Proizvodnja bioplina

Ena izmed moţnih alternativ fosilnim gorivom je proizvodnja bioplina, ki ga lahko uporabljamo v enake namene kot zemeljski plin, torej za:

- proizvodnjo toplote,

- proizvodnjo električne energije in soproizvodnjo toplotne in električne energije, - goriva za motorna vozila,

- pridobivanje vodika iz bioplina in nadaljnja poraba, - proizvodnjo kemikalij.

Vaja

Izračunajte moč kurilne naprave na lesne sekance za ogrevanje stanovanjske hiše z notranjo površino bivalnih prostorov 200 m² in porabo energije za ogrevanje 70 kWh/m² v enem letu.

Pri tem upoštevajte, da se v povprečju kuri 400 ur letno in da potrebujemo za premostitev najniţjih temperatur pozimi 5-kratno moč kotla glede na povprečno urno porabo energije.

produkte vrenja (hlapne maščobne kisline, alkohol, ogljikov dioksid, vodik idr.). V pomembnem tretjem koraku (acetogeneza) se hlapne maščobne kisline razgrade do ocetne kisline, H2 on CO2. V četrti stopnji pa anaerobne metanske bakterije iz produktov drugostopenjske in predvsem tretjestopenjske razgradnje tvorijo metanogene snovi, torej poteka pretvorba v metan in ogljikov dioksid.

Osnovna enačba anaerobne razgradnje biomase v digestorju se glasi:

2C + 2H₂O = CH₄ + CO₂

Postopek poteka pri optimalni temperaturi okoli 38 °C. Pri tem procesu dobimo bioplin s kurilnostjo od 20 do 25 MJ/m³ (odvisno od sestave bioplina). Bioplin vsebuje:

- 50–75 % metana,

- 10–40 % ogljikovega dioksida, - 1–3 % vodika,

- 0,1–0,5 % vodikovega sulfida, - 0,5–2 % dušika,

- pod 0,1 % ogljikovega monoksida.

Na kvaliteto bioplina in njegovo kurilnost vpliva predvsem deleţ metana. Več kot ga vsebuje, boljši je bioplin (Jejčič s sod., 2009). Kurilna vrednost 1 m³ kvalitetnega bioplina znaša pribliţno 6 kWh, kar zadošča za 1,8 kWh električne energije in pribliţno dvakrat toliko toplote (AURE, 2011).

Bioplin se le deloma razlikuje od zemeljskega plina. Razlikovanje je podano v spodnji preglednici.

Tabela 22: Primerjava bioplina z zemeljskim plinom

Lastnosti Bioplin Zemeljski plin

- 0,6 l utekočinjenega naftnega plina.

Na reprodukcijo mikroorganizmov in s tem na proces proizvodnje bioplina ima pomemben vpliv razmerje med ogljikom in dušikom v masi, ki se fermentira. Optimalno C : N razmerje je 1 : 10 – 16. Če je razmerje oţje, nastane manj metana in več vodika ter ogljikovega dioksida. Največ plina z visoko vsebnostjo metana dajejo maščobe, manj beljakovine, plin iz ogljikovih hidratov pa je siromašen z metanom. Pri gnojevki se računa, da se pri reakcijski temperaturi 32 °C proizvede 0,8 do 1 m³ plina na kilogram razgrajene oziroma 0,4 do 0,6 m³ plina na kilogram razpoloţljive suhe organske snovi (Jejčič s sod., 2009). Temperatura je pri razgradnji substrata ključnega pomena – višja kot je, hitreje pride do razkrajanja substrata. Glede temperature v digestorju ločimo mezofilni in termofilni reţim. Pri mezofilnem reţimu poteka razgradnja biomase in nastajanje metana pri temperaturi organske mase v digestorju okoli 36 do 38 °C, pri termofilnem reţimu pa pri 55 °C.

Vzdrţevanje konstantne temperature pri termofilnem sistemu porabi veliko več energije kot vzdrţevanje mezofilnega reţima, vendar je pri prvem sistemu velikost digestorja lahko manjša.

Zaradi enostavnejše tehnologije se v glavnem gradijo digestorji za mezofilno okolje tehnološkega procesa (Lakota s sod., 2007).

Bioplin lahko uporabljamo na različne načine. Na splošno velja, da ga lahko uporabljamo v enake namene kot zemeljski plin, torej ga uporabljamo za proizvodnjo toplote in pare, soproizvodnjo (kogeneracijo) električne in toplotne energije, kot gorivo za motorna vozila, kot vir vodika za nadaljnjo uporabo in za proizvodnjo kemikalij.

Bioplin najpogosteje uporabljamo za soproizvodnjo električne in toplotne energije, ki poteka v motorjih z notranjim izgorevanjem. V motorju prihaja do pretvorbe kemijsko vezane energije v mehansko energijo, ki se preko generatorja pretvori v elektriko. Motor poganja rotor za proizvodnjo električne energije, pri izgorevanju plina pa nastaja toplota kot stranski produkt. Kot plinski motor se lahko uporabi navaden bencinski Ottov motor, ki se mu doda le mešalnik plina in zraka, zato predelava na bioplin ni zahtevna. Vendar je njihova ţivljenjska doba kratka (le okoli 5000 ur).

Zaradi tega se za izgorevanje bioplina in proizvodnjo električne energije pogosteje uporabljajo robustni dizelski motorji z bistveno daljšo ţivljenjsko dobo, vendar zahtevajo draţjo in zahtevnejšo predelavo. Zaradi zasnove dizelskega motorja v njem ne pride do samovţiga bioplina, zato mu je potrebno prigraditi vţigalne svečke (kot jih imajo bencinski motorji).

Slika 68: Princip delovanja kogeneracijske enote Vir: Lasten

4.2.2.2 Bioplinarna

Slika 69: Shematski prikaz običajnega postrojenja za pridobivanje bioplina iz ţivalskih odpadkov in organskih ostankov z dvostopenjsko fermentacijo

Vir: Lakota s sod., 2007

Bioplinarna je sestavljena iz večih komponent. V zbirni jami (zbiralniku) se zbira substrat (gnoj, gnojevka in drugi biološki odpadki), kamor dodajamo energetske komponente. Potopni rezalnik – mešalnik celotno maso zmelje in premeša. Dobljena masa s sistemom prečrpavanja preide do toplotno izoliranega digestorja, ki je plinotesno zaprt ter opremljen s stenskim ogrevanjem.

Polnjenje digestorja se običajno opravlja 2-krat dnevno. V digestorju poteka proces fermentacije pri temperaturi 35 do 55 °C, čas fermentacije pa je odvisen od vrste substrata. Sveţe dodan substrat potiska maso iz prvega v drugi digestor (pofermentor), iz njega pa se prečrpava v končni zbiralnik za gnojevko. Pofermentor je pogosto enako velik kot ostali digestorji in je opremljen z mešalno napravo. V tem prostoru ţe poteka priprava bioplina za kasnejšo uporabo, saj s kontroliranim dotokom zraka poteka postopek razţvepljanja bioplina. Gnojevka po fermentaciji ne vsebuje amonijaka in je dragoceno gnojilo, ki ne povzroča oţigov listov in je skoraj brez vonja.

Slika 70: Postavljeni digestorji s plinotesno zaprtimi kupolami Vir: Jejčič s sod., 2009

Nastali bioplin v digestorjih in pofermentorju se zbira v plinohramu (zbiralniku bioplina), kjer se le-ta skladišči, saj proizvodnja in raba bioplina običajno ne potekale-ta istočasno. Raba bioplina se deloma prilagaja potrebam po električni energiji in se uporablja v času največje porabe električne energije.

V sistemu za soproizvodnjo toplotne in električne energije (SPTE) se energija plina pretvori v električno in toplotno energijo za lastno uporabo in za pokrivanje potreb drugih. V večjih bioplinarnah (velikost 1 MW) se pri proizvodnji električne energije sprosti enaka količina toplotne energije (1 kWh električne energije sprosti 1 kWh toplote), pri manjših sistemih se razmerje povečuje v pride toplotne energije (pri proizvodnji 1 kWh električne energije se sprosti 1,2 do 1,5 kWh toplotne energije). Za ogrevanje mase v digestorju na optimalno temperaturo se porabi okrog 20 % toplotne energije, ostala energija pa se lahko porabi pri drugih porabnikih.

Proizvodnja bioplina ima določene pozitivne učinke in prednosti:

- je obnovljivi vir energije,

- zmanjšuje emisije CO2 in metana,

- proizvajamo in uporabljamo ga decentralizirano, zato povečuje zanesljivost energetske oskrbe,

- električno energijo in toploto iz bioplina dobavljamo iz uskladiščene sončne energije v skladu s trenutnimi potrebami, neodvisno od letnega časa in natančno v predvidljivih količinah,

- omogoča smotrno rabo opuščenih kmetijskih površin,

- z moţnostjo izvajanja dodatne energetske dejavnosti ponuja kmetom dodatno ekonomsko oporno točko,

- povečuje dodano vrednost in s tem kupno moč podeţelskih regij,

sintezo mikrobne biomase. Takšna oblika dušika je rastlinam hitreje dostopna, zato ga porabijo hitreje, s tem pa se ga manj izpere v tla;

- večji del organskih snovi se v zračnih tleh inkorporira v zemljo, s tem ostane v tleh več dušika, ki je na razpolago koreninam, kar pomeni, da lahko bolje sprejemajo kisik in druga hranila;

- organske kisline se v napravi za bioplin razgradijo do take mere, da rastlinam in organizmom v tleh niso več nevarne. S tem doseţemo bolj zdravo rast rastlin in do desetkrat večjo populacijo deţevnikov v zemlji. Veliko število deţevnikov pa pomeni stabilno strukturo zemlje (rahla, humusna tla), ki je prepredena z luknjicami. Takšna zemlja pa sprejme tudi večjo količino vode, kar je še posebej pomembno pri močnejših nalivih. S tem zaščitimo humusno plast in preprečimo erozijo na mestih, kjer je zemlja slabše pokrita z zeleno maso, npr. pri koruzi na strmejšem pobočju ni potrebno zastiranje.