Tytuł projektu: Europejska inicjatywa instytucji badawczo-rozwojowych na rzecz zwiększenia efektywności wykorzystania biogazu. Projekt 6 Programu Ramowego Badań i Rozwoju Unii Europejskiej

Prezentacja projektu: Prezentacja wygłoszona na Seminarium "Produkcja i wykorzystanie biogazu rolniczego", Warszawa 19.06.2009r.

Czas trwania projektu: 15 stycznia 2007- 15 stycznia 2010

Całkowity budżet projektu: 6 MEUR

Publikacja na temat biogazu: Biogaz - Produkcja i wykorzystywanie

Strona Projektu AGROBIOGAS: http://www.eu-agrobiogas.net/index.php

Wyniki Projektu: EU Agro Biogas Project

Konsorcjum:

Cele projektu:

• Optymalizacja oraz planowanie przebiegu procesów technologicznych na biogazowniach (w tym kontrola jakości) w celu zmniejszenia kosztów.
• Stworzenie europejskiej bazy danych o substratach nadających się do fermentacji.
• Optymalizacja produkcji biogazu poprzez wdrożenie na istniejących biogazowniach innowacyjnej technologii podawania i przygotowywania materiału wsadowego do procesu fermentacji.
• Monitorowanie, identyfikacja i benchmarking głównych parametrów procesu technologicznego.
• Przeprowadzanie badań oraz wdrożenie innowacyjnego systemu monitoringu, zarządzania oraz wczesnego ostrzegania dla biogazowi dużych i średnich wielkości (w projekcie uczestniczyć będzie 16 biogazowni europejskich). Zadania te będą miały na celu:
  • zwiększenie sprawności komory fermentacyjnej o 35%,
  • zwiększenie produkcji biogazu o 40%,
  • optymalizację oraz zapewnienie odpowiedniego poziomu jakości i bezpieczeństwa przy obróbce materiału poddawanego procesowi fermentacji,
• Polepszenie i wdrożenie wybranych technologii przetwarzania biogazu, prowadzących do zwiększenia efektywności energetycznej (układy kogeneracyjne, wykorzystanie ciepła),
• Zmniejszenie nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacyjnych o ok. 30%, dla średnich i dużych biogazowi
• Rozpowszechnianie uzyskanych wyników i ich wykorzystanie przez biura projektowe, inwestorów i rolników.

Instytucje uczestniczące w projekcie EU-AGROBIOGAS podejmą się optymalizacji poszczególnych ogniw procesu technologicznego: od przetwarzania materiału wsadowego poprzez produkcję biogazu i energii.

Porównanie tych samych parametrów procesu dla różnych biogazowni (benchmarking) pozwoli opracować automatyczny systemu monitoringu procesu oraz zarządzania systemem wczesnego ostrzegania.

Główne działania podejmowane w ramach projektu EU-AGROBIOGAZ będą realizowane na wybranych instalacjach biogazowych. Krytyczna analiza procesu technologicznego biogazowi, o mocach w zakresie 300kW-2MW, pozwoli na zidentyfikowanie punktów krytycznych. Działania mają na celu poprawę sprawności produkcji biogazu (o ok. 40%) przy równoczesnym obniżeniu kosztów (20-30%).

Wiedza nabyta w trakcie trwania projektu będzie w założeniu wykorzystywana przez biura projektowe oraz operatorów instalacji przy projektowaniu i obsłudze nowo powstających biogazowi w Europie. Poszczególne etapy projektu opisane zostały poniżej.

Pakiety zadaniowe w projekcie:

Zadanie 1 : Badanie właściwości materiału wsadowego (płynnego, stałego i mieszaniny) w celu optymalizacji procesu produkcji biogazu oraz opracowania metody standaryzacji EU-MEVM

Zadanie 1.1. Opracowanie bazy danych do europejskiego atlasu substratów nadających się do procesu fermentacji

Zadanie 1.2. Doświadczenia z różnymi roślinami energetycznymi nadającymi się do fermentacji mające na celu uzupełnienie bazy danych

Zadanie 1.3. Standaryzacja: opracowanie europejskiego standardu dotyczącego mierzenia zawartości metanu (MEVM)

Opracowanie europejskiego atlasu substratów nadających się do procesu fermentacji: rośliny energetyczne, odchody zwierząt oraz odpady rolnicze. Analizowane będą wybrane parametry (fizyko-chemiczne, techniczne i ekonomiczne) możliwości pozyskania nowych substratów nadających się do fermentacji. Końcowym produktem będzie opracowanie bazy danych nt. substratów i ich właściwości (np. warunków uprawy, zbioru, wpływu na środowisko) dla różnych regionów europejskich.

