadających tylko zdawkowe informacje od osób niekompetentnych – bardzo często rozprowadzanych wśród społeczeństwa i lokalnych społeczności – głównie wiejskich – za pomocą plotek. Ostatnie lata na szczęście jednak pokazują, iż świadomość ludzi o nowych technologiach i rozpowszechnianie fachowej wiedzy przynosi wreszcie oczekiwane rezultaty. W Polsce obecnie już pracuje kilkanaście instalacji biogazowych, w których wykorzystywane są nowoczesne technologie przeprowadzania fermentacji biomasy uzyskując biogaz – jako źródło energii cieplnej i elektrycznej. Jedną z takich najnowocześniejszych, wyposażonych w wysoko zaawansowaną technikę biogazowni jest instalacja uruchomiona w Rolniczo – Sadowniczym Gospodarstwie Doświadczalnym Przybroda na terenie województwa Wielkopolskiego, należącym do Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu.
Wciąż rozwijająca się dynamicznie gospodarka i przemiany społeczne mają wpływ na wzrost zapotrzebowania na energię – elektryczną i cieplną. Obecna eksploatacja tradycyjnych zasobów surowców, takich jak węgiel kamienny, brunatny, ropa naftowa i gaz z coraz mniej dostępnych złóż i obserwowany deficyt energetyczny na świecie powodują zwiększanie cen wytwarzanej z nich energii wtórnej. Postępująca degradacja środowiska naturalnego stanowi kolejny bodziec, aby zintensyfikować działanie na rzecz wspierania i rozwoju oraz promocji źródeł energii odnawialnej – w tym także przetwarzanie biomasy rolniczej.
Obecnie znane są i dobrze rozpropagowane liczne źródła energii odnawialnej, takiej jak energia słońca, wiatru, geotermii i technologie odzyskiwania ciepła z wielu procesów przemysłowych oraz rolniczych.
Oprócz tych wymienionych technologii, w Polsce szczególną rolę przypisuje się rozwojowi biogazowni rolniczych.
Podstawowym źródłem biomasy do fermentacji metanowej w biogazowniach rolniczych są przede wszystkim odchody zwierzęce (bydło, trzoda chlewna), celowe uprawy biomasy w plonie głównym i dodatkowym, różne pozostałości poprodukcyjne z przetwórstwa rolno-spożywczego oraz żywność przeterminowana.
Jak wiadomo chów zwierząt inwentarskich jest bezpośrednio związany z generowaniem w zależności od systemu utrzymania zwierząt – sporych ilości obornika, gnojowicy i gnojówki. Prawidłowo przechowywane i zagospodarowane odchody zwierzęce stanowią cenny nawóz naturalny, są one jednak poważnym źródłem emisji gazów cieplarnianych – między innymi metanu. Dlatego coraz częściej wykorzystywanie technik biogazowania stanowi atrakcyjny sposób ograniczenia degradacji środowiska naturalnego poprzez szkodliwe emisje.
W tym miejscu powinno się czytelnikowi przybliżyć podstawowe zagadnienia funkcjonowania biogazowni. Przede wszystkim trzeba wiedzieć, że skojarzone (wspólne) wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła jest procesem, w którym energia pierwotna zawarta w materiale opałowym jest zamieniana w trakcie jednego procesu technologicznego, dzięki odzyskowi energii z gorących spalin, zarówno w prąd elektryczny jak i ciepło. Proces ten przyjęło się nazywać kogeneracją lub w skrócie CHP (ang. Combined Heat and Power).
Proces kogeneracji charakteryzuje się przede wszystkim tym, że umożliwia przetwarzanie energii chemicznej zawartej w paliwie z najwyższą sprawnością z pośród technologii wytwarzania energii elektrycznej bo dochodzącą nawet do poziomu 90%. Kolejnym podobnym pojęciem i procesem zarazem jaki może towarzyszyć eksploatacji biogazowni jest trigeneracja – czyli jednoczesne produkowanie ciepła, energii elektrycznej i chłodu.
Następnym ważnym pojęciem jest substrat. Pod tym pojęciem kryje się każda substancja organiczna podlegająca reakcji chemicznej, w wyniku której powstają produkty o odmiennych właściwościach. Substancja organiczna ulegając biologicznemu rozkładowi w warunkach beztlenowych przyczynia się do powstawania biogazu dzięki bakteriom mezofilnym.
