mgr inż. Tomasz Bacza specjalność elektro-energetyka

Coraz ważniejszą alternatywą dla energetyki opartej na paliwach takich jak węglowodory czy węgiel jest energetyka pochodząca ze źródeł odnawialnych (OZE - odnawialne źródła energii). W Polsce ze źródeł odnawialnych pochodzi zaledwie 2,5% energii, choć jest to i tak dwa razy więcej, niż prognozowano to jeszcze 3-5 lat temu. W krajach Unii Europejskiej udział energetyki odnawialnej sięga 6% i w różnych krajach różnie to wygląda. Od Szwecji czy Austrii, gdzie energetyka ze źródeł odnawialnych stanowi około 25% wykorzystywanych zasobów, po Niemcy czy Holandię, gdzie źródła odnawialne nie osiągają nawet 2% udziału. Rząd przyjął "Strategię rozwoju energetyki odnawialnej", która określa, iż w ciągu najbliższych kilkunastu lat energetyka oparta na odnawialnych źródłach energii stanie się ważnym składnikiem bilansu energetycznego. Szacuje się, że do roku 2020 udział OZE sięgnie 14%. Unia Europejska w Białej Księdze nałożyła na kraje kandydujące do tej organizacji obowiązek osiągnięcia w 2010 roku 12-procentowego udziału OZE w bilansie energetycznym kraju. - Nie można przecenić znaczenia przyjętej przez rząd "Strategii rozwoju energetyki odnawialnej, jej realizacja pozwoli nie tylko na zwiększenie udziału OZE w bilansie energetycznym, ale również na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 18 mln ton rocznie oraz stworzy dodatkowo 30-40 tys. miejsc pracy.

Biomasa stanowi największą nadzieje do wykorzystania jej jako paliwa i też ponad 98% energii ze źródeł odnawialnych pochodzi właśnie z biomasy. Są to zarówno gazy pochodzące z procesów fermentacyjnych na składowiskach odpadów czy pochodzące z fermentacji metanowej odchodów, jak i wierzby hodowane z przeznaczeniem na spalanie, olej rzepakowy, alkohol czy słoma. Powstający w taki sposób tzw. gaz generatorowy może być spalany w silnikach tłokowych lub w turbinach gazowych. W Polsce zarejestrowanych jest obecnie ponad 700 składowisk odpadów. Na większości z nich nie ma kontroli emisji gazów wysypiskowych. Około 100 dużych składowisk odpadów komunalnych nadaje się bardzo dobrze do zorganizowanego odzysku gazów wysypiskowych. Już dzisiaj łączna moc instalacji wytwarzających energię z wykorzystaniem gazu wysypiskowego daje 5,44 MW energii elektrycznej oraz 3,5 MW energii cieplnej. Dużym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie biogazu pochodzącego z oczyszczalni ścieków. W Polsce od 1994 roku zainstalowano 30 biogazowni, a ich całkowita moc wynosi 14,5 MW energii elektrycznej oraz 24,4 MW energii cieplnej. Potencjalne możliwości energetyki opartej na biopaliwach wynoszą w skali roku blisko 900 PJ, a wykorzystywane jest nieco ponad 100 PJ.

CO TO JEST BIOGAZ ?

Biogaz nadający się do celów energetycznych może powstawać w procesie fermentacji beztlenowej

• odpadów zwierzęcych w biogazowniach rolniczych,
• osadu ściekowego na oczyszczalniach ścieków,
• odpadów organicznych na komunalnych wysypiskach śmieci.

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. Biogaz składa się głównie z :

• metanu (CH₄) - 55-70%,
• dwutlenkuwęgla (CO₂) - 32-37% ,
• azotu(N₂)- 20,2-0,4%
• siarkowodoru (H₂S) - 60mg/m³ przed odsiarczaniem i poniżej 0,1mg/m³ po wykonaniu tego zabiegu.

Aktualne techniczne możliwości wykorzystania energii zawartej w biogazie są następujące:

• produkcja energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach,
• produkcja energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych,
• produkcja energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych(kogeneracji),
• dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej,
• wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych/pojazdów,
• wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.

Wykorzystanie powstałego w procesie fermentacji beztlenowej biogazu jako wysokoefektywnego paliwa do wytwarzania energii cieplnej wymaga linii technologicznej umożliwiającej:

• Odbiór biogazu z komór fermentacyjnych,
• Oczyszczenie mechaniczne i odsiarczanie biogazu,
• Magazynowanie biogazu w zbiornikach stabilizującym ciśnienie,
• Osuszanie biogazu poprzez odwadnianie kondensatów pary wodnej,
• Osuszanie końcowe biogazu z zanieczyszczeń mechanicznych na wysoko sprawnych filtrach przepływowych,
• Spalanie biogazu robocze ( silnik, piec),
• Spalanie biogazu awaryjne (pochodnia).

Spalanie biogazu w silnikach gazowych z zapłonem iskrowym zespołów prądotwórczych umożliwia wykorzystanie energii zawartej w biogazie do wytwarzania energii elektrycznej, a niezależnie od tego energii cieplnej uzyskiwanej wtórnie w postaci np. wody gorącej o parametrach 90/70 0C. Możliwości zagospodarowania energii są nieograniczone, od pokrycia potrzeb własnych oczyszczalni po sprzedaż do zakładu energetycznego. Praca agregatów możliwa jest ze zmiennym obciążeniem w zależności od aktualnej produkcji biogazu, utrzymując minimalną wartość ciśnienia biogazu przed silnikami. Proces jest możliwy do prowadzenia w układzie automatyki, jak również ze sterowaniem ręcznym.

Oczyszczalnia Tychy - Urbanowice

Produkcja i wykorzystanie biogazu w chwili obecnej.

Przy wysokim uwodnieniu osadów oraz źle funkcjonującym mieszaniu objętości ZKF produkcja biogazu była niska i wynosiła około 1500 m3/d. Niska ilość gazu i niestabilność procesu fermentacji powodowała że gaz ledwie pokrywał potrzeby procesu fermentacji Po uruchomieniu zgęszczacza mechanicznego wzrosła do około 2500 m3/d. Biogaz jest spalany w kotłach oryginalnie przystosowanych do opalania koksem, które po zastosowaniu nadmuchowych palników gazowych nie uzyskują wysokich sprawności cieplnych. Aktualnie oczyszczalnia nie dysponuje innym sposobem jak spalenie nadmiarowego gazu w pochodni. W okresie letnim, przy obniżonym zapotrzebowaniu na energię cieplną problem ten staje się szczególnie dotkliwy. W obecnych czasach problem racjonalnego zagospodarowania biogazu nabiera szczególnej wagi.

Założenia III etapu modernizacji oczyszczalni w zakresie wykorzystania biogazu.

• Odsiarczalnia biogazu
  

  Biogaz produkowany w zamkniętych komorach fermentacyjnych zbierany jest do wspólnego kolektora a następnie po odwodnieniu w odwadniaczu kierowany jest do reaktorów odsiarczania. Odsiarczanie prowadzi się przy użyciu rudy darniowej w cylindrycznych absorberach o średnicy 2 m i wysokości 4. Układ technologiczny składa się z trzech równolegle włączonych absorberów. Wypełnienie reaktora odsiarczania powinno być kontrolowane z częstotliwością minimum raz w miesiącu a zużyty tlenek żelaza należy okresowo usuwać i podawać regeneracji.

• Magazynowanie biogazu
  

  Po odwodnieniu i odsiarczeniu biogaz jest wprowadzany do elastycznego dwu-powłokowego zbiornika magazynowego o pojemności 1720 m3. Magazynowanie biogazu ma miejsce w wewnętrznej powłoce. Do przestrzeni między powłokowej wtłaczane jest wentylatorem powietrze, ciśnienie w tej strefie tłoczy biogaz z wewnętrznej powłoki do odbiorników. Zbiornik zabezpiecza zmagazynowanie 6 godzinnej produkcji biogazu.

• Bioelektrociepłownia
  

  W zmodernizowanej technologii oczyszczalni w Tychach - Urbanowicach przewidywane jest wykorzystanie biogazu do skojarzonego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej. Biogaz kierowany jest pod ciśnieniem wytwarzanym w zbiorniku gazu do silników sprzężonych generatorami energii elektrycznej. Gaz przed zasilaniem silników oczyszczany jest w filtrze ceramicznym. Ciepło odbierane z układ chłodzenia silnika oraz spalin przekazywane jest strumienia wody obiegowej układu grzewczego komór fermentacyjnych i CO oczyszczalni. Łączna sprawność energetyczna wykorzystania biogazu wynosi 82-90 % z czego na produkcję energii elektrycznej przypada około 35 %.Przy docelowej produkcji biogazu na poziomie 5500 m³/d możliwe jest uzyskanie około 500kW energii elektrycznej i około 800 KW energii cieplnej.

Według szacunkowych kosztów, zgodnie z projektem budowlanym wartość prac związanych z zagospodarowaniem biogazu wynosi ok. 3 mln zł w zakresie prac na oczyszczalni.

W celu jak najlepszej organizacji przedsięwzięcia, efektywności inwestycji planuje się łączne zagospodarowanie biogazu pochodzącego z oczyszczalni i przyległego składowiska odpadów komunalnych.

Aktualna produkcja biogazu na oczyszczalni Tychy - Urbanowicach wynosi ~ 2500 m3/dd. Produkowany biogaz jest wykorzystywany w niewielkim zakresie do produkcji energii cieplnej, która następnie wykorzystywana jest do ogrzewania komór fermentacyjnych i budynków oczyszczalni. Docelowa produkcja biogazu po wybudowaniu nowego WKF w roku 2005 będzie wynosić ~5500 m3/db.

Z biogazu o wartości opałowej 6 kWh/m3 można wyprodukować ~2,1 kWh energii elektrycznej i 3,4 kWh energii cieplnej, ( czyli proporcjonalnie 35 % i 53 % całkowitej ilości energii biogazu, pozostała reszta to starty).

Produkcja i skład biogazu z Oczyszczalni Ścieków w Tychach - Urbanowicach

Produkcja i skład biogazu z Składowiska Odpadów Komunalnych Tychy-Urbanowice

Uproszczona analiza ekonomiczna przedsięwzięcia.

Szacunkowe nakłady inwestycyjne wynoszą

Podjęcie przez Regionalne Centrum Gospodarki Wodno - Ściekowej S.A. przedsięwzięcia inwestycyjnego jest uzasadnione wówczas, kiedy wartość otrzymanych z niego dochodów jest większa od zaangażowanych w nie środków finansowych. Jak przedstawiono w obliczeniach w przypadku samodzielnego inwestowania przez RCGW S.A. zwrot nakładów w 4 roku inwestycji) , jednak wiąże się on ze znacznymi nakładami w ciągu pierwszy 3 lat inwestycji.