Biogaz

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Schemat wytwarzania biogazu

Biogaz – mieszanina gazów będąca produktem beztlenowego rozkładu materii organicznej (np. ścieki, organiczne odpady komunalne, odchody zwierzęce, odpady przemysłu rolno-spożywczego, materiał roślinny) a częściowo także ich rozpadu gnilnego.

Biogaz wytwarzany w procesie fermentacji metanowej przez mikroorganizmy anaerobowe, składa się głównie z metanu i dwutlenku węgla, może zawierać niewielkie ilości siarkowodoru, wodoru, wody, tlenku węgla oraz siloksanów. Metan, wodór oraz tlenek węgla mogą ulec spaleniu lub utlenieniu wydzielając energię, co pozwala na wykorzystanie biogazu jako paliwa. Może być wykorzystywany do ogrzewania, także do gotowania oraz w generatorach prądu[1].

Biogaz może zostać oczyszczony do bio-metanu, aby spełniał standardy jakości gazu ziemnego[2], a następnie sprężony i jako biopaliwo (bio-CNG) wykorzystywany jako paliwo w pojazdach mechanicznych. Uważa się, że w samej Wielkiej Brytanii biogaz potencjalnie mógłby zaspokoić 17% zapotrzebowania na paliwo samochodowe[3].

Technologie wytwarzające i wykorzystujące biogaz kwalifikują się do otrzymania dofinansowania wspierającego rozwój OZE w niektórych krajach[4][5]. Biogaz jest uważany za odnawialne źródło energii, ponieważ obieg węgla w cyklu produkcji jego surowców i zużycia jest zamknięty i nie wiąże się z emisją netto dwutlenku węgla[6]. Materia organiczna wykorzystywana w produkcji biogazu rośnie z wykorzystaniem dwutlenku węgla w powtarzalnym, bezstratnym cyklu. Taka sama ilość dwutlenku jest absorbowana z atmosfery, jak ilość wydalana podczas spalania biogazu.

Definicje[edytuj | edytuj kod]

Biogazownia zlokalizowana w mieście Hofheim in Unterfranken w Niemczech.

Nowelizacja Prawa Energetycznego, która weszła w życie dnia 11 marca 2010 roku, (art. 3 pkt 20a), definiuje biogaz rolniczy, jako:

paliwo gazowe otrzymywane z surowców rolniczych, produktów ubocznych rolnictwa, płynnych lub stałych odchodów zwierzęcych, produktów ubocznych lub pozostałości przemysłu rolno-spożywczego lub biomasy leśnej w procesie fermentacji metanowej.

Definicja biogazu wprowadzona na potrzeby rozliczania energii wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii, zgodne z dyrektywą 2001/77/WE, zawarta jest w rozporządzeniu ministra gospodarki z dnia 19 grudnia 2005 roku w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzyskania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii (Dz.U. Nr 261, poz. 2187, z późn. zm.)[7]. Definicja ta mówi, że:[8]

Biogaz to gaz pozyskany z biomasy, w szczególności z instalacji przeróbki odpadów zwierzęcych lub roślinnych, oczyszczalni ścieków oraz składowisk odpadów.

Skład biogazu[edytuj | edytuj kod]

Skład biogazu różni się w zależności od surowców użytych w procesie fermentacji. Gaz wysypiskowy zwykle zawiera około 50% metanu. Zaawansowane technologie oczyszczania ścieków są w stanie wytworzyć biogaz zawierający 55-75% metanu[9]. Nieoczyszczony biogaz zawiera parę wodną, której ilość jest zależna od temperatury wytwarzania biogazu.

Autobus z instalacją CNG na biogaz w Bernie w Szwajcarii

W niektórych przypadkach biogaz zawiera siloksany. Są one wynikiem beztlenowego rozkładu związków krzemu powszechnie występujących w mydłach i detergentach. Podczas spalania gazu zawierającego siloksany wydziela się krzem, który może reagować z tlenem lub innymi składnikami gazu. W wyniku reakcji wytrącają się osady, zawierające głównie ditlenek krzemu i krzemiany. Mogą także zawierać związki wapnia, siarki, cynku i fosforu. Osad przybiera formę warstwy białej substancji o grubości kilku milimetrów i musi być usunięty przy użyciu środków chemicznych lub mechanicznych. Istnieją praktyczne i efektywne ekonomicznie technologie oczyszczania biogazu ze slikosanów oraz innych zanieczyszczeń[10].

Średni skład biogazu w zależności od źródła pozyskiwania[11][12]
Składnik
j.m
Składowisko Oczyszczalnia

ścieków

Rolnictwo
metan, CH4 % 44 - 64 57 - 67 53 -72
dwutlenek węgla, CO2 % 24 -34 32 - 41 14 -39
tlen, O2 % <3 <1 <1
azot, N2 % 10 - 20 0,2 - 0,7 0,5 - 7,5
wodór, H2 % 0-1
siarkowodór, H2S ppm 15 - 427 23 - 8000 10 - 30000
Amoniak mg/m3 <100 <100 50 - 400
Wartość opałowa MJ/m3 15,8 - 23,0 20,5 - 23,9 18,8 - 25,8
Wartość opałowa kWh/m3 4,4 - 6,6 5,7 - 6,5 5,2 - 7,2

Wytwarzanie biogazu[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: fermentacja metanowa.

Na składowiskach odpadów biogaz wytwarza się samoczynnie, stąd nazwa gaz wysypiskowy. Obecnie na wysypiskach instaluje się systemy odgazowujące. Nowoczesne sposoby zagospodarowania odpadów obejmują etap fermentacji niektórych frakcji odpadów przez ich składowanie w komorach fermentacyjnych lub bioreaktorach. Fermentacja metanowa tych odpadów odbywa się w stałych temperaturach 35-40 °C dla bakterii metanogennych mezofilnych, rzadziej w temperaturach 50-70 °C dla bakterii termofilnych. Ze składowiska o powierzchni około 15 ha można uzyskać 20 do 60 GWh energii w ciągu roku, jeżeli roczna masa składowanych odpadów to około 180 tys. ton.

Celowa, kontrolowana produkcja biogazu następuje w komorach fermentacyjnych biogazowni[13]. Najczęściej fermentacja zachodzi w nich w temperaturze 35-40 °C (fermentacja mezofilowa). W Polsce mianem biogazowni określa się instalacje funkcjonujące na oczyszczalniach ścieków oraz składowiskach odpadów komunalnych. Biogazownie, które wykorzystują do wytwarzania biogazu wyłącznie surowce rolnicze określane są mianem biogazowni rolniczych, a biogaz z nich pozyskiwany - biogazem rolniczym, potocznie agrogazem.

Biogaz w sposób naturalny powstaje np. na torfowiskach (głównie z celulozy), nazywamy go wtedy gazem błotnym lub gazem gnilnym.

Surowce biogazu[edytuj | edytuj kod]

Materiał Wydajność produkcji biogazu

w m3 na tonę mokrej masy

Zawartość metanu[14]
Kiszonka z kukurydzy 202[14] (200-220)[15] 52%
Ziarno kukurydzy 560[16]
Kiszonka z traw 172[14] (160-200)[15] 54%
Trawa 298-467[16]
Żyto (Ogólna uprawa na kiszonkę - GPS, cała roślina) 163[14] 52%
Żyto ziarno 283-492[16]
Burak pastewny 111[14] 51%
Odpady organiczne 100[14] 61%
Obornik kurzy 80[14] (30-100)[15] 60%
Burak cukrowy 67[14] 72%
Obornik świński 60[14] 60%
Obornik bydlęcy 45[14] 60%
Wysłodziny 40[14] 61%
Gnojowica świńska 28[14] (15-25)[15] 65%
Gnojowica bydlęca 25[14] (15-25)[15] 60%
Pszenica

(ogólna uprawa na kiszonkę - cała roślina)

185[16] (170-190)[15]
Ziarno pszenicy 610[16]
Ziarno owsa 250-295[16]
Ziarno pszenżyta 337-555[16]
Ziarno jęczmień 353-658[16]
Ziarno rzepaku 340[16]
Gliceryna 580-1000[15]
Tłuszcze do 1200[16]
Śruta rzepakowa 600-650[15]
Pokrzywy 120-420[16]
Słonecznik 154-400[16]
Miskant 179-218[16]
Len 212[16]
Trawa sudańska 213-303[16]
Mozga kanaryjska 340-430[16]
Życica 390-410[16]
Jarmuż 240-334[16]
Słoma 242-324[16]
Plewy 270-316[16]
Ziemniaki 276-400[16]
Koniczyna biała 290-390[16]
Koniczyna łąkowa 300-350[16]
Sorgo 295-372[16]
Słonecznik bulwiasty 300-370[16]
Rzepa 314[16]
Burak pastewny 160-180[16]
Rabarbar 320-490[16]
Lucerna 340-500[16]
Konopie 355-409[16]
Groch 360[16]
Liście 417-453[16] 50%[17]

