Stabilne OZE, czyli biogaz

Odnawialne źródła energii (OZE), przede wszystkim fotowoltaika i elektrownie wiatrowe, często kojarzą się z niestabilnością. Nic dziwnego, w końcu praca obu technologii wprost zależy od warunków pogodowych. W systemie energetycznym opartym głównie o te dwa zmienne źródła energii, w sytuacji bezwietrznej i pochmurnej pogody nieuchronnie brakować będzie energii. Czy wobec tego obecnie skazani jesteśmy na bilansowanie takiego systemu przejściowo elektrowniami węglowymi i gazowymi a docelowo elektrowniami atomowymi? Niekoniecznie. Istnieje technologia OZE pozbawiona problemu zmienności, o której często zapomina się w dyskusji o energetyce przyszłości. Tą technologią jest biogaz.

Biogaz to tak naprawdę nazwa mieszaniny gazów, głównie metanu (zazwyczaj ok. 60% masy biogazu) oraz dwutlenku węgla (ok. 40%) i domieszek (poniżej 1%) takich jak m.in. siarkowodór czy amoniak. Biogaz powstaje podczas rozkładu materii organicznej w warunkach beztlenowych. W praktyce biogaz można łatwo produkować z większości rodzajów biomasy, poza materiałami zdrewniałymi. Wkładem do produkcji biogazu mogą być m.in. obornik, gnojowica, skoszona trawa, liście, osady ściekowe, resztki kuchenne, zepsuta żywność, odpady z przetwórstwa żywności czy słoma.

Biogazownia – jak to działa?

Biogazownie, czyli instalacje do wytwarzania biogazu można podzielić na trzy główne rodzaje: rolnicze, przy oczyszczalniach ścieków i na wysypiskach. Co do zasady instalacje te mają dość nieskomplikowany schemat działania, który najlepiej omówić można na przykładzie typowym dla biogazowni rolniczej.

Sercem biogazowni jest fermentator lub inaczej bioreaktor, czyli po prostu szczelny zbiornik, w którym umieszcza się rozdrobnioną biomasę zmieszaną z wodą i szczepami bakterii, które przeprowadzają fermentację beztlenową. Od góry taki zbiornik zamknięty jest nieprzepuszczalną dla gazu i rozciągliwą membraną, pod którą zbiera się wydzielany w dolnej części zbiornika biogaz. We wnętrzu bioreaktora umieszcza się jeszcze zestaw mieszadeł, do ujednolicania jego zawartości, tak aby fermentacja mogła cały czas zachodzić w całej objętości płynu. Wielkie znaczenie dla zachodzenie reakcji, jej tempa i ogólnie jakości ma temperatura wewnątrz fermentatora, dlatego zbiornik od zewnątrz pokrywa się grubą warstwą izolacji termicznej. Dodatkowo reakcja fermentacji sama w sobie wytwarza dużo ciepła, które trzeba odprowadzać z wnętrza fermentatora, tak żeby go nie przegrzać.

Fermentator obudowany jest dalej w system urządzeń wspierających. Z jednej strony do fermentatora ciągiem rozdrabniarek, prowadnic i pomp doprowadzana jest biomasa zmieszana z wodą. Najlepszą praktyką jest higienizacja substratu, jeszcze przed doprowadzeniem go do bioreaktora. Można to zrobić na przykład przez podgrzanie go do temperatury ok. 70 °C za pomocą ciepła odpadowego z bioreaktora. Z drugiej strony fermentatora odprowadzany jest płynny poferment, czyli przefermentowana zawartość zbiornika oraz oczywiście od góry biogaz. Poferment, podobnie jak ziemia kompostowa, jest bardzo dobrym nawozem organicznym, który można stosować zamiast nawozów sztucznych. Wodę z pofermentu można odparować, np. z wykorzystaniem ciepła odpadowego i wykorzystać ponownie w zbiorniku. Z kolei suchy poferment można zgranulować i po badaniach jakości i sanitarnych, skierować już bezpośrednio do wykorzystania jako nawóz.

Biogaz odprowadzany z górnego zbiornika zazwyczaj spala się zaraz przy biogazowni w kogeneracji, czyli wytwarzając jednocześnie energię elektryczną i ciepło. Przed spaleniem biogaz oczyszcza się jeszcze z amoniaku, siarkowodoru (typowo w przypadku biogazowni rolniczych) i siloksanów, czyli związków krzemu (to z kolei w przypadku biogazowni komunalnych np. przy oczyszczalniach ścieków). Dzięki temu z jednej strony zapobiega się emisji odorów, a z drugiej uszkodzeniu części generatorów, w których spala się gaz. Energię elektryczną ze spalania wprowadza się do sieci elektrycznej, a ciepło można wykorzystać na potrzeby instalacji, pobliskich gospodarstw rolnych, zakładów przetwórstwa, lub wręcz do ogrzewania pobliskich domów przez mikro sieć ciepłowniczą.

Każda biogazownia i biometanownia to wiele innych urządzeń i elementów oprócz tych najważniejszych opisanych wyżej. Należy jeszcze wspomnieć o wykwalifikowanej kadrze, niezbędnej do prawidłowego prowadzenia takiej instalacji i czuwania nad warunkami sanitarnymi. Warto zauważyć, że monitoring sanitarny przy biogazowniach jest szansą na wykrywanie we wczesnym stadium patogenów, które krążą w bioodpadach wytworzonych przez zwierzęta i ludzi. To w czasach coraz większego ryzyka kryzysów zdrowia publicznego (patrz pandemia COVID-19) szczególnie mocna zaleta.

Czym nakarmić biogazownię?

Często mówi się, że biogazownie „karmi się” biomasą. Nie jest to wcale naciągane porównanie. Fermentator jest trochę jak żołądek żywego organizmu i pokierowanie zachodzącą w nim reakcją wymaga sporej precyzji, wspomaganej wieloma urządzeniami do pomiaru i regulacji warunków panujących w zbiorniku. Biomasę dozuje się w zależności od warunków, które w danej chwili panują wewnątrz fermentatora. W dużym przybliżeniu biogazownia o mocy elektrycznej 1MW w ciągu dnia zużywa ok. 50 ton biomasy. Co do zasady przy biogazowniach przechowuje się w związku z tym potrzebną biomasę, tak aby zabezpieczyć się przed brakami w ciągłości dostaw. Biomasę suchą ubija się na pryzmach a płynną przechowuje się w basenach lub zbiornikach. Podobnie masę pofermentacyjną przechowuje się w zbiornikach przy biogazowniach. Kluczowe z punktu widzenia emisji odorów jest zadbanie o to, by zbiorniki te w przypadku szczególnie uciążliwych zapachowo substratów były zamknięte. W niektórych przypadkach koniecznie może okazać się umieszczenie magazynu i punktów rozładunku substratów w zamkniętej hali.

Schemat działania biogazowni przy oczyszczalni ścieków niewiele różni się od biogazowni rolniczej. Główna różnica polega na tym, że wkładem do niej są ścieki, a dokładniej zawarte w nich osady biologiczne. Biogazownie w oczyszczalniach pełnią przede wszystkim funkcję oczyszczania biologicznego ścieków – głównym celem jest doprowadzenie do pełnego rozkładu pozostałości substancji organicznych. Bardziej od biogazowni rolniczych i przy oczyszczalniach różnią się biogazownie na składowiskach odpadów. Masę odpadów zmieszanych z frakcją organiczną z wysypiska umieszcza się w tym przypadku w nowym, uszczelnionym od dołu nieprzepuszczalną dla wody membraną wykopie. Następnie do masy śmieci wpuszcza się specjalne studzienki odprowadzające gaz i całość analogicznie jak we wcześniejszych przypadkach uszczelnia się nieprzepuszczalną dla gazu membraną od góry.

Biomasa biomasie nie równa

Biomasa w kontekście ochrony klimatu i środowiska nie kojarzy się dobrze. Biomasę leśną (często po prostu drewno) lub uprawy celowe (kukurydzę czy wierzbę energetyczną) wykorzystywane do wytwarzania energii trudno nazwać zrównoważonymi źródłami energii, przyjaznymi dla przyrody, środowiska i klimatu. W ogólności co do biomasy leśnej, wycinkę drzew powinno się ograniczyć do minimum, a spalanie ich w elektrowniach natychmiast powstrzymać, m.in. dlatego że to lasy najlepiej pochłaniają nadmiarowy dwutlenek węgla z atmosfery. Z kolei przy uprawach celowych mamy do czynienia ze zwiększoną presją na dziką przyrodę, tworzeniem monokultur i wykorzystaniem gruntów rolnych, które powinny służyć do produkcji żywności. W przypadku biogazowni problem wykorzystania biomasy leśnej można poniekąd pominąć, ponieważ wykorzystanie w nich drewna jest technologicznie trudne i w praktyce najczęściej nieopłacalne. Z kolei jeśli chodzi o uprawy celowe w postaci np. kukurydzy, trzeba zaznaczyć, że problem jest jak najbardziej realny, jednak i bez nich potencjał produkcji biogazu z biomasy odpadowej pozostaje ogromny.

Mogłoby się wydawać, że stosowanie substratów z upraw celowych jest zupełnie bez sensu w sytuacji, w której alternatywnie jako wkład można zastosować dostępne za darmo, a niekiedy nawet za dopłatą odpady. Jak już wcześniej wspomniano w przypadku biogazowni wielkie znaczenie ma stabilność dostaw biomasy. To z kolei prowadzi często do tego, że właściciele instalacji starają sami zagwarantować sobie dostawy substratu z własnego gospodarstwa. Jednym z najłatwiejszych na to sposobów, jest po prostu obsianie części swojego pola kukurydzą na kiszonkę. Rozwiązaniem, które odpowiada na ten problem jest tworzenie spółdzielni między rolnikami dostawcami substratu i biogazownią. Spółdzielnie takie funkcjonują na szeroką skalę od wielu lat m.in. w Danii.

Czy wystarczy nam biogazu?

Najczęściej cytowane w dyskusji o energetyce szacowanie potencjału produkcji biogazu i biometanu w Polsce z odpadów, wskazuje na 13-15 mld m³ potencjału produkcji biogazu rocznie, co przekłada się na ok. 8 mld m³ czystego metanu (dla porównania polska energetyka zużywa rocznie około 18 mld m³ gazu kopalnego)¹. W tych wyliczeniach wzięto pod uwagę wyłącznie biomasę odpadową bez upraw celowym, a przede wszystkim obornik, gnojowicę i słomę. Szacowanie to nie uwzględnia też potencjału produkcji biogazu i biometanu z odpadów komunalnych. Z wiedzy autora wynika, że do tej pory nie powstało kompleksowe szacowanie potencjału biorące pod uwagę całą dostępną, zrównoważoną środowiskowo bazę surowcową do produkcji biogazu w Polsce. Dodatkowo należałoby przyjąć, że i istniejące wyliczenia są niedoszacowane – odpadów nie traktuje się jako cenny surowiec, chociażby pod względem energetycznym, a stąd braki w raportowaniu na temat wielkości bazy substratowej.

Rola biogazu w ochronie klimatu

Biogaz jako źródło energii można uznać za źródło neutralne dla klimatu, lub nawet o ujemnych emisjach przede wszystkim kiedy wytwarza się go z biomasy odpadowej. Odpady organiczne, jak każdy inny rodzaj odpadów, należy zagospodarować lub zutylizować. Obecnie większość frakcji organicznej odpadów trafia do składowania a w najlepszym wypadku do kompostowni. W przypadku składowania, odpady często stają się źródłem emisji metanu, gazu cieplarnianego kilkadziesiąt razy mocniejszego od dwutlenku węgla. Na wysypiskach, pryzmach obornika czy zbiornikach z gnojowicą bioodpady również rozkładają się w sposób beztlenowy i też emitują biogaz (w tym metan), tylko że w tym wypadku prosto do atmosfery. Z kolei w kompostowniach dochodzi do rozkładu w środowisku tlenowym, od razu z emisją dwutlenku węgla. Biogazownie mogłyby znaleźć się gdzieś po drodze każdego z tych procesów. W przypadku składowania, przekierowując odpady do biogazowni zapobiec można emisji metanu, a w dodatku wytworzyć bardzo cenną, bo dyspozycyjną energię cieplną i elektryczną. Podobnie w przypadku alternatywy do kompostowania odpadów, kierując je do biogazowni uzyskujemy z odpadów energię. W obu przypadkach mamy jeszcze dodatkowe korzyści m.in. produkujemy nawóz organiczny, który może zastępować nawozy syntetyczne i zamykamy obieg biogenów w środowisku zyskując możliwość wykrywania nowych patogenów na wczesnym etapie rozwoju.

Biometan prawie jak gaz ziemny

Biogaz, jak już wcześniej wspomniano, to w ok. 40% dwutlenek węgla, a w 60% metan. Te dwa gazy można od siebie odseparować tworząc w ten sposób biometan, czyli gaz o parametrach fizycznych i chemicznych identycznych do gazu kopalnego (ziemnego czy łupkowego). Nie ma technicznych przeszkód, żeby biometan zatłaczać do sieci gazowniczej, albo skroplić do LNG lub sprężyć do CNG i stosować jako paliwo dla niektórych maszyn i pojazdów silnikowych, m.in. samochodów ciężarowych. Instalację, przy której wytwarza się biogaz i dodatkowo oczyszcza się do biometanu nazywa się biometanownią.

Można tutaj zadać poniekąd słuszne pytanie – czy skoro biometan fizykochemicznie prawie wcale nie różni się od gazu ziemnego, to korzystanie z niego jest równie zabójcze dla klimatu? W przypadku pierwszego, przez spalanie lub emisje ucieczkowe do atmosfery dostaje się węgiel, który krąży w przyrodzie, a drugiego – kopalnego – węgiel od milionów lat uwięziony w strukturach geologicznych. Emisja drugiego nie jest w żaden naturalny sposób równoważona pochłanianiem i w związku z tym przekłada się na wzrost stężenia gazów cieplarnianych w atmosferze, wzmocnienie efektu cieplarnianego i wzrost globalnej temperatury. W szczególności tak długo, jak biogaz lub biometan produkowane są z odpadów można uznać je za źródła energii neutralne dla klimatu lub nawet zapobiegające emisjom. Skierowanie bioodpadów do biogazowni zamiast do składowania zapobiega ulatnianiu się metanu pochodzącego z wysypisk. Z kolei w przypadku zagospodarowania odpadów w biogazowni – alternatywnego do kompostowania – dodatkowo wytwarzamy jeszcze energię. Tak w jednym, jak w drugim przypadku emisje ucieczkowe z instalacji musiałyby być ogromne, żeby zniosły pozytywny efekt zagospodarowania odpadów w biogazowniach.

Rola biogazu w transformacji energetycznej

Biogaz i biometan mają obecnie dwie-trzy duże przewagi nad innymi niskoemisyjnymi źródłami energii – jest dyspozycyjny, mają dużą gęstość energii i jest stosunkowo łatwe w przechowywaniu i przesyle. Dzięki temu, że pozwala produkować energię „na żądanie”, biogaz idealnie nadaje się do bilansowania zmiennych, pogodozależnych źródeł energii – elektrowni wiatrowych i fotowoltaiki. Turbiny gazowe są najbardziej elastycznymi źródłami energii elektrycznej. Oznacza to, że ich moc można zmniejszać lub zwiększać bardzo szybko, w ciągu sekund i minut. Dodatkowo można je też bardzo szybko włączyć i wyłączyć. Różnią się tym one od np. elektrowni jądrowych czy dużych bloków węglowych. Ta elastyczność sprawia, że obecnie właściwie tylko moce gazowe nadawałyby się do bilansowania systemu elektroenergetycznego w dłuższych okresach. Z modelu stworzonego przez Marcina Popkiewicza wynika, że maksymalna ilość metanu potrzebna do tego celu w Polsce w założeniu transformacji ku energetyce bazującej w 100% na OZE to 4 mld m sześć.²

Gęstość energii danego źródła energii to po prostu ilość energii zgromadzonej w masie źródła. Współczesne baterie energii elektrycznej mają gęstość stosunkowo niską i w związku z tym m.in. elektryfikacja zużywających bardzo dużo energii samochodów ciężarowych stanowi obecnie poważne wyzwanie. W przypadku baterii chcąc daną maszynę zaopatrzyć w duże ilości energii w długich okresach zwiększylibyśmy jej masę do nieakceptowalnych technicznie rozmiarów. Stąd biometan, a właściwie bioLNG czy bioCNG są obecnie dobrym rozwiązaniem dla masowej dekarbonizacji transportu ciężarowego i wielu maszyn.

Biometan nie różni się z punktu widzenia jego właściwości fizyko-chemicznych od gazu kopalnego i w związku z tym można bez większych problemów zatłoczyć go do istniejącej sieci przesyłowej i dystrybucyjnej gazu. Pewne trudności stanowi tutaj obecna logika organizacji sieci gazowniczej i jej dostępność – gaz płynie w niej w jednym kierunku, a biogazownie często znajdują się w lokalizacjach bez dostępu do sieci gazowniczej. Rozwiązaniem tego problemu mogłaby być m.in. koncepcja sieci zbierającej nieoczyszczony biogaz i przesyłającej go do dużych instalacji oczyszczania, z których z kolei można by wtłaczać go bez dużych strat do odcinków wysokich ciśnień w sieci gazowniczej. Obecnie większość biogazowni nie posiada magazynów gazu poza podstawowym zbiornikiem na biogaz, który jest częścią samej instalacji. W związku z tym biogaz spalany jest przy biogazowniach w trybie ciągłym w zależności tylko od tego ile biogazownia danego dnia biogazu wyprodukuje. Rozbudowa zdolności magazynowania biogazu i biometanu nie jest jednak wielkim wyzwaniem. Istniejące podziemne magazyny gazu kopalnego mogłyby przyjąć biometan, a obecny brak magazynów przy biogazowniach wynika z braku zachęt ekonomicznych do ich tworzenia – biogazownie nie oddają do sieci mocy według taryf dynamicznych, a jednej taryfy gwarantowanej.

Co stoi na przeszkodzie?

Obecnie trzy największe bariery dla rozwoju biogazowni to w kolejności: opór społeczny, opłacalność i regulacje prawne. Największa barierą niewątpliwie pozostają protesty społeczności lokalnych przeciwko planowanym inwestycja w biogazownie. Mieszkańcy obawiają się przede wszystkim odorów z biogazowni, ale też hałasu związanego z jej pracą czy zwiększonego natężenia ruchu samochodów dostawczych. Biogazownie źle zarządzane lub bez wprowadzonych odpowiednich rozwiązań technicznych czy organizacyjny zdecydowanie mogą emitować odory. Podobnie problem zwiększonego natężenia ruchu lub hałasu znajduje proste rozwiązania techniczne i organizacyjne. Jak pokazuje przykład elektrowni wiatrowych wyzwanie protestów społecznych nie znajduje jednego prostego rozwiązania. Wielu ekspertów i ekspertek bliżej przyglądających się tym zagadnieniom sugeruje, że jednym z najskuteczniejszych rozwiązań jest uczynienie lokalnej społeczności współwłaścicielem lub bezpośrednimi beneficjentami takiej inwestycji przez obniżenie ich rachunków za energię elektryczną czy ciepło. Ponadto wykorzystanie w biogazowniach odpadów z produkcji rolnej to dodatkowy zysk dla obszarów wiejskich.

Inwestycje w biogazownie są obecnie też stosunkowo drogie – koszt budowy biogazowni rolniczej o mocy 1 MW sięga od 20 do 30 mln złotych. Biogazownie to mimo wszystko dosyć złożone i wymagające instalacje. Paradoksalnie przez wiele lat przesyłanie gazu do Polski z Syberii było o wiele tańsze niż wytworzenie go na miejscu z obornika. Ta sytuacja w związku z nową rzeczywistością cen energii i gazu powoli się zmienia, jednak aby biogazownie mogły rozwijać się w odpowiednim tempie musi zostać stworzony kompleksowy system wsparcia tak na etapie inwestycyjnym jak operacyjnym. Problemu przysparzają też regulacje prawne – na biogazownie ma wpływ szereg aktów prawnych, od ustawy o OZE  do ustawy o odpadach. Ta mnogość aktów prawnych sprawia, że w polskim prawie brak jednolitego podejścia do biogazu, co na co dzień skutecznie utrudnia funkcjonowanie wielu biogazowych biznesów.

Biogaz jak każde inne źródło energii nie jest technologią idealną. Kwestia wpływu na środowisko biogazowni pozostaje zniuansowana, podobnie jak w przypadku bateryjnych magazynów energii, elektrowni wiatrowych czy fotowoltaiki. Jednak biorąc pod uwagę potężny potencjał drzemiący w technologiach biogazowych czy biometanowych ruch ekologiczny, decydenci, samorządy i biznes powinny poświęcić im jak najwięcej uwagi. Biogaz może być technologią krytyczną dla funkcjonowania systemu energetycznego przyszłości bez paliw kopalnych, dlatego warto już teraz wypracować dla biogazowni odpowiednie regulacje, które z jednej strony zapewnią, że będą one zrównoważone środowiskowo, a z drugiej strony będą rozwijać się w tempie odpowiednio szybkim dla spełnienia celów klimatycznych.

Dominik Madej

Dominik Madej – młodszy specjalista ds. Energii i Klimatu w Polskiej Zielonej Sieci. Były aktywista Młodzieżowego Strajku Klimatycznego. Studiuje fizykę na Uniwersytecie Warszawskim, ze szczególnym zainteresowaniem w obszarze fizyki atmosfery.

Przypisy:
1. J. Dach, D. Janczak, W. Czekała, Potencjał biogazowy w Polsce – aktualne dane, 2018, „Magazyn Biomasa”, 9(49), s. 40-43.
2. Marcin Popkiewicz, Zrozumieć transformację energetyczną, Wydawnictwo Sonia Draga, Katowice 2022.