Efektywność biogazowni zaczyna się od właściwego doboru substratów. Surowce roślinne, nawozy naturalne i odpady organiczne różnią się potencjałem metanowym, a odpowiednie ich łączenie może wielokrotnie zwiększyć uzysk energii.
Rośliny jako substrat do biogazowni
Największe możliwości pozyskania biogazu mają gospodarstwa rolne o produkcji dobowej ok. 2,5 m3 gnojowicy o zawartości 5% suchej masy. W ostatnich latach, w celu poprawy efektywności produkcji energii z biogazowni rolniczych, podawane są substraty roślinne.
Do produkcji biogazu można wykorzystać wszystkie rodzaje surowców rolniczych i materiałów resztkowych, m.in:
- kiszonkę z kukurydzy,
- międzyplony,
- kiszonki z całych roślin,
- buraki cukrowe energetyczne,
- słomę,
- inne substraty lignocelulozowe.
Nawet międzyplony, kiszonka z całych roślin i burak cukrowy energetyczny są w stanie zapewnić dobre plony przy zastosowaniu odpowiedniej technologii.
Kiszonka z kukurydzy należy do najczęściej wykorzystywanych substratów w biogazowniach rolniczych. Wysokie uzyski energii można osiągnąć zwłaszcza w przypadku współfermentacji z obornikiem lub gnojowicą, co poprawia stabilność procesu fermentacji i jakość powstającego biogazu.
W warunkach doświadczalnych produkcja biogazu z mieszanek opartych na kukurydzy i burakach cukrowych przekraczała 300 m³ z tony substratu, przy jednoczesnym uzyskaniu wysokiej zawartości metanu.
Coraz większą uwagę zwraca się także na technologie przygotowania biomasy przed fermentacją. Mechaniczne rozdrabnianie, wstępna obróbka substratu czy zastosowanie filtracji membranowej pozwalały zwiększyć produkcję biogazu nawet o 30–60%. W niektórych przypadkach uzyski energetyczne były od ośmiu do jedenastu razy wyższe niż energia zużyta na przygotowanie wsadu, co potwierdza opłacalność takich rozwiązań.
W biogazowniach mogą być wykorzystywane również substraty lignocelulozowe jak słoma pszeniczna. Ze względu na wysoką zawartość ligniny wymagają one odpowiedniego przygotowania. Jednak po zastosowaniu procesów poprawiających dostępność celulozy możliwe jest znaczące zwiększenie wydajności fermentacji i produkcji biogazu.
Substrat należy przygotować
Poprawę efektywności fermentacji można uzyskać przez wstępną obróbkę substratu. W tym celu stosuje się metody fizyczne, chemiczne, fizykochemiczne i biologiczne. Ich zadaniem jest naruszenie struktury materiału, przyspieszenie jego rozkładu i zwiększenie ilości uzyskiwanego metanu.
Parametry substratu i produkcja biogazu z wybranych roślin [TABELA]
| Substrat roślinny | Plon świeżej masy [t/ha] |
Biogaz [m³/ha] |
Energia [GJ/ha] |
|---|---|---|---|
| Kukurydza | 30–50 | 6050–6750 | 87–45 |
| Lucerna | 25–35 | 3960–4360 | 85–94 |
| Żyto | 30–40 | 1620–2025 | 35–43 |
| Pszenżyto | 30 | 2430 | 52 |
| Burak cukrowy – korzeń | 40–70 | 10260 | 220 |
| Burak cukrowy – liście | 30–50 | 3375 | 72 |
| Słonecznik | 30–50 | 2430–3240 | 52–70 |
| Rzepak | 20–35 | 1010–1620 | 22–37 |
Odpady pochodzenia zwierzęcego
Właściwości obornika czy gnojowicy ulegają zmianom podczas procesu fermentacji. Następuje rozpad materii organicznej, zaś organiczny azot przetwarzany jest na amoniak. Efekty tych przemian mogą być korzystne z punktu widzenia pobierania składników nawozowych przez rośliny. Jednakże z procesem tym wiąże się także ryzyko nadmiernych strat składników nawozowych (drogą np. parowania amoniaku) w przypadku nieostrożnego obchodzenia się z przefermentowaną gnojowicą.
