Małe biogazownie w sektorze rolno-spożywczym

Sektor rolno-spożywczy charakteryzuje się wysokim zapotrzebowaniem na energię i dużą ilością wytwarzanych odpadów organicznych. Efektywność zarządzania energią i odpadami jest kluczowa szczególnie dla małych i średnich przedsiębiorstw i gospodarstw rolnych. Utylizacja odpadów organicznych w biogazowni może potencjalnie obniżyć koszty zagospodarowania odpadów, a wyprodukowana z biogazu energia elektryczna i cieplna – pokryć zapotrzebowanie przedsiębiorstwa lub gospodarstwa i w ten sposób sprawić, że stanie się ono energetycznie samowystarczalne.

Projekt Biogas3

Rozwój sektora biogazowego w różnych krajach UE jest silnie uzależniony od publicznych systemów wsparcia dla energetyki odnawialnej. Dobrze skonstruowane uregulowania w tym zakresie mogą stymulować jego rozwój, czego przykładem są Niemcy, gdzie wprowadzenie taryf gwarantowanych doprowadziło do znacznego wzrostu w sektorze biogazu – obecnie działa tam ponad 8 tys. biogazowni, z czego ok. 300 małych (<100 kW) w sektorze rolno-spożywczym. Istnienie taryf gwarantowanych czy innych systemów wsparcia publicznego doprowadziło jednak do dominacji dużych biogazowni, zaprojektowanych tak, by zmaksymalizować zyski ich operatorów. Przetwarzają one ogromne ilości substratów, rzędu kilkudziesięciu tys. ton rocznie. W większości przypadków przedsiębiorstwo rolno-spożywcze czy gospodarstwo rolne nie jest w stanie wytworzyć takiej ilości odpadów – a zarówno w Europie, jak i w Polsce sektor rolno-spożywczy zdominowany jest przez przedsiębiorstwa małe i średnie.

Projekt Biogas3 promuje koncepcję małych biogazowni produkujących energię elektryczną i/lub cieplną z odpadów wytworzonych przez małe i średnie przedsiębiorstwa rolno-spożywcze, w celu pokrycia własnego zapotrzebowania energetycznego (ewentualna sprzedaż nadwyżki energii może jednak być elementem mającym wpływ na ekonomikę przedsięwzięcia). Taka biogazownia, dostosowana do ilości i rodzaju wytwarzanych odpadów oraz wielkości konsumpcji energii elektrycznej i cieplnej, może się przedsiębiorcy opłacać niezależnie od istnienia i charakteru systemów wsparcia publicznego – dzięki oszczędności wydatków na energię i zagospodarowanie odpadów.

Potencjalne substraty do produkcji biogazu

Produkty uboczne i odpady z sektora rolno-spożywczego nadające się do produkcji biogazu w procesie fermentacji beztlenowej, obejmują przede wszystkim odpady z produkcji zwierzęcej i przetwórstwa owocowo-warzywnego, produkcji alkoholi, przemysłu olejowego i przetwórstwa zbóż. Nie wszystkie jednak posiadają parametry odpowiednie dla procesów fermentacji beztlenowej, dlatego istotne jest sprawdzenie np. stosunku C/N, zawartości NH4 i zawartości tłuszczu w substratach. Czasami ilość metanu otrzymywana z dwóch substratów osobno różni się od ilości uzyskiwanej z mieszaniny tych substratów. Przed uruchomieniem biogazowni konieczne jest laboratoryjne zbadanie potencjału produkcji biogazu z danej biomasy.

a) nawóz naturalny

Odchody zwierząt gospodarskich w postaci obornika czy gnojowicy stanowią ważne źródło biomasy dla biogazowni, i są jednymi z najczęściej wykorzystywanych substratów. Zwykle stosuje się obornik i gnojowicę pochodzące od świń, drobiu, bydła, owiec, koni i królików. Obornik ma dobry potencjał produkcji biogazu, jednak uzysk metanu różni się w zależności od gatunku zwierzęcia, świeżości i zawartości suchej masy. Gnojowica ma niższy potencjał produkcji metanu niż obornik z powodu niższej zawartość suchej materii organicznej, ale stanowi bogate źródło mikroelementów przydatnych w procesie metanogenezy. Ponadto gnojowica działa jak rozcieńczalnik w komorze fermentacyjnej. Osady z oczyszczalni ścieków pochodzących z hodowli bydła są także atrakcyjnym potencjalnym substratem fermentacyjnym do produkcji biogazu.

