BIOGAZ Justyna Blitek praca przegldowa w oparciu o

BIOGAZ Justyna Blitek praca przeglądowa w oparciu o literaturę

BIOGAZ WSTĘP WYKORZYSTANIE BIOGAZOWANIE BIOGAZ ZAGROŻENIA POWSTAWANIE ZALETY WADY LITERATURA

WSTĘP Jeszcze do niedawna nie zdawano sobie sprawy ze skali oddziaływania emisji gazów z wysypisk odpadów (nawet bardzo starych) na atmosferę. Przeprowadzone w ostatnich latach badania wykazały, że metan (główny składnik gazu wysypiskowego) wywołuje ok. 30 -krotnie większy efekt cieplarniany niż CO 2. Zakończony w 1991 r pierwszy etap badań, polegający na inwentaryzacji 681 polskich wysypisk komunalnych, pozwoliło oszacować emisję gazu wysypiskowego oraz opracować prognozę tej emisji do 2030 r x >>

WSTĘP Prognoza emisji metanu i dwutlenku węgla z wysypisk komunalnych Rok Rodzaj emisji CH 4, · 103 Mg/a CO 2, · 103 Mg/a 1988 2000 2010 2020 2030 358, 4 471, 5 536, 0 675, 0 757, 0 652, 2 858, 1 975, 5 1228, 5 1377, 7 << x >>

WSTĘP Gaz może uchodzić z wysypiska we wszystkich kierunkach. Są przykłady na to, że ze starych i dawno zamkniętych wysypisk gaz rozchodził się, aż do oddalonych o kilkadziesiąt, a nawet kilkaset metrów domów mieszkalnych. Na nieprawidłowo eksploatowanych wysypiskach zdarzają się mniejsze lub większe wybuchy gazu. Niebezpieczeństwo takie grozi także przy odsysaniu gazu z wysypiska, jego przygotowywaniu i wreszcie termicznej utylizacji. Właściwe odgazowanie złoża, ujmowanie i unieszkodliwianie lub wykorzystanie gazu powinno być częścią każdego nowego projektu wysypiska. << x >>

WSTĘP Prawo budowlane wielu krajów przewiduje budować inne obiekty na dawnych terenach składowania odpadów po 20 latach od zamknięcia wysypiska. Jednak w świetle najnowszych badań powinno to jednak być obwarowane pewnymi ograniczeniami. Zgodnie z zaleceniami Unii Europejskiej wysypiska o rocznej masie składowanych odpadów wynoszącej powyżej 10 tys. Mg powinny posiadać instalacje odgazowujące. W Polsce takich wysypisk jest ok. 73, które znajdują się w miastach powyżej 30 tys. mieszkańców. << x

BIOGAZ Surowcem do produkcji biogazu mogą być prawie wszystkie organiczne odpady produkcji rolniczej. Szczególnie przydatne ze względu na skład są odchody zwierzęce w postaci gnojowicy lub obornika. Skład chemiczny biogazu jest następujący: metan (52 - 85%), dwutlenek węgla (14 - 18%), siarkowodór (0, 08 - 5, 5%), wodór (0 - 5%), tlenek węgla (0 - 2, 1%), azot (0, 6 - 7, 5%), tlen (0, 2 - 0, 1%). Pozostałe składniki biogazu to: amoniak, merkaptan etylowy, aldehyd octowy, etan, aceton, węglowodory, benzen, toluen, ksylen, związki chloroorganiczne. Gazem występującym w największej ilości w biogazie jest metan. x

METAN Metan jest beztlenowym i bezbarwnym gazem o względnej gęstości 0, 558 (w odniesieniu do powietrza), zbiera się zatem w górnej części urządzeń. Temperatura jego zapłonu wynosi 923 – 1023 K. Z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową (w stosunku 5 – 15 : 100). Dolna granica wybuchowości wynosi zatem 5%, a górna 15%. Jest gazem palnym o cieple spalania 55, 68 MJ/kg. Jest co prawda gazem nietrującym, ale pogarsza skład powietrza. Nie wykazuje działania toksycznego, jeżeli tylko stężenie tlenu jest wystarczające do oddychania. x

