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
Bioelektrane kao obnovljivi izvori energije
U 21. je stoljeću jedan od najvažnijih problema sve veća uporaba energije i sve manje zalihe fosilnih goriva. Pomanjkanje fosilnih goriva dovelo je do istraživanja uporabe obnovljivih izvora energije i time razvoja novih tehnoloških postupaka za dobivanje energije. Jedan je od najučinkvitijih energenata bioplin koji se dobiva iz zelenoga raslinja ili iz otpadnih organskih tvari. Bioplin ima vrlo pozitivan učinak na zagrijavanje ozračja, pri izgaranju bioplina nastaje manje CO2 nego što ga treba raslinje za fotosintezu od kojega se bioplin dobiva. Svaki projekt proizvodnje bioplina mora dokazati gospodarsku isplativost u odnosu na druge koncepte iskorištavanja istih sirovina. Upotreba poljoprivrednih sirovina za proizvodnju bioplina u izravnoj je konkurenciji s proizvodnjom hrane i živežnih namirnica. Zbog rasta cijena sirovina danas su isplativa samo postrojenja koja proizvode više bioplina uz upotrebu manje materijala, energije i financijskih sredstava. U skladu s time, proizvođači tehnologija i sustava povećavaju učinkovitost postrojenja brojnim novim idejama.
Za optimiranje procesa fermentacije, npr., nužno je imati bolju kontrolu dostave obnovljivih sirovina, kojima je često teško rukovati, u spremnike za fermentaciju. Mogućnost koja se ovdje nudi jest upotreba novoga pokretnog kontejnera od plastike koji štedi energiju. Daljnji je pokušaj povećanja učinkovitosti poboljšanje životnih uvjeta bakterija koje proizvode metan. Mikrobi crpe svoju energiju iz lanaca polisaharida. Polisaharide prvo trebaju razgraditi enzimi da bi ih mikrobi mogli iskoristiti. U normalnom je slu-čaju količina enzima koji su prisutni u jednom postrojenju za bioplin premala za najpovoljnije hranjenje mikroorganizama. Sadržaju fermentora kao pomoć može se dodati enzimski preparat koji je razvilo berlinsko poduzeće za biotehnologiju. Preparat ubrzava razgradnju polisaharida u monosaharide i oligosaharide. Poboljšana opskrba šećerom utječe na brže razmnožavanje mikroorganizama i rast biološke aktivnosti. Prema sveobuhvatnim istraživanjima proizvođača upotreba ovog preparata povećava dobitak bioplina u prosjeku za 18 posto. Brže raspadanje ulaznog materijala ima i pozitivne učinke na vođenje procesa. Budući da su polisaharidi odgovorni za viskoznost sadržaja u fermentoru, njihovo ubrzano cijepanje dovodi do supstrata koji je više tekuće strukture. S obzirom na to supstrat nije potrebno toliko miješati, a na taj se način štedi energija. Procjena isplativosti pokazuje da se povećanom proizvodnjom struje ostvaruje višestruki dobitak, koji znatno premašuje troškove korištenja enzimima.
Drugim postupkom, u kojem se rabi jednostavna fizikalna metoda, može se povećati broj bakterija u postrojenju za bioplin. U fermentiranom materijalu koji se odstranjuje iz fermentora ostaje velik broj mikroorganizama. Zbog znatno manje koncentracije bakterija u spremniku protok materijala je spor, učinak je ograničen. U novom se postupku u postrojenje uvode male količine magnetnih čestica koje se u supstratu vežu sbakterijama. Uporabom magnetnih sila, npr. uz pomoć trajnog magneta, bakterije je moguće odvojiti od fermentiranog materijala i vratiti u reaktor. Za magnetiziranje bakterija dovoljno je npr. 0,1 grama ferita po gramu organske suhe tvari sadržaja reaktora. Primarno je područje upotrebe magnetskog zadržavanja biomase fermentacija supstrata koji su bogati vodom, kao na primjer otpadne tekućine iz destilacije alkohola. Najraširenija je upotreba bioplina u termoelektranama-toplanama. No, sastav bioplina, goriva koje ne zagađuje okoliš, nije uvijek isti. Vrijednosti kao antidetonatorska svojstva i brzina širenja plamena mogu se promijeniti u nekoliko sekundi za 30 do 50 posto. Kako bi proizvodnja energije u tim promjenjivim uvjetima u TE-TO (termoelektrana – toplana) bila učinkovita, uz plinske otomotore mogu se rabiti i prilagođeni dvogorivni motori. Dvogorivni se motori temelje na principu dizelskoga motora. Kod pogona na bioplin, bioplin se dodaje usisanom zraku za izgaranje uz pomoć električnog ventila za reguliranje plina te komprimira. Ubrizgavanje male količine biljnog ulja pokreće paljenje mješavine slabog plina i zraka u komori za izgaranje. Glavnu ulogu u tome ima inovativna regulacijska elektronika koja određuje idealni trenutak ubrizgavanja, potrebnu količinu ulja i najbolju temperaturu gorenja. Prema riječima proizvođača na taj se način može ostvariti stupanj djelovanja do 44 posto - a istovremeno se smanjuje emisija i povećava životni vijek motora.
