Biogaz - biogazownie

 Biogaz - biogazownie

prof. zw. dr hab. inż. Włodzimierz Kotowski.

 

Dziś przetwarzanie biogazu do energii elektrycznej jest w krajach uprzemysłowionych doskonale rozwiniętą techniką. Jest w nich stale rozwijana i stanowi znaczącą – systematycznie rosnącą – pozycję w energetyce. Tymczasem energia elektryczna - jak żaden inny nośnik energii – dysponuje silnie rozbudowaną siecią przesyłową, dzięki której stała się po prostu niezbędnym elementem każdej dziedziny gospodarki światowej.

Mimo tego poszukuje się dla biogazu nowych kierunków masowego jego stosowania i to z czysto ekonomicznych motywacji. Tymczasem drzwi – a nawet bramy – do nowych dziedzin stosowania tego nośnika energii otwierają się same... jako substytut paliw płynnych z ropy, szczególnie dla samochodów osobowych. Potwierdzają to obserwacje ostatnich kilku lat, kiedy szybko rosnące ceny ropy – a w ich następstwie - również ceny paliw silnikowych – wymusiły ich zastępowanie przez sprężony i oczyszczony z siarki gaz ziemny.

 

 

Obecnie otrzymuje się ogromne ilości biogazu nie tylko z utylizacji odpadów przemysłu rolno-spożywczego, ale również z: wysypisk odpadów komunalnych, oczyszczalni ścieków miejsko-gminnych, degazacji kopalń węgla kamiennego itp.

Aktualnie pracuje w Europie 65 wielkich biogazowni – z tego aż 22 w samej tylko Szwecji – w których wydziela się czysty metan i spręża na stacjach tankowania paliw silnikowych, głównie dla samochodów osobowych oraz autobusów. Są to biogazownie, wytwarzające po około 500 m³ metanu godzinowo, co odpowiada zapotrzebowaniu na nośniki energii około 2000 gospodarstw domowych.

Na tle wielu podobnych instalacji biogazu w Niemczech czy Austrii, nasze ogromne wręcz możliwości w tej dziedzinie są po prostu ignorowane, pogłębiając nędzę rolników. Aby uzmysłowić Czytelnikom ogrom potencjalnych możliwości wytwarzania metanu - via biogaz - z odpadów tylko przemysłu rolniczego, wystarczy przytoczyć jego produkcję z 1 ha uprawy roślin, dla przemysłu spożywczego, co ilustruje tabela 1. W zależności od rodzaju uprawianych roślin, zmienna jest roczna produkcja odpadowej biomasy, która mieści się w granicach 3 - 25 t/ha (w przeliczeniu na suchą substancję). Z niej można uzyskać czysty metan, którego wartość energetyczna wynosi w granicach 7.450-61.875 kWh. Po sprężeniu tak wytworzonego CH₄ i zatankowaniu go do średniej mocy auta osobowego, można nim przejechać 11.786-98.214 km. Jednocześnie ogranicza się emisję CO₂ do atmosfery (w przeliczeniu na paliwo z ropy) w ilości 1.768-14.732 kg rocznie w odniesieniu do przetworzonej biomasy odpadowej z 1 ha upraw rolniczych (F. Kirchmeyr; Erneuerbare Energien, 880,6 2006 r.).

Energii elektrycznej nie można inaczej magazynować, jak w postaci elektrowni szczytowo-pompowych (dwa jeziora ze zróżnicowaną wysokością lokalizacyjną, przepompownią oraz turbiną, sprzężoną z elektrogeneratorem). Biomasę można również magazynować w postaci kiszonki, przerabiając ją wg zapotrzebowania na energię elektryczną w beztlenowych bioreaktorach (rys. 1).

 

 

Rolnicy uprawiają często poplony, dzięki którym zbiory biomasy na produkcję biometanu ulegają znacznemu zwiększeniu, co ilustrują dalsze pozycje w/w tabeli.

Energetyczna wartość zebranych z 1 ha plonów dla produkcji żywności wynosi w granicach 7.000-12.000 kWh.

Prezentowana na rys. 1 biogazownia, wytwarzająca około 500 m³/h metanu (tj. z usuwaniem dwutlenku węgla oraz siarkowodoru) zużywa jedynie 14% z wytworzonej energii na potrzeby własne. Przy okazji należy podkreślić fakt, że masa pofermentacyjna, zawierająca wszystkie składniki mineralne z zebranych przez rolnika plonów, zostaje zmieszana z 10% mas. pyłu skalnego z kamieniołomu i stanowi wysokoefektywny nawóz.