Rozróżnia się oczywiście różne typy substratów w zależności od ich funkcji jaką pełnią w procesie fermentacji metanowej. I tak substraty, które posiadają możliwości samoczynnego biogazowania, tj. w swoim składzie zawierają odpowiedni bilans składników pokarmowych oraz odpowiednią ilości bakterii metanogennych, nazywa się monosubstratami. Z kolei ta materia organiczna wymagająca podczas współfermentacji innych substratów – to kosubstraty. Podstawowym ich zadaniem jest tzw. „dociążenie” materii fermentacyjnej suchą masą oraz zwiększenie wydajności procesu fermentacji.
Ponadto z uwagi na cechy funkcyjne można wyróżnić substraty:
- rozcieńczające, w których ilość zawartość suchej masy nie przekracza 8%,
- zagęszczające, w których zawartość suchej masy wynosi więcej niż 8%.
- zwiększające wydajność (wysokoenergetyczne, np. tłuszcze czy białka),
- dodatki stabilizujące proces (np. mikroelementy),
Budowa i zasada działania biogazowni
Biogazo
wnia rolnicza stanowi zestaw urządzeń do wytwarzania i magazynowania biogazu a następnie poprzez jego spalenie w agregatach prądotwórczych = wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła. Uzyskiwany biogaz stanowi podstawowe paliwo do specjalnie przystosowanych (odprężonych) silników wysokoprężnych, które z kolei współpracują i zasilają prądnicę generującą prąd elektryczny. Uzyskiwana energia elektryczna zazwyczaj oddawana jest do ogólnokrajowej sieci elektroenergetycznej z określonymi parametrami opisującymi prąd elektryczny – czyli m.in. napięcie elektryczne, częstotliwość, natężenie prądu. Ciepło powstające w wyniku pracy agregatów prądotwórczych uważa się powszechnie jako tzw. produkt uboczny – ciepło odpadowe. Jednak z uwagi na jego dużą ilość i wysoką temperaturę towarzyszącą pracy generatora, okazuje się, że może być ono wykorzystywane w szerokim zakresie. Przede wszystkim jest ono wykorzystywane do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) oraz wspomagania centralnego ogrzewania (c.o.). Tak pozyskiwana energia cieplna zazwyczaj wykorzystywana jest na potrzeby własne gospodarstwa czy też gospodarstwa domowego, choć z reguły jej ilość znacząco przekracza zapotrzebowanie nawet dużego gospodarstwa.
Do podstawowych zespołów w biogazowni zalicza się:
- zespół przyjęciowy substratów (rys. 1),
- komora fermentacyjna z mieszadłem (rys. 2),
- zbiornik kofermentacyjny,
- zbiornik na biogaz – bardzo rzadko się zdarza, aby obecnie był budowany osobny zbiornik na biogaz – biogaz jest magazynowany w kopułach nad zbiornikiem fermentacyjnym i pofermentacyjnym,
- zbiornik na poferment,
- instalacja kontrolno-pomiarowa,
- agregat prądotwórczy (rys. 3).
Zespół przyjęciowy (rys. 1a) jest to miejsce w biogazowni, w którym następuje przyjęcie – dostarczenie substratów w postaci stałej lub płynnej celem, jej ujednorodnienia i ewentualnego dodatkowego rozdrobnienia (w przypadku np. kiszonki z kukurydzy lub innych substratów w formie stałej). Może on posiadać różną wielkość, formę i kształt. Może on być w kształcie zbiornika z podnoszoną klapą, do którego bezpośrednio wsypywane są ze środków transportowych substraty. Może on mieć postać zbiornika cylindrycznego przypominającego wóz paszowy (rys. 1b) z umieszonymi wewnątrz mieszadłami ślimakowymi.
Komora fermentacyjna (rys. 2) – jest to główny element biogazowni – miejsce, w którym następuje proces fermentacji substratów z jednoczesnym ich mieszaniem i ogrzewaniem. W tym miejscu warto zaznaczyć, iż mieszanie masy fermentacyjnej ma na celu zapobieganie tworzenie się tzw. „kożucha” i utrzymywanie masy w stanie jak najbardziej ujednorodnionej, co jest niezbędne dla prawidłowej pracy bakterii (Rys. 3). Z uwagi na proces beztlenowego fermentowania substratów w towarzystwie bakterii mezogennych konieczne jest utrzymywanie temperatury na poziomie ok. 35-38°C.
Agregat prądotwórczy (rys. 4) – zespół urządzeń służący do produkcji energii elektrycznej i ciepła. Składa się z silnika spalinowego przystosowanego do zasilania paliwem gazowym, prądnicy elektrycznej – zamieniającej energię mechaniczną pobieraną od silnika na energię elektryczną oraz urządzeń kontrolująco-pomiarowych parametry pracy agregatu prądotwórczego. Ponadto niezbędnymi są również systemy do odpowiedniego przygotowania biogazu dostarczanego do silnika. Chodzi tu głównie o proces odsiarczania, odwodnienia oraz dostarczenie paliwa do komór spalania w silniku pod odpowiednim ciśnieniem.
Zbiornik na poferment
Substraty – czyli organiczna masa podlegająca fermentacji pod koniec procesu – opuszczająca już komorę fermentacyjną i/lub kofermentacyjną nosi nazwę pofermentu i jest bardzo dobrym materiałem możliwym do wykorzystania w postaci nawozu naturalnego. Trzeba jednak pamiętać, że zgodnie z obowiązującą ustawą o nawożeniu, nie można przez cały rok wywozić na pola dowolnie nawozów naturalnych. Uwaga! Poferment NIE JEST nawozem naturalnym i może być wylewany cały rok na pola. Pofermentu nie wolno stosować przez co najmniej 3 miesiące od wyprodukowania. W związku z tym już na etapie projektowania biogazowni jest niezbędne obliczenie ilości pofermentu powstającego w ciągu jednego miesiąca i zapewnienie właściwych warunków do przechowywania go przez okres 4-6 miesięcy. Niedowymiarowanie zbiorników na po-ferment może sprawić, że zabraknie w nich miejsca do jego gromadzenia w czasie, gdy aplikacja na pola nie będzie możliwa ze względów technicznych lub prawnych (czas określony ustawowo, zamarznięta gleba lub zalegająca pokrywa śnieżna).
Proces powstawania biogazu
Generacja biogazu z masy organicznej przebiega na drodze fermentacji metanowej. Odbywa się to w środowisku bakterii metanogennych oraz w warunkach beztlenowych. Jednak proces powstawania biogazu, w którym najważniejszym składnikiem jest palny metan jest o wiele bardziej skomplikowany i na potrzeby poniższego artykułu szczegóły jego przebiegu zostaną pominięte. Jednak warto zaznaczyć najważniejsze z etapów które towarzyszą temu procesowi:
a) I faza – hydrolityczna, w której bakterie hydrolityczne biorą udział w rozkładzie złożonych związków organicznych – przede wszystkim białek, tłuszczów i węglowodanów,
b) II faza – kwasowa, podczas której bakterie kwasowe rozkładają aminokwasy, kwasy tłuszczowe i cukry do postaci kwasów organicznych, takich jak kwas propionowy, kwas octowy czy masłowy. W tej fazie powstają też początkowe ilości wodoru i dwutlenku węgla, alkoholu etylowego i kwasu mlekowego.
c) III faza – octowa, kiedy to bakterie octowe, przekształcają lotne kwasy tłuszczowe (LKT) w tzw. „prekursory” biogazu. Mówi się to głównie o kwasie octowym, dwutlenku węgla oraz wodorze.
d) IV faza – metanowa – stanowiąca ostatni etap fermentacji, w której bakterie metanogenne powodują powstawanie metanu i dwutlenku węgla. Jednocześnie w tym procesie ulega zużyciu kwas octowy i wodór [Myczko i.in. 2012].
Robert Szulc
Historia fermentowania pozostałości organicznych i wykorzystanie generowanego biogazu jest bardzo długa. Pierwsze próby wykorzystania biogazu na cele energetyczne nie były zbyt udane. Dzisiaj natomiast mając możliwość korzystania z osiągnięć technologicznych jesteśmy w stanie wyprodukować energię i ciepło możliwe do wykorzystania w gospodarstwach domowych jako ciepło użytkowe, wspomaganie centralnego ogrzewania oraz dostarczanie energii do produkcji rolnej. O tych zagadnieniach będzie mowa w drugiej części artykułu, w którym zostanie szczegółowo zaprezentowane i opisane Rolniczo-Sadownicze Gospodarstwo Doświadczalne Przybroda z sukcesem stosujące na szeroką skalę biogazownię rolniczą. ■
