Wykorzystywanie biogazu ze składowisk odpadów komunalnych jako odnawialne źródło energii - Notatki - Biologia, Notatki'z Biologia. University of Bialystok
Jakub90
Jakub9026 March 2013

Wykorzystywanie biogazu ze składowisk odpadów komunalnych jako odnawialne źródło energii - Notatki - Biologia, Notatki'z Biologia. University of Bialystok

PDF (376.6 KB)
9 strona
754Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach wyeksponowane zostają stwierdzenia z biologii: wykorzystywanie biogazu ze składowisk odpadów komunalnych jako odnawialne źródło energii.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 9
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.

Wydział Inżynierii Środowiska

Wykorzystywanie biogazu ze składowisk odpadów

komunalnych jako odnawialne źródło energii.

Biotechnologia, sem.9

Unieszkodliwianie odpadów polega na poddaniu ich procesom biologicznym,

fizycznym lub chemicznym w celu doprowadzenia do stanu, który nie stwarza zagrożenia dla

życia lub zdrowia ludzi oraz dla środowiska.

Odpady komunalne - rozumie się przez to odpady powstające w gospodarstwach

domowych, a także odpady nie zawierające odpadów niebezpiecznych pochodzące od innych

wytwórców odpadów, które ze względu na swój charakter lub skład są podobne do odpadów

powstających w gospodarstwach domowych.1 Najczęściej odpady komunalne w Polsce

zawierają głównie organiczne składniki (ok. 40% - 50%), które ulegają biochemicznym

przemianom i oddziałują na środowisko poprzez produkty rozkładu: dwutlenek węgla,

amoniak, siarkowodór, metan, azotany, azotyny, siarczany i inne.

Najbardziej popularna metodą unieszkodliwiania odpadów komunalnych w Polsce jest

ich składowanie. Składowanie to postępowanie z odpadami, które nie zostały wykorzystane

gospodarczo ani unieszkodliwione w inny sposób. Proces ten polega na bezpiecznym

deponowaniu ich w miejscach przeznaczonych do tego celu. Składowisko odpadów to

zlokalizowany i urządzony zgodnie z przepisami obiekt budowlany zorganizowanego

deponowania odpadów o znanych właściwościach. Złoże zdeponowanych odpadów

komunalnych na składowiskach jest specyficznym bioreaktorem, w którym pod wpływem

czynników atmosferycznych i mikroorganizmów odpady są rozkładane w procesach

fizycznych, chemicznych i biologicznych zarówno w warunkach tlenowych, jak i

beztlenowych.2 Odpady pochodzenia organicznego składowane w postaci hałd, sprasowanych

pod własnym ciężarem lub przy pomocy kompaktorów, znajdują się w warunkach

beztlenowych, które sprzyjają fermentacji. Powstały w wyniku fermentacji gaz wysypiskowy,

zawiera dwutlenek węgla, metan ale również lotne związki azotu, siarki i chloru. W tabeli 1

przedstawiono skład biogazu z hałdy odpadów komunalnych.

Składniki % objętościowy

Metan 45 – 65

Dwutlenek węgla 25 - 35

Azot 7 - 10

Tlen < 3

Pozostałe domieszki Ok. 1

1 Dziennik Ustaw z 2001 r. Nr 62 poz. 628 Rozdział 1, Art. 3.3.4. 2 C. Rosik-Dulewska, Podstawy gospodarki odpadami, Warszawa 2008, s. 45-69.

Podstawowe składniki biogazu zalicza się do najważniejszych gazów cieplarnianych.

Zwiększenie ich stężenia w atmosferze powoduje pogłębienie się efektu cieplarnianego i

znaczące zmiany klimatyczne na kuli ziemskiej. Wpływ metanu na efekt cieplarniany

wielokrotnie przewyższa wpływ dwutlenku węgla. Według Protokołu z Kioto emisja 1 Mg

metanu jest równoznaczna emisji 21 Mg dwutlenku węgla.3

W Polsce gromadzi się rocznie ok.13 Tg stałych odpadów komunalnych, z jednego

Mg tych odpadów powstaje w ciągu 20 lat przeciętnie 230 m3 gazu. Potencjał energetyczny

składowisk w zakresie możliwości wykorzystania biogazu wynosi w Polsce ok. 595 Mm3/a.4

W związku z powyższym wydaje się zasadne ujęcie biogazu i jego wykorzystanie głównie do

celów energetycznych. Gaz składowiskowy produkowany w złożu odpadów jest definiowany

jako źródło energii odnawialnej. Dyrektywa 2001/77/EC Parlamentu europejskiego w sprawie

promocji elektryczności produkowanej ze źródeł odnawialnych przytacza następującą

definicję: „termin odnawialne źródło energii oznacza odnawialne, niekopalne źródło energii (

energia wiatru, słoneczna, geotermiczna, falowa, pływów, wodna, biomasy, gazu z odpadów,

gazu z zakładów oczyszczania ścieków i biogazów)”. 5

Produkcja biogazu jest procesem towarzyszącym składowaniu odpadów komunalnych.

Powstały w wyniku fermentacji gaz należy rozpatrywać w dwóch aspektach, jako źródło

emisji zanieczyszczeń oraz jako źródło energii. W złożonym dynamicznym procesie

biochemicznym składniki organiczne odpadów podlegają hydrolizie, następnie z udziałem

bakterii początkowo tlenowych, a w dalszym etapie głównie beztlenowych, rozkładane są do

kwasów organicznych i w końcowym etapie do gazów: metanu i dwutlenku węgla. W

konsekwencji tych przemian można wyróżnić następujące fazy:

I. Faza – hydroliza związków wielocząsteczkowych. Biorą udział bakterie z grupy

względnych tlenowców, rozkładające wielocukry, lipidy i peptydy do prostych,

rozpuszczalnych w wodzie związków organicznych. Etap ten zazwyczaj trwa krótko,

do kilku tygodni, do czasu wyczerpania się tlenu zawartego w masie odpadów.

II. Faza – fermentacja kwaśna. Biorą w niej udział bakterie kwasotwórcze, wytwarzające

wodór. Bakterie fermentatywne dalej katabolizują produkty hydrolizy przede

wszystkim do tzw. lotnych kwasów tłuszczowych, kwasów organicznych, dwutlenku

węgla, wodoru. Etap fermentacji kwaśnej trwa do kilku miesięcy.

3 J.Ciuła, Biogaz składowiskowy jako źródło energii odnawialnej, „AURA ochrona środowiska” nr 5 z 2009 roku, s. 23. 4 W.Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa 2007, s. 355-357. 5 Dyrektywa 2001/77/EC Parlamentu Europejskiego w sprawie promocji elektryczności produkowanej ze źródeł odnawialnych.

III. Faza – właściwa fermentacja metanowa. Jest to końcowa faza procesu rozkładu, w

której bakterie metanowe metabolizują produkty poprzednich faz na metan,

dwutlenek węgla i inne gazy oraz mineralna pozostałość.

Można ten etap procesu podzielić na :

 niestabilną,

 stabilną,

 zanikającą.

Uważa się, że metan powstaje głównie w procesie odtlenienia dwutlenku węgla wodorem

CO2 + 3H2 → CH4 + H2O

oraz metabolicznego rozkładu kwasu octowego

CH3COOH → CH4 + CO2 + energia.6

I - FAZA TLENOWA

II - FAZA FERMENTACJI KWAŚNEJ

III - FAZĘ METANOGENEZY NIESTABILNĄ

IV - FAZĘ METANOGENEZY STABILNĄ

V - FAZĘ METANOGENEZY ZANIKAJĄCĄ

6 C. Rosik-Dulewska, op. cit., s. 129-130.

Wydzielanie się metanu zależy od wielu czynników oraz procesów fizycznych, chemicznych i

biologicznych. Należą do nich:

 skład odpadów,

 stopień zawilgocenia odpadów (minimalna wilgotność wynosi 50%),

 temperatura składowiska (wraz z obniżaniem temperatury maleje szybkość

wydzielania się metanu),

 odczyn pH (optymalne pH wynosi 6,8 – 8,5)

 współczynnik komprymacji złoża (im większa, tym mniej tlenu atmosferycznego

zawiera złoże, tym większe ciśnienie i temperatura),

 warunki atmosferyczne. 7

Powstający biogaz stwarza określone zagrożenia zawiązane z eksploatacją składowiska:

 wybuchowe,

 zanieczyszczenia wód gruntowych,

 zanieczyszczenia powietrza.

Każde składowisko powinno być wyposażone w instalacje odgazowania, która

zapewni ujęcie i wykorzystanie biogazu. Ze względu na sposób odprowadzania gazów

możemy odgazowanie podzielić na:

 Odgazowanie bierne – spalanie w indywidualnych palnikach instalowanych na

studniach gazowych,

 Odgazowanie aktywne – spalanie w pochodniach lub energetyczne wykorzystanie.

Odgazowanie aktywne jest najbardziej efektywnym sposobem migracji biogazu poza

składowisko, polega ono na odpompowaniu gazu z odwiertów.

8

7 J.Ciuła, op. cit., s. 23. 8 www.ekowat.pl, (5.06.09)

W trakcie eksploatacji składowiska ujęcie gazu może być realizowane przez pionowe

studnie odgazowujące budowane i podwyższane w trakcie eksploatacji wraz z wykonaniem

dolnego odprowadzenia gazu. Średnica budowanych studni wynosi od 0,5 do 1,2 m,

natomiast rura powinna mieć perforację stanowiącą 20% jej powierzchni i średnicę od 110 do

160 mm. Studnie odgazowania mogą funkcjonować jako indywidualne lub podłączone do

kolektora zbiorczego po kilka studni. Optymalnym rozwiązaniem jest podłączenie

indywidualne studni do stacji zbiorczej gazu, ponieważ jest możliwość sterowania

automatycznego, kontroli, regulacji, składu gazu oraz jego wydajność. Na dużych

składowiskach oprócz pionowych studni stosuje się studnie poziome z odprowadzeniem

biogazu do wspólnego kolektora gazu. Gaz składowiskowy zawiera parę wodną, która musi

być wyprowadzana poza układ gazowy rurociągu przez zastosowanie odwadniaczy na trasie

gazociągu oraz przed generatorem.

Gaz składowiskowy zawierający metan w zakresie od 40% do 60% może być źródłem

energii. Przykładowy skład biogazu i parametry energetyczne przedstawiają się następująco:

 zawartość ok. 60% CH4 i 40% CO2 ma wartość opałową ok. 21,5 MJ/m3,

 zawartość ok. 31,6% CH4 i 34,8% CO2 ma wartość opałową ok. 12,3 MJ/m3.

Natomiast 1 m3 gazu ziemnego zawiera około 93% CH4 a jego wartość opałowa wynosi ok.

37,4 MJ/m3.9 Biogaz o małej wartości opałowej może być spalany w indywidualnych

pochodniach stanowiących zakończenie studni odgazowującej, lub pozyskiwany za pomocą

stacji ssąco-tłoczącej, oczyszczany i spalany w pochodni zbiorczej. Takie rozwiązanie

podczas spalania eliminuje szkodliwe składniki gazu w tym metanu. Podczas tego procesu

nie jest możliwe zapewnienie odpowiednich parametrów spalania ze względu na szybkość

zachodzącego procesu. Ten sposób wykorzystania gazu jest coraz rzadziej stosowany i

dotyczy starych i małych składowisk, na których zbudowano studnie odgazowujące w trakcie

eksploatacji składowiska lub po jej zakończeniu w sytuacji gdy produkcja gazu jest

niestabilna i ma on niska wartość opałową. Rysunek nr 2 przedstawia studnie odgazowania

składowiska. 10

Najczęściej stosowane sposoby wykorzystania gazu składowiskowego to:

 produkcja energii elektrycznej,

 produkcja energii cieplnej,

 produkcja skojarzonej energii elektrycznej i cieplnej (kogeneracja),

9 J.Ciuła, op. cit., s. 24. 10 C. Rosik-Dulewska, op. cit., s. 139.

 oczyszczania, formowania gazu o wysokiej wartości opałowej i przesył do sieci

gazowej.

Rysunek nr 2. Studnia odgazowania składowiska.

Coraz chętniej, stosowanym w Polsce sposobem wykorzystania gazu

składowiskowego jest kogeneracja, czyli proces, w którym energia chemiczna zawarta w

paliwie zamieniana jest w jednym procesie technologicznym w energię elektryczna i cieplną.

Sprawność ogólna przemiany energii w tym procesie jest dużo wyższa niż przy rozdzielonym

wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej. Sprawność ogólna procesu skojarzonego jest

powyżej 85%. Produkowana energia elektryczna może być przeznaczona na potrzeby własne

obiektów na składowisku, natomiast nadwyżka przesyłana do sieci energetycznej jako

„zielona energia”. Pozyskana energia cieplna może być wykorzystana na potrzeby własne,

tzn. ogrzewania pomieszczeń i ciepłej wody użytkowej, lub w przypadku korzystnej

lokalizacji przesyłana do sieci ciepłowniczej. Rysunek nr 3 przedstawia schemat instalacji

odgazowania i wykorzystania biogazu.11

Z doświadczeń Stanów Zjednoczonych i Europy Zachodniej widać, że przeważa tam

wykorzystanie energetyczne biogazu o niskiej i średniej kaloryczności. W krajach Wspólnoty

Europejskiej działają już 172 takie instalacje, wyposażone w ssawę, pochodnię, silnik

gazowy, generator elektryczny i odpowiedni moduł cieplny. (Produkcja energii z gazu

składowiskowego, która obejmuje energię elektryczną i cieplną jednocześnie.) Średnio na

świecie okres zwrotu nakładów inwestycyjnych wynosi 3 – 4 lata. W Stanach Zjednoczonych

11 J.Ciuła, op. cit., s. 24-25.

produkcja gazu ze składowisk wynosi obecnie 5,9mln m3/dzień z czego 90% jest używane

bezpośrednio po oczyszczeniu jako gaz o średniej wartości opałowej (16 MJ/m3). Pozostałe

10% jest poddawane operacji usunięcia CO2 w celu otrzymania gazu o wysokiej wartości

opałowej (40 MJ/m3), odpowiadającej gazowi ziemnemu.12

Rysunek nr 3. Schemat instalacji odgazowania i wykorzystania biogazu.

Działalności człowieka towarzyszy powstawanie ogromnych ilości odpadów. W

Polsce istnieje ok. 800 ewidencjonowanych wysypisk odpadów komunalnych i nieokreślona

liczba dzikich wysypisk śmieci. Roczna wartość energii traconej z gazem wysypiskowym

jest równoważna 4,39·10 8 gazu ziemnego.13 Wykonanie odgazowania składowisk poprawia

bezpieczeństwo jego eksploatacji, zapobiega rozprzestrzenianiu się odorów oraz

niezorganizowanej emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Skutki dla środowiska

naturalnego w wyniku ujęcia i wykorzystania biogazu jako odnawialne źródło energii są

zdecydowanie korzystne. Wykorzystując gaz składowiskowy do produkcji energii

elektrycznej lub/i energii cieplnej, w konsekwencji doprowadzamy do zmniejszenia

12 C. Rosik-Dulewska, op. cit., s. 143-144. 13 W.Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa 2007, s. 351.

wydobycia i zużycia kopalnych surowców energetycznych oraz ograniczenia emisji

szkodliwych związków powstających w wyniku ich spalania. Należy podkreślić, że

produkcja energii z gazu wysypiskowego jest często stosowanym rozwiązaniem, posiada ona

jednak istotne wady i ograniczenia. Podstawową wadą jest niska sprawność energetyczna

procesu oraz duże nakłady inwestycyjne. Dla podniesienia sprawności należy dążyć do

wykorzystania także energii ciepła. W tym celu istnieje konieczność znalezienia, oprócz

odbiorcy energii elektrycznej, także odbiorcy ciepła. W przypadku oddawania energii

elektrycznej do sieci energetycznej istotnym problemem jest wynegocjowanie korzystnych

cen, czym nie zawsze zainteresowani są zarządzający siecią. Mając w perspektywie

wymagania i zalecenia Unii Europejskiej preferujące wykorzystanie energii ze źródeł

odnawialnych sytuacja ta ma szanse ulec w najbliższym czasie zmianie.

LITERATURA

1. Rosik-Dulewska Cz., „Podstawy gospodarki odpadami”, Wydawnictwo Naukowe

PWN, Warszawa 2008.

2. Lewandowski W., „Proekologiczne odnawialne źródła energii”, Wydawnictwa

Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.

3. Ciuła J., „Biogaz składowiskowy jako źródło energii odnawialnej”, AURA ochrona

środowiska nr 5 z 2009 roku, s.23-25.

4. Dziennik Ustaw z 2001 r. Nr 62 poz. 628 Rozdział 1, Art. 3.3.4.

5. Dyrektywa 2001/77/EC Parlamentu Europejskiego w sprawie promocji elektryczności

produkowanej ze źródeł odnawialnych.

6. Instalacje odgazowania, http://www.ekowat.pl

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome