Nie sposób dyskutować o biogazie bez uwzględnienia biogazowni, która jest zasadniczo miejscem, w którym odbywa się proces produkcji biogazu. Mówiąc pokrótce, biogazownia to instalacja, w której zapewnione są warunki bez dostępu do tlenu, dzięki czemu żyjące w niej organizmy mogą przekształcać biomasę organiczną w biogaz oraz cenny nawóz zwany pofermentem. Biogazownie mogą różnić się wielkością i strukturą, a ich głównym celem jest generowanie energii neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej temu tematowi, aby zrozumieć, czym dokładnie jest biogazownia, jakie są jej korzyści i możliwości.
Biogazownia definicja
Biogazownia jest instalacją, która odgrywa ważną rolę w dziedzinie produkcji energii odnawialnej i ochrony środowiska. Instalacja biogazowa to szczelna instalacja do której nie ma dostępu powietrze (a przede wszystkim tlen zawarty w powietrzu), gdzie zachodzi proces fermentacji beztlenowej zwany też rozkładem beztlenowym. Podczas tego procesu mikroorganizmy beztlenowe przekształcają różne rodzaje substancji organicznych, takie jak odpady rolnicze, odchody zwierzęce, resztki roślinne czy odpady spożywcze, w biogaz.
Co to jest biogaz?
Zanim wytłumaczymy jak działa biogazownia musimy zrozumieć czym jest biogaz. Biogaz to mieszanina gazów, głównie metanu (ok. 60% składu biogazu) dwutlenku węgla (ok. 40% składu biogazu). Metan, w porównaniu do dwutlenku węgla pali się, dlatego z punktu widzenia posiadacza biogazowni chcemy, aby powstawało go jak najwięcej. Z metanem mamy do czynienia na co dzień, gdyż jest to ten sam związek chemiczny co gaz ziemny, który mamy w kuchence, piecu gazowym czy pojeździe z napędem LNG lub CNG. Różnica między gazem ziemnym a metanem z biogazu jest w źródle pochodzenia, dlatego dodaje się przedrostek „bio”, aby uniknąć nieporozumień i podkreślić, który z tych gazów jest przyjazny dla klimatu i środowiska.
Więcej na temat biogazu, dlaczego jest neutralny dla klimatu oraz czym jest poferment dowiesz się z obszernego artykułu „Biogaz – wszystko co musisz wiedzieć„.
Schemat biogazowni w trzech punktach.
Biogazownia składa się z trzech głównych elementów, które umożliwiają proces produkcji biogazu:
- Komora odbioru/wstępnego mieszania (homogenizacji)
- Komora fermentacyjna (lub zbiornik fermentacyjny)
- Zbiornik gazu
Komora odbioru/wstępnego mieszania
Komora wstępnego mieszania to miejsce, w którym surowce są przygotowywane do fermentacji beztlenowej. Przygotowanie polega na rozdrobnieniu substratów do mniejszych cząstek za pomocą mieszadeł tarczowych. Rozdrabniając substrat jest on szybciej rozkładany przez mikroorganizmy wewnątrz fermentorów. Każdy rodzaj biomasy ma inny czas pełnego rozkładu, więc całkowita długość procesu produkcji biogazu różni się w zależności od użytych surowców. W przemysłowych biogazowniach nierzadko stosuje się dodatkowe metody obróbki wstępnej substratów trudno degradujących takich jak substraty lignocelulozowe, (np. słoma) w celu przyspieszenia fermentacji i zwiększenia produkcji biogazu. Najczęściej wykorzystywane metody obróbki wstępnej substratów lignocelulozowych to obróbka chemiczna czy steam-explosion.
Komora fermentacyjna
Komora fermentacyjna to hermetyczny zbiornik najczęściej o konstrukcji żelbetonowej odpornej na kwasowe środowisko masy fermentującej. Tutaj wprowadza się surowce po uprzednim przygotowaniu w komorze wstępnego mieszania. Wprowadzone substraty są stale mieszane wewnątrz komory fermentacyjnej, aby uwolnić powstający z nich biogaz i zapobiec tworzeniu się warstw. Masa fermentacyjna wewnątrz zbiorników podgrzewa się do temperatury ok. 38-40 °C dla zachowania prawidłowego przebiegu fermentacji metanowej. Komora fermentacyjna zawiera rurę, przez którą usuwana jest przefermentowana masa (tzw. poferment) po zakończeniu fermentacji.
Czas rozkładu substratów wewnątrz komory fermentacyjnej trwa ok. 30-60 dni, w zależności od rodzaju substratów, jego wstępnej obróbki i warunków jakie panują wewnątrz komory fermentacyjnej (pH, temperatura, prędkość mieszania, dostępność mikroelementów/przewodność).
Zbiornik na biogaz
Zbiornik na biogaz najczęściej występuje pod postacią membran zamontowanych jako kopuła komór fermentacyjnych. Powstający biogaz wewnątrz komór fermentacji ulatnia się do góry i „zatrzymuje” się na membranie, która go magazynuje. Membrany wykonane są z wytrzymałych, elastycznych materiałów, takich jak polietylen lub poliuretan, co zapewnia im odporność na warunki atmosferyczne i działanie substancji chemicznych. Dzięki zastosowanym materiałom membrany są bardzo elastyczne, co pozwala im na rozciąganie i kurczenie się w zależności od ilości gazu w zbiorniku fermentacji.
Membrany muszą być hermetyczne, aby zapobiegać stratom gazu i zapewnić odpowiednie warunki fermentacji. Dodatkowo, muszą być odporne na promieniowanie UV, zmienne temperatury i działanie substancji chemicznych zawartych w biogazie takie jak siarkowodór czy amoniak. Montowane są w sposób zapewniający ich stabilność i szczelność, co jest kluczowe dla efektywnego przechowywania biogazu. Membrany wyposażone są w wylot gazu, który umożliwia wydostawanie się biogazu do silników kogeneracyjnych, gdzie wytwarzana jest energia elektryczna oraz ciepło.
Jak działa biogazownia?
Proces produkcji biogazu w biogazowniach opiera się na automatycznym i prostym mechanizmie, który naśladuje naturalny proces fermentacji beztlenowej w kontrolowanym środowisku. Dzięki temu produkcja biogazu jest zarówno prosta, jak i neutralna pod względem emisji dwutlenku węgla.
Etap 1: Obróbka wstępna i napełnianie komory fermentacyjnej
Do komory fermentacyjnej trafia wiele rodzajów materii organicznej, zwanych substratami. Najczęściej wykorzystywane substraty to odchody zwierząt gospodarskich takie jak obornik czy gnojowica, kiszonki kukurydzy i zbóż lub odpady wytwarzane przez przemysł spożywczy. Część z nich wymaga wstępnej obróbki przed wprowadzeniem do zbiornika.
Etap 2: Fermentacja
Substraty są podgrzewane do różnych temperatur w komorze fermentacyjnej, co stymuluje rozkład materii organicznej przez mikroorganizmy. Proces ten odbywa się w warunkach beztlenowych oraz bez dostępu światła. Materia organiczna jest regularnie mieszana co ułatwia rozkład substratów do biogazu i zapobiega powstawaniu warstw.
Etap 3: Produkcja biogazu
W wyniku fermentacji wewnątrz fermentatorów powstaje biogaz, którego głównym składnikiem jest metan. Oprócz metanu i dwutlenku węgla, gaz zawiera również wodę i siarkowodór. Dlatego zbiorniki jak i membrana wykonuje się z materiałów, odpornych na działanie związków chemicznych.
Etap 4: Poferment
Po fermentacji pozostałe osady, nazywane pofermentem, usuwa się z zbiornika i wykorzystuje jako przyjazny dla środowiska nawóz. Szacuje się że z każdej tony substratów powstaje ok. 800-900 kg pofermentu.
Etap 5: Oczyszczanie biogazu i uzyskanie energii
Biogaz przechodzi przez proces oczyszczania, usuwając wodę (proces suszenia), siarkowodór i inne zanieczyszczenia. Oczyszczony i osuszony biogaz spala się w silnikach kogeneracyjnych z wytworzeniem energii elektrycznej oraz cieplnej.
Etap 6: Biometan
W przypadku instalacji biometanowych, biogaz jest oczyszczany dodatkowo z dwutlenku węgla, który stanowi blisko 40% składu biogazu oraz „doczyszczany” z pozostałych gazów. Oczyszczony biogaz zawiera >97% metanu w składzie, czyniąc go gazem o parametrach gazu ziemnego. Tak oczyszczony biogaz nazywany jest biometanem.
Dowiedz się dokładnie jaka jest różnica między biogazem a biometanem!
Co to jest biogaz?
Biogaz to mieszanina gazów, głównie metanu (CH4) i dwutlenku węgla (CO2). Metan, w porównaniu do dwutlenku węgla pali się, dlatego z punktu widzenia posiadacza biogazowni chcemy, aby powstawało go jak najwięcej. Z metanem mamy do czynienia na co dzień, gdyż jest to ten sam związek chemiczny co gaz ziemny, który mamy w kuchence, piecu gazowym czy pojeździe z napędem LNG lub CNG (najczęściej autobusy komunikacji miejskiej). Różnica między gazem ziemnym, a metanem z biogazu jest w źródle pochodzenia, dlatego dodaje się przedrostek „bio”, aby uniknąć nieporozumień i podkreślić, który z tych gazów jest przyjazny dla klimatu i środowiska.
Więcej na temat biogazu, dlaczego jest neutralny dla klimatu oraz czym jest poferment dowiesz się z obszernego artykułu „Biogaz – wszystko co musisz wiedzieć„.
Co jeśli nie zachowamy beztlenowych warunków?
Z punktu widzenia mikrobiologii jest to bardzo ważne, aby zachować beztlenowe warunki wewnątrz biogazowni. W innym wypadku w miejsce mikroorganizmów beztlenowych pojawią się mikroorganizmy tlenowe, które rozkładają materię organiczną do dwutlenku węgla, a nie metanu, a jak już wiemy, tylko metan w biogazie stanowi dla nas źródło energii podczas spalania.
Do czego można wykorzystać biogaz?
Biogaz jest to cenny surowiec energetyczny, który może być wykorzystany na wiele sposobów. Biogaz można spalać w celu produkcji energii elektrycznej i ciepła (tzw. kogeneracja), co stanowi korzystną alternatywę dla tradycyjnych paliw kopalnych. Może być również poddany procesowi oczyszczania w celu uzyskania biometanu, który zastępuje naturalny gaz ziemny w różnych sektorach, w tym w transporcie. W procesie oczyszczania usuwamy przede wszystkim CO2 z biogazu, oraz pozostałe śladowe gazy jak parę wodną czy siarkowodór.
Jakie korzyści daje nam biogazownia?
Biogazownie mogą mieć wiele zastosowań i pełnić podwójną rolę w ekosystemie i gospodarce. Biogazownie mogą dostarczać nam neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla energię, ogrzewanie. Ponadto uzyskujemy również naturalne nawozy oraz zapobiegamy składowaniu odpadów organicznych, które w przeciwnym wypadku generowałyby szkodliwe emisje gazów cieplarnianych do atmosfery.
Jeśli biogazownia spręża biogaz w celu uzyskania biometanu, może on zastąpić gaz ziemny w zastosowaniach przemysłowych, komercyjnych i domowych. Paliwo to może być wtłaczane do sieci gazowej, ponieważ skład biometanu jest taki sam jak gazu ziemnego (>97% metan).
Biogaz jest w 100% odnawialny i neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla, ponieważ jego spalanie nie wytwarza nowego dwutlenku węgla. Co więcej, proces produkcji zapobiega uwalnianiu metanu do atmosfery dzięki wykorzystaniu odpadów organicznych, co ma pozytywny wpływ na środowisko.
Biogazownie mogą bezpośrednio dostarczać energię do sieci i obsługiwać jedną lub kilka społeczności, w zależności od skali. Ponadto, wykorzystuje się ciepło do procesów ciepłochłonnych, np. w szklarniach czy do suszenia ziarna.
Biogazownia – wszyscy na tym korzystają
Ważne jest również to, że biogazownie mogą wspierać rozwój lokalnych społeczności, generując miejsca pracy w sektorze OZE oraz przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju regionu. Dodatkowo, pozostałości po procesie fermentacji, zwane pofermentem, można wykorzystać jako naturalne nawozy organiczne, wspierając rolnictwo zrównoważone i redukując potrzebę stosowania nawozów syntetycznych. Jest to szczególnie istotna cecha biogazowni, w dobie kiedy ceny nawozów w wyniku zamknięcia granic z głównymi producentami nawozów syntetycznych (Rosja oraz Białoruś) poszybowały kilkakrotnie w górę w ostatnim czasie.
Podsumowując biogazownie
W skrócie, biogazownia to miejsce, gdzie odbywa się przetwarzanie organicznych odpadów w warunkach beztlenowej fermentacji z wykorzystania bakterii w cenny biogaz i nawóz. Biogazownia stanowi istotny element walki ze zmianami klimatycznymi, przyczyniając się do produkcji odnawialnej energii, redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz przetwarzania odpadów w sposób przyjazny dla środowiska. Biogazownie mają potencjał przyczynić się do stworzenia bardziej zrównoważonej i ekologicznej przyszłości.