Tabela 1. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – nawóz naturalny. Źródło: BIOGAS3/RENAC

b) pozostałości z przetwórstwa owocowo-warzywnego

Niektóre procesy przetwórcze są źródłem szczególnie dużych ilości pozostałości organicznych, np. produkcja sosu pomidorowego, przetwarzanie owoców i warzyw, obróbka ziemniaków czy produkcja cukru. Produkty zgniłe lub przechowywane w nieodpowiednich warunkach nie powinny być jednak załadowywane do komory fermentacyjnej. Można używać liści i pędów roślin, jednak substrat nie powinien zawierać zbyt dużo błonnika, gdyż ten trudno poddaje się fermentacji. Największym problemem tej branży jest sezonowość w produkcji odpadów. W przypadku niektórych substratów można uniknąć tego problemu poprzez suszenie lub kiszenie (np. kiszenie skórek pomidorów).

Tabela 2. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – pozostałości z przetwórstwa owocowo-warzywnego. Źródło: BIOGAS3/RENAC

c) pozostałości z produkcji alkoholi

Najbardziej typowe substraty z produkcji alkoholi to odpady browarnicze, odpady z produkcji cydru, resztki z chmielu i winogron, inne pozostałości z gorzelni, a z przemysłu winiarskiego – wytłoczyny z winogron i pozostałości z przycinania winorośli. Jedyną potencjalną barierą w przypadku tego substratu mogłaby być sezonowość produkcji, a tym samym dostępność substratów tylko w określonym okresie, a nie przez cały rok. Tak jak w przypadku innych branż, problem sezonowości mogłyby zostać rozwiązany dzięki odpowiedniej konserwacji substratów, np. kiszeniu wytłoków winogron.

Tabela 3. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – pozostałości z produkcji alkoholi. Źródło: BIOGAS3/RENAC

d) pozostałości z produkcji olejów

Najbardziej powszechne substraty to pozostałości i produkty uboczne z produkcji oleju rycynowego, arachidowego, rzepakowego, lnianego, kokosowego, konopnego, palmowego, sojowego, słonecznikowego i oliwy z oliwek.

Tabela 4. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – pozostałości z produkcji olejów. Źródło: BIOGAS3/RENAC

e) pozostałości z przetwórstwa zbożowego

Odpady z sektora zbożowego to przede wszystkim słoma, rośliny pastewne i oleiste, odpady z silosów, z suszarni, odrzuty oraz produkty uboczne, takie jak plewy ryżowe czy otręby pszenne.

Produkcja skrobi, oparta głównie na zbożach, wiąże się z powstawaniem dużej ilości produktów ubocznych i odpadów ze względu na duże ilości przetwarzanych surowców. Do substratów nadających się do fermentacji beztlenowej z tej gałęzi przemysłu zaliczają się między innymi: ścieki procesowe, pasza kukurydziana, wysłodki buraczane oraz gluten kukurydziany.

Tabela 5. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – pozostałości z przetwórstwa zbożowego. Źródło: BIOGAS3/RENAC

f) pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia zwierzęcego

Przetwórstwo produktów pochodzenia zwierzęcego jest branżą generującą wiele produktów ubocznych oraz odpadów mogących służyć do produkcji biogazu. Źródłem odpadów są zakłady sektora mięsnego, mleczarnie lub przemysł rybny.

Tabela 6. Produkcja energii elektrycznej i cieplnej z różnych substratów – pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia zwierzęcego. Źródło: BIOGAS3/RENAC

Wartość energetyczna różnych substratów

Ilości energii elektrycznej i cieplnej, jakie można pozyskać z wybranych substratów oraz potencjalne wartości pieniężne jednej tony substratu wyrażone w ekwiwalencie wartości energii kupowanej ze źródeł zewnętrznych pokazuje tabela 7. Wartości uwidocznione w dwóch ostatnich kolumnach nie reprezentują potencjalnego zysku ze sprzedaży energii, tylko potencjalne oszczędności wydatków na energię możliwe dzięki samodzielnemu wyprodukowaniu jej z biogazu i zużyciu na potrzeby własne (przy przyjętym założeniu odnośnie cen zakupu energii).

Tabela 7. Wartość energetyczna i opałowa różnych substratów. Źródło: BIOGAS3

Zalety małych biogazowni

Głównymi zaletami małych biogazowni w przedsiębiorstwach rolno-spożywczych są:

• zagospodarowanie własnych odpadów organicznych:

• uniezależnienie od zewnętrznych dostaw i wahań cen rynkowych biomasy, co przekłada się na zmniejszenie ryzyka inwestycyjnego,

• oszczędność czasu i kosztów transportu oraz zagospodarowania odpadów,

• dodatkowa korzyść dla gospodarstw rolnych: uzyskanie wartościowego nawozu organicznego.

• dostarczenie energii elektrycznej i cieplnej:

• pokrycie zapotrzebowania przedsiębiorstwa na energię elektryczną i cieplną – samowystarczalność energetyczna,

• poprawa efektywności energetycznej przedsiębiorstwa,

• redukcja wydatków na energię elektryczną i cieplną,

• możliwość uzyskania dodatkowych dochodów ze sprzedaży nadwyżki energii elektrycznej i cieplnej.

• Zmniejszenie obciążeń dla środowiska (m.in. ograniczenie emisji GHG).

Przedsięwzięcia takie mogą być realizowane przez przedsiębiorstwo czy gospodarstwo lub we współpracy z jednym lub kilkoma innymi podmiotami. Współpraca ta obejmować może np. dostawę kosubstratów, wykorzystanie energii cieplnej, wykorzystanie pofermentu.

Koszty inwestycyjne

Tabela 8 przedstawia przedziały cenowe dla kompletnych biogazowni <100 kW. Są one dość szerokie, ponieważ odzwierciedlają różnorodność rozwiązań technologicznych o różnym stopniu zaawansowania, przeznaczonych dla różnych rodzajów fermentacji (sucha/mokra), różnych substratów oraz dostosowanych do uwarunkowań lokalnych.

Tabela 8. Przedziały cenowe dla małych biogazowni (Niemcy). Źródło: BIOGAS3/RENAC

Przedstawione w tabeli dane opierają się na przeglądzie rynku niemieckiego, który jest dobrze rozwinięty i może stanowić odniesienie dla polskiego rynku biogazowego, szczególnie, że technologie niemieckie są zazwyczaj dostępne także dla polskiego odbiorcy. Nieliczne polskie firmy, które stworzyły własne rozwiązania dla mikrobiogazowni, oferują kompletne mikroinstalacje w przedziale cenowym od 75 tys. do 250 tys. EUR. Warto podkreślić, że w celu obniżenia kosztów inwestycyjnych można wykorzystywać najprostsze technologie, istniejące zabudowania czy zbiorniki, posiadany park maszynowy, a część prac (np. roboty ziemne) wykonać też we własnym zakresie. W przypadku gdy zapotrzebowanie firmy lub gospodarstwa na energię dotyczy głównie ciepła, można zamiast drogiego agregatu kogeneracyjnego wyposażyć biogazownię w znacznie tańszy kocioł gazowy.

Przykłady pomyślnych realizacji

Pierwsza polska mikrobiogazownia powstała w 2009 r. w Studzionce w 34-hektarowym gospodarstwie prowadzącym hodowlę tuczników (ok. 300 szt.) i kur niosek (ok. 12 tys. sztuk). Biogazownia przetwarza rocznie około 700 ton pomiotu kurzego i około 300 ton gnojowicy świńskiej, a także substraty dodatkowe: około 350 ton kiszonek z kukurydzy i trawy oraz odpady organiczne gospodarstwa. Moc zainstalowana układu kogeneracyjnego to 30 kWel i 40 kWth. Energię elektryczną wykorzystuje się na potrzeby własne gospodarstwa, ciepło przeznaczone jest do ogrzewania budynków inwentarskich i mieszkalnych. Miesięcznie koszty eksploatacyjne biogazowni Studzionka szacowane są obecnie na ok. 800 PLN. Na bieżącą obsługę biogazowni właściciele przeznaczają 1–1,5 godzin dziennie.

