Podpisanie przez Prezydenta RP w czerwcu ubiegłego roku nowelizacji Ustawy o Odnawialnych Źródłach Energii, choć wyjaśniło kierunek rozwoju finansowania rynku OZE (aukcje), to jednak tylko częściowo spowodowało zakończenie okresu niepewności na rynku zielonej energii w Polsce. Zaproponowane zmiany określają dokładniejsze zasady udzielania pomocy publicznej dla wytwórców energii odnawialnej, jednak nadal jest wiele niewiadomych, co powoduje mniejsze zainteresowanie budową instalacji OZE.
W szczególnej sytuacji (dzięki dość wysokiej cenie wywoławczej dla aukcji) znalazły się instalacje biogazowe, które umożliwiają produkcję energii elektrycznej i ciepła w skojarzeniu oraz wysokiej jakości nawozu (pulpy pofermentacyjnej). Niestety, jak wynika z danych Agencji Rynku Rolnego, obecnie (2017 r.) w Polsce funkcjonuje tylko 95 biogazowni rolniczych o łącznej mocy elektrycznej 101,3 MW. Jest to liczba nieporównywalnie mała w stosunku do chociażby liczby instalacji w Niemczech (ponad 9,4 tys.), które posiadają podobny potencjał produkcji biogazu przy porównaniu powierzchni gruntów uprawnych (Niemcy mają trochę ponad 1 mln ha użytków rolnych mniej niż Polska). Należy jednak pamiętać, że na silny rozwój niemieckiego rynku biogazu wpływ miały przede wszystkim wysokie dotacje ze strony państwa (na poziomie 180-220 euro/MWh, a w przypadku małych instalacji 270 euro/MWh) na okres dwudziestu lat. Z drugiej strony trzeba podkreślić, że znacznie gorsze warunki finansowe na polskim rynku biogazu przyczyniły się do intensywnego rozwoju innowacyjnych technologii i rozwiązań – w tym również niespotykanych w innych krajach.
Produkcja biogazu z odpadów z przemysłu rolno-spożywczego
Jednym z najpowszechniej stosowanych substratów w Europie Centralno-Wschodniej w instalacjach biogazowych jest kiszonka z kukurydzy. Również w Polsce, pomimo wysokich kosztów zakupu, charakteryzuje się ona dość korzystnym (przy aktualnych cenach błękitnych certyfikatów) stosunkiem uzysku biogazu i metanu ze świeżej masy do ceny. Warto dodać, że w roku 2015, na cele energetyczne zużyte zostało ok. 400 tys. ton tego materiału. Należy jednak pamiętać, że w przypadku typowej instalacji opartej o technologię NaWaRo o mocy 1 MW energii elektrycznej dziennie należy dostarczyć ok. 60-70 ton substratu. Oznacza to, że do zasilenia jednej instalacji biogazowej konieczna jest uprawa kukurydzy na ponad 400 ha. Istniejące krajowe rozwiązania mogą zmniejszyć tę ilość do poziomu 40-45 t/dobę. Oczywiście oparcie produkcji biogazu głównie o kukurydzę nie jest korzystne z rolniczego i przyrodniczego punktu widzenia, może bowiem doprowadzić do wieloletniej monokultury upraw, a w konsekwencji do pojawienia się różnego rodzaju chorób. Jednocześnie logicznym jest, że kukurydza powinna być uprawiana w pierwszej kolejności na cele żywieniowe dla ludzi i zwierząt. Rozwiązaniem problemu „produkcja żywności czy energii” może być wykorzystanie w procesie fermentacji metanowej różnego rodzaju odpadów z przemysłu rolno-spożywczego. Obecnie na całym świecie obserwuje się wzrost wykorzystania tego rodzaju odpadów na cele energetyczne, a jednym ze światowych liderów tego trendu jest Polska. Tragicznie niski stopień finansowania sektora OZE w latach 2013-16 przyczynił się do rozwoju polskich technologii, które zdolne są do fermentacji niezwykle szerokiej gamy substratów – różnej biomasy rolniczej oraz odpadów organicznych.
Do odpadów z przemysłu rolno-spożywczego zalicza się przede wszystkim odpady z przetwórstwa żywności, cukrowni, rzeźni i ubojni, gorzelni, browarów, mleczarni oraz przeterminowaną żywność. Wielką wartość energetyczną mają też odpady kuchenne, ale nie wolno ich używać w biogazowniach rolniczych (traci się wówczas status instalacji „rolniczej”). Wzbogacone mogą być przez występujące w ilościach ponad 100 mln ton rocznie produkty uboczne z produkcji rolniczej jak gnojowica, obornik, słomy zbóż, rzepaku i kukurydzy. Substraty te charakteryzują się korzystnym stosunkiem wydajności produkcji biogazu do kosztów pozyskania, często zapewniając lepszą efektywność ekonomiczną. Biogazownie rolnicze mogą kupić ten materiał w relatywnie niskiej cenie, a w przypadku umiejscowienia instalacji przy zakładzie produkcyjnym nie ponoszą żadnych kosztów zakupu. Wartym podkreślenia jest również fakt, że omawiane powyżej substraty mieszczą się w definicji biomasy, dzięki czemu mogą być legalnie przetwarzane w biogazowniach rolniczych.
