Dostęp do energii elektrycznej i ciepła jest niezbędnym warunkiem dla istnienia i rozwoju społeczeństwa. Jest to ważne zarówno w kontekście przemysłu jak i sektora komunalnego. Z drugiej strony należy jednak wytwarzać energię ze źródeł, które w możliwie najmniejszym stopniu obciążają środowisko. Jednym ze sposobów na wytworzenie energii odnawialnej jest produkcja biogazu.
Z różnorodnej biomasy, w tym odpadów ulegających biodegradacji w wyniku procesu fermentacji metanowej można wytworzyć biogaz. Proces ten odbywa się w warunkach beztlenowych. Poza głównym produktem procesu – biogazem z wysoką zawartością metanu, pamiętać należy o racjonalnym zagospodarowaniu drugiego produktu, którym jest poferment. Wśród preferowanych metod zagospodarowania pofermentu wymienić można wykorzystanie nawozowe oraz energetyczne.
Poferment – powstawanie i właściwości frakcji stałej
Jednym z rodzajów biopaliw jest biogaz. Ilość i różnorodność substratów możliwych do wykorzystania w procesie fermentacji metanowej jest bardzo duża. Mogą być nimi m.in. kiszonki, rośliny energetyczne, odpady z przemysłu rolno-spożywczego, osady ściekowe czy nawozy naturalne (obornik, gnojówka, gnojowica). Cechą wspólną wsadu do komór fermentacyjnych jest wysoka zawartość materii organicznej. Materia organiczna obecna w surowcach, w wyniku procesów zachodzących w komorach fermentacyjnych ulega licznym przemianom. Pozostałość po rozkładzie materii organicznej, która zostaje wybrana z fermentorów zwana jest pofermentem. W jej skład wchodzą m.in. nierozłożone związki organiczne, składniki mineralne, woda i biomasa organizmów żywych. W przypadku prowadzenia fermentacji w systemie mokrym, poferment posiada stosunkowo niską zawartość suchej masy, najczęściej na poziomie kilku procent.
W typowych biogazowniach rolniczych funkcjonujących w Polsce, roczna ilość pofermentu kształtuje się najczęściej na poziomie kilkudziesięciu ton rocznie. Magazynowanie i zagospodarowanie masy pofermentacyjnej stanowi wyzwanie dla przedsiębiorstw. Co więcej, znaczna zawartość wody w pofermencie nie ułatwia tego zadania. Celem wykorzystania pofermentu w procesie produkcji paliw formowanych należy poddać go obróbce. W tym przypadku kluczowym elementem będzie poddanie go procesowi odwodnienia lub separacji. W wyniku procesu separacji z surowego pofermentu o suchej masie na poziomie kilku procent powstaną minimum dwie znacząco zróżnicowane pod względem właściwości fizycznych i chemicznych frakcje. Właściwości i wartości dla wybranych parametrów pofermentu zestawili m.in. Wang i Lee w publikacji „Valorization of anaerobic digestion digestate: A prospect Review” [1].
Mając na uwadze ilość powstającego pofermentu, wymogi związane z jego magazynowaniem oraz jego właściwości, urządzenia wykorzystywane do wydzielenia frakcji stałej z pofermentu powinny być dobierane w należyty sposób. Separacji pofermentu dokonuje się najczęściej z wykorzystaniem takich urządzeń jak prasy, wirówki, sita czy wyparki. Urządzenia te oraz technologie pozwalające rozdzielić surowy poferment na frakcje różnią się między sobą. Niezwykle istotnym czynnikiem będzie również zużycie energii elektrycznej w przeliczeniu na masę przetworzonego pofermentu. Najważniejszym z parametrów mówiącym o możliwości wykorzystania frakcji stałej w procesie produkcji pelletów i brykietów będzie zawartość suchej masy. Najczęściej kształtuje się ona na poziomie 25-40%. W związku z czym omawiany substrat powinien być poddany dalszej obróbce termicznej, która pozwoli go wykorzystać w procesie produkcji paliw stałych.
Czytaj też: Poferment jako istotne źródło przychodów dla biogazowni rolniczych
Produkcja pelletów i brykietów
Zainteresowanie alternatywnymi surowcami, które mogą być wykorzystane do produkcji biopaliw, w tym pelletu i brykietu wzrasta z każdym rokiem. Istotną rolę w wielu krajach Europy, w tym i również w Polsce odgrywa produkcja biogazu i związane z nią zagospodarowanie pofermentu. Należy podkreślić szczególnie interesujące możliwości wykorzystania frakcji stałej powstałej w wyniku separacji surowego pofermentu.
Głównym kierunkiem zagospodarowania pofermentu, zarówno w formie surowej, jak i przetworzonej jest jego wykorzystanie w celu poprawienia właściwości glebowych. Wynika to przede wszystkim z łatwości zastosowania rozwiązania, dobrze poznanych technologii oraz znacznej ilości gruntów rolniczych, które są zlokalizowane zazwyczaj w pobliżu biogazowni. Należy jednak zwrócić uwagę, że frakcja stała pofermentu może być kierowana do procesu formowania, a wytworzone pellety oraz brykiety mogą być wykorzystywane zarówno nawozowo, jak i do realizacji procesów energetycznych. Kluczowymi parametrami pozwalającymi na wykorzystanie omawianej frakcji w procesach energetycznych będzie sucha masa, wysoka zawartość materii organicznej, sypka struktura oraz podatność na formowanie.
Frakcja stała pofermentu pochodzącego z biogazowni rolniczych jest substratem, w którym zanieczyszczenia fizyczne praktycznie nie występują, lub ich obecność jest znacząco ograniczona. Wynika to z faktu, że do produkcji biogazu wykorzystywane są substraty znanego pochodzenia. Jest to widoczne zwłaszcza w biogazowniach rolniczych. Pewne problemy mogą pojawić się przy wykorzystaniu pozostałości po fermentacji pochodzących z biogazowni komunalnych, gdzie do produkcji biogazu wykorzystuje się selektywnie zebrane bioodpady. Będzie to związane m.in. z możliwością wystąpienia takich zanieczyszczeń jak fragmenty plastikowych worków, w których wyrzucane były omawiane odpady.
Jak wspomniano wcześniej, wytworzona frakcja stała nadal zawiera znaczną ilość wody. W związku z tym pojawia się konieczność jej dalszego przetwarzania. Wynika to z faktu, że do produkcji pelletów i brykietów wykorzystuję się zazwyczaj substraty / mieszanki substratów o zawartości wody 10-35%, co jest zależne od technologii ich przetwarzania. Dla biogazowni pracujących w kogeneracji nie będzie to zazwyczaj stanowiło problemu, ponieważ ilość wytwarzanego ciepła jest zbliżona, lub nawet większa niż powstałej energii elektrycznej. Z tego względu biogazownie mogą wykorzystywać ciepło do suszenia biomasy np. drewna co zostało przedstawione m.in. w pracy „Waste heat from CHP in biogas plant utilization for local central heating” autorstwa Piechowski i in. [2].
Następną zaletą omawianego surowca w kontekście produkcji paliw formowanych jest brak konieczności rozdrobnienia substratu. Wsad do biogazowni musi być wcześniej rozdrobniony, co wynika z potrzeby zwiększenia dostępności materii organicznej dla mikroorganizmów prowadzących proces fermentacji metanowej. W związku z tym nie ma konieczności rozdrabniania frakcji stałej pofermentu, co z pewnością pozytywnie wpłynie na bilans wytworzenia pelletów i brykietów.
Do produkcji pelletów i brykietów może być wykorzystywana frakcja stała bez dodatków, jak i z wykorzystaniem innych substratów. Jest to bardzo istotne, ponieważ w zależności od dostępności różnorodnej biomasy, i jej ceny pozyskania można na bieżąco zmieniać skład mieszanki wykorzystywanej do produkcji paliw. Wśród popularnych rodzajów biomasy którą można wykorzystać do produkcji paliw stałych wymienia się przede wszystkim trociny, słomę oraz siano.
Frakcja stała pofermentu przetworzona na pellety, czy brykiety może być wykorzystywana nie tylko do celów energetycznych. Jak wspomniano wcześniej, w celach nawozowych stosuje się przede wszystkim frakcje surową lub ciekłą pofermentu. Zarówno w świecie nauki, jak i w praktyce, zaobserwować można również nawozowe wykorzystanie produktów w formie pelletu które powstały m.in. z omawianego substratu. W tym przypadku zaleca się jednak wykonać analizę środowiskową oraz ekonomiczną produkcji tego typu nawozu, co m.in. w publikacji „A comparative life cycle assessment of biofertilizer production towards sustainable utilization of anaerobic digestate” omówili Alengebawy i in. [3].
Zarejestruj się na Kongres Biometanu!
Energetyczne wykorzystanie frakcji stałej pofermentu
Liczba kierunków zagospodarowania pofermentu i jego frakcji jest znaczna. W artykule „Anaerobic digestate management for carbon neutrality and fertilizer use: A review of current practices and future opportunities” [4] Autorzy omówili m.in. innowacyjne metody waloryzacji pofermentu, obejmujące procesy biologiczne, chemiczne, termiczne i mechaniczne. Przetwarzanie omawianego substratu na paliwa alternatywne łączy m.in. metody mechaniczne i termiczne.
Wykorzystanie frakcji stałej pofermentu w procesach energetycznych jest tematem stosunkowo nowym i od niedawna poruszanym w literaturze naukowej. Jednak liczba artykułów naukowych i innych pozycji literaturowych systematycznie wzrasta od kilku lat. Jedną z pierwszych krajowych publikacji dotyczących wykorzystania pofermentu w procesie produkcji pelletu był artykuł „Poferment jako substrat do produkcji pelletu” opublikowany na łamach Magazynu Biomasa w 2015 roku [5]. Autor niniejszego artykułu w swoich badaniach analizował m.in. możliwość produkcji pelletów z frakcji stałej pofermentu z dodatkiem słomy zbożowej, czy trocin. Wartość opałowa analizowanych pelletów wahała się od 19 164 kJ·kg-1 do 19 879 kJ·kg-1. Zawartość popiołu dla wszystkich czterech analizowanych próbek i wahała się natomiast w przedziale od 3,62% do 5,23% [6]. Warto jednak wspomnieć o innych alternatywnych kosubstratach wykorzystywanych razem z frakcją stałą pofermentu. Najczęściej jest to lokalnie dostępna biomasa w formie stałej, której pochodzenie jest uwarunkowane przede wszystkim regionem świata, w którym została pozyskana.
Kratzeisen in. w swoich badaniach wykorzystali m.in. dwa pellety powstałe z różnych pofermentów. Wartość opałowa analizowanych paliw wahała się od 15,8 MJ‧kg-1 do 15,0 MJ‧kg-1 przy zawartości wody od 9,2% do 9,9% [7]. Frakcja stała wytworzona z pofermentu uzyskanego z biogazowni pracującej w warunkach mezofilowych, przy użyciu prasy śrubowej charakteryzowała się ciepłem spalania na poziomie 19.74 Mg‧kg-1, co pokazuje jej potencjał w procesach energetycznych [8]. Należy jednak podkreślić, że praktycznie wszystkie parametry frakcji stałej pofermentu i paliw stałych powstałych na jej bazie mogą się znacznie różnić. Dotyczy to m.in. suchej masy, zawartości materii organicznej, czy wartości opałowej. W dużej mierze będzie to związane z substratami wykorzystywanymi do produkcji biogazu, z których powstał poferment oraz z technologią wykorzystywaną do produkcji biogazu.
Wykorzystanie odpadów w ramach procesów biologicznych jak i termicznych, zgodnie z obowiązującym prawem jest istotnym elementem funkcjonowania całego systemu zagospodarowania odpadów. Podejmując przemyślane i korzystne działania, wykorzystanie frakcji stałej pofermentu w produkcji paliw stałych wpisywać się będzie w koncepcje zrównoważonego rozwoju oraz gospodarki obiegu zamkniętego, co powinno być kluczowym kierunkiem rozwoju każdego z państw [9].
Podsumowanie
Na podstawie wyników badań własnych oraz wykonanej analizy literatury przedstawiono wybrane aspekty związane z możliwością wykorzystania frakcji stałej pofermentu w produkcji paliw stałych, ze szczególnym podkreśleniem jej wartości energetycznej. Mając na uwadze zebrane informacje należy stwierdzić, że frakcja stała pofermentu stanowi wartościowy substrat do produkcji paliw stałych. Z analizy literatury wynika, że z omawianego surowca możliwe jest wytworzenie zarówno pelletów jak i brykietów. Ich wartość energetyczna może być jednak różna, co będzie skorelowane m. in. z rodzajem substratów wykorzystywanych do produkcji biogazu jak i przebiegiem procesu fermentacji metanowej zachodzącym w biogazowniach. Szczególną uwagę należy jednak zwrócić nie tylko na możliwość i efektywność produkcji paliw formowanych, ale również na sam przebieg procesu spalania, emisje gazowe w trakcie tego procesu czy możliwość negatywnego oddziaływania na instalacje w której przetwarzane jest paliwo.
Wykorzystanie pofermentu, jak i jego poszczególnych frakcji jest kolejną z możliwości uzyskania przychodu przez właścicieli biogazowni. Ze względu na fakt, że omawiany surowiec jest traktowany jako odpad lub produkt uboczny możliwym jest jego wykorzystanie, przy ograniczeniu zużycia innych kosztownych komponentów jak np. trociny. Wykorzystanie frakcji stałej pofermentu, zarówno do celów nawozowych jak i energetycznych wpisuje się w działania związane z gospodarka obiegu zamkniętego.
Rynek biogazu i biometanu. Czytaj za darmo w internecie!
Autor
Prof. dr hab. inż. Wojciech Czekała – Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
Bibliografia
[1] Wang W., Lee D-J. 2021. Valorization of anaerobic digestion digestate: A prospect review. Bioresource Technology 323, 124626. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124626
[2] Piechowski L., Noch T., Cenian A. 2018. Waste heat from CHP in biogas plant utilization for local central heating. Eco-Energetics: technologies, environment, law and economy. ISSN 2657-5922 2018, Vol. 1, s. 89–96. DOI 10.24426/eco-energetics.v1i0.35
[3] Alengebawy A., Mohamed B.A., Jin K., Liu T., Ghimire N., Samer M., Ai P. 2022. A comparative life cycle assessment of biofertilizer production towards sustainable utilization of anaerobic digestate. Sustainable Production and Consumption 33, 875-889. https://doi.org/10.1016/j.spc.2022.08.016
[4] Chojnacka K., Moustakas K. 2024. Anaerobic digestate management for carbon neutrality and fertilizer use: A review of current practices and future opportunities. Biomass and Bioenergy 180, 106991. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2023.106991
[5] Czekała W. 2015. Poferment jako substrat do produkcji pelletu. Magazyn Biomasa 7, 34–36. ISSN 2353-9321.
[6] Czekała W. 2021. Solid Fraction of Digestate from Biogas Plant as a Material for Pellets Production. Energies, 14(16), 5034; https://doi.org/10.3390/en14165034
[7] Kratzeisen M., Starcevic N., Martinov M., Maurer C., Müller J. 2010. Applicability of biogas digestate as solid fuel. Fuel 89, 2544–2548. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.02.008
[8] Barbanera M., Cotana F., Di Matteo U. 2018. Co-combustion performance and kinetic study of solid digestate with gasification biochar. Renewable Energy 121, 597-605. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.01.076
[9] Czekała W., Nowak M., Piechota G. 2023. Sustainable management and recycling of anaerobic digestate solid fraction by composting: A review. Bioresource Technology 375, 128813. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128813
Newsletter
Bądź na bieżąco z branżą OZE