 

Aczkolwiek metan ma wiele wspólnych właściwości z gazem ziemnym, to jednak znaczne są między nimi różnice, co zaprezentowano w tabeli 2. Stąd wynika konieczność głębokiego przetwórstwa biogazu, jeśli zamierza się go wtłaczać do regionalnej sieci gazu ziemnego, lub sprężać do butli stalowych dla pojazdów samochodowych.

 

 

Istnieje kilka technologii usuwania siarkowodoru oraz dwutlenku węgla z biogazu. Jedna z nich – pod nazwą „RECTISOL" – obejmuje ich wymywanie w dwóch zimnych obiegach metanolem schłodzonym do -16 st. C oraz -35 st. C. Na gorąco następuje ich desorbcja, a potem utylizacja. Dość powszechną jest technologia, stosowana w Austrii, której prototyp – opracowany przez firmę PROFEKTOR -zastosowano w miejscowości Pucking. Ilustruje ją rys. 2.

Surowy biogaz, zawierający 55-65% obj. CH4, 30-40% CO2 i około 300 mg/m3 H2S zostaje sprężony do 10 barów. Następnie przepływa do instalacji biologiczno-tlenowego odsiarczania z udziałem mikroorganizmów o nazwie Thiabacillus. Schemat działania tej instalacji ilustruje rys. 3. Bakterie są osadzone na granulowanym nośniku w specjalnej, cylindrycznej kolumnie. Ciekła substancja odżywcza jest w obiegu - przepuszczana przez specjalną kolumnę natleniania powietrzem. Tak wzbogacona tlenem przepływa do kolumny bioutleniania H2S do SO2. Do dolnego zasobnika tej kolumny dopompowuje się w ciągły sposób ciekłą substancję odżywczą wraz z wodnym roztworem NaOH.

Doprowadzony z ciekłą substancją odżywczą tlen z kolumny natleniania do kolumny bioutleniania zapewnia w niej przemianę H2S w SO2. Obecny w ciekłej substancji odżywczej NaOH przereagowuje od razu z SO2 do siarczynu sodu (Na2SO3). Ten zostaje w ciągły sposób odprowadzany z dolnego zasobnika kolumny w postaci zanieczyszczonej cieczy odżywczej. Tak odsiarczony biogaz kierowany jest – po ochłodzeniu i osuszeniu – do instalacji wydzielania czystego metanu metodą PSA (zmienno-ciśnieniową adsorpcją i desorpcją zanieczyszczeń), co przedstawiono rys. 4. W tej instalacji są cztery identyczne reaktory cylindryczne, wypełnione spreparowanym węglem w postaci granulek, zwanych sitami molekularnymi.

Gdy przez te sita molekularne przepływa biogaz pod ciśnieniem około 10 barów, to na nich absorbują się wszystkie jego składniki z wyjątkiem metanu, który jako czysty wypływa górą. Gdy cała powierzchnia sit molekularnych pokryje się zanieczyszczeniami biogazu: CO2, N2, O2, H2O i resztkami H2S, wówczas włącza się do ruchu kolejny reaktor. Ten natomiast poddaje się rozprężaniu. Przy normalnym ciśnieniu wszystkie w/w zanieczyszczenia ulegają desorpcji tzn. ulatniają się i wypływają specjalną rurą. Tę operację – w końcowej fazie – przyspiesza się przez przedmuchanie sit molekularnych częścią specjalnie nagrzanego metanu. Mając cztery identyczne reaktory, zapewnia się ruch ciągły całej instalacji: jeden bowiem reaktor jest w ciśnieniowej operacji selektywnej adsorpcji zanieczyszczeń biogazu oraz wydzielaniu czystego metanu, drugi w bezciśnieniowej desorpcji wydzielonych zanieczyszczeń biogazu, trzeci w gorącym przedmuchiwaniu czystym metanem, a czwarty bywa chłodzony czystym CH4 i przygotowywany do ciśnieniowej operacji PSA.

Tak wydzielony z biogazu czysty metan można kierować do sieci gazu ziemnego, ale z ekonomicznego punktu widzenia najefektywniejsze jest jego sprężanie na stacji tankowania paliw silnikowych do 35 MPa i bezpośrednie sprzedawanie posiadaczom pojazdów.

Niniejsze studium dokumentuje jednoznacznie rolnikom i gminom, jak opłacalne bywa przetwarzanie całej odpadowej biomasy do biogazu z którego należy jednak wydzielić – dziś coraz droższy – metan dla zasilania nim samochodów.