POWSTAWANIE Biogaz jest produktem fermentacji beztlenowej związków pochodzenia organicznego, zawierające celulozę, białko, węglowodany i skrobię. Związki te występują w odpadach komunalnych pochodzenia biologicznego, w ściekach komunalnych, i przemysłu rolno – spożywczego, a także w odchodach zwierząt. W postaci ogólnej reakcję powstawania biogazu można zapisać jako: x >>

POWSTAWANIE Bakterie powodujące fermentacje są wrażliwe na odczyn, który musi być lekko zasadowy / p. H ok. 7, 5 /, nie znoszą tlenu i światła i rozwijają się w wąskim przedziale temperatur / 33 – 38 o. C; min 25 o. C, max 45 o. C / - bakterie mezofilne i / 55 – 65 o. C; min 40 o. C, max 75 o. C/ - bakterie termofilne. W prawidłowo prowadzonym procesie fermentacji głównym składnikiem biogazu jest metan do 60%, resztę stanowi dwutlenek węgla. W przypadku nieszczelności komory fermentacyjnej lub fermentacji niekontrolowanej np. na dzikich wysypiskach śmieci, dodatkowym składnikiem jest azot i tlen z powietrza. W przypadku zakwaszenia osadu fermentacyjnego powstaje też wodór i siarkowodór. << x >>

POWSTAWANIE Z bilansu przeprowadzonej fermentacji, która przebiega w trzech fazach wynika, że z 1 kg substancji organicznej otrzymuje się ok. 0, 4 m 3 biogazu, który ma wartość opałową 16, 8 – 23 MJ/m 3. W przypadku oddzielenia z biogazu CO 2 wartość opałowa biogazu zwiększa się do 35, 7 MJ/m 3. Energia zawarta w 1 m 3 takiego biogazu odpowiada energii zawartej w 0, 93 m 3 gazu ziemnego, 1 dm 3 oleju napędowego, 1, 25 kg węgla lub odpowiada 9, 4 k. W·h energii elektrycznej. Jest to energia odnawialna, przyjazna dla środowiska naturalnego, łatwo dostępna i po opanowaniu technologii jej produkcji może być energią tanią. Kraje trzeciego świata, które nie mają wystarczalnych zasobów ropy naftowej lub węgla i jednocześnie są zbyt biedne, aby paliwa te importować pokładają duże nadzieje w możliwości produkcji energii elektrycznej z biogazu. << x >>

POWSTAWANIE Materiał Wydajność w kg [m 3] Czas fermentacji [dni] słoma 0, 367 78 liście buraków 0, 501 14 łęty ziemniaczane 0, 606 53 łodygi kukurydzy 0, 514 52 koniczyna 0, 445 28 trawa 0, 557 25 << x

WYKORZYSTANIE Wybór technologii produkcji biogazu zależy od wielu czynników, a najważniejsze to surowiec, z którego ma on być produkowany oraz ekonomiczna opłacalność, uwzględniająca poniesione nakłady inwestycyjne. Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%) może być wykorzystany do celów użytkowych, głównie do celów energetycznych lub w innych procesach technologicznych. Typowe przykłady wykorzystania obejmują produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach, produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych, produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych, dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej, wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych / pojazdów; wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu. x >>