Badania nad wykorzystaniem liści jako substratu w produkcji biogazu koncentrują się głównie wokół liści zebranych na terenach miejskich i wiejskich. Możliwość wykorzystania świeżych lub opadłych liści pozyskanych z terenów leśnych lub sadów/plantacji[18][19] wzbudziła zainteresowanie naukowców w różnych krajach[20][21][22][23][24], ale nie została opisana w sposób zadowalający w Europie. Także badania nad wykorzystaniem biomasy zebranej na nieprzydatnych rolniczo terenach, takich jak zwałowiska odpadów są bardzo skromne.

Wydajność produkcji metanu[edytuj | edytuj kod]

Porównanie wybranych surowców stosowanych w produkcji biogazu pod względem produkcji metanu na ha uprawy[25]

Roślina Kraj Plon biomasy

[w tonach suchej masy / ha]

Wydajność produkcji metanu

w m3 na ha

Łubin Finlandia 4-7 1300-2300
Rabarbar Finlandia 2-4 800-1700
Trawy Austria, wzgórza 4,2-6,4 1000-1200
Sorgo Finlandia 8,6 2500
Konopie-rzepik Finlandia 6,5 1200
Amarantus Finlandia 11,3 2700
Pokrzywy Finlandia 6-10 2200-3600
Konopie Finlandia 14 3066
Bobik Finlandia 10 3390
Słonecznik 2500-4600
Trawy 6-13 1200-3600
Mozga trzcinowata Finlandia 9-10 3800-4200
Tymotka łąkowa-koniczyna Finlandia 8-11 2900-4000
Trawy w dolinie Austria 2700-3500
Proso japońskie Finlandia 13,9 4300
Rdestowiec ostrokończysty Finlandia 14-27 2300-4300
Nawłoć późna Finlandia 22,7 4000
Słonecznik bulwiasty Finlandia 3100-5400
Sorgo 9,9-20,8 4500-5800
Kukurydza (ziarno) Finlandia 13-20 4000-9200
Kukurydza (ziarno) Finlandia 15 5600
Kukurydza (ziarno) Dania 11-18 3600-6500
Kukurydza (ziarno) Słowenia 24-29 6400-8900
Kukurydza (ziarno) Austria 20-30 8000-13000
Chaber łąkowy 15-23 2700-6100

Zastosowanie biogazu[edytuj | edytuj kod]

Biogaz ma szerokie zastosowanie: wykorzystuje się go głównie w Indiach, Chinach, Szwajcarii, Francji, Niemczech i USA jako paliwo dla generatorów prądu elektrycznego, jako źródło energii do ogrzewania wody użytkowej, a po oczyszczeniu i sprężeniu jako paliwo do napędu silników (instalacje CNG).

Uszlachetnianie biogazu - biometan

Uszlachetnianie biogazu to jedna z alternatyw dla wykorzystania biogazu w układzie kogeneracyjnym. Wprowadzenie biometanu do sieci dystrybucyjnej gazu ziemnego rozwiązuje problem zagospodarowania ciepła/chłodu. Biogaz, w porównaniu z gazem ziemnym, ma mniejszą kaloryczność, nie zawiera węglowodorów wyższych, zawiera dużą ilość CO2 oraz inne zanieczyszczenia. Właśnie dlatego wprowadzenie biogazu do sieci dystrybucyjnej wymaga jego uzdatnienia do tzw. biometanu.

Biogaz w Polsce[edytuj | edytuj kod]

Zakładano, że produkcja biogazu w Polsce w 2013 roku osiągnie 1 mld m3. Według Ministerstwa Rolnictwa wprowadzenie tego planu poprawi bezpieczeństwo energetyczne oraz stan środowiska naturalnego[26].

Magazynowanie biogazu[edytuj | edytuj kod]

Do magazynowania biogazu stosuje się najczęściej niskociśnieniowe membranowe zbiorniki dwupowłokowe. Powłokę wewnętrzną stanowi powłoka, w której jest biogaz, zaś powłoka zewnętrzna pełni funkcję ochronną, zabezpieczającą przed wpływem niekorzystnych czynników zewnętrznych. Pomiędzy powłokami jest tłoczone powietrze, zaś czujnik ciśnienia wskazuje odpowiednią ilość biogazu w zbiorniku. Zbiorniki wykonywane są w pojemnościach od kilkudziesięciu do kilkunastu tysięcy m3[potrzebny przypis].

Oczyszczanie biogazu[edytuj | edytuj kod]

Oczyszczanie biogazu składa się z następujących faz[potrzebny przypis]:

Usuwanie siarkowodoru[edytuj | edytuj kod]

Do usuwania siarkowodoru stosuje się metody:

Metoda ze złożem stałym
Proces odsiarczania prowadzony jest przez swobodny przepływ biogazu przez kilka warstw złoża rudy darniowej. Układy te wyposaża się w system do regeneracji złoża tlenem. W wyniku przepływu biogazu przez złoże, siarkowodór reaguje z tlenkami żelaza, tworząc siarczki żelaza.
biologiczne
Metoda odsiarczania biogazu przez zastosowanie bakterii z rodzaju Thiobacillus. Proces odsiarczania biologicznego prowadzona jest w bioskruberach lub biofiltrach.
Metoda mokra z roztworem alkalicznym
Absorpcja siarkowodoru następuje poprzez zraszanie biogazu roztworem alkalicznym. W wyniku reakcji zasady z siarkowodorem powstają siarczki, których roztwór jest odpadem.
Metoda mokra katalityczna
Siarkowodór przetwarzany jest na siarkę, która jest usuwana w postaci pasty. Skuteczność tej metody wynosi 99% przy stężeniu siarkowodoru na poziomie kilku ppm.
Odsiarczanie adsorpcyjne
Biogaz przepływa przez kolumnę filtracyjną wypełnioną adsorberem, w którym czynnikiem roboczym jest w większości węgiel aktywny. Złoże filtrowe po wyczerpaniu swoich właściwości sorpcyjnych może być kilkakrotnie regenerowane i powtórnie wykorzystywane.

Usuwanie siloksanów[edytuj | edytuj kod]

  • Adsorpcja na węglu aktywnym
  • Adsorpcja w ciekłej mieszaninie węglowodorów
  • Osuszanie biogazu poprzez oziębianie z jednoczesnym usuwaniem wody

Osuszanie biogazu[edytuj | edytuj kod]

Proces osuszania biogazu polega na schłodzeniu biogazu do temperatury 6-10 °C i kondensacji zawartej w biogazie pary wodnej oraz na wyprowadzaniu z instalacji skroplonego kondensatu, łącznie z zawieszonymi w strumieniu biogazu aerozolami. Biogaz wprowadzony jest do schładzacza, w nim następuje kilkukrotne schłodzenie przy jednoczesnym podgrzaniu biogazu odwodnionego. Następnie biogaz jest kierowany do drugiego schładzacza o temperaturze 10 °C, zaś wilgoć kondensuje z biogazu.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Biogas. Combined heat and power, „Clarke Energy” [dostęp 2016-11-05] (ang.).
  2. About biogas and biomethane, www.fortisbc.com [dostęp 2016-11-05] [zarchiwizowane z adresu 2017-07-10].
  3. Biomethane fueled vehicles - the carbon neutral option, www.claverton-energy.com [dostęp 2016-11-05].
  4. Jonathan Reuvid, The Handbook of Personal Wealth Management: How to Ensure Maximum Investment Returns with Security, Kogan Page Publishers, 3 lipca 2012, ISBN 978-0-7494-6490-5 [dostęp 2016-11-05] (ang.).
  5. IEA BIOENERGY Task 37 – Energy from Biogas. Country Overview (Country Reports) (pdf) [dostęp 5.11.2016]
  6. Stephen R. Smith, Chris Cheeseman, Nick Blakey, Waste Management and Minimization, EOLSS Publications, 17 września 2009, s. 196, ISBN 978-1-84826-119-8 [dostęp 2016-11-05] (ang.).
  7. Dz.U. z 2005 r. nr 261, poz. 2187
  8. Brian K. Richards i inni, In situ methane enrichment in methanogenic energy crop digesters, „Biomass and Bioenergy”, 4, 1994, s. 275–282, DOI10.1016/0961-9534(94)90067-1 [dostęp 2016-11-05].
  9. Anna McElhatton, Paulo José do Amaral Sobral: Novel Technologies in Food Science: Their Impact on Products, Consumer Trends and the Environment. T. Tom 7 z Integrating Food Science and Engineering Knowledge Into the Food Chain. Springer Science & Business Media, 2011, s. 44. ISBN 978-1-4419-7880-6.
  10. New Landfill Gas Treatment Technology Dramatically Lowers Energy Production Costs - Tyler's Biogas Digester News, „Tyler's Biogas Digester News” [dostęp 2016-11-05] (ang.).
  11. Basic information on biogas, 6 stycznia 2010 [dostęp 2016-11-05] [zarchiwizowane z adresu 2010-01-06].
  12. Raport biogaz w Polsce, „magazynbiomasa.pl”, Biomass Media Group Sp. z o.o., grudzień 2020.
  13. Biogaz rolniczy - produkcja i wykorzystanie. (pdf) Mazowiecka Agencja Energetyczna sp. z.o.o. Warszawa. 12.2009, [dostęp 5.11.2016]
  14. a b c d e f g h i j k l m Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR): Biogas Basisdaten Deutschland Stand: styczeń 2008.
  15. a b c d e f g h National Non-Food Crops Centre. "NNFCC Renewable Fuels and Energy Factsheet: Anaerobic Digestion", [dostęp 06.11.2016]
  16. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af Feedstocks. Anaerobic Digestion, www.biogas-info.co.uk [dostęp 2016-11-06].
  17. Dubrovskis i inni, Biogas production potential from agricultural biomass and organic residues in Latvia, „AGRIS: International Information System for the Agricultural Science and Technology”, 2012 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
  18. Franco Cotana i inni, Lignocellulosic Biomass Feeding in Biogas Pathway: State of the Art and Plant Layouts, „Energy Procedia”, 81, 69th Conference of the Italian Thermal Engineering Association, ATI 2014, 2015, s. 1231–1237, DOI10.1016/j.egypro.2015.12.334 [dostęp 2016-11-06].
  19. A Complete Guide to Biogas, Bright Hub [dostęp 2016-11-06].
  20. S.D. Roy Chowdhury, S.K. Gupta, S.K. Banerjee, Evaluation of the Potentiality of Tree Leaves for Biogas Production, „Indian Forester”, 8, 1 sierpnia 1994, s. 720–728, ISSN 2321-094X [dostęp 2016-11-06].
  21. S. Arisutha i inni, Evaluation of Methane from Sisal Leaf Residue and Palash Leaf Litter, „Journal of The Institution of Engineers (India): Series E”, 2, 2014, s. 105–110, DOI10.1007/s40034-014-0045-x, ISSN 2250-2483 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
  22. Anaerobic Digestion of Gliricidia Leaves for Biogas and Organic Manure [dostęp 2016-11-06].
  23. Javed Ali, R.P. Singh, Vimal Durgapal, Biogas Production from Different Organic Biomass Materials by Anaerobic Batch Fermentation, „ResearchGate”, 1, 2016, DOI10.7726/ajbb.2016.1004 [dostęp 2016-11-06].
  24. Abhilash Kumar Tripathi i inni, Generation of Biogas Using Pine Needles as Substrate in Domestic Biogas Plant, „International Journal of Renewable Energy Research (IJRER)”, 3, 16 września 2015, s. 716–721, ISSN 1309-0127 [dostęp 2016-11-06] (ang.).
  25. Mari Seppälä, Antti Laine, Jukka Rintala, Screening of novel plants for biogas production in northern conditions, „Bioresource Technology”, 139, 2013, s. 355–362, DOI10.1016/j.biortech.2013.04.014 [dostęp 2016-11-06].
  26. Polska na biogazie stoi - Nasz Dziennik, „stary.naszdziennik.pl” [dostęp 2016-11-05].

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Powszechna encyklopedia PWN. Warszawa: PWN, 2010.
  • Witold M. Lewandowski: Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa: WNT, 2006, s. 350-372. ISBN 83-204-3112-3.