Z danych Agencji Rynku Rolnego wynika, że najczęściej stosowanym substratem w biogazowniach rolniczych w 2015 roku była gnojowica (ok. 600 tys. ton). Materiał ten charakteryzuje się niską zawartością suchej masy, dzięki czemu służy jako dobry rozcieńczalnik do substratów suchych. Warto w tym miejscy zaznaczyć, że maksymalna zawartość suchej masy we wsadzie podawanym przez system pomp może wynosić ok. 15-17 proc. Powyżej tej wartości materiał jest bardzo trudno pompowalny, co może doprowadzić nawet do zapchania pomp oraz długiej przerwy w dostarczaniu świeżego substratu i zmniejszenia produkcji biogazu i metanu. Innymi bardzo popularnymi substratami stosowanymi jako wsad w polskich biogazowniach są pozostałości z owoców i warzyw (ok. 500 tys. ton rocznie) oraz wywar gorzelniany (ok. 450 tys. ton rocznie). Są to substraty o wysokim potencjale energetycznym i jeśli instalacja znajduje się blisko źródła ich wytwarzania, mogą być także relatywnie tanie, co znacząco podnosi opłacalność biogazowni. Substraty te charakteryzują się szybkim tempem rozkładu i dużą zawartością łatworozkładalnych substancji. Może się to przyczynić do skrócenia hydraulicznego czasu retencji w reaktorze (do nawet 12-15 dni), a w konsekwencji do intensywnego zakwaszenia i zatrzymania produkcji biogazu. W typowej instalacji biogazowej spadek pH poniżej poziomu 6,8 oznacza w praktyce zakwaszenie fermentora i zatrzymanie produkcji metanu – nawet na wiele dni. Konieczne jest w tym przypadku odpowiednie przebadanie pod kątem dynamiki produkcji biogazu oraz parametrów fizykochemicznych danego substratu w specjalistycznym laboratorium oraz odpowiednia obsługa i nadzór technologiczny instalacji.
Tragicznie niski stopień finansowania sektora OZE w latach 2013-16 przyczynił się do rozwoju polskich technologii, które zdolne są do fermentacji niezwykle szerokiej gamy substratów – różnej biomasy rolniczej oraz odpadów organicznych
Potencjał energetyczny odpadów rolno-spożywczych
Z obliczeń przeprowadzonych przez pracowników Instytutu Inżynierii Biosystemów Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu wynika, że w Polsce możliwa jest produkcja ponad 13 mld m3 biogazu rocznie. Jednakże w objętości tej nie uwzględniono możliwości produkcji gazu z upraw celowych, np. kukurydzy, oraz frakcji organicznej odpadów komunalnych. Na tak duży potencjał produkcji biogazu, który może pokryć znaczną część ogólnego zapotrzebowania naszego kraju, składa się roczna produkcja ok. 90 mln ton obornika i gnojowicy oraz ok. 12 mln ton różnego rodzaju słomy. Ponadto, jak wynika z opublikowanego w 2010 roku raportu Komisji Europejskiej (http://ec.europa.eu/environment/eussd/pdf/bio_foodwaste_report.pdf), każdego roku w Polsce produkowane jest ponad 25 mln ton odpadów żywnościowych. Największą część stanowią odpady z produkcji żywności w rolnictwie (ok. 16,5 mln ton) oraz odpady wytwarzane w przemyśle (ok. 6,5 mln ton). Oznacza to, że nadal znaczna część odpadów może zostać zagospodarowana na cele energetyczne, a jednym z najlepszych rozwiązań może być budowa instalacji przy zakładzie produkcyjnym. W tabeli 1. przedstawiony został przybliżony potencjał energetyczny odpadów z przemysłu rolno-spożywczego i kiszonki z kukurydzy oraz możliwy do uzyskania przychód z racji sprzedaży energii elektrycznej oraz wykorzystania ciepła.
| Wydajność biogazowa [m3/Mg św.m.] | Zawartość metanu
[%] |
Przychód
[PLN/Mg] |
|
| Wywar gorzelniany | 75 | 55 | 104,22 |
| Wycierka ziemniaczana | 130 | 50 | 164,23 |
| Wysłodki buraczane | 130 | 50 | 164,23 |
| Przeterminowana żywność | 120 | 52 | 157,66 |
| Serwatka | 30 | 52 | 39,41 |
| Słoma kukurydziana | 400 | 54 | 545,73 |
| Kiszonka z kukurydzy | 215 | 54 | 293,33 |
Tab. 1. Potencjał energetyczny odpadów z przemysłu rolno-spożywczego oraz kiszonki
z kukurydzy
Źródło: Na podstawie danych Pracowni Ekotechnologii Instytutu Inżynierii Biosystemów UP w Poznaniu
Z wykonanych obliczeń wynika, że odpady z przemysłu rolno-spożywczego mogą stanowić bardzo dobry substrat w procesie fermentacji metanowej. Przychód możliwy do uzyskania z tytułu sprzedaży wyprodukowanej energii elektrycznej i ciepła (liczony przy obecnych cenach świadectw pochodzenia, energii elektrycznej i ciepła: niebieski certyfikat PMOZE_BIO: 301,15 PLN/MWh, żółty certyfikat Ozg: 120 PLN/MWh, energia elektryczna 169,57 PLN/MWh, ciepło: ok. 25,00 PLN/GJ) dla 1 Mg substratu może wynosić od ok. 40 PLN/Mg (dla serwatki) do nawet ponad 500 PLN/Mg w przypadku słomy kukurydzianej. Konieczne jest jednak uwzględnienie kosztów zakupu danego substratu, które mogą wynieść od 50-100 PLN/Mg dla słomy kukurydzianej do nawet 140 PLN/Mg w przypadku kiszonki z kukurydzy.
Należy też dodać, że jeszcze lepsze wyniki ekonomiczne (ilość produkowanego metanu w stosunku do ceny zakupu – albo raczej przyjęcia odpadu) uzyskuje się w przypadku odpadów poubojowych oraz padliny. Substraty te – choć kłopotliwe w zagospodarowaniu jak np. pióra, krew, kości – przy odpowiedniej obróbce wykazują nieoczekiwanie wysoką wydajność biometanową, a uzyskany poferment posiada bardzo wartościowy skład z nawozowego punktu widzenia.
W związku z tym wykorzystanie odpadów w instalacjach znajdujących się przy zakładach produkcyjnych jest bardzo korzystne ze względu na znaczące podniesienie opłacalności inwestycji biogazowej. Rozwiązanie to pozwala na produkcję energii elektrycznej i ciepła na potrzeby technologiczne zakładu oraz biogazowni, natomiast nadwyżki mogą zostać sprzedane do sieci. Dodatkowo instalacja nie musi ponosić kosztów związanych z zakupem i transportem substratu oraz ma zapewnioną ciągłość dostaw świeżego wsadu, co ma bardzo duże znaczenie pod względem technologicznym.
Przyszłość biogazu w odpadach
Polska jest krajem o bardzo dużym potencjale produkcji biogazu. Wynika to przede wszystkim z dobrze rozwiniętego sektora produkcji żywności, a także dużej powierzchni użytków rolnych. Należy jednak pamiętać, że w procesie fermentacji metanowej powinny być wykorzystane przede wszystkim odpady organiczne i biomasa odpadowa z rolnictwa. Duża ilość odpadów generowanych przez przemysł rolno-spożywczy może przyczynić się do budowy wielu instalacji biogazowych znajdujących się przy źródle ich wykorzystania (zakładzie produkcyjnym). Rozwiązanie to ze względu na brak kosztów pozyskania substratu oraz możliwość wykorzystania produkowanej energii elektrycznej i ciepła na cele technologiczne zakładu jest korzystniejsze. Biorąc pod uwagę potencjał produkcji biogazu w skali kraju (ponad 8 mld m3 metanu rocznie – i to bez wykorzystania upraw celowych jak kukurydzy) rozwój sektora mógłby doprowadzić do bardzo znaczącej redukcji importu gazu ziemnego (w przypadku produkcji biometanu) lub pojawienia się w sieci elektroenergetycznej dodatkowo nawet 4 tys. MW stabilnej „zielonej” mocy elektrycznej (6 tys. MW w przypadku pracy w szczycie od 6:00 do 22:00). Takie rozwiązanie może skutkować inwestycjami na poziomie kilkudziesięciu mld zł, jak też pozwoli znacząco poprawić stan środowiska naturalnego w kraju poprzez ograniczenie niekontrolowanego rozkładu odpadów.
Zdjęcia: Jacek Dach
Tekst: Jacek Dach, Kamil Kozłowski
Instytut Inżynierii Biosystemów, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu
- Polskie rozwiązania pozwalają wyprodukować 1 MWh energii elektrycznej przy użyciu 800 kg kiszonki z kukurydzy uzupełnionej nawozami naturalnymi
- Biogazownia w Międzyrzecu to przykład polskiej technologii dedykowanej do odpadów
- Odpadowa biomasa rolnicza (np. złej jakości siano) powinna być przerabiana w biogazowniach
- Słoma kukurydziana jest substratem powszechnie wykorzystywanym w biogazowniach chińskich