Kao alternativa izravnom izgaranju u TE-TO trenutačno se afirmira obrada bioplina na kvalitetu zemnog plina i zatim napajanje mreže zemnog plina. Stupanj iskorištavanja u TE-TO na toplinsku energiju, koje su povezane s mrežom zemnog plina, jest veći od 80 posto. Doduše to iziskuje dodatna financijska sredstva i tehniku za sušenje, odsumporavanje, obogaćivanje metanom/odvajanje ugljičnog dioksida i dodavanje mirisa. Učinkovitost ovog koncepta će se također povećati tehnološkim novitetima, tako da će prema riječima predstavnika branše vjerojatno već za pet godina biti moguće dobiti obrađeni bioplin po istoj cijeni kao i klasični zemni plin. U procesu fermentacije bakterije pod anaerobnim uvjetima u nekoliko faza razgrađuju organski materijal do konačnih produkata među kojima su najveći dio CO2 i CH4. Pri procesu fermentacije radi se o četiri različita procesa koji slijede u nizu dok ne nastanu CH4 inCO2. Procesi teku pod utjecajem više vrsta anaerobnih bakterija koje su odgovorne za slijedeće: - hidrolizu kompleksnih veza u organskim molekulama (ugljični hidrati, masti, bjelančevine, šećer, aminokisline) - fermentaciju (jednostavne organske kiseline, alkoholi) - transformaciju razvijene molekule s brojnim metilnim skupinama (octena kiselina, vodik, dušična kiselina, bikarbonat) - sintezu bioplina
Otpadno blato koje nastaje nakon završene fermentacije sadrži mikrobiološko neprobavljive tvari koje sadrže minerale i mikrobiološku biomasu. Energija koja se oslobađa pri izgaranju ugljičnih hidrata teorijski je jednaka onoj koja nastaje izgaranjem bioplina. Dobivena je energija jednaka onoj koja se rabi pri fotosintezi. Prednost bioplina je prije svega u tome da se lako s relativno jednostavnim procesom mijenja u električnu energiju (bioplin izgori u plinskom motoru koji pokreće električni generator, osim toga pri izgaranju oslobađa veću količinu topline koja se može iskoristiti za grijanje industrijskih postrojenja ili stambenih zgrada). Za dobivanje bioplina se kao ulazna sirovina u načelu može rabiti svaka organska supstancija, mogu se upotrebljavati ugljični hidrati, masti, bjelančevine, celuloza te lignin koji se presporo mikrobiološki razgrađuje i stoga je njegova uporaba nesmislena. Općenito su najprimjerenije sljedeće organske supstancije:
- tekući i tvrdi životinjski gnoj iz intenzivne seoske proizvodnje - ostaci poljodjelskih proizvoda - otpadni materijal iz životinjske industrije - organski kuhinjski otpaci. Količina proizvedenoga plina ovisi o ulaznim organskim sirovinama koje ulaze u proces pH-u, temperaturi i zadržavanom vremenu. Najpovoljniji uvjeti jesu: - ulazna supstancija je već djelomično fermentirana - pH je 7 - temperatura 37°C pri mezofilnim mikroorganizmima i 55°C pri termofilnim organizmima - retenzijsko vrijeme otprilike 20 dana pri T = 50 °C i 80 dana pri T = 20°C.
Osnove za bioplinaru
Osnove za bioplinaru jesu: 1. Bitna prednost tehnologije bioplina u zaštiti okoliša je u smanjivanju stakleničkih plinova, kao što su metan(CH4), dušikov oksid (N2O) i ugljični dioksid (CO2). Oslobađa se samo toliko CO2 koliko biljke iz kojih je nastao trebaju za svoj rast. 2. Pozitivni utjecaji na gospodarstvo okolnih farma. Povećava gospodarsku sposobnost seoskoga domaćinstva. 3. Razgradnjom regenerativne organske mase – energenata u bioplin utječe se na smanjenje uporabe fosilnih goriva (grijanje). 4. Anaerobnom preradom povećava se kvaliteta gnoja. Emisija smrada se smanjuje. Tvari koje uzrokuju smrad (hlapive masne kiseline, fenoli...) se razgrađuju. Tekući je supstrat, koji se prepumpava kroz preradu, homogeniziran. Time se postiže bolja kvaliteta trošenja toga supstrata. 5. Završni supstrat ima dobar gnojiv učinak u usporedbi s prirodnim gnojem. Nakon mineralizacije se suzuje C:N odnos, takav je supstrat biljkama prihvatljiviji. Uporabnost gnojiva je velika pri osnovnom gnojenju i dognojavanju u vrijeme intenzivnoga rasta. 6. Završen krug: iz organske mase koja raste na njivama nastaje energija i hrana koja se vraća na polje. 7. Proces prerade supstrata smanjuje broj patogenih klica (bakterije), smanjuje se kalavost sjemena. 8. Smanjuje se uporaba gnojiva i pesticida. Završni supstrat može zamijeniti mineralno gnojivo. Štedi se novac i pitka voda. 9. Dio potpore smanjivanju utjecaja na klimatske promjene povećat će se kao i broj bioplinara, a time i razvoj, tehnologija i sigurnost bioplinara. 10. Kogeneracijom se proizvodi toplinska i električna energija. Nastala energija pokriva toplinske potrebe za grijanje stambenih i javnih građevina. Isto se tako grije tehnička voda koja se može upotrebljavati za različite namjene. Višak električne energije prodaje se u mrežu.
T. Vrančić IZVOR: Posjet boplinari u Lendavi
