Od błędnych ogników po prąd z gnojowicy
czyli słów kilka o biogazowniach rolniczych (cz. 1)

W związku z tym, że wciąż – do końca roku 2023 lub do wyczerpania środków – można składać wnioski o dofinansowanie w ramach programu „Energia dla wsi”, chcieliśmy przybliżyć Państwu zagadnienia związane z mikrobiogazowniami rolniczymi.

tekst: Agnieszka Antczak

Znacie bajki o błędnych ognikach na bagnach? Pojawiały się w nocy i zwodziły zabłąkanych podróżnych na manowce… W XVII wieku Jan Baptysta van Helmont z Brukseli odkrył, że ogniki pojawiają się za sprawą „błotnego gazu”. Ponad 100 lat później Alessandro Volta zajął się tą sprawą i udowodnił, że gaz wydobywający się z gnijącej materii organicznej pali się tym silniej, im więcej jest tej materii. Kolejne 30 lat później zidentyfikowano metan w mieszaninie gazów fermentującej gnojowicy bydlęcej.

Asyryjczycy i Persowie nie mieli nawet pojęcia o metanie, a już w X wieku używali biogazu do ogrzewania łaźni. W Polsce, w XIX-wiecznym pałacu Marianny Orańskiej w Kamieńcu Ząbkowickim (tak, tak, to ten sam Kamieniec, gdzie mamy słynny OHZ) biogazem z końskiego łajna ogrzewano pokoje oraz oświetlano parkowe alejki. Przed II wojną światową w poznańskiej oczyszczalni ścieków produkowano też, na lokalne potrzeby, biogaz.

Lepiej późno niż później…

Dobrze się stało, że widać powrót do produkcji biogazu. Biogazownie są niesamowitymi instalacjami, biorąc pod uwagę, jak wiele korzyści można uzyskać posługując się prostymi rozwiązaniami.

Dzięki osadzeniu procesu fermentacji w kontrolowanych warunkach, systemowi rur i rurek oraz pompy i silnika (lub silników) spalinowego możemy uzyskać energię elektryczną i cieplną. Uzyskamy ją, przetwarzając uciążliwe dla środowiska i nosa odchody zwierzęce (oczywiście, nie tylko, będzie jeszcze o tym mowa), które, po przejściu całego procesu, stają się prawie bezwonnym, cennym nawozem, który możemy wywozić na pola niezależnie od pory roku.

Ponieważ pozyskiwanie metanu i pozostałych gazów z fermentacji odchodów odbywa się w zamkniętej komorze fermentacyjnej, gazy cieplarniane nie przedostają się do środowiska – poza sytuacjami, w których dochodzi do awarii, rzecz jasna. Ale nawet w wypadku awarii biogazowni skutki nigdy nie będą tak dotkliwe, jak w przypadku awarii elektrowni, np. atomowej.

Biogaz jest mniej uciążliwy dla środowiska niż gazy ulatniające się ze stert obornika lub lagun z gnojowicą. Zresztą, nawet jeśli gnojowica jest przechowywana w przykrytych zbiornikach, przy tradycyjnej metodzie aplikacji rozbryzgowej metan będzie i tak się ulatniał, podobnie jak z nieprzyoranego natychmiast obornika.

Korzystanie z biogazowni rolniczych uniezależnia nas od innych źródeł energii – przede wszystkim od paliw kopalnych, a w szczególności – od importowanych paliw kopalnych. Ale nie tylko. W porównaniu z energią pozyskiwaną z fotowoltaiki produkcja energii z biogazowni rolniczych cechuje się stabilnością. Produkcja energii z fotowoltaiki wykazuje duże wahania, w zależności od intensywności nasłonecznienia. Jeśli wszyscy sąsiedzi wokół mają instalacje fotowoltaiczne, możliwe są nawet szczytowe przepięcia powodujące wyłączenia prądu, najczęściej ze względu na nieprawidłowe zaprojektowanie lub zainstalowanie inwertera prądu stałego na zmienny. Ryzyko przepięć może wzrastać także, jeśli nieterminowo wykonywane są przeglądy konserwacyjne instalacji.

Praca biogazowni jest stabilna, dzięki stałej podaży substratu poddawanego fermentacji.

Substrat jest najważniejszy

Naszych hodowców zapewne najbardziej interesują biogazownie przetwarzające gnojowicę lub obornik, ale możliwe jest także wykorzystywanie innej materii organicznej – produktów ubocznych rolnictwa, biomasy leśnej, resztek przemysłu warzywno-owocowego, na potrzeby biogazowni uprawia się nawet kukurydzę na kiszonkę. W biogazowniach rolniczych nie można fermentować surowców pochodzących ze składowisk odpadów ani z oczyszczalni ścieków.

Określenie dostępności substratu do fermentacji jest podstawowym, kluczowym elementem podejmowania decyzji o instalacji biogazowni.

Hodowcy bydła mają zwykle dostęp do obornika lub gnojowicy. Są to bardzo dobre substraty dla biogazowni. Oba mogą być zagospodarowane – gnojowica w technologii fermentacji mokrej, a obornik w fermentacji suchej perkolacyjnej.

Jak to działa?

Fermentacja mokra
Biogazownie oparte na fermentacji gnojowicy (fermentacja mokra) składają się z hermetycznych elementów: cylindrycznego fermentatora (reaktora) oraz stożkowatego, elastycznego zbiornika na biogaz. Do reaktora rurami doprowadzana jest gnojowica ze zbiorników przy oborze. Zasilanie reaktora gnojowicą odbywa się automatycznie. Wewnątrz reaktora mikroorganizmy rozkładają substancje organiczne w warunkach beztlenowych. Powstający w ten sposób gaz, będący mieszaniną głównie metanu, dwutlenku węgla i mniejszej ilości innych gazów, np. siarkowodoru, gromadzi się w kopule reaktora. Stąd jest odprowadzany, np. do silnika działającego na gaz, połączonego z prądnicą, która wytwarza prąd. Wytworzona w ten sposób energia elektryczna przesyłana jest do obiektów wymagających zasilania i/lub do sieci energetycznej. Wyprodukowana przy okazji energia cieplna może być przesyłana do ogrzewania mieszkania, do suszarni, a w bardziej skomplikowanych technologiach można ją wykorzystać w chłodziarkach absorpcyjnych do produkcji chłodu.

Ponieważ produkcja biogazu zależy od aktywności bakterii, należy stale zasilać reaktor nową porcją gnojowicy – mówi się o dokarmianiu biogazowni. Aby zrobić miejsce na świeży substrat, część odgazowanej zawartości fermentatora – tzw. pofermentu – odprowadzana jest regularnie do kolejnego zbiornika (często w gospodarstwach są to zbiorniki, w których wcześniej gromadzono gnojowicę, tylko przykryte). Poferment jest cennym nawozem, ponieważ zawiera resztki roślinne, białka, tłuszcze, węglowodany, składniki mineralne pochodzenia organicznego, takie jak azot, fosfor, potas i inne mikroelementy, no i wodę. Poferment nie jest wprawdzie zupełnie bezwonny – jak czasem można usłyszeć – ale jest pozbawiony odorów charakterystycznych dla gnojowicy. Można śmiało powiedzieć, że ma niedrażniący zapach – w każdym razie nie należy do uciążliwych.

Fermentacja sucha
Fermentacji suchej perkolacyjnej poddawane są substraty suche, jak obornik, odpady zielone oraz stałe odpadki z przetwórni owoców i warzyw. Fermentacja przebiega w kontenerach. Napełnianie kontenerów odbywa się za pomocą ładowaczy, co zabiera trochę czasu. Metoda pozyskiwania metanu w komorach perkolacyjnych polega na stałym przepłukiwaniu masy obornika płynem (perkolatem), który krąży w obiegu zamkniętym aż do momentu, w którym produkcja biogazu wyraźnie się zmniejsza i dalszy proces przepłukiwania nie ma uzasadnienia ekonomicznego. Pozostałości obornika, pozbawione gazów – a w szczególności metanu – nadają się do nawożenia.

Mierzymy siły na zamiary

Przy podejmowaniu decyzji o inwestowaniu w budowę biogazowni należy przede wszystkim ustalić, czy będziemy dysponować stałym dostępem do substratu. Jak podkreślają specjaliści, jest to najważniejszy warunek do spełnienia. Nie bez racji pierwsze biogazownie – budowane z betonu silosy – nazwane zostały „betonową krową”, a procesy doprowadzania substratu do produkcji biogazu nazywa się „dokarmianiem biogazowni”. Podobnie jak w żwaczu krowy, w fermentatorze biogazowni za wszystkie procesy odpowiadają bakterie, które rozwijają się i pracują na naszą korzyść, dopóki mają dostęp do pożywienia. Praca bakterii polega na rozkładaniu – w warunkach beztlenowych – związków organicznych, a przy okazji wydziela się metan. Trzeba pamiętać, że biogazowni – „betonowej krowy” – nie można bez konsekwencji wyłączyć na tydzień czy dwa – tak jak nie da się przerwać żywienia prawdziwego zwierzęcia.

Dostępność substratu decyduje o mocy biogazowni. Rolnicze biogazownie mogą osiągać moc od 10 kW do 1 MW energii. Na razie zajmiemy się kategorią mikrobiogazowni rolniczych, czyli takich o mocy do 50 kW.

W zależności od dostępności substratu możemy ustalić, na jak dużą biogazownię możemy sobie pozwolić. Małe, o mocy 10 kW, wymagają co najmniej 2 tys. ton gnojowicy w roku lub od 800 ton obornika/rok, a taka o mocy 40 kW – od 7 tys. do 9 tys. ton gnojowicy lub 2 tys. ton do 3 tys. ton obornika. Gnojowica powinna mieć w granicach 4–12% suchej masy, a obornik – minimum 15% suchej masy.

Niezależnie od tego, jaki substrat będzie wykorzystywany w biogazowni, należy zbadać go pod kątem zawartości suchej masy, potencjału biogazowego, inhibitorów, związków siarki – zarówno w substracie, jak i w biogazie – oraz zawartości metanu w biogazie.

Szczególnie obecność inhibitorów (dezynfektantów i antybiotyków) w substracie może być zabójcza – dosłownie – dla biogazowni. Przedostanie się do fermentatora środków dezynfekcyjnych, np. antybiotyków czy siarczanu miedzi, wciąż stosowanego do dezynfekcji racic, może zabić bakterie i całkowicie wygasić produkcję biogazu. Ratunkiem jest wtedy zasiedlenie fermentatora materiałem z innej pracującej biogazowni. Czy nie przypomina to leczenia ciężkich postaci niestrawności zasadowej u krów, gdy zaleca się dokonanie wlewu z treści żwacza, pozyskanego od zdrowej krowy?…

Pamiętać należy także, że budowa mniejszej biogazowni nie oznacza, że poczynimy jakieś znaczne oszczędności. Koszty transportu i elementów konstrukcyjnych są podobne, niezależnie od tego, czy budujemy biogazownię na 10 kW, czy na 50 kW.

Dalsze szczegóły dotyczące mikrobiogazowni rolniczych będzie można znaleźć w kolejnym artykule. 