Uzysk biogazu i zawartość metanu w nawozach naturalnych [TABELA]
Głównymi składnikami biogazu są dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4).
| Składnik | Zawartość [%] | |
|---|---|---|
| Zakres | Średnio | |
| Metan (CH₄) | 52–85 | 65 |
| Dwutlenek węgla (CO₂) | 14–48 | 34,8 |
| Siarkowodór (H₂S) | 0,08–5,5 | 0,2 |
| Wodór (H₂) | 0,5 | Śladowa |
Obornik i gnojowica bydlęca – ile dają biogazu?
W przypadku nawozów naturalnych bardzo dobre rezultaty przynosi współfermentacja gnojowicy bydlęcej z odpadami spożywczymi. Dodatek wysokoenergetycznych resztek organicznych zwiększa produkcję metanu i pozwala lepiej wykorzystać pojemność fermentora. W praktyce uzyski mogą przekraczać 800 m³ metanu rocznie z każdego metra sześciennego objętości czynnej komory fermentacyjnej.
Korzystne efekty można osiągnąć również poprzez łączenie obornika bydlęcego z kiszonką kukurydzianą. Szczególnie dobre wyniki uzyskiwane są po wcześniejszym przygotowaniu biomasy, ułatwiającym mikroorganizmom rozkład materii organicznej. W takich warunkach zawartość metanu w biogazie sięga około 62%, co świadczy o wysokiej jakości paliwa gazowego.
Interesującym rozwiązaniem okazuje się także wykorzystanie serwatki jako dodatku do obornika bydlęcego. Tego typu mieszanki pozwalają jednocześnie zagospodarować odpady z produkcji mleczarskiej oraz zwiększyć potencjał energetyczny wsadu. Badania wskazują, że w warunkach rzeczywistych możliwe jest uzyskanie blisko 9 kWh energii elektrycznej z każdej tony przetwarzanego substratu.
Od czego zależy potencjał biogazowy obornika?
Obornik bydlęcy nie jest surowcem o stałym i łatwym do przewidzenia potencjale energetycznym. Jego skład zależy między innymi od sposobu żywienia zwierząt, systemu utrzymania oraz rodzaju i ilości stosowanej ściółki. Z tego powodu dwie partie obornika pochodzące z różnych gospodarstw mogą zapewnić zupełnie inną produkcję metanu.
Duże znaczenie ma zawartość ligniny, która jest trudno rozkładana podczas fermentacji. Tworzy ona barierę ograniczającą mikroorganizmom dostęp do celulozy i hemicelulozy. Mniejszy udział ligniny zazwyczaj sprzyja więc produkcji metanu, jednak nie jest jedynym czynnikiem decydującym o wyniku. Liczą się również pozostałe składniki obornika, rodzaj mikroorganizmów rozpoczynających fermentację oraz warunki panujące w komorze.
Dłuższy czas retencji pozwala mikroorganizmom rozłożyć większą część materii organicznej, zwiększa wykorzystanie substratu i ogranicza ilość metanu, który mógłby powstawać później podczas przechowywania pofermentu. Wymaga jednak większej pojemności instalacji, dlatego dodatkowy uzysk gazu należy zawsze porównać z kosztami utrzymania materiału w fermentorze.
W praktyce potencjału obornika nie należy oceniać wyłącznie na podstawie danych tabelarycznych. Przed ustaleniem dawki wsadu warto poznać jego rzeczywisty skład, a następnie dopasować obciążenie fermentora, czas retencji i sposób przygotowania materiału. Pozwala to zwiększyć wykorzystanie materii organicznej, ograniczyć straty metanu i uzyskać poferment o bardziej przewidywalnych właściwościach.
Podsumowując, na potencjał biogazowy obornika wpływają m.in.:
- sposób żywienia zwierząt,
- system ich utrzymania,
- rodzaj i ilość ściółki,
- zawartość ligniny,
- wilgotność i zawartość suchej masy,
- czas oraz warunki magazynowania,
- warunki panujące w komorze fermentacyjnej.
Jak przygotować obornik do produkcji biogazu?
Właściwości obornika zmieniają się już podczas jego magazynowania. Materiał świeży, składowany przez krótki czas, zawiera zwykle więcej wody i łatwiej zachowuje jednorodną strukturę. Obornik pozostawiony na pryzmie przez kilka tygodni stopniowo wysycha, zmienia konsystencję i traci część najbardziej podatnych na rozkład związków organicznych.
Z tego powodu czas magazynowania może wpływać na późniejszy przebieg fermentacji i ilość uzyskanego biogazu. Obornika przechowywanego przez tydzień nie należy traktować jako identycznego substratu z materiałem pochodzącym z tej samej produkcji, lecz składowanym przez miesiąc.
Znaczenie mają również warunki panujące na pryzmie. Magazynowanie obornika na otwartej przestrzeni naraża go na działanie opadów, nasłonecznienia, wiatru i zmian temperatury. Deszcz może zwiększać jego wilgotność i rozcieńczać część składników, natomiast wysoka temperatura oraz intensywne wysychanie zmniejszają zawartość wody. Możliwe są także straty części materii organicznej i azotu jeszcze przed skierowaniem substratu do biogazowni.
Przed wprowadzeniem obornika do fermentora należy więc ocenić:
- masę,
- wilgotność,
- zawartość suchej masy,
- stopień rozkładu.
Pozwala to właściwie ustalić dawkę substratu i uniknąć sytuacji, w której do komory trafia materiał o zupełnie innych właściwościach, niż zakładano.
Sprawdzaj wilgotność
Różnice w wilgotności wpływają na przygotowanie wsadu. Suchy i zbity obornik może wymagać rozdrobnienia, rozcieńczenia lub dokładniejszego wymieszania z gnojowicą. Materiał wilgotny jest łatwiejszy do transportowania i mieszania, ale jego większa masa nie musi oznaczać większej ilości substancji organicznej zdolnej do produkcji metanu.
Biogaz z gnojowicy i obornika świńskiego
W przypadku gnojowicy i obornika świńskiego kluczowe znaczenie ma odpowiedni dobór dodatków. Już samo zastąpienie wody moczem świńskim podczas przygotowania wsadu może zwiększyć produkcję biogazu oraz zawartość metanu w uzyskanym gazie. Pokazuje to, że nawet pozornie małe zmiany w składzie substratu mogą wpływać na efektywność całego procesu.
Szczególnie dobre rezultaty można osiągnąć poprzez współfermentację nawozów naturalnych z substratami roślinnymi. Dodatek kukurydzy lub kiszonki z traw może zwiększyć wydajność produkcji biogazu nawet o ponad 120% w porównaniu z fermentacją samej gnojowicy lub obornika. Jeszcze lepsze efekty przynosi wzbogacenie wsadu kiszonką kukurydzianą oraz gliceryną, co w niektórych przypadkach pozwala zwiększyć produkcję biogazu ponad pięciokrotnie.
O jakości uzyskiwanego biogazu decyduje również sposób jego oczyszczania oraz prowadzenia procesu fermentacji. Zastosowanie mieszanin opartych na węglu aktywnym i związkach żelaza pozwala skutecznie ograniczać zawartość siarkowodoru, natomiast odpowiedni system mieszania substratu wpływa bezpośrednio na ilość produkowanego gazu. Wysoką zawartość metanu, przekraczającą 67%, można osiągnąć także poprzez wzbogacanie wsadu dodatkowymi składnikami odżywczymi.
Obornik kurzy – jaki ma potencjał biogazowy?
Wśród nawozów naturalnych na uwagę zasługuje również obornik kurzy, który charakteryzuje się stosunkowo wysokim potencjałem biogazowym. W wielu przypadkach jego wydajność przewyższała rezultaty osiągane dla innych nawozów naturalnych, wynosząc około 83 m³ biogazu z tony wsadu.
