Energia z odpadów cz.2 – Biogaz

Technologię biologicznego przetwarzania odpadów należą do najstarszych metod ich zagospodarowania. Nawet składowanie można podciągnąć do tej grupy, bo jest to nic więcej jak czekanie, aż odpady „w końcu” się rozłożą. Technologie biologicznego przetwarzania odpadów są więc stosunkowo dobrze poznane, a przez łączenie je z innymi (często z mechanicznym przetwarzaniem odpadów) możliwe jest ich kompleksowe zagospodarowanie.
Metody biologiczne są dedykowane dla frakcji odpadów ulegających biodegradacji czyli (zgodnie z ustawą O odpadach) odpadów ulegające rozkładowi tlenowemu i beztlenowemu przy udziela mikroorganizmów. Z punktu widzenia odzysku energii istotny jest szczególnie rozkład beztlenowy prowadzący do wytwarzania biogazu, choć teoretycznie energię można odzyskać także w inny sposób.
Do bardziej popularnych metod można wliczyć na przykład kompostowanie, czyli stabilizację tlenową. W jej wyniku otrzymujemy materiał stabilny sanitarnie i o dobrych właściwościach nawozowych. Teoretycznie taki kompost można spalić, ale w praktyce korzystniej jest wykorzystać go do poprawienia żyzności gleby.
Odzysku energii należy więc doszukiwać się bardziej w beztlenowym procesie fermentacji metanowej, której produktem jest min. biogaz. Niestety jest to trudne z punktu widzenia prawa, w myśl którego takie działanie odzyskiem energii nie jest.

Prawo i jego drobne niedoskonałości

Ustawa O odpadach jasno definiuje odzysk energii z odpadów jako termiczne przekształcanie odpadów w celu odzyskania energii. Termicznym przekształcaniem zaś jest spalanie lub inny proces „termicznego przetwarzania odpadów, w tym piroliza, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas tych procesów są następnie spalane”. Niestety procesu fermentacji metanowej nie można uznać, ani za spalanie, ani za inny proces termicznego przetwarzania* odpadów, a zatem nie jest również termicznym przekształcaniem odpadów. W konsekwencji prowadzi to do niemożności zakwalifikowania całego procesu jako odzysku energii, co mnie osobiście dziwi, bo na zdrowy rozsądek: substratem są odpady, a efektem końcowym (po spaleniu biogazu) energia. Jest to problem, gdyż zgodnie z ustawą O utrzymaniu czystości i porządku w gminach odpady komunalne muszą trafić** do odpowiednich instalacji: odzysku lub unieszkodliwienia. Skoro instalacji do wytwarzania biogazu nie można zakwalifikować jako instalację odzysku energetycznego z wyżej wymienionych powodów, to zgodnie z prawem odpady nie mogą do niej trafić. Brzmi jak błędne koło?
Na szczęście nie jest tak błędne jak by się wydawało, wystarczy tylko odpowiednio wcześnie skręcić w inną stronę. W definicji odzysku mieści się również słowo recykling, w szczególności recykling organiczny, który wg. ustawy o odpadach (art. 18, ust. 4) oznacza obróbkę tlenową, w tym kompostowanie, lub obróbkę beztlenową odpadów, które ulegają rozkładowi biologicznemu w kontrolowanych warunkach przy wykorzystaniu mikororganizmów, w wyniku której powstaje materia organiczna lub metan (biogaz). Trochę na około, ale jednak instalację do wytwarzania biogazu można uznać za instalację odzysku, a dokładniej za instalację recyklingu organicznego. Takie rozwiązanie nie jest dla mnie do końca intuicyjne (i wydaje mi się, że wynika po prostu z niedopatrzenia), ale niesie za sobą jeden zasadniczy plus: zgodnie z hierarchią postępowania z odpadami recykling jest „ważniejszy”  niż odzysk energii, co w niektórych sytuacjach może trochę uprościć wykorzystanie odpadów komunalnych właśnie na ten cel.

Fermentacja metanowa

Z prawnego i technicznego punktu widzenia biogazownia wykorzystująca odpady komunalne będzie pracowała na zasadzie zakładu MBP (mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów) z beztlenowym etapem ich przetwarzania biologicznego. Część mechaniczna w przypadku zmieszanych odpadów komunalnych jest o tyle ważna, że umożliwia wyselekcjonowanie frakcji odpadów, które biodegradacji nie ulegają, takich jak metale albo tworzywa sztuczne. Po drugie, część mechaniczna umożliwi również dodatkowe rozdrobnienie odpadów, co ułatwi ich dalsze przetworzenie. Część mechaniczna nie jest jednak obowiązkowa w przypadku biogazowni, szczególnie, jeśli ich wsadem są już wyselekcjonowane odpady zielone/biodegradowalne. Następną fazą jest część biologiczna, która polega na fermentacji metanowej. Ta zaś dzieli się na cztery etapy:
1. Hydroliza
2. Acydogeneza
3. Octanogeneza
4. Metanogeneza
Często pierwszy i drugi etap dla uproszczenia nazywany jest „fermentacją kwaśną”, a trzeci i czwarty „fermentacją metanogenną”. Jest to o tyle ważne, że znajomość procesów jakie zachodzą podczas każdego etapu umożliwi intensyfikację i wzrost wydajności produkcji biogazu (o czym zaraz się przekonacie). W każdym etapie udział biorą mikroorganizmy odmiennego typu i o odmiennych granicach tolerancji na parametry takie jak temperatura, zasolenie, pH, ilość substancji pokarmowych i toksycznych***. Dostosowując odpowiednie parametry do odpowiedniego etapu można produkować więcej biogazu lepszej jakości. Aby to osiągnąć technologicznie wprowadzono coś, co nazywamy fermentacją wielostopniową.


źródło: www.ogrzewnictwo.pl

Prymitywna fermentacja (jednostopniowa) odbywała się w jednym reaktorze, którego głównym celem było stworzenie warunków beztlenowych. Do dzisiaj czasem się używa tej metody (tzw. fermentacja w pryzmach), jednak jej wydajność pozostawia sporo do życzenia. Fermentacja wielostopniowa odbywa się w wielu reaktorach (jeden stopień = jeden reaktor), z których każdy jest dostosowany do przeprowadzania innego etapu fermentacji. Przykładowo, fermentacja dwustopniowa występuje, gdy używamy dwóch reaktorów z których pierwszy ma optymalne warunki do fermentacji kwaśnej, a drugi do metanogennej, z czego przez odpowiednie warunki rozumiem dobór wymienionych wcześniej parametrów. Naturalnie, po odpowiednim czasie materiał z jednego reaktora musi zostać przetransportowany do drugiego, aby cały cykl fermentacyjny mógł się zamknąć.
Sposób transportu materiału do fermentacji również jest źródłem jej następnego podziału: na fermentację suchą i mokrą.
Fermentacja mokra polega na nawilżeniu materiału (fermentowanej biomasy) aż do uzyskania konsystencji pozwalającej  na jej pompowanie przewodami, fermentacja sucha nie wymaga dodatkowego nawilżenia.

Przykładowa koncepcja działania zakładu MBP. Opcja I to kompostowanie, Opcja II to fermentacja metanowa. (EM = separator elektromagnetyczny).
źródło: „Biologiczne Przetwarzanie Odpadów” Andrzej Jędrczak, PWN, Warszawa 2007

Produkty fermentacji i ich zastosowanie

Wynikiem całego procesu są dwa produkty: pozostałość pofermentacyjna (stały) oraz biogaz (gazowy). Pozostałość pofermentacyjna zwykle ma odpowiednie parametry nawozowe i po dodatkowej obróbce (kompostowanie) może być z powodzeniem wykorzystana jako nawóz, w innym przypadku jako produkt stabilny sanitarnie może zostać bezpiecznie składowany, a możliwy jest również odzysk energii poprzez spalenie. Biogaz zaś jest mieszaniną gazów takich jak metan, dwutlenek węgla oraz w mniejszych ilościach np. siarkowodór, amoniak, azot, woda. Jego dalsze wykorzystanie energetyczne jest zależne głównie od zawartości metanu, który decyduje o końcowej wartości opałowej biogazu. Zawartość metanu zwykle wacha się od 50% do 75%. Uzyskany biogaz może być wykorzystany na trzy sposoby:
– spalenie z odzyskiem energii (cieplnej i elektrycznej)
– uszlachetnienie i wtłoczenie do gazociągu
– wykorzystanie jako paliwo samochodowe

Zielona energia

Oczywiście nie tylko odpady komunalne mogą stanowić wsad do biogazowni. Na ten cel (nawet bardziej) nadają się odpady rolnicze, osady ściekowe albo nawet specjalnie w tym celu hodowane uprawy – przetworzyć można biomasę każdego rodzaju.
Biogazownie nie są również jedynym miejscem, w jakim biogaz się wytwarza, gdyż ten pojawia się również na składowiskach odpadów. Dlaczego? Jeśli składowane są odpady ulegające biodegradacji, to w wyniku warunków beztlenowych jakie panują w złożu składowiska (które można postrzegać jako reaktor), zachodzi opisany wyżej proces fermentacji metanowej. Oczywiście nie jest on zbyt wydajny, gdyż zachodzi samoistnie, ponadto stanowi efekt uboczny – nie cel sam w sobie. Z tego też powodu często jest spalany nawet bez odzysku energii, co ma uniemożliwić jego przedostanie się do atmosfery. Byłoby to traktowane jako szkodliwa emisja, gdyż główny składnik biogazu (a właściwie w tym przypadku nazywa się to gazem wysypiskowym/składowiskowym), metan, jest gazem cieplarnianym, kilkanaście razy bardziej uciążliwym niż dwutlenek węgla.
Na koniec warto dodać, że biogaz uznawany jest za odnawialne źródło energii, a jego wykorzystanie może wiązać się z dodatkowym wsparciem finansowym ze strony systemu tzw. zielonych certyfikatów (o czym więcej napiszę w przyszłości).

Pozdrawiam, Jakub Szostakiewicz, odpadyblog.pl

 

* – przyznam, że mógłbym się kłócić o to, czy fermentacja metanowa jest procesem termicznego przetwarzania. Fakt faktem, fermentacja jest „delikatnie” ezgotermiczna, zresztą często manipuluje się tam temperaturą w celu uzyskania pożądanych parametrów. Ustawa nie definiuje termicznego przetwarzania, a zatem może to być kwestia jej interpretacji. Większość osób jednak fermentację uznaje za biologiczną (oczywiście jest to prawda), co w ich oczach automatycznie wykreśla ją z listy procesów termicznych.
** – napisałem to trochę „na skróty”, bo dokładnie, to selektywnie zebrane odpady muszą trafić do odpowiednich instalacji (odzysku lub unieszkodliwienia), a zmieszane muszą trafić do tzw. RIPOKów, które też muszą być takimi instalacjami, ale spełniają jeszcze dodatkowe wymagania.
*** – za substancję toksyczną (dla mikroorganizmów metanogennych) uważa się również tlen, ale jak już wspomniałem, proces powinien odbywać się beztlenowo. Sam tlen nie przeszkadza w pierwszych etapach fermentacji, gdzie jest nawet zużywany przez mikroorganizmy, dzięki czemu następne etapy mogą w ogóle zajść.

  • Witold

    Witam,

    Sam byłem sceptycznie nastawiony do tego całego biogazu i jego przetwarzania w energię, ale coś mnie skusiło żeby spróbować. Inwestycja może nie tania ale warto. Skontaktowałem się z firmą Mielec-Diesel Gaz i doradzono mi rozwiązanie wykorzystujące kogeneraję. Z odchodów w moim gospodarstwie wytwarzam biogaz i dzisiaj nie mam problemów z energią elektryczną i ciepłą woda a rachunki zeszły prawie do zera. Inwestycja się zwraca i za jakieś 14 miesięcy będę już na tym tylko zarabiał. Polecam tych gości. Adres agregaty-mielec.pl

    Pozdrawiam,
    Witold