Koje sirovine koristimo za dobivanje bioplina?
Prva što pretpostavljamo da vam padne na pamet kad spomenemo bioplin je želja da se primite za nos, što je u neku ruku i činjenično stanje stvari jer bioplin nastaje fermentacijom biomase bez prisustva zraka u procesu koji je u stručnim krugovima poznat pod nazivom anaerobna digestija, a o kojem ćemo više reći nešto kasnije. U tom procesu, u kontroliranim uvjetima, proizvodi se plin koji se potom može koristiti za proizvodnju toplinske i električne energije ili daljnjim pročišćavanjem kao zamjena za prirodni plin. Kao sirovine za proizvodnju bioplina mogu poslužiti stajski gnoj, ostaci iz poljoprivredne proizvodnje, otpad nakon obrade industrijskih i prehrambenih biljaka (kukuruzovina, ostaci stabljika, kora voća i povrća), otpad iz šumarstva, maslinika, vinograda i voćnjaka, pa čak i klaonički otpad te organski kućni otpad, otpadni muljevi i kanalizacijska voda. Osim toga, neke energetske biljke poput sirka, kukuruza i djeteline te nekih vrsta trava mogu se ciljano uzgajati za iskorištavanje za potrebe dobivanja bioplina. Kao nusprodukt anaerbone digestije, odnosno proizvodnje bioplina dobivamo smjesu koja se naziva digestat.
Bacimo li pogled na kemijski sastav smjese plinova koju nazivamo bioplin, najveći udio u sastavu bioplina imaju metan (CH4) s 55% do 75% te ugljični dioksid (CO2) s 25% do 44%, dok ostatak uglavnom čine dušik, kisik i vodik. Za razliku od njega prirodni plin je gotovo 95% metan, tek s manjim primjesama ostalih plinova, zbog čega je bioplin prije primjene potrebno pročistiti.
Isto tako, primjerice, prije same primjene otpadne hrane za dobivanje bioplina iz smjese je potrebno izdvojiti teško razgradive elemente: plastične tanjure i pribor za jelo, plastične vrećice, kosti, ljuske jaja, ljušture morskih plodova i eventualne krhotine stakla. O istome treba razmišljati i prilikom obrade drugih sirovina, podjednako na krupne dijelove, tako i na skrivene elemente poput pesticida kojim su špricane biljke ili pak antibiotika u klaoničkim ostacima koji mogu omesti proces proizvodnje bioplina.
Kako funkcionira anaerobna digestija?
Iako je primitivan proces dobivanja bioplina već u 9. stoljeću korišten u Indiji, današnji tehnološki proces dobivanja bioplina, je poprilično je kemijski zamršen. Ono što je bitno jest da se prije primjene bakterija za digestiju biomasu potrebno usitniti, sterilizirati i pasterizirati kako bi se pobili svi mikroorganizmi koje ne želimo u procesu. Daljnjim kemijskim postupkom smjesa, odnosno supstrat iz kojeg se dobiva bioplin se razlaže na sve jednostavnije kemijske spojeve, a u svakom od kemijskih procesa sudjeluju različite vrste mikroorganizama.
Anaerobna digestija (AD) se provodi u velikim spremnicima koji se nazivaju digestori i najčešće traje minimalno 20 dana na konstantnoj temperaturi, koja ovisno o procesu može biti postavljena u rasponu od 40 do 55 stupnjava, ali se zato tijekom procesa temperatura mora održavati na konstantnoj odabranoj razini. Apsolutno presudni uvjet za proizvodnju bioplina u digestoru jest redovito miješanje smjese i atmosfera bez prisustva kisika, jer u suprotnom ne uspijeva razvoj metanskih bakterija. Proces anaerobne digestije također može zaustaviti i previsoka razina amonijaka kao nusprodukta raspadanja bjelančevina ili u slučaju stajskog gnoja visoke koncentracije u mokraći te je stoga razinu amonijaka također potrebno održavati ispod kritične razine.
Korištenje digestata kao gnojiva
Osim plina koji nastaje u procesu anaerobne digestije ostaje i digestat koji se nakon obrade može primjeniti za gnojenje travnjaka ili ratarskih kultura te se na taj način organski otpad može u potpunosti ekološki zbrinuti. Primjena digestata kao gnojiva ima svojih prednosti nad primjenom stajskog gnoja jest značajno manja količina neugodnih mirisa, onesposobljenje virusa, bakterija i parazita u tretiranom supstratu te smanjena pojava opeklina na listovima tretiranih biljaka radi manjeg udjela masnih kiselina zbog njihova raspadanja tijekom procesa anaerobne digestije. Osim toga, u odnosu na sirovu gnojovku, digestat ima veći udio dušika i fosfora te se time povećava i njegova iskoristivost kao gnojiva.