Zdj. Zbiornik fermentacyjny w biogazowni w Studzionce. Źródło: eGIE Sp. z o.o.

W 2013 roku w Cieszowej w gospodarstwie prowadzącym hodowlę bydła szkockiego, powstała pierwsza w Polsce mikrobiogazownia kontenerowa wykorzystująca technologię fermentacji suchej. Biogazownia składa się z trzech kontenerów do fermentacji oraz kontenera technicznego, w którym znajduje się m.in. sterownia, zbiornik na biogaz i układ CHP o mocy 28 kWel i 58 kWth. Przepustowość biogazowni to blisko 1000 ton/rok, a substratem do produkcji biogazu jest obornik bydlęcy oraz sezonowo zielonki i kiszonki z traw. Koszt całej inwestycji – włącznie z transportem, projektem budowlanym, przygotowaniem terenu oraz przyłączeniem energetycznym – zamknął się w kwocie 1,5 mln zł. Wyprodukowana energia elektryczna sprzedawana jest do sieci, natomiast energia cieplna wykorzystywana jest w gospodarstwie do podgrzewania wody na cele sanitarne.

Zdj: Mikrobiogazownia kontenerowa w Cieszowej. Źródło: Ekoinnowacje Sp. z o.o.

W 2015 roku uruchomiona została biogazownia w Łubowie Jest to kompaktowa mikrobiogazownia rolnicza wytwarzającą energię elektryczną i cieplną w kogeneracji (moc zainstalowana: 40 kWel i 64 kWth) z biogazu pochodzącego z fermentacji wyłącznie gnojowicy krów mlecznych (ok. 9000 m3 gnojowicy rocznie). Wytworzona energia elektryczna wykorzystywana jest na potrzeby własne biogazowni oraz gospodarstwa hodowlanego, a jej nadwyżka sprzedawana jest do sieci.

Zdj. Biogazownia w Łubowie. Źródło: SOLAR Naturalna Energia Sp. z o.o.

Perspektywy rozwoju

Głównymi barierami dla rozwoju mikro- i małych biogazowni w sektorze rolno-spożywczym w Polsce są wysokie koszty inwestycyjne oraz niepewność związana ze stosowaniem, interpretacją i zapowiadaną nowelizacją przepisów w zakresie sprzedaży nadwyżki energii elektrycznej do sieci, co przekłada się na trudności w prognozowaniu opłacalności tego typu przedsięwzięcia. Mimo to wydaje się, że w najbliższych latach nastąpi rozwój mikrobiogazowni, szczególnie w gospodarstwach prowadzących chów zwierząt i mogących wykorzystać energię elektryczną i cieplną na potrzeby własne. Głównym czynnikiem stymulującym obecnie rozwój sektora mikrobiogazowni rolniczych w Polsce jest dostępność środków na dofinansowanie tego typu inwestycji w ramach Regionalnych Programów Operacyjnych 2014-2020 oraz istniejące ułatwienia prawne dla mikroinstalacji. W związku z rozwojem rynku mikro- i małych biogazowni w całej Unii Europejskiej w nadchodzących latach prognozowany jest także spadek cen standaryzowanych technologii w tym segmencie.

Niniejsze opracowanie powstało w oparciu o materiały zebrane w toku realizacji międzynarodowego projektu BIOGAS3 – „Sustainable small-scale biogas from agri-food waste for energy self-sufficiency”, dofinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach programu Inteligentna Energia – Europa, numer kontraktu IEE/13/477/SI2.675801.

Autor: Małgorzata Kachniarz, Fundeko

Newsletter

Newsletter

Bądź na bieżąco z branżą OZE

Zapisz się do newslettera