WYKORZYSTANIE << x >>

WYKORZYSTANIE Biogaz podlega sprężaniu - w przypadku dużej ilości substancji toksycznych, również oczyszczaniu - a następnie jest przekazywany pod stałym ciśnieniem do układu kogeneracyjnego. Silnik gazowy zamienia energię skumulowaną w biogazie na energię mechaniczną i cieplną. Energia mechaniczna wykorzystywana jest do napędu generatora synchronicznego, który wytwarza energię elektryczną, która może zostać wykorzystana na pokrycie potrzeb własnych wysypiska. Produkowana energia elektryczna może być sprzedawana do publicznej sieci elektroenergetycznej. Jeżeli na terenie wysypiska lub w okolicznych budynkach istnieje zapotrzebowanie na ciepło, można w jeszcze większym stopniu poprawić opłacalność systemu przeznaczonego do pracy na wysypisku dzięki opcji kogeneracyjnej (CHP). Z jednej tony odpadów gospodarstw domowych w ciągu 20 lat można uzyskać około 150 -200 Nm 3 użytkowego gazu wysypiskowego. << x >>

WYKORZYSTANIE << x >>

WYKORZYSTANIE Biogaz jest przekazywany do układu kogeneracyjnego. Silnik gazowy zamienia energię skumulowaną w biogazie na energię mechaniczną i cieplną. Energia mechaniczna wykorzystywana jest do napędu generatora synchronicznego, który wytwarza energię elektryczną na pokrycie potrzeb własnych zakładu. Nadwyżka energii może być przekazana do publicznej sieci elektroenergetycznej. Ciepło powstające w silniku zostaje spożytkowane do podgrzewania odpadów organicznych w zbiorniku reakcyjnym. Może być również doprowadzane do instalacji grzewczej zakładu a także użyte do procesu pasteryzacji. Jeżeli występuje nadmiar ciepła - co często zdarza się w przypadku dużych instalacji CHP - ciepło o wysokiej temperaturze, pochodzące z chłodzenia układu wylotowego spalin, może zostać sprzedane do publicznej sieci ciepłowniczej. << x >>

WYKORZYSTANIE << x >>

WYKORZYSTANIE Osady kanalizacyjne są produktami odpadowymi powstającymi w procesie mechanicznego, biologicznego i chemicznego oczyszczania, na końcu którego ulegają wysuszeniu. Wysuszony osad jest przekazywany do zbiornika fermentacyjnego, gdzie następuje proces beztlenowej fermentacji, w efekcie którego uwalnia się biogaz zawierający metan. Odgazowane osady kanalizacyjne są usuwane ze zbiornika fermentacyjnego, chwilowo składowane, wysuszane i kompostowane, a następnie przekazywane na odpowiednie cele np. jako nawóz dla rolnictwa. Biogaz podlega sprężaniu - w przypadku dużej ilości substancji toksycznych, również oczyszczaniu, a następnie przejściowo jest przechowywany zbiorniku gazu. Stąd biogaz jest przekazywany pod stałym ciśnieniem do układu kogeneracyjnego. Silnik gazowy zamienia energię skumulowaną w biogazie na energię mechaniczną i cieplną. Przy użyciu zestawu CHP - z 6 m 3 ścieków komunalnych można uzyskać przeciętnie 1 k. Wh energii elektrycznej i 1, 2 k. Wh energii cieplnej. << x

BIOGAZOWANIE W 1998 r. w Danii działało 20 dużych scentralizowanych biogazowni rolniczych odbierających odpady z przynajmniej kilku większych farm zwierzęcych, oraz 20 instalacji na indywidualnych farmach. Biogazownie duńskie produkują obecnie ponad 260 GWh energii elektrycznej rocznie. W Niemczech jest ponad 600 biogazowni rolniczych zlokalizowanych głównie na farmach indywidualnych zaś inwestycje w tym sektorze wg German Biogas Association wynoszą obecnie 20 milionów DM rocznie. W dokumencie omawiającym tzw. Kampanię Wdrożeniową (Campaing for Take – Off ) z kwietnia 1999, która uszczegóławia politykę Unii Europejskiej w zakresie zwiększania udziału odnawialnych źródeł energii, nakreślono scenariusz zwiększania wykorzystania biogazu w latach 1999 - 2003. Według tego dokumentu we wspomnianym okresie w krajach UE powinno przybyć nowych biogazowni rolniczych o łącznej mocy co najmniej 200 MW. x >>

BIOGAZOWANIE Przykładem polskiego wdrożenia biogazowni rolniczej wraz z komponentem kompostowni farm byłą inwestycja w Duchnowie. Instalacja pracowała nieprzerwanie od 1993 roku do 1995, przy czym w sensie energetycznym produkowała jedynie gaz używany do celów socjalnych (ogrzewanie budynków). W tym czasie farma posiadała 1500 sztuk dużych, jednak z powodów finansowych hodowla zwierzęca została zawieszona. Aktualnie na farmie nie ma zwierząt hodowlanych, chociaż produkcja kompostu jest kontynuowana. Instalacja obejmowała chlewnię, zbiorniki gnojowicy, komorę fermentacyjną, stację kompostowania oraz suszarnię, kocioł gazowy. << x >>

SCHEMAT INSTALACJI << x

ZAGROŻENIA Biogaz zawiera również składniki o działaniu toksycznym, zatem w każdym przypadku należy dążyć do jego odprowadzania w sposób kontrolowany lub w przypadku małych składowisk zapewnić dostęp powietrza do składowanych odpadów, co zapobiegnie rozkładowi w warunkach beztlenowych. Migrujący poza wysypisko gaz stwarza poważne zagrożenie dla otoczenia, ponieważ Ø może gromadzić się w pustych przestrzeniach takich jak: fundamenty budowlane, piwnice, przepusty, studnie, itp. Stwarzając zagrożenie eksplozją Ø może być przyczyną i głównym czynnikiem pożarów na wysypiskach i ich wnętrzu Ø emisja metanu i dwutlenku węgla pogłębia efekt cieplarniany Ø grozi zatruciem ludzi i zwierząt poprzez działanie zawartego w nim siarkowodoru i innych trujących związków chemicznych. Długotrwałe przebywanie w atmosferze nawet rozrzedzonego gazu powoduje większe prawdopodobieństwo zachorowań na choroby nowotworowe. Ø migrując przez warstwy gleb blokuje dostęp tlenu do korzeni roślin, powodując ich obumieranie. Także nie prawidłowo prowadzony proces rekultywacji wysypisk, powoduje, że wskutek dyfuzji gazów do strefy korzeni następuje usychanie i obumieranie roślinności. x

WADY • • Wady produkcji energii z biogazu Konieczność ścisłego przestrzegania reżimów procesu fermentacyjnego /temperatury, p. H, hermetyczności/ Nakłady inwestycyjne na budowę zbiorników, fermentatorów, kupno silnika, prądnicy i aparatury kontrolno – pomiarowej. x

ZALETY • • Zalety produkcji energii z biogazu Energia odnawialna i czysta, która nie powoduje skażenia środowiska Mniejszy wpływ na efekt cieplarniany dwutlenku węgla uzyskanego ze spalania biogazu Zdecentralizowana produkcja tej energii nie wymaga budowy linii transmisyjnych i nie występują straty spowodowane jej przesłaniem Możliwość oszczędniejszego gospodarowania wodą Koszty produkcji są porównywalne z kosztami produkcji energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej, a przy wyższej stopie oprocentowania mogą być nawet niższe Umożliwienie biednym krajom trzeciego świata podniesienia poziomu cywilizacyjnego przez dostarczenie mieszkańcom wody, światła i elektryczności Poprawa stanu sanitarno – higienicznego dzięki zaprzestaniu wylewania fekali bezpośrednio na pola, które były przyczyną roznoszenia się epidemii Eliminowanie nawozów sztucznych z uprawach rolnych x

LITERATURA „Podstawy gospodarki odpadami” Czesława Rosik – Dulewska, Wydawnictwo PWN, Warszawa 2000 r „Pozyskiwanie biogazu wysypiskowego do celów energetycznych. Ochrona powietrza i problemy odpadów” Nr 1, 1997 r, S. Nowakowski „Proekologiczne źródła energii odnawialnej”, W. M. Lewandowski, WNT, Warszawa 2001 r www. wiem. onet. pl www. ferox. com. pl www. bioenergia. eco. pl x