Biogazownia to kompletna instalacja, służąca do przetwarzania biomasy w biogaz. Proces, w wyniku którego powstaje biogaz, nazywany jest fermentacją metanową. Za jej przebieg odpowiadają bakterie żyjące w warunkach anaerobowych. W procesie fermentacji metanowej można wyróżnić 4 etapy:
- hydroliza - podczas której związki organiczne pod działaniem wody i enzymów ulegają rozkładowi do prostych związków organicznych;
- acidogeneza - faza powstawania kwasów organicznych, w której produkty hydrolizy ulegają dalszemu rozkładowi do kwasów tłuszczowych, takich jak octowy, propionowy, masłowy;
- octanogeneza - etap tworzenia kwasu octowego. W tej fazie następuje dalszy rozkład wyższych kwasów tłuszczowych do kwasu octowego. Podczas rozkładu materii organicznej do kwasów tłuszczowych, a później do kwasu octowego, wydzielają się m.in. dwutlenek węgla i wodór;
- metanogeneza - ze związków, powstałych w octanogenezie, bakterie metanowe syntezują metan w ostatnim etapie produkcji biogazu.
W komorze fermentacyjnej biogazowni wszystkie te etapy przebiegają równolegle. Obok siebie żyją mikroorganizmy odpowiedzialne za poszczególne etapy fermentacji. Połączone ze sobą zależnościami pokarmowymi żyją we względnej równowadze. Obecność wszystkich grup mikroorganizmów oraz ich właściwe proporcje warunkują właściwy przebieg fermentacji, a zatem również jakość otrzymanego biogazu. Zachwianie równowagi między mikroorganizmami skutkuje zmianą składu biogazu, nawet do całkowitej eliminacji metanu.
Skład biogazu
Głównymi składnikami biogazu są metan (ok. 40-70%) i dwutlenek węgla (30-60%). Ponadto obecne są niewielkie ilości wodoru, tlenku węgla, azotu oraz siarkowodoru. Pamiętać należy również, że biogaz jest gazem mokrym. Zawiera znaczne ilości pary wodnej.
Jak to działa?
Biogazownia składa się z części podającej substrat, komory fermentacyjnej, zbiornika magazynowego biogazu, zbiornika na przefermentowany substrat oraz urządzenia służącego do wykorzystania biogazu, np. agregatu kogeneracyjnego.
Sposób podawania substratu zależy od jego rodzaju:
- materiały sypkie, takie jak kiszonki z roślin, podawane są za pomocą specjalnych podajników, wyposażonych w przenośniki ślimakowe lub pompy tłokowe;
- substraty płynne, jak p.. gnojowica, wywar gorzelniany dostarczane są do niewielkiego zbiornika buforowego, z którego automatycznie przepompowywane są do komory fermentacyjnej.
Bardziej skomplikowany układ wstępnej obróbki substratów jest stosowany dla odpadów poubojowych, które są poddawane procesowi pasteryzacji lub higienizacji. Ze względów sanitarnych odbiór tych odpadów odbywa się w osobnym, zamkniętym budynku, tzw. hali przyjęć, wyposażonym w biofiltry usuwające odory. W zależności od kategorii, odpady mięsne są poddawane obróbce termicznej, o różnych parametrach, w pasteryzatorze. Po schłodzeniu do odpowiedniej temperatury całość biomasy kierowana jest do komory fermentacyjnej.
Komora fermentacyjna (fermentor)
To zbiornik, w którym zachodzi proces rozkładu materii organicznej i produkcji biogazu. Zwykle stanowi ją zamknięty zbiornik żelbetowy lub stalowy. W zależności od rodzaju substratu, jego właściwości fizyko-chemicznych i ilości przetwarzanego surowca, w biogazowni stosuje się niskie zbiorniki żelbetowe wyposażone w mieszadła boczne lub wysokie stalowe zbiorniki z pionowym mieszadłem. Właściwy dobór komory fermentacyjnej jest konieczny dla zapewnienia stałych warunków aktywności bakteriom metanowym w całej objętości zbiornika. Stąd niezwykle ważne jest optymalne mieszanie, co pozwala rozprowadzić równomiernie kolejne porcje substratu, utrzymać stałą temperaturę, pH, a także ma znaczenie dla uwalniania metanu. Istotna jest izolacja termiczna komory fermentacyjnej (proces może przebiegać efektywnie w określonych temperaturach, optymalnych dla rozwoju mikroorganizmów), a także ogrzewanie zawartości komory, zwłaszcza w miesiącach zimowych.