Uzysk biogazu i zawartość metanu w nawozach naturalnych [TABELA]
| Podłoże | Uzysk biogazu | Zawartość CH₄ [% obj.] |
|
|---|---|---|---|
| [m³/t podłoża] | [m³/t s.m.o.] | ||
| Gnojowica bydła | 20–30 | 200–500 | 60 |
| Gnojowica świń | 20–35 | 300–700 | 60–70 |
| Obornik bydła | 40–50 | 210–300 | 60 |
| Obornik świń | 55–65 | 270–450 | 60 |
| Obornik kurzy | 70–90 | 250–450 | 60 |
Współfermentacja – jakie substraty warto ze sobą łączyć?
W praktyce najlepsze wyniki produkcji biogazu rzadko osiąga się przy wykorzystaniu tylko jednego rodzaju substratu. Znacznie lepiej sprawdzają się mieszanki gnojowicy, obornika oraz roślin energetycznych, takich jak kukurydza, żyto czy buraki cukrowe. Odpowiednie połączenie tych surowców pozwala nie tylko zwiększyć produkcję energii, ale również ograniczyć zużycie energii na potrzeby własne instalacji, poprawiając jej ogólną efektywność ekonomiczną.
Dobre rezultaty można uzyskać także poprzez współfermentację różnego rodzaju odpadów rolniczych i spożywczych. W warunkach eksploatacyjnych wysoką wydajność osiągały instalacje wykorzystujące jednocześnie kiszonkę kukurydzianą, gnojowicę, obornik oraz odpady pochodzące z przemysłu rolno-spożywczego, takie jak wytłoki owocowe czy pulpa ziemniaczana. Tego typu mieszanki pozwalały uzyskiwać nawet 117 m³ biogazu z jednej tony substratów.
Wysokie uzyski biogazu można osiągnąć, łącząc gnojowicę lub obornik m.in. z:
- kiszonką kukurydzianą,
- kiszonką z traw,
- burakami cukrowymi,
- gliceryną,
- odpadami rolno-spożywczymi,
- innymi wysokoenergetycznymi dodatkami organicznymi.
Odpady komunalne i przemysłowe do produkcji biogazu
Oprócz odpadów rolniczych coraz większe zainteresowanie budzą również odpady komunalne i przemysłowe, które mogą stanowić cenne źródło energii.
Przykładem są ścieki z tłoczni oleju palmowego (POME), charakteryzujące się wysoką zawartością materii organicznej. Odpowiednie przygotowanie oraz oczyszczanie tego typu substratu pozwala uzyskać biogaz o bardzo wysokiej zawartości metanu, sięgającej nawet 79%. Dalsze wzbogacanie gazu przy wykorzystaniu technologii membranowych umożliwia osiągnięcie czystości metanu na poziomie około 98%, co otwiera drogę do wykorzystania go jako pełnowartościowego paliwa.
W przypadku ścieków komunalnych największym wyzwaniem pozostaje niska koncentracja substancji organicznych, a tym samym ograniczona produkcja biogazu. Zastosowanie nowoczesnych technologii, takich jak beztlenowe bioreaktory membranowe czy systemy zagęszczania ścieków przed fermentacją, pozwala jednak zwiększyć efektywność procesu nawet przy pracy w stosunkowo niskich temperaturach.
Interesujące rezultaty można osiągnąć również poprzez wykorzystanie produktów ubocznych przemysłu. Dobrym przykładem jest surowa gliceryna, będąca odpadem powstającym przy produkcji biodiesla. Dodatek tego substratu do osadów ściekowych zwiększa produkcję metanu, a jednocześnie pozwala uzyskać poferment bogaty w składniki nawozowe. Dzięki temu jeden surowiec może pełnić podwójną funkcję – źródła energii oraz wartościowego nawozu organicznego.
Energia z odpadów domowych
Potencjał energetyczny wykazują także odpady domowe. Odpowiednie rozdrobnienie i przygotowanie wsadu przyspieszają proces fermentacji, a prowadzenie go w warunkach mezofilnych pozwala uzyskać biogaz o zawartości metanu sięgającej około 67%. Pokazuje to, że nawet odpady trafiające na co dzień do kosza mogą stanowić wartościowy substrat dla instalacji biogazowych.