Što je to kogeneracija?
Kogeneraciju možemo definirati kao proces kojim se korištenjem primarne energije goriva istodobno proizvode dva korisna oblika energije: koristan rad i toplinska energija. Najčešća uporaba korisnog rada je za proizvodnju električne energije, dok se proizvedena toplinska energija koristi u procesima grijanja ili hlađenja, te u tehnološkim industrijskim procesima.
Kogeneracijska postrojenja imaju vrlo visok stupanj energetske efikasnosti kao što je prikazano na gornjoj slici, te s time povezane ekonomske i ekološke prednosti. Ukupni stupanj korisnosti ovih sustava varira, ali u nekim primjenama on je procijenjen na 90 posto, te se može utvrditi da u odnosu na konvencionalne sustave, sustav kogeneracije predstavlja sam vrh efikasnosti pretvorbe energije, te to za posljedicu osim energetskih ima i vrlo bitne ekonomske i ekološke prednosti.
Kogeneracija na bioplin
Prije primjene bioplina u kogeneracijskom postrojenju bioplin je potrebno sušenjem i kondicioniranjem pripremiti, kako bi se omogućio nesmetan i pravilan rad plinskih motora koji se danas pretežno koriste za bioplinsku kogeneraciju, a koji imaju ograničenja vezana za sastav plina u pogledu sadržaja sumporovodika, halogenih ugljikohidrata i siloksana. Moderna postrojenja na bioplin se najčešće sastoje od motora za izgaranje povezanog sa generatorom, no moguće je korištenje postrojenja sa upotrebom Stirlingovih motora, plinskih mikroturbina ili gorivih ćelija.
Postrojenja sa plinskim motorom
Prednost postrojenja sa plinskim motorom je mogućnost njihovog rada sa minimalnim udjelom metana od samo 45%. Široka je primjena za manje snage, što približno znači do 100 kW električne snage, dok se za veće snage koriste prilagođeni dizel agregati koji također pripadaju kategoriji plinskih motora i koji su opremljeni svjećicama.
Princip rada postrojenja sa plinskim motorom prikazan je na gornjoj slici, a kratko objašnjenje jest da se adekvatno pripremljen bioplin dovodi do plinskog motora, gdje izgara, te se stvara koristan rad i otpadna toplina. Koristan rad se prenosi na električni generator, koji mehaničku energiju pretvara u električnu energiju, koja se tada može koristiti za zadovoljenje lokalnih potreba (industrijske potrebe ili u zgradarstvu) ili što je zbog subvencionirane otkupne cijene puno češći slučaj da se kompletno predaje, odnosno prodaje u električnu mrežu. Proizvedena toplinska energija se može iskoristi za industrijske procese ili grijanje potrošača toplinske energije. Primjerice, dio proizvedene toplinske energije obično se koristi i za održavanje temperature u digestorima, a toplina iz bioplinske kogeneracije lokalnog tipa može se primijeniti za dobivanje topline u obližnjem naselju ili grijanje staklenika ili plastenika. Kogeneracije sa plinskim motorom su najraširenije jer je cijena plinskih motora značajno niža od ostalih prethodno spomenutih alternativnih postrojenja.
Postrojenje sa plinskom turbinom
Od ostalih tehnologija prije svega želimo istaknuti varijantu kogeneracije sa plinskom turbinom čiji je princip rada prikazan na donjoj slici. Postrojenje s plinskom turbinom funkcionira na način da se u komoru za izgaranje dovodi bioplin (gorivo), i zrak koji je prethodno u kompresoru komprimira na zadani tlak (kompresor) i predgrijava (rekuperator), te u komori dolazi do izgaranja. Smjesa dimnih plinova se propušta kroz plinsku turbinu gdje plinovi ekspandiraju i predaju moment vrtnje, koji se predaje generatoru za proizvodnju električne energije te kompresoru (zbog toga su često turbina i kompresor na istoj osovini). Dimni plinovi se pri izlazu iz turbine odvode u rekuperator gdje dio svoje topline predaju svježem komprimiranom zraku, a dio topline predaju u izmjenjivaču topline nakon čega izlaze u okoliš putem dimnjaka. U izmjenjivaču topline on se predaje vodi ili nekom drugom mediju koja se potom može koristiti kao i u slučaju postrojenja s plinskim motorom. U današnje su vrijeme bioplinske turbine još uvijek komercijalno nekonkurentne, no sa razvojem materijala i tehnologije očekuje se da će u budućnosti doći do smanjivanja investicijskih troškova za ovakav tip postrojenja pa stoga u skorije vrijeme možemo očekivati i značajniji porast primjene ovakve vrste turbina.
Manji digestorski sustavi za obiteljska gospodarstva
Iako je ova tehnologija kod nas relativno nepoznata i neiskorištena, po svijetu je izgrađeno jako puno kućnih digestora, vrlo često napravljenih u kućnoj radinosti te se pojavilo mnogo priručnika za samogradnje. Iako se zasad izgradnja ovakvog sistema za četveročlanu obitelj smatra neisplativom, njezina isplativost je neupitna za manje farme i poljoprivredna gospodarstva koja raspolažu sa nešto većim biootpadom, neovisno da li je on biljnog (ostatci rezidbe, trava, lišće) ili životinjskog podrijetla (izmet životinja). Prvenstveni cilj ovog sistema je proizvodnja visokokvalitetnog organskog gnojiva koji se dobiva bez prisustva neugodnih mirisa te uz visok stupanj higijene i odsutnosti štetočina (štakori, miševi, muhe) koji često prate ove procese ukoliko se oni odvijaju u nekontroliranim uvjetima na otvorenom. Bioplin koji nastaje kao nusproizvod razgradnje, pretežno se koristi za kuhanje u kućanstvu (ukoliko se radi o manjem sistemu), odnosno za farme i nešto veće sisteme može se koristiti za zagrijavanje kuće, plastenika ili gospodarskih zgrada. Za veće farme sa većim brojem životinja moguće je sa ekonomskom isplativošću izgraditi i sisteme koji proizvode električnu energiju te na taj način ostvariti djelomičnu ili potpunu energetsku ovisnost.
Šaržni i protočni digestori
Ovisno o tipu sirovine imamo dvije osnovne vrste digestora, šaržni i protočni. Šaržni digestor osmišljen je za jedno punjenje tijekom procesa te je idealan ako je sirovina biljnog ili pretežno biljnog podrijetla. Protočni digestor koristi se za višestruka punjenja tijekom procesa, što ga čini idealnim na stočnim farmama gdje je svakodnevno potrebno zbrinjavati biološki otpad. Digestori se također dijele na neukopane ili ukopane digestore, na što utječe podneblje i lokacija na kojoj se digestor nalazi. Kako u digestoru uvijek mora biti minimalno 35 stupnjeva Celzijevih u toplijim tropskim krajevima digestor se ne ukopava dok se za naše podeblje preporučuje ukopavanje kako bi se uštedjelo na zagrijavanju uređaja zimi. Kod većih sistema, kod kojih je moguće proizvoditi električnu energiju, otpadna toplina koja se odvodi plinskom motoru može se koristiti za dogrijavanje digestora na radnu temperaturu.
Zemlje u kojima se još od pamtivjeka koriste djelomično ili potpuno ukopani kućni digestori su Indija i Kina, odakle poznajemo i dva najpoznatija tipa jednostavnih kućnih digestora. U osnovi takozvanog "kineskog" tipa jest podzemni digestor, tipičnog volumena od 6 do 8 kubnih metara koji se puni otpadnim vodama iz kućanstva, stajskim gnojem i organskim otpadom. Dodavanje supstrata i uklanjanje podjednake količine tekućine nastale tijekom digestije obavlja se ručno, otprilike jednom dnevno. Tijekom digestije potrebno je miješati smjesu, a dva do tri puta godišnje vadi se i talog s dna digestora. Takozvani "indijski" tip u svojoj osnovi je vrlo sličan kineskom, no razlika je, kao što je prikazano na gornjoj slici, u tome što se bioplin prikuplja u zvonolikoj plutajućoj kupoli koja se koristi kao rezervoar za bioplin.
Prijenosni digestori
U novije vrijeme na tržištu se mogu naći i mali „prijenosni" digestori koji proizvode male količine plina za ograničenu uporabu (kuhanje, svjetlo i sl.), kod kojih se prvenstveno koristi otpad iz kuhinje ili manje količine biljnog materijala. Ove proizvode karakterizira jednostavna instalacija, koju može izvršiti i sam korisnik, jednostavno održavanje, te nizak investicijski trošak. Nažalost, zasad u Hrvatskoj ne postoji tvrtka koja proizvodi ili uvozi ovakav tip proizvoda, te sve ostaje na entuzijazmu pojedinca. Dio problema leži i u neinformiranosti potencijalnih korisnika ali svakako i u nezainteresiranosti istih zbog još uvijek niskih cijena energenata, što možemo očekivati da će se promijeniti sa sve višim cijenama goriva.
www.zelenaenergija.org