Zbiornik magazynowy
Biogaz uwalniany w komorze fermentacyjnej gromadzony jest w zbiorniku magazynowym. Zazwyczaj jest to dwumembranowy zbiornik, pełniący zarazem funkcję dachu dla zbiornika magazynującego przefermentowany substrat lub wtórnej komory fermentacyjnej (zależnie od układu technologicznego konkretnej biogazowni). Zbiornik biogazu zapewnia pojemność buforową dla urządzenia odbiorczego, np. agregatu kogeneracyjnego. Dzięki temu pomimo fluktuacji w produkcji biogazu, które są zjawiskiem typowym, urządzenie może pracować stabilnie. Agregat lub moduł kogeneracyjny to najpopularniejsze obecnie urządzenie służące do wykorzystania biogazu. Spalając gaz, produkuje ono jednocześnie prąd elektryczny oraz ciepło. Gaz dostarczany do niego powinien zostać osuszony i pozbawiony siarkowodoru, ponieważ w połączeniu z parą wodną tworzy kwas siarkowodorowy oraz w konsekwencji powoduje groźne uszkodzenia urządzeń. Usuwanie siarkowodoru w biogazowniach przebiega zazwyczaj w komorze fermentacyjnej lub w zbiorniku biogazu za pomocą metod biologicznych. Para wykraplana jest między zbiornikiem biogazu a urządzeniem kogeneracyjnym w elementach instalacji lub specjalnym odwadniaczu.
Oprócz biogazu w wyniku fermentacji powstaje ciecz o zawartości kilku do kilkunastu procent suchej masy. Jest to substancja o wysokich walorach nawozowych. Znajdują się w niej pierwiastki wchodzące w skład biomasy, a nie biorące bezpośredniego udziału w tworzeniu biogazu, takie jak: azot, fosfor, potas, magnez, wapń i inne. Wiele spośród nich występuje w postaci zdysocjowanych soli, przez co stają się łatwo dostępne dla roślin. Najczęściej przefermentowany substrat (fermentat) wykorzystywany jest jako płynny nawóz. Ze względu na ograniczenia stosowania nawozu np. w okresie zimowym, konieczny jest zbiornik o wystarczającej pojemności, aby przechować nawóz do czasu jego rozlewania. Każda biogazownia powinna być zaopatrzona w taki zbiornik.
1. W biogazowniach jako substratów używa się organicznych materiałów wsadowych, takich jak odpady spożywcze, tłuszcze lub osad ściekowy.
2. Do produkcji biogazu wykorzystuje się również gnojowicę i obornik.
3. Surowce roślinne, np. kukurydza, buraki lub trawa, służą za pokarm zarówno zwierzętom – krowom i świniom – jak i mikroorganizmom w biogazowniach.
4. W fermentorze o temperaturze ok. 38-40°C pozbawione światła i tlenu substraty są rozkładane przez mikroorganizmy. Produktem końcowym fermentacji jest biogaz z metanem jako głównym składnikiem. Biogaz zawiera także żrący siarkowodór. Fermentor ze stali szlachetnej ma przede wszystkim tę zaletę, że jest odporny na działanie siarkowodoru i można z niego korzystać przez dziesięciolecia. Ponadto umożliwia on eksploatację biogazowni w termofilnym zakresie temperatur (do 56°C).
5. Przefermentowany substrat przepompowuje się do magazynu resztek pofermentacyjnych, skąd jest pobierany do dalszego wykorzystania.
6. Resztki można wykorzystać jako wysokiej jakości nawóz. Zaletą gnojowicy biogazowej jest fakt, że charakteryzuje się mniejszą lepkością i szybciej wnika w podłoże. Poza tym resztki pofermentacyjne mają często większą wartość nawozową i odznaczają się mniej intensywnym zapachem.
7. W grę wchodzi także suszenie i późniejsze wykorzystanie w postaci nawozu suchego.
8. Powstający biogaz jest magazynowany w dachu zbiornika.
9. Następnie spalany w elektrociepłowni blokowej w celu wytworzenia prądu i ciepła.
10. Prąd jest przesyłany bezpośrednio do sieci elektrycznej.
11. Powstałe ciepło można wykorzystać do ogrzewania budynków lub suszenia drewna bądź plonów.
12. Oczyszczanie.
13. Zasilanie.
Automatyka sterowania.
Prowadzone reakcje wymagają dokładnej kontroli temperatury procesu i ciśnienia panującego w fermentatorze i zbiorniku gazu. Specyfika instalacji powoduje, że występuje zagrożenie pożarowe i wybuchowe, do którego może dojść w części reakcyjnej oraz w części instalacji odprowadzającej produkty gazowe. Dlatego konieczne jest wprowadzenie odpowiednich zabezpieczeń. Prawo nie stawia wymagań, co do poziomu niezawodności stosowanej automatyki, znacznie bezpieczniejszy w użytkowaniu jest jednak system sterowania oparty o sterowniki lokalne czy prowadzone na centralnym systemie typu DCS, wyposażone w układy automatycznie wyłączające instalację.
Uznaje się, że najpewniejszym rozwiązaniem monitoringu i sterowania jest centralny system DCS z wydzielonym układem blokadowym ESD zaprojektowanym do bezpiecznego zatrzymania instalacji w określonych sytuacjach, wynikających z wykonanej analizy HAZOP. Zastosowanie przy tym standardów SIL dla automatyki daje dużą pewność działania. Dobrym rozwiązaniem jest powiązanie układów detekcji przecieków substancji palnych i wybuchowych z systemem blokadowym.
Zabezpieczenia przeciwpożarowe.
W większości przypadków obowiązują ogólne przepisy przeciwpożarowe, czyli zabezpieczenia, które zależą od rodzaju i ilości zgromadzonych substancji palnych. Oceniając zabezpieczenie składowisk odpadów i zewnętrzne zabezpieczenia dla instalacji, musimy ich ściśle przestrzegać.
Od strony technologicznej zabezpieczenia dotyczą powstrzymania zaburzeń pracy instalacji. Szczególnym zagrożeniem jest konieczność awaryjnego upustu nadmiaru gazu. Nie ma możliwości natychmiastowego zatrzymania reakcji fermentacji, konieczny jest więc system ewakuacji przestrzeni gazowej z natychmiastowym spaleniem gazu – pochodnia.
W tym procesie produkcyjnym szczególnie należy pamiętać o zagrożeniu wybuchowym. Konieczne jest opracowanie Analizy Zagrożenia Wybuchem i Dokumentu Zabezpieczenia Przed Wybuchem i oczywiście spełnienie wszystkich ich zapisów.
W kontekście zabezpieczeń ze strony ubezpieczyciela pożądane jest wyposażenie instalacji w system detekcji stężeń wybuchowych (analizatory metanu).
Podsumowanie
W przypadku biogazowni konieczne jest wstępne zidentyfikowanie wymogów prawa obowiązujących dla poszczególnych instalacji. Inne obowiązują wymagania dla biogazowni rolniczych, a zupełnie inne dla instalacji zlokalizowanych na składowisku odpadów organicznych. Szczególnym przypadkiem są instalacje połączone z wykorzystaniem gazu wysypiskowego, wykorzystujące w produkcji ciepła bądź prądu gaz z różnych źródeł.
Największymi obostrzeniami prawa są objęte instalacje, wykorzystujące w procesie surowce sklasyfikowane jako odpady, gdzie obowiązują przepisy dla instalacji odzysku, czyli w praktyce konieczne jest spełnianie wszystkich przepisów ustawy o odpadach.
Najłagodniej traktowane (w prawie) są niewielkie biogazownie rolnicze, omija je praktycznie w całości ustawa o odpadach (pozostaje wytwarzanie odpadu ale to nie wymaga nawet decyzji administracyjnej) i prawo ochrony środowiska (odnośnie przepisów szczególnych).
Jeżeli interesują Was dodatkowe informacje dotyczące tego ubezpieczenia, prosimy o kontakt z autorem artykułu Robertem Sienkiewiczem: robert.sienkiewicz@warta.pl.
