źródłem napędu

Perspektywa wyczerpania się zasobów paliw kopalnych, obawy o stan środowiska naturalnego, a przede wszystkim do niedawna rosnące ceny ropy naftowej przyśpieszyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii. Duże nadzieje wiąże się z:
- paliwami pochodzenia roślinnego, jak: biopaliwo i bioetanol,
- paliwami gazowymi: LPG, CNG, LNG,
- biogazem pozyskiwanym z:
- odpadów zwierzęcych i kiszonek roślinnych w biogazowniach roślinnych;
- osadów ściekowych w oczyszczalni ścieków;
- odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci.

Wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych jest jednym z ważniejszych elementów zrównoważonego rozwoju gospodarki, przynoszący zarówno efekty ekologiczne, jak i energetyczne. Wzrost udziału energii odnawialnych to również poprawa efektywności wykorzystania surowców energetycznych oraz ograniczenia ilości odpadów. Z wielu możliwych do zastosowania paliw alternatywnych do zasilania silników tłokowych za bardzo atrakcyjne uważa się przetwarzanie biomasy. W niektórych krajach zastosowano i rozwinięto procesy fermentacji biomasy do tlenowych komponentów benzyn (etanol, metanol) oraz otrzymywania biogazu. Obecnie w centrum zainteresowań są tzw. biopaliwa drugiej generacji, które w ciągu najbliższych lat zastąpią rozwijane obecnie już biopaliwa pierwszej generacji, jak: estry metylowe i etylowe olejów roślinnych (FAME, FAEE) oraz bioetanol. Głównym celem prac badawczych, tj. nowej generacji biopaliw, jest dalsze zmniejszenie emisji CO2 w cyklu życia produktu, zastąpienie dotychczasowych surowców stanowiących źródło żywności człowieka biomasą będącą alternatywą dla paliw pochodzenia naftowego.

Wykorzystanie technologii biologicznego przetwarzania biomasy
Wykorzystanie technologii biologicznego przetwarzania biomasy na paliwo silnikowe gazowe jest jednym z kierunków rozwoju rozproszonej energetyki. Dotychczas biogaz uważany jest za atrakcyjne źródło stosunkowo taniej energii. Typowe przykłady jego wykorzystania to:
- produkcja energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach, napędzających prądnice;
- produkcja energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych;
- produkcja energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych;
- dostarczanie gazu do sieci gazowej;
- wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.

Według K. Kowalczyka i A. Grzybek przeciętnie jeden metr sześcienny biogazu pozwala na wyprodukowanie:
- 2,1 kWh energii elektrycznej (przy założonej sprawności układu 33%),
- 5,4 kWh energii cieplnej (przy założonej sprawności układu 85%),
- w skojarzonym wytwarzaniu: 2,1 kWh energii elektrycznej i 2,9 kWh ciepła

Bardzo ciekawym i perspektywicznie rozwijającym się działaniem są prace badawcze w zakresie wykorzystania biogazu jako paliwa do silników stosowanych w pojazdach samochodowych zwłaszcza w komunikacji komunalnej (autobusowej). Biogazem powszechnie określa się mieszaniny gazów powstających w procesie fermentacji odpadów organicznych:
- w oczyszczalniach ścieków;
- na wysypiskach śmieci (gaz wysypiskowy);
- w gospodarstwach rolnych (biogazownie rolnicze).

Fermentacja beztlenowa jest złożonym procesem biochemicznym zachodzącym w warunkach beztlenowych. Substancje organiczne rozkładane są przez bakterie na związki proste - głównie metan i dwutlenek węgla. W czasie procesu fermentacji beztlenowej do 60% substancji organicznej jest zamienione w biogaz, który składa się głównie z metanu (CH4) - 55-70%, 32-37% CO2, 0,2-0,4% N2 oraz 6g/100m3 H2S przed odsiarczaniem i poniżej 0,01 g/l00m3 H2S po wykonaniu tego zabiegu. Tempo rozkładu zależy w głównej mierze od charakterystyki i masy surowca, temperatury oraz optymalnie dobranego czasu trwania procesu. Optymalna temperatura fermentacji wynosi ok. 30-35°C dla bakterii mezofilnych i 50-60°C dla bakterii termofilnych. Na utrzymanie takich temperatur w komorach fermentacyjnych zużywa się od 20 do 50% uzyskanego biogazu.

Podstawowe znaczenie dla wykorzystania fermentacji metanowej do wytwarzania paliw gazowych lub energii ma wydajność wytwarzania biogazu z jednostki surowca masy. Stężenie metanu w biogazie oraz stężenia zanieczyszczeń gazowych w tym produkcie zależy od rodzaju stosowanego surowca lub stosowanej technologii – tabl. 1 Poza metanem i CO2 w biogazie mogą wystąpić inne zanieczyszczenia gazowe – tabl. 2. Z kolei sposób wykorzystania biogazu narzuca standardy dotyczące konieczności jego oczyszczania, co przedstawia tabl. 3.

Tabela 1. Zawartość metanu w biogazie w zależności od miejsca pochodzenia.

Tabela 2. Przeciętny skład biogazu.

Tabela 3. Wymagania co do czystości metanu w różnych zastosowaniach.

Zanieczyszczony biogaz siarkowodorem poddawany jest oczyszczaniu z uwagi na nieprzyjemny zapach i jego korozyjne właściwości (najczęściej odsiarczanie biologiczne). W przypadku odsiarczania biologicznego siarka zawarta w siarkowodorze jest utleniana do siarki elementarnej przez mikroorganizmy należące do rodziny Thiobacillus. W przypadku biogazu otrzymywanego z wysypisk śmieci komunalnych, znajdują się w nim pewne ilości chlorowco- i fluoro pochodnych węglowodorów alifatycznych i aromatycznych. Dla zapobieżenia korozji elementów silnika podczas spalania wewnętrznego zanieczyszczenia są usuwane na drodze adsorpcji lub absorpcji w węglowodorach ciekłych. W biogazie, szczególnie pochodzącym z wysypisk śmieci, może znajdować się tlen i azot pochodzące z powietrza, co stwarza niebezpieczeństwo eksplozji (obszar wybuchowości to zakres stężenia równy 6-12% metanu w powietrzu). Zanieczyszczenia te można usuwać metodami sorbcyjnymi lub membranowymi, ale są to procesy kosztowne. Kolejnym etapem procesu oczyszczania biogazu, czyli wzbogacenia, jest - usunięcie dwutlenku węgla (CO2). Stosowanymi metodami są:
- absorpcja w wodzie;
- absorpcja w glikolu polietylenowym;
- absorpcja na węglowych sitach molekularnych;
- destylacja niskotemperaturowa;
- rozdzielanie na membranach.

Tabela 4. Porównanie wydajności i czasu fermentacji masy zielonej.

Sposoby pozyskiwania biogazu w procesie fermentacji metanolowej
Szerokie zastosowanie w pozyskiwaniu biogazu zyskują instalacje do biologicznego unieszkodliwiania odpadów organicznych z wykorzystaniem biomasy pochodzącej m. in. z plantacji roślin energetycznych. Systemy fermentacji beztlenowej mogą być wykorzystywane albo w miejscu powstawania odpadów albo w scentralizowanych jednostkach, które gromadzą odpady z okolicznych rejonów aglomeracji i obszarów wiejskich. W tabl. 4 przedstawiono porównanie wydajności i czasu fermentacji masy zielonej. Jedną z nielicznych wzorcowych biogazowni rolniczych działających w Polsce to biogazownia w Pawłówku, woj. pomorskie (firma Poldanor S.A.) – rys. 1.

Rys. 1. Schemat strukturalny biogazowi w Pawłówu (woj. pomorskie).

Dane techniczne biogazowni:
- technologia duńska;
- surowce: 25 000 t gnojowicy świńskiej/rok z fermy w Pawłówku;
- 3500 t odpadów mięsnych/rok z firmy Prime Food położonej w pobliżu Pawłówka;
- produkcja energii: 790 000 m3 biogazu/rok (65 % zawartości metanu CH4);
- 1,4 GWh energii elektrycznej oraz 2,6 GWh energii cieplnej (agregat kogeneracyjny o mocy 230 kWe);
- biogazownia działa od czerwca 2005 r.;
- koszty inwestycji: 4,3 min. zł.

Biogaz pozyskany z oczyszczalni ścieków
Biogaz pozyskany z oczyszczalni ścieków jest wartościowym paliwem silnikowym, którego liczba metanowa (LM) kształtuje się na poziomie 125-130 jednostek. Wartość opałowa biopaliwa uzależniona jest od składu i rodzaju przetworzonej masy. Procentowy udział głównych składników biogazu pozyskanego w oczyszczalni ścieków i na wysypiskach odpadów komunalnych zlokalizowanych w różnych miejscach Polski przedstawiono w tabl.5.

Tabela 5. Skład chemiczny biogazu z różnych źródeł odpadów (surowców).

Uśredniony przeciętny skład gazu fermentacyjnego pozyskanego z oczyszczalni ścieków przedstawia się następująco:
- metan 60-65%;
- dwutlenek węgla 30-34%;
- wodór ok. 4%;
- azot ok. 2%.

Ponadto, w gazie fermentacyjnym występują niewielkie ilości tlenku węgla, tlenu, węglowodorów, siarkowodoru, amoniaku i tlenku azotu. Wartość opałowa gazu fermentacyjnego kształtuje, się przeciętnie ma poziomie ok. 21,7 MJ/m3, a dodatek dwutlenku węgla w znaczący sposób podnosi odporność przeciwstukową gazu, czyniąc go atrakcyjnym paliwem do silników spalinowych. Pozyskany biogaz z oczyszczalni ścieków jest poddawany odsiarczeniu według metody opartej na bazie rudy darniowej.

Biogaz pozyskany ze składowisk odpadów komunalnych
Jednym z potencjalnych źródeł energii odnawialnej jest gaz wysypiskowy, powstający w składowiskach odpadów komunalnych. Podstawowymi składnikami gazu wysypiskowego są metan i dwutlenek węgla. Ponadto, mogą występować niewielkie ilości: azotu, wodoru, tlenu, siarkowodoru, tlenku węgla i amoniaku. Wartość opałowa gazu wysypiskowego zależy od procentowego udziału metanu w jego składzie i wynosi ok.
22 MJ/m3. Jest ona zbliżona do wartości opałowej gazu średniokalorycznego, jednakże znacznie odbiega od powszechnie stosowanego gazu zarówno w gospodarce komunalnej, jak i w przemyśle gazu ziemnego (minimalnie 32 MJ/m3). Właściwość ta wpływa na kształtowanie parametrów roboczych silników, w tym na szybkość procesu spalania zdefiniowaną liczbą Wobbego. Niskie wartości liczby Wobbego ograniczają jego stosowanie do zasilania silników w pojazdach samochodowych bez jego modyfikacji. Dominującymi kierunkami zagospodarowania gazu wysypiskowego są:
- wytwarzanie w kotłach gazowych gorącej wody lub pary;
- wytwarzanie energii elektrycznej przez spalanie gazu w silnikach lub turbinach;
- oddanie gazu do sieci dystrybucji lub przemysłowej.

Schemat pozyskania biogazu na składowisku odpadów komunalnych przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat pozyskania biogazu na składowisku odpadów komunalnych.

Podsumowanie
Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w znaczący sposób może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa energetycznego kraju i ochrony środowiska. Stanowi kluczowy element zrównoważonego rozwoju energii w kraju. Aby stworzyć warunki do rozwoju energii odnawialnej niezbędne są określone działania wspierające i propagujące na szczeblu krajowym i regionalnym. W Polsce istnieje wiele jeszcze barier utrudniających jej rozwój zwłaszcza biogazowi rolniczych.

Istotnymi barierami są:
- technologia produkcji biogazu rolniczego niewystarczająco poznana;
- kosztowny import urządzeń;
- złożone i niejasne procedury uzyskania zezwoleń na budowę biogazowni;
- niewielka wiedza publiczna o odnawialnych źródłach energii;
- wysokie koszty opracowanej technologii;
- brak wzorców do naśladowania (jeden zrealizowany projekt);
- sprzedaż energii ciepła stanowi problem dla wielu regionów Polski;
- konieczność ścisłego przestrzegania reżimów procesów fermentacji, zachowania właściwej proporcji poszczególnych komponentów wsadu.

Janusz Jakóbiec
Aleksander Mazanek