Biomasa i biogaz

Biomasa to frakcja odpadów z produkcji rolnej, odpadów, czy produktów, która ulega biodegradacji. Może być ona wykorzystywana na cele energetyczne.  Do tego cele stosuje się drewno odpadowe, lub takie, które nie posiada wysokiej jakości technologicznej, słomę, makuchy i odpady z produkcji rolniczej, odchody zwierząt, osady ściekowe, specjalne rośliny uprawiane w celach energetycznych (wierzba energetyczne, miskant, topinambur, ślazowiec pensylwański), odpady poprodukcyjne (wytłoki owocowe, łodygi traw, kukurydzy), a także oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

Pozyskiwanie energii z biomasy może odbyć się na kilka sposobów:

  • Spalanie (spalanie bezpośrednie, współspalanie),
  • Fermentacja beztlenowa,
  • Fermentacja alkoholowa
  • Piroliza,
  • Zgazowanie.

SPALANIE  to pozyskiwanie energii z biomasy wykonywane w warunkach tlenowych. Proces wykonuje się w specjalnie przystosowanych kotłach rusztowych z rusztem stałym lub ruchomym, fluidalnych lub pyłowych, podzielonych ze względu na sposób spalania i budowę kotła. Kotły kontrolują emisję szkodliwych gazów, np. tlenku węgla i węglowodorów poliaromatycznych oraz ilość dostarczanego powietrza, od którego uzależniona jest efektywność całego procesu. Materiałami wykorzystywanymi do spalania są kawałki materiału, zrębki, wióry, trociny, biomasa zmielona na pył lub aglomerowane paliwa (np. pelety). Przez spalanie bezpośrednie rozumie się spalenie materiału w rozdrobnionej formie bez wspomagaczy energetycznych np. drewna w formie zrębków; współspalanie to proces spalania biomasy z węglem w jednym procesie np. drewna z węglem, w celu pozyskania wyższej wydajności energetycznej. W procesie spalania biomasy uzyskiwana jest para wodna napędzająca turbinę parową połączoną z generatorem prądu, w wyniku czego powstaje energia elektryczna; proces ten charakteryzuje się stosunkowo niższą sprawnością ze względu na niskie parametry osiągane przez parę. Bardziej efektywną metodą jest wytwarzanie energii elektrycznej z biogazu.

W procesie FERMENTACJI BEZTLENOWEJ z osadów organicznych powstaje biogaz. W zależności od temperatur, w jakich następuje rozkład materii organicznej wyróżnić można fermentację mezofilną (32-35ᵒC) oraz fermentację termofilną (55-57ᵒC). Na szybkość fermentacji wpływ ma wachlarz czynników takich jak temperatura, korzystne pH, brak dostępu powietrza. Biogazownia w zależności od materii organicznej stosowanej w procesach fermentacyjnych może być biogazownią rolniczą, biogazownią przy oczyszczalni ścieków lub biogazownią na składowisku odpadów.

Rysunek 1 Biogazownia (fot. Grzegorz Pełka)

Pochodzeniem materiału organicznego mogą być odpadki produkcji rolnej, ścieki, gnojowica, obornik czy odpadki organiczne wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej oraz ciepła. Fermentacja w zależności od pochodzenia osadu odbywa się w komorach fermentacyjnych oczyszczalni ścieków, na wysypiskach lub w indywidualnych gospodarstwach rolnych.

Efektem przetworzenia materii organicznej jest produkcja biogazu, którego głównym składnikiem stanowiącym 50-70% jego składu jest metan, a także szlamu będącego po wysuszeniu wysokiej jakości nawozem. Proces wytwarzania energii elektrycznej z powyższych źródeł biogazu jest nieefektywny ze względu na wysokie koszty jednostokowe budowy komór fermentacyjnych o stosunkowo dużej pojemności, co spowodowane jest niską wydajnością wytwarzania metanu, długotrwałym procesem utylizacji oraz zmiennym składem biogazu.

Biogaz można również pozyskać ze źródeł o dużej wydajności metanu, mianowicie suchej masy celowych upraw rolniczych. Biometan otrzymuje się w wyniku anaerobowego przetwarzania biomasy do biogazu dzięki bakteriom mezofilnym, termofilnym oraz psychrofilnym w sterowalnych procesach hydrolizy biomasy i fermentacji metanowej. Nowoczesne metody pozyskiwania biogazu to np. budowanie wysypisk z systemami odgazowującymi wyposażonymi w bioreaktory, gdzie zachowywana jest stała temperatura w zależności od rodzaju bakterii biorących udział w fermentacji. Inny sposób to budowa biogazowni, gdzie najczęściej zachodzi fermentacja mezofilna.

Zalety stosowania biogazu do produkcji energii elektrycznej i ciepła to m.in. ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, obniżenie kosztów wynikających ze składowania odpadów czy też wykorzystanie odpadów poprocesowych do produkcji naturalnego nawozu.

FERMENTACJA ALKOHOLOWA jest procesem biochemicznym, dzięki któremu otrzymywane jest jedno z najpopularniejszych biopaliw w stanie ciekłym- bioetanol. Proces polega na dodaniu drożdży do materiału takiego jak np. zboże, buraki cukrowe i zablokowaniu dopływu tlenu; w wyniku zachodzących reakcji chemicznych nastąpi rozkład węglowodanów czego produktem jest alkohol.

Innym procesem przebiegającym w obecności alkoholu metylowego jest estryfikacja oleju. Polega ona na na uzyskaniu estrów metylowych w wyniku przemiany oleju zawierającego metanol w obecności katalizatora zasadowego. Produktem reakcji jest biodiesel, czyli biopaliwo przeznaczone do silników wysokoprężnych.

Rysunek 2 Pole rzepaku – materiału do otrzymania biopaliwa (Źródło: Redakcja GLOBEnergia)

PIROLIZA jest procesem zachodzącym w warunkach beztlenowych w wysokich temperaturach sięgających ok. 600ᵒC polegającym na rozszczepieniu związków chemicznych posiadających struktury zbudowane z dużych cząsteczek na cząsteczki mniejsze. Etap ten jest początkową fazą obróbki biomasy, po której następuje spalanie oraz gazyfikacja. Przed poddaniem materiału pirolizie powinno obniżyć się jego wilgotność do zawartości sięgającej najwyżej 10% oraz zmniejszyć jego cząstki w celu przyspieszenia procesu. W efekcie pirolizy powstaje wyodrębnienie się produktów o stałym stanie skupienia, biopaliwa nazywanego również bioolejem oraz gazów palnych.

ZGAZOWANIE to proces polegający na wydzieleniu się gazu z substancji na skutek wysokiej temperatury, przebiegający w dwóch etapach. Pierwszy polega na odgazowaniu materiału znajdującego się w komorze w środowisku o temperaturze 450-800ᵒC, do której ograniczony jest dopływ powietrza, w wyniku czego produktem jest gaz palny oraz wydzielenia mineralne. Drugi etap odbywa się w wysokiej temperaturze osiągającej 1000-1200ᵒC oraz dostępie do nadmiaru powietrza, w której następuje spalenie gazu; dopiero w tym etapie pozyskiwane jest ciepło.

KOGENERACJA (ang. Combined Heat and Power), czyli wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w jednym procesie technologicznym. Dzięki większemu wykorzystaniu energii zawartej w paliwie, efektywność energetyczna systemu może być wyższa nawet o 30% w porównaniu z wytwarzaniem oddzielnym w miejscach do tego przystosowanych, czyli ciepła w elektrociepłowni oraz energii elektrycznej w elektrowni. Takie rozwiązanie technologiczne pozwala na znaczne oszczędności oraz zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Sprawność osiągana przez systemy CHP może osiągać nawet 90%, co jeśli wziąć pod uwagę sprawność wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach węglowych wynoszącą ok. 35% daje możliwość oszczędności 55% energii.

Źródła: biomasa.org.pl, globenergia.com