Czym właściwie jest biogaz i jak powstaje?

Biogaz to mieszanina gazów powstająca w procesie beztlenowej fermentacji biomasy, składająca się głównie z metanu i dwutlenku węgla [3][4]. Ten odnawialne źródło energii zyskuje coraz większą popularność jako alternatywa dla paliw kopalnych. Przyjrzyjmy się dokładniej, czym jest biogaz i jak przebiega proces jego powstawania.

Definicja i skład biogazu

Biogaz stanowi mieszaninę gazów wytwarzanych podczas rozkładu materii organicznej w warunkach pozbawionych dostępu tlenu. Głównym i najcenniejszym składnikiem biogazu jest metan (CH₄), którego zawartość waha się zazwyczaj między 50% a 70% całkowitej objętości [3]. To właśnie obecność metanu nadaje biogazowi właściwości energetyczne i umożliwia jego wykorzystanie jako paliwa.

Drugim istotnym komponentem jest dwutlenek węgla (CO₂), który stanowi około 30-45% składu. Oprócz tych dwóch podstawowych składników, w biogazie występują również mniejsze ilości innych gazów, takich jak:
– siarkowodór (H₂S)
– amoniak (NH₃)
– azot (N₂)
– tlen (O₂)
– wodór (H₂)
– tlenek węgla (CO) [3][5]

Należy podkreślić, że dokładny skład biogazu nie jest stały i może się różnić w zależności od rodzaju wykorzystanych substratów oraz warunków procesu fermentacji [3][4]. Różnice w składzie przekładają się bezpośrednio na wartość energetyczną biogazu oraz możliwości jego zastosowania.

Proces powstawania biogazu

Fermentacja metanowa, bo tak nazywa się proces powstawania biogazu, to złożony ciąg przemian biochemicznych zachodzących w środowisku pozbawionym tlenu [2][5]. W naturalnych warunkach możemy zaobserwować ten proces w bagnach, na dnie jezior czy w żołądkach przeżuwaczy. W kontrolowanych warunkach fermentacja metanowa przebiega w specjalnie zaprojektowanych instalacjach zwanych biogazowniami [2].

Cały proces powstawania biogazu można podzielić na cztery kluczowe etapy:

1. Hydroliza – pierwszy etap, podczas którego złożone związki organiczne (białka, tłuszcze, węglowodany) są rozkładane przez enzymy bakteryjne do prostszych związków, takich jak aminokwasy, kwasy tłuszczowe i cukry proste [2].

2. Acidogeneza (kwaśna fermentacja) – w tej fazie produkty hydrolizy są przekształcane przez bakterie fermentacyjne w krótkołańcuchowe kwasy organiczne (głównie kwas octowy, masłowy i propionowy), a także w alkohole, wodór i dwutlenek węgla [2].

3. Acetogeneza – na tym etapie krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe są dalej przekształcane przez bakterie octowe w kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla [2].

4. Metanogeneza – ostatni i najważniejszy etap, w którym archea metanogenne przekształcają produkty poprzednich faz (głównie kwas octowy, wodór i dwutlenek węgla) w metan [2].

Każdy z tych etapów wymaga odpowiednich warunków środowiskowych i specyficznych grup mikroorganizmów. Cały proces fermentacji metanowej jest delikatną równowagą biologiczną, która może zostać łatwo zaburzona przez zmiany temperatury, pH czy dostępności substratów [2][5].

Substraty wykorzystywane do produkcji biogazu

Produkcja biogazu może odbywać się z wykorzystaniem różnorodnych materiałów organicznych, zwanych substratami. Wybór odpowiednich substratów ma kluczowe znaczenie dla efektywności procesu oraz składu i wartości energetycznej uzyskiwanego biogazu [3][4].

Do najczęściej wykorzystywanych substratów należą:

– Odpady rolnicze – obornik, gnojowica, słoma, pozostałości pożniwne
– Odpady z przemysłu spożywczego – wytłoki owocowe, wywar gorzelniany, serwatka
– Osady ściekowe z oczyszczalni ścieków
– Frakcja organiczna odpadów komunalnych
– Rośliny energetyczne uprawiane specjalnie w celu produkcji biogazu (np. kukurydza, trawy, buraki cukrowe) [3][4][5]

Warto zaznaczyć, że największą wydajność produkcji biogazu uzyskuje się przy wykorzystaniu mieszanki różnych substratów, co określa się mianem kofermentacji. Pozwala to nie tylko zwiększyć ilość produkowanego biogazu, ale także zapewnić bardziej stabilny przebieg procesu fermentacji [3].

Biogazownie – technologia produkcji biogazu

Biogazownia to kompleksowa instalacja technologiczna służąca do kontrolowanej produkcji biogazu. Jej głównym elementem jest fermentor (komora fermentacyjna), w którym zachodzi proces beztlenowej fermentacji substratów organicznych [2].

Podstawowe elementy typowej biogazowni to:

1. System przygotowania substratów – obejmujący magazynowanie, rozdrabnianie i mieszanie surowców przed wprowadzeniem do fermentora.

2. Fermentor – szczelnie zamknięty zbiornik, najczęściej wykonany z betonu lub stali, wyposażony w system mieszania, ogrzewania i kontroli parametrów procesu.

3. System gromadzenia i oczyszczania biogazu – obejmujący zbiornik biogazu oraz instalacje usuwające nadmiar wilgoci, siarkowodoru i innych niepożądanych domieszek.

4. Zespół urządzeń do energetycznego wykorzystania biogazu – najczęściej jest to agregat kogeneracyjny produkujący jednocześnie energię elektryczną i cieplną.

5. System sterowania i monitoringu – zapewniający kontrolę nad wszystkimi parametrami procesu [2].

Kluczowymi parametrami, które muszą być stale monitorowane i kontrolowane w procesie produkcji biogazu, są:
– Temperatura (najczęściej w zakresie mezofilnym 37-42°C lub termofilnym 50-57°C)
– Wartość pH (optymalne pH 6,8-7,5)
– Czas retencji substratów w fermentorze
– Obciążenie fermentora substancją organiczną
– Zawartość substancji hamujących proces fermentacji [2][5]

Zastosowanie biogazu

Biogaz jako odnawialne źródło energii może być wykorzystywany na wiele sposobów, a jego wszechstronność stanowi jedną z największych zalet [5].

Główne kierunki wykorzystania biogazu to:

1. Produkcja energii w układach kogeneracyjnych – jest to najczęstsze zastosowanie biogazu, polegające na jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej i cieplnej w agregatach kogeneracyjnych. Energia elektryczna może być wykorzystywana na własne potrzeby biogazowni lub sprzedawana do sieci, natomiast energia cieplna najczęściej służy do ogrzewania fermentorów oraz pobliskich budynków [5].

2. Oczyszczanie do jakości biometanu – poprzez usunięcie dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń, biogaz może zostać oczyszczony do jakości odpowiadającej gazowi ziemnemu (biometan). Taki biometan może być zatłaczany do sieci gazowej lub wykorzystywany jako paliwo w pojazdach [5].

3. Bezpośrednie spalanie – biogaz może być wykorzystywany bezpośrednio w kotłach i piecach do celów grzewczych lub technologicznych [5].

4. Wykorzystanie w przemyśle – biogaz może zastępować paliwa kopalne w różnych procesach przemysłowych [5].

Potencjał biogazu jako alternatywnego źródła energii jest znaczący. Według szacunków, w krajach takich jak Wielka Brytania, biogaz mógłby potencjalnie zaspokoić nawet do 17% zapotrzebowania na paliwo samochodowe [5]. Ta statystyka pokazuje, jak istotną rolę może odegrać biogaz w transformacji energetycznej i dążeniu do gospodarki niskoemisyjnej.

Ekologiczne aspekty produkcji i wykorzystania biogazu

Produkcja i wykorzystanie biogazu niesie ze sobą szereg korzyści ekologicznych, które wpisują się w koncepcję zrównoważonego rozwoju i gospodarki o obiegu zamkniętym.

Najważniejsze aspekty ekologiczne związane z biogazem to:

1. Zamykanie obiegu węgla – w przeciwieństwie do paliw kopalnych, biogaz powstaje z materii organicznej, która wcześniej pochłonęła dwutlenek węgla z atmosfery podczas wzrostu. W ten sposób jego spalanie nie zwiększa całkowitej ilości CO₂ w atmosferze [5].

2. Zagospodarowanie odpadów – produkcja biogazu umożliwia przetworzenie odpadów organicznych, które w przeciwnym razie mogłyby stanowić problem środowiskowy.

3. Redukcja emisji metanu – kontrolowany proces fermentacji metanowej zapobiega niekontrolowanej emisji metanu do atmosfery, który jako gaz cieplarniany ma potencjał cieplarniany około 25 razy większy niż dwutlenek węgla [5].

4. Produkcja nawozu organicznego – pozostałość pofermentacyjna (tzw. pulpa pofermentacyjna) stanowi cenny nawóz organiczny, bogaty w składniki odżywcze dla roślin [3][5].

5. Zmniejszenie zależności od paliw kopalnych – wykorzystanie biogazu przyczynia się do redukcji zużycia nieodnawialnych źródeł energii [5].

Te ekologiczne korzyści sprawiają, że biogaz jest postrzegany jako jedno z najbardziej perspektywicznych odnawialnych źródeł energii, mogących przyczynić się do realizacji celów klimatycznych i transformacji energetycznej.

Wyzwania i perspektywy rozwoju sektora biogazu

Mimo licznych zalet, sektor biogazu mierzy się z szeregiem wyzwań, które wpływają na tempo jego rozwoju. Jednocześnie pojawiają się nowe perspektywy i kierunki rozwoju tej technologii.

Do głównych wyzwań należą:

1. Wysokie koszty inwestycyjne – budowa biogazowni wymaga znaczących nakładów finansowych, co może stanowić barierę dla potencjalnych inwestorów.

2. Złożoność technologiczna – produkcja biogazu wymaga specjalistycznej wiedzy i doświadczenia w zakresie procesów biologicznych i inżynieryjnych.

3. Akceptacja społeczna – lokalne społeczności często wyrażają obawy związane z potencjalnymi uciążliwościami związanymi z funkcjonowaniem biogazowni, takimi jak zapach czy zwiększony ruch pojazdów.

4. Zmienność regulacji prawnych i systemów wsparcia – niepewność dotycząca przyszłych ram prawnych i mechanizmów wspierających produkcję energii z biogazu może zniechęcać do podejmowania długoterminowych inwestycji.

Jednocześnie przed sektorem biogazu otwierają się nowe perspektywy rozwoju:

1. Integracja z inteligentnymi sieciami energetycznymi – biogaz jako stabilne źródło energii może stanowić doskonałe uzupełnienie dla niestabilnych źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna czy wiatrowa.

2. Rozwój technologii oczyszczania biogazu – postęp w zakresie technologii oczyszczania biogazu do jakości biometanu otwiera nowe możliwości jego wykorzystania.

3. Mikroinstalacje biogazowe – rozwój małych instalacji biogazowych dostosowanych do potrzeb gospodarstw rolnych czy niewielkich przedsiębiorstw.

4. Biogaz jako element gospodarki o obiegu zamkniętym – integracja produkcji biogazu z systemami zarządzania odpadami i recyklingu.

Przyszłość sektora biogazu będzie zależeć od połączenia innowacji technologicznych, odpowiednich ram regulacyjnych oraz wzrostu świadomości społecznej dotyczącej korzyści płynących z tego odnawialnego źródła energii.

Podsumowanie

Biogaz to odnawialne źródło energii powstające w procesie beztlenowej fermentacji materii organicznej. Składający się głównie z metanu i dwutlenku węgla, stanowi wartościowe paliwo, które może być wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej i cieplnej, a po oczyszczeniu także jako paliwo transportowe [3][4][5].

Proces produkcji biogazu zachodzi w czterech głównych etapach: hydrolizy, acidogenezy, acetogenezy i metanogenezy, a do jego wytwarzania wykorzystywane są różnorodne substraty organiczne, od odpadów rolniczych, przez osady ściekowe, po specjalnie uprawiane rośliny energetyczne [2][3][4].

Technologia produkcji biogazu realizowana jest w specjalnych instalacjach – biogazowniach, których kluczowym elementem jest fermentor zapewniający odpowiednie warunki dla przebiegu procesu fermentacji metanowej [2].

Korzyści płynące z produkcji i wykorzystania biogazu wykraczają daleko poza aspekty energetyczne, obejmując również zagadnienia gospodarki odpadami, redukcji emisji gazów cieplarnianych oraz produkcji nawozów organicznych [3][5].

Mimo istniejących wyzwań, sektor biogazu ma przed sobą obiecujące perspektywy rozwoju, zwłaszcza w kontekście dążenia do gospodarki niskoemisyjnej i o obiegu zamkniętym. Dalszy rozwój technologii, wraz z odpowiednimi ramami regulacyjnymi, może sprawić, że biogaz stanie się jednym z kluczowych elementów przyszłego miksu energetycznego.

Źródła:

[1] https://ieo.pl/dokumenty/obszary_badan/Biogaz%20-%20Produkcja%20Wykorzystywanie.pdf
[2] https://marbudlomza.pl/blog/biogazownia-co-to-jest-jak-dziala/
[3] https://magazynbiomasa.pl/co-to-jest-biogaz-definicja-powstawanie-i-zagospodarowanie/
[4] https://www.gruppoab.com/pl/blog/biogaz-co-to-jest-i-jak-sie-go-wytwarza/
[5] https://pl.wikipedia.org/wiki/Biogaz