W świecie, w którym zrównoważony rozwój i transformacja energetyczna nabierają coraz większego znaczenia, przedmiotem wspólnego zainteresowania staje się analiza alternatywnych, odnawialnych i czystych źródeł energii. Jednym z nich jest biogaz, tj. mieszanina metanu i gazu powstająca w wyniku beztlenowej fermentacji biomasy, czyli materii organicznej różnego pochodzenia.
Krótko mówiąc, biogaz umożliwia produkcję energii odnawialnej z odpadów. Aby lepiej zrozumieć zasady jego działania i możliwości jego wykorzystania, przyjrzyjmy się strukturze, procesowi produkcji oraz wszystkim plusom i minusom tego czystego źródła energii.
Biogaz: co to jest i jak się go wytwarza
Termin „biogaz” określa naturalne paliwo gazowe składające się głównie z metanu i mieszaniny innych gazów, w tym dwutlenku węgla. Biogaz jest produkowany w procesie fermentacji beztlenowej, czyli fermentacji w nieobecności tlenu i w kontrolowanej temperaturze biomasy. Biomasa to materia organiczna różnego pochodzenia, np. odchody zwierzęce, osady ściekowe, frakcja organiczna stałych odpadów komunalnych, odpady rolno-przemysłowe, produkty uboczne rolnictwa oraz dedykowane uprawy.
Fermentacja beztlenowa jest skutkiem działania bakterii, które trawią frakcję organiczną i przekształcają ją w metan w wyniku wieloetapowego procesu: najpierw rozkładają substancję organiczną na monomery, następnie inicjują fermentację kwasową, w rezultacie której powstają kwasy, dwutlenek węgla i wodór, po czym następuje faza metanogenna, podczas której archeony wychwytują CO2 i przekształcają go w metan. Metan jest produktem o dużej wartości energetycznej, który przy odpowiednim wykorzystaniu wytwarza energię w postaci siły napędowej (jak w samochodach) lub energii elektrycznej (jak w elektrociepłowniach).
W procesie wytwarzania biogazu powstaje również inny produkt uboczny, tzw. pofermentacyjny, bogaty w azot amonowy, który może być wykorzystany jako nawóz odnawialny.
Z czego składa się biogazownia
Obecnie biogazownie znajdują zastosowanie w wielu sektorach, głównie w rolnictwie, ale z aplikacjami również w branżach, w których występują odpady organiczne (np. przemysł napojów, spożywczy czy papierniczy). Dlatego większość produkcji energii z biogazu odbywa się z wykorzystaniem średnich i dużych systemów. Rozpowszechnienie biogazu domowego jest obecnie ograniczone, głównie z powodu braku szczegółowych regulacji prawnych.
Biogazownia składa się z trzech głównych elementów:
Jedna lub kilka komór fermentacyjnych, w których odbywa się proces fermentacji. W zależności od specyfiki każdego systemu, w komorze fermentacyjnej możliwe jest zastosowanie kilku rozwiązań technologicznych. Główne z nich to fermentacja mokra, charakteryzująca się zawartością suchej masy w komorze fermentacyjnej na poziomie około 10%, oraz fermentacja sucha, w której zawartość suchej masy wynosi co najmniej 30%;
System kogeneracji, który pozwala na jednoczesną produkcję energii elektrycznej i cieplnej. Silnik czterosuwowy wytwarza energię mechaniczną i przekazuje ją do alternatora w celu wytworzenia energii elektrycznej. Woda chłodząca silnik, przepływając przez płytowy wymiennik ciepła, staje się wodą o wysokiej temperaturze. Spaliny o temperaturze bliskiej 400°C mogą być wykorzystane do produkcji gorącej wody, wody przegrzanej, pary wodnej lub oleju termalnego dzięki pracy kotła lub też mogą być wykorzystane jako takie w procesie produkcyjnym;
Opcjonalny system uszlachetniania biogazu, w którym biogaz jest oczyszczany w celu uzyskania biometanu, odpowiedniego do wprowadzenia do sieci lub zasilania pojazdów. Najbardziej rozpowszechnioną i najlepiej sprawdzającą się pod tym względem technologią jest system membranowy o selektywnej przepuszczalności przydatnej do rozdzielania CH₄ i CO₂.
Biogaz: zalety i wady
W przeszłości powszechnie napotykano na problemy związane z rodzajem biomasy wykorzystywanej do produkcji biogazu (np. kukurydza) oraz z zarządzaniem uciążliwością zapachową i zanieczyszczeniami wynikającymi z transportowania biomasy z miejsca produkcji do zakładu (jeśli nie była ona produkowana na miejscu). Obecnie, dostępne technologie oraz nowe regulacje prawne pozwoliły na wyeliminowanie wszystkich wad biogazu: w odniesieniu do zasilania systemu, zachęca się przede wszystkim do wykorzystywania odpadów zwierzęcych, z kolei na rynku pojawiły się dedykowane systemy do oczyszczania emisji odorów. Dlatego w dzisiejszych czasach, wykorzystywanie biogazu charakteryzuje się wieloma zaletami:
Obieg zamknięty. Pozwala odzyskać odpady rolno-hodowlane i stanowi ważne rozwiązanie w zakresie utylizacji odpadów zwierzęcych, rozwiązując wcześniejsze problemy związane z rozrzucaniem na gruntach i ograniczeniem potencjalnie uwalnianych ilości azotu. Ponadto odpady pofermentacyjne są doskonałym naturalnym nawozem, który może być stosowany zamiast nawozów chemicznych;
Zrównoważony rozwój. Jest to paliwo odnawialne, które pozwala na większą autonomię w dostawach energii i może znacząco przyczynić się do transformacji energetycznej;
Efektywność energetyczna. Umożliwia płynną dostawę zarówno energii cieplnej, jak i elektrycznej, pełniąc funkcję stabilnej bazy równoważącej nieregularne dostawy energii odnawialnych;
Zwrot z inwestycji. Dzięki mechanizmom zachęt stanowi istotne uzupełnienie dochodów rolniczych;
Biogaz: koszt instalacji
Koszt biogazowni zależy od wielu czynników, a opłacalność inwestycji zależy od ich przeanalizowania na etapie projektowania. Koszty mogą opierać się na założeniach jedynie specjalistów branżowych będących w stanie ocenić osobliwości każdego indywidualnego przypadku według różnych zmiennych projektowych, takich jak:
Koszt dostawy biomasy;
Koszt realizacji, eksploatacji i utrzymania systemu;
Dochód uzupełniający pochodzący z różnych mechanizmów zachęt;
Rentowność samego systemu po zakończeniu okresu zachęt.
Studium przypadku: wizyta w biogazowni