Doświadczenia z różnymi roślinami energetycznymi nadającymi się do fermentacji: dane z krajów, gdzie wcześniej przeprowadzono już odpowiednie doświadczenia z roślinami energetycznymi nadającymi się do fermentacji zostaną wprowadzone do bazy danych, natomiast substraty pochodzące z krajów, gdzie informacje takie nie są jeszcze dostępne (Polska, Czechy) zostaną poddane badaniom laboratoryjnym w celu określenia ich przydatności w procesie fermentacji.

W końcowej fazie opracowana ostanie standardowa metoda obliczeniowa pozwalająca na ocenę ilości produkowanego biogazu w zależności od wykorzystanego substratu, pochodzącego z danego regionu europejskiego. Metoda obliczeniowa będzie następnie sprawdzona na wybranych, istniejących biogazowniach. Kalibracja będzie obejmowała monitorowanie następujących parametrów procesu fermentacji:

• rodzaj i właściwości zastosowanych substratów,
• energia pozyskiwana brutto w przeliczeniu na MJ/kg s.m. materiału wsadowego,
• jednostkowa produkcja metanu w przeliczeniu na jednostkę materiału wsadowego,
• obciążenie komory organicznym ładunkiem zanieczyszczeń,
• czas przebywania suchej masy w komorze fermentacji,
• wartość pH, temperatura, stężenie azotu amonowego i lotnych kwasów organicznych w substratach oraz w materiale przefermentowanym,
  czas retencji,
• skład chemiczny przefermentowanego osadu (azot całkowity, azot amonowy, tlenek fosforu, tlenek potasu),
• dzienna produkcja biogazu (zawartość metanu i wodoru),
• dzienna produkcja energii elektrycznej oraz ciepła,
• ciśnienie atmosferyczne i temperatura w zbiornikach ciśnieniowych zawierających biogaz.

Ocena ww. danych będzie pomocna przy:

• ocenie sprawności systemu,
• wymiarowaniu urządzeń,
• optymalizacji procesu produkcji biogazu,
• wyborze substratów o możliwie wysokim potencjale energetycznym do produkcji biogazu. 

Zadanie 2 : Benchmarking biogazowni

Zadanie 2.2. Porównanie poszczególnych parametrów funkcjonowania biogazowni

Zadanie 2.3. Przygotowanie specyfikacji do systemu automatycznego zarządzania i monitoringu

Celem tego etapu jest porównanie parametrów pracy na 10-u istniejących biogazowniach w celu identyfikacji słabych ogniw ciągu technologicznego, które mają wpływ na ilość pozyskiwanego biogazu oraz na produkcję energii. Analizie poddane zostaną następujące dane:

• technologie ciągu technologicznego biogazowni,
• przygotowanie substratów jako materiału wsadowego do komory fermentacji,
• wstępna obróbka fizyko-chemiczna materiału wsadowego,
• czas retencji osadu oraz obciążenie komory ładunkiem zanieczyszczeń,
• parametry zbiornika wstępnego,
• magazynowanie przefermentowanego osadu oraz biogazu,
• produkcja i wykorzystanie biogazu,
• technologie oraz bezpieczeństwo instalacji gazowych,
• temperatura fermentacji,
• zawartość metanu i innych gazów w biogazie,
• stopień wykorzystania wytworzonego ciepła,
• wykorzystanie przefermentowanego osadu,
• koszty eksploatacyjne biogazowi,
• koszty personelu oraz wymagania odnośnie kwalifikacji personelu.

Przykłady punktów krytycznych dla poprawnego funkcjonowania instalacji biogazowej:

• obciążenie komory ładunkiem zanieczyszczeń,
• czas retencji osadu,
• zawartość lotnych kwasów organicznych,
• zawartość amoniaku,
• wartość pH.

Nieprawidłowości występujące podczas procesu fermentacji powinny zostać wyeliminowane w jak największym stopniu, jako że mają bezpośredni wpływ na produkcję metanu, a czym pociągają za sobą konieczność zaangażowania większej liczby personelu oraz w ostateczności prowadzą do zmniejszenia zysków.

Zadanie 3 Opracowanie systemu wczesnego ostrzegania

Zadanie 3.1 Opracowanie systemu automatycznego zarządzania i monitoringu

Dzięki analizie parametrów stworzony zostanie system wczesnego wykrywania nieprawidłowości przebiegu procesu. Optymalizacja oznacza porównanie odpowiednich parametrów funkcjonującej biogazowi z systemem wzorcowym na poszczególnych etapach procesu technologicznego.

Do takiego porównania, tj. benchamrkingu, najlepiej będą nadawać się badania właściwości fizyko-chemicznych substancji stałych, płynnych lub gazowych. Do analizy wykorzystany zostanie spektrometr gazowy, jednak w założeniu produktem końcowy ma być proste w obsłudze urządzenie przydatne głównie dla technologów nadzorujących pracę instalacji.

Zadanie 4: Optymalizacja technologii przetwarzania biogazu na finalne nośniki energii (en. elektryczna i ciepło) w celu zwiększenia ilości produkowanej energii.

Zadanie 4.1. Optymalizacja właściwości fizyko-chemicznych substratów

Zadanie 4.2. Innowacyjny sposób podawania substratów

Zadanie 4.3. Instalacja systemu monitoringu oraz wczesnego ostrzegania,

Zadanie 4.4. Innowacyjne rozwiązania w komorze fermentacji

Zadanie 5: Optymalizacja procesu przetwarzania biogazu

Zadanie 5.1. Ulepszone technologie przetwarzania biogazu na ciepło i energię elektryczną (kogneracja)

Zadanie 5.2. Optymalizacja wykorzystania ciepła

Ulepszone technologie przetwarzania biogazu na ciepło i energię elektryczną

Jakość biogazu ma znaczący wpływ na ilość wytwarzanej energii np. w procesie kogeneracji. Jednym z zadań będzie opracowanie standardu właściwości fizyko-chemicznych biogazu, który pozwoliłby na jego bardziej optymalne wykorzystanie. Innym celem jest zmniejszenie emisji szkodliwych substancji do środowiska oraz jak największe wykorzystanie nadwyżek ciepła (ciepło często nie jest w ogóle wykorzystywane na istniejących biogazowniach, np. tam gdzie występują odpowiednio wysokie ceny sprzedaży energii elektrycznej).

Zwiększenie sprawności układu kogeneracyjnego o 1,5%-2% będzie możliwe dzięki wykorzystaniu cyklu organicznego Rankina, czy odzyskowi ciepła z gazu wylotowego. Dodatkowo przedmiotem badań będzie oczyszczanie biogazu, a zwłaszcza możliwość wyeliminowania siarkowodoru i tlenków siarki, które niekorzystnie wpływają na funkcjonowanie instalacji energetycznych. Określone zostaną najbardziej efektywne metody wykorzystania ciepła np. przeznaczenie go do suszenia paszy czy zrębków drzewnych, chłodzenia płodów i produktów rolnych (mięsa, mleka).

Optymalizacja właściwości fizyko-chemicznych substratów

Planowana jest optymalizacja doboru odpowiednich roślin energetycznych stosowanych jako substraty w procesie fermentacji metanowej. Badania właściwości fizyko-chemicznych przeprowadzone będą na substratach o podobnej charakterystyce ale pochodzących z różnych części Europy. Analiza obejmie badanie parametrów takich jak: pH, zawartość suchej masy, lotnych kwasów organicznych, surowe włókno, białka, tłuszcze, cukry.

Innowacyjny sposób podawania substratów

Przetwarzanie biomasy w postaci ciekłej czy stałej powinno zostać zoptymalizowane poprzez wprowadzenie działań usprawniających proces na etapie podawania materiału wsadowego do komory fermentacyjnej. Zostanie przeprowadzonych szereg badań doświadczalnych obejmujących:

• analizę najnowszych rozwiązań w zakresie podawania materiału wsadowego do komory fermentacyjnej, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb kofermentacji,
• wykorzystanie różnorodnych rozwiązań jak podajniki śrubowe, taśmowe, etc.
• wdrożenie innowacyjnej technologii podawania substratu do komory na istniejącej biogazowni,
• test wiarygodności zastosowanych rozwiązań technologicznych.

Instalacja systemu monitoringu oraz wczesnego ostrzegania

Ilość oraz sposób podawania materiału wsadowego mają wpływ na funkcjonowanie instalacji biogazowej. W skali laboratoryjnej zostanie przetestowanych wiele opcji z różnorodnymi substratami oraz katalizatorami, w zakresie:

• dawkowania substratu,
• oceny dodawanych katalizatorów oraz nowych rodzajów materiału wsadowego,
• przeprowadzenia testów w warunkach rzeczywistych, tzn. na istniejących instalacjach,
• oceny przydatności nowych modeli matematycznych (częściowo przetestowanych na instalacjach do przetwarzania odpadów).

Innowacyjne rozwiązania w komorze fermentacji

Następujące elementy będą poddane testom technologicznym:

• wykorzystanie enzymów (przy współpracy z duńską firmą Novozymes),
• wykorzystanie nowych mikroorganizmów,
• dodawanie nowych substancji jako katