Biogazownia to instalacja, która dzięki procesowi fermentacji beztlenowej przetwarza biomasę, produkty uboczne oraz odpady organiczne (np. resztki roślinne, odpady pochodzenia rolno spożywczego) w cenne produkty: biogaz, energię w postaci prądu i ciepła oraz nawóz naturalny powstający z pozostałości po fermentacji. Wiele osób zadaje pytanie: co produkuje biogazownia i w jakich ilościach? Krótka odpowiedź brzmi – biogazownia wytwarza przede wszystkim biogaz będący paliwem odnawialnym, z którego generuje następnie energię elektryczną i cieplną, a ponadto produkuje tzw. poferment, czyli przefermentowaną masę organiczną wykorzystywaną jako nawóz. Zanim jednak biogazownia zacznie produkować te dobra, konieczne jest przejście przez etapy planowania i uzyskania pozwoleń administracyjnych (m.in. niezbędne jest pozwolenie na budowę biogazowni oraz uzyskanie odpowiedniej decyzji środowiskowej dla biogazowni). Gdy wszystkie formalności zostaną dopełnione i instalacja fizycznie powstanie, następuje uruchomienie biogazowni – czyli start procesu fermentacji i stopniowe osiąganie docelowej wydajności produkcji biogazu. Poniżej szczegółowo wyjaśniamy, co biogazownia produkuje w praktyce oraz jak dużo poszczególnych produktów można z niej uzyskać.

Schemat funkcjonalny typowej biogazowni rolniczej. Odpady organiczne (substraty) trafiają do komory fermentacyjnej, gdzie powstaje biogaz gromadzony następnie w zbiorniku gazu. Biogaz zasila agregat kogeneracyjny produkujący energię elektryczną (oddawaną do sieci) oraz ciepło (wykorzystywane lokalnie). Pozostały przefermentowany substrat (poferment) jest magazynowany, a następnie wykorzystywany jako nawóz na polach.

Z tego artykułu dowiesz się:

• Biogaz – główny produkt biogazowni
• Energia elektryczna z biogazu
• Ciepło z kogeneracji biogazowej
• Biometan – oczyszczony biogaz jako paliwo gazowe
• Poferment – nawóz z biogazowni
• Podsumowanie

Biogaz – główny produkt biogazowni

Biogaz to podstawowy produkt, dla którego buduje się biogazownię. Powstaje on w wyniku beztlenowego rozkładu materii organicznej w komorze fermentacyjnej, pod wpływem specjalnych kultur bakterii. Biogaz jest mieszaniną gazów, głównie metanu (CH₄) i dwutlenku węgla (CO₂). Zawartość metanu w biogazie zwykle wynosi około 50–65% (może wahać się w granicach ~40–80% w zależności od substratu), a resztę stanowi CO₂ (zazwyczaj 20–50%) oraz nieznaczne domieszki innych gazów (takich jak siarkowodór, azot, para wodna) w śladowych ilościach. To właśnie metan nadaje biogazowi wartość energetyczną – jest palny i może być wykorzystywany jako paliwo.

Ilości produkowanego biogazu są uzależnione od skali biogazowni oraz rodzaju i ilości wsadu (substratów). Wydajność biogazu z poszczególnych surowców może się znacznie różnić. Przykładowo z 1 tony kiszonki kukurydzy można otrzymać średnio ok. 200–220 m³ biogazu, podczas gdy z 1 tony obornika bydlęcego uzyskuje się tylko ok. 45 m³, a z 1 tony gnojowicy świńskiej ok. 25–30 m³. Dla odpadów spożywczych czy innych wysokoenergetycznych materiałów biogazowych wydajność może dochodzić nawet do 300 m³ z tony suchej masy. Ogólna reguła mówi, że im bardziej bogaty w organiczną substancję i łatwo fermentujący jest substrat, tym więcej biogazu powstanie.

Typowa biogazownia rolnicza średniej wielkości (np. o mocy elektrycznej rzędu 0,5–1 MW) może produkować rzędu 2–4 milionów metrów sześciennych biogazu rocznie. W przeliczeniu dziennym daje to około kilku do kilkunastu tysięcy metrów sześc. gazu na dobę (zależnie od mocy i dostępności wsadu). Oczywiście osiągnięcie takich wyników wymaga odpowiednich warunków procesu – bakterie metanowe muszą mieć zapewnioną optymalną temperaturę, pH, czas fermentacji i stały dopływ pożywki. Dlatego tak ważne jest właściwe zarządzanie instalacją i optymalizacja działania biogazowni, aby utrzymać wysoką i stabilną produkcję gazu. W dobrze prowadzonej biogazowni wydajność biogazu może sięgać nawet 0,5 m³ biogazu z 1 kg łatwo degradalnej suchej masy organicznej (jest to teoretyczne maksimum – rzeczywista efektywność będzie nieco niższa).

Energia elektryczna z biogazu

Sam surowy biogaz jest cennym paliwem, ale najczęściej biogazownie wykorzystują go na miejscu do produkcji energii elektrycznej za pomocą agregatów prądotwórczych (silników gazowych sprzężonych z generatorami). W praktyce biogaz jest spalany w silniku kogeneracyjnym, który napędza generator produkujący prąd. Ta energia elektryczna z biogazowni może zasilać gospodarstwo lub zakład, a nadwyżki są sprzedawane do sieci energetycznej, przynosząc inwestorowi dochód.

Ilość wytwarzanego prądu zależy od ilości i jakości biogazu oraz od sprawności generatora. Przyjmuje się, że 1 metr sześcienny biogazu o średniej zawartości metanu (ok. 60%) zawiera około 6 kWh energii chemicznej. Z tego, dzięki kogeneracji, można uzyskać około 2–3 kWh energii elektrycznej (reszta energii zamienia się w ciepło odpadowe, które również można wykorzystać – o czym za chwilę). To oznacza, że jeśli biogazownia produkuje np. 10 000 m³ biogazu na dobę, to potencjalnie jest w stanie wygenerować z tego rzędu 20–30 MWh prądu dziennie. W skali roku daje to bardzo duże liczby – przykładowo instalacja o mocy elektrycznej 1 MW, pracująca prawie ciągle, wytworzy około 8 milionów kWh (8 GWh) energii elektrycznej rocznie. Taka ilość energii odpowiada rocznemu zapotrzebowaniu kilkuset gospodarstw domowych na prąd.

Należy pamiętać, że uzyskanie pełnej mocy i wydajności wymaga stopniowego rozruchu i wprawienia systemu w stabilny tryb pracy. Podczas uruchomienia biogazowni fermentacja startuje na mniejszą skalę i dopiero po pewnym czasie osiąga zakładaną wydajność biogazu, a tym samym docelową produkcję energii elektrycznej. Po fazie rozruchu kluczowe jest bieżące monitorowanie parametrów i ewentualne korekty procesu (np. dawki substratu, parametry techniczne generatora) – pozwala to utrzymać produkcję prądu na najwyższym możliwym poziomie w sposób ciągły.

Ciepło z kogeneracji biogazowej

Drugim produktem energetycznym biogazowni jest energia cieplna. Powstaje ona równolegle z prądem w procesie kogeneracji – silnik spalający biogaz wydziela duże ilości ciepła (poprzez spaliny i układ chłodzenia), które można odzyskać. W typowym agregacie kogeneracyjnym na biogaz sprawność elektryczna wynosi ok. 35–40%, natomiast sprawność cieplna to dodatkowe 40–50%. Oznacza to, że oprócz prądu, mniej więcej druga tyle samo energia wychodzi w postaci ciepła. Przykładowo, jeśli biogazownia produkuje 8 GWh prądu rocznie, to jednocześnie generuje z grubsza od 8 do 12 GWh ciepła rocznie. Wartość ta może nawet przewyższać produkcję elektryczną, w zależności od konstrukcji jednostki kogeneracyjnej.

Wytworzone ciepło jest wykorzystywane na różne sposoby. Przede wszystkim część energii cieplnej zużywana jest wewnętrznie przez samą biogazownię – fermentatory trzeba podgrzewać do odpowiedniej temperatury (np. ~38–40°C w procesie mezofilowym) i utrzymywać cieplnie, zwłaszcza zimą. Jednak zazwyczaj biogazownia produkuje więcej ciepła, niż potrzebuje na własne cele technologiczne. Nadwyżki ciepła mogą być zagospodarowane lokalnie, co jest dużą korzyścią: można ogrzewać budynki mieszkalne, chlewnie, szklarnie lub wykorzystać je w procesach przemysłowych (np. suszenie ziarna, drewna czy innych materiałów). Niektóre biogazownie są podłączone do lokalnych sieci ciepłowniczych, dostarczając tańsze ciepło do okolicznych domów. Niestety, jeśli nie ma możliwości sensownego wykorzystania tego ciepła na miejscu lub w pobliżu, część energii cieplnej bywa marnowana (np. oddawana do otoczenia przez chłodnice). Mimo to, z punktu widzenia efektywności energetycznej, bardzo korzystne jest znajdowanie odbiorców dla ciepła z biogazowni – zwiększa to ogólną sprawność wykorzystania substratów i poprawia ekonomię całego przedsięwzięcia.

Biometan – oczyszczony biogaz jako paliwo gazowe

Choć standardowo biogaz wykorzystuje się do produkcji energii na miejscu, istnieje także możliwość przekształcenia go w biometan – czyli oczyszczony biogaz o parametrach zbliżonych do gazu ziemnego. Proces ten polega na usunięciu z biogazu dwutlenku węgla, siarkowodoru oraz wilgoci, tak aby pozostał niemal czysty metan (CH₄) o wysokiej koncentracji (ok. 97%+). Otrzymany biometan ma wartość opałową porównywalną z gazem sieciowym i może być wtłaczany bezpośrednio do gazociągów lub sprężany w formie bioCNG (paliwo do pojazdów) czy skraplany jako bioLNG.

W Polsce technologia biometanowa dopiero zaczyna się rozwijać, ale w wielu krajach UE działa już setki biogazowni wyposażonych w moduły oczyszczania biogazu. Biogazownia produkująca biometan dostarcza więc gaz jako produkt końcowy, zamiast energii elektrycznej na miejscu. Jeśli chodzi o ilości, to z uwagi na usunięcie CO₂ objętość gazu się zmniejsza – np. z 1000 m³ surowego biogazu (przy 60% CH₄) otrzymujemy około 600 m³ biometanu gotowego do wprowadzenia do sieci. Jednak całkowita zawartość energii pozostaje prawie taka sama (skupiona w mniejszej objętości metanu). Produkcja biometanu opłaca się zwłaszcza wtedy, gdy istnieje infrastruktura gazowa do odbioru paliwa lub zapotrzebowanie na biogaz w transporcie. Dzięki biometanowi biogazownia może zasilić nawet tysiące gospodarstw domowych w gaz do gotowania czy ogrzewania, albo umożliwić tankowanie dziesiątek autobusów miejskich paliwem odnawialnym. Obecnie coraz więcej biogazowni może przechodzić na model produkcji biometanu, gdyż uniezależnia to wytwarzanie energii od lokalnych uwarunkowań (gaz można przesłać daleko rurociągiem lub w cysternach).

Poferment – nawóz z biogazowni

Oprócz energii, bardzo ważnym produktem biogazowni jest poferment, czyli inaczej masa pofermentacyjna powstała po odebraniu z niej biogazu. Jest to substancja, która pozostaje z przerobionych substratów – zawiera części nie rozłożone przez bakterie, ich biomasa oraz większość składników mineralnych pierwotnie obecnych w wsadzie. Poferment ma postać płynną lub półpłynną (gęsta pulpa) i stanowi znakomity nawóz organiczny dla rolnictwa. Zawiera on cenne dla roślin makroelementy: azot, fosfor, potas, a także mikroelementy, przy jednoczesnym dużo mniejszym odczynie zapachowym niż surowy obornik czy gnojowica. W procesie fermentacji większość patogenów i nasion chwastów zostaje unieszkodliwiona, dzięki czemu poferment jest bezpieczniejszy dla gleby i upraw.

Ilości pofermentu powstające w biogazowni są zbliżone do ilości substratów podawanych do fermentacji, zważywszy że niemal cała masa trafiająca do komory (zwłaszcza woda) wraca w postaci pofermentu. W trakcie fermentacji tylko część suchej masy organicznej ulega zamianie w biogaz (wprowadza do atmosfery po spaleniu jako CO₂ i para wodna). Większość pierwiastków (w tym wszystkie składniki nawozowe) zostaje w płynie pofermentacyjnym. Przykładowo, jeśli biogazownia przerabia 30 t substratu dziennie, to dziennie uzyskuje niewiele mniej niż 30 t pofermentu (z niewielką redukcją masy w wyniku uwolnienia gazów). Po odwodnieniu czy odparowaniu części wody ilość ta może być mniejsza, ale wciąż mówimy o bardzo dużych objętościach. Dlatego ważnym aspektem jest posiadanie odpowiednich zbiorników na poferment oraz planu jego zagospodarowania. Zwykle biogazownia udostępnia poferment okolicznym rolnikom, którzy rozlewają go na pola jako nawozy. Często bywa tak, że biogazownia odbiera od rolników gnojowicę czy obornik jako substrat, a w zamian oddaje im po pewnym czasie ekwiwalentną ilość przefermentowanego nawozu. Rolnicy chętnie z tego korzystają, gdyż poferment ma wyższą wartość nawozową i znacznie ograniczony fetor w porównaniu do surowych odchodów zwierzęcych.

W niektórych instalacjach dokonuje się separacji pofermentu na frakcję stałą i ciekłą. Frakcja stała (włóknista, suchsza) może być dodatkowo kompostowana lub suszona – powstaje wtedy nawóz stały lub polepszacz gleby, który można łatwiej transportować lub pakować w big-bagi. Ciekła frakcja zaś jest rozlewana na polach przy użyciu cystern lub systemów irygacyjnych. Tak czy inaczej, wykorzystanie pofermentu zamyka obieg materii w cyklu rolniczym: składniki pokarmowe wracają do gleby, poprawiając żyzność, a jednocześnie ograniczamy użycie sztucznych nawozów. To ważny efekt środowiskowy działania biogazowni – ograniczenie emisji związków azotu do wód i gleby (bo poferment aplikuje się precyzyjnie) oraz redukcja metanu ulatniającego się z miejsc magazynowania odchodów zwierzęcych (biogaz został wychwycony i spalony w kontrolowany sposób).

Podsumowanie

Biogazownia jest zatem źródłem wielu pożytecznych produktów. Najważniejszym z nich jest biogaz, który można wykorzystać energetycznie na różne sposoby – czy to na miejscu, produkując prąd i ciepło, czy po oczyszczeniu jako biometan do zasilania sieci gazowej lub pojazdów. Drugim namacalnym produktem jest nawóz pofermentacyjny, pozwalający na efektywne zagospodarowanie pozostałości i wzbogacenie gleby. Pytanie „co produkuje biogazownia” można więc podsumować następująco: produkuje ona czystą energię w zróżnicowanych formach oraz nawóz, wpisując się idealnie w ideę gospodarki obiegu zamkniętego. Ilości tych produktów są imponujące – już średnia instalacja może zapewnić energię dla setek domów i nawozy dla wielu hektarów pól. Oczywiście, aby osiągnąć taką wydajność i korzyści, biogazownia musi być od początku dobrze zaplanowana i prowadzona. Właściwy dobór mocy i substratów, uzyskanie stosownych pozwoleń, fachowe uruchomienie oraz ciągła optymalizacja procesu stanowią klucz do sukcesu. Dzięki temu biogazownia będzie działać bezpiecznie, zgodnie z przepisami i jednocześnie maksymalnie efektywnie, dostarczając wartościowe produkty zarówno dla inwestora, jak i dla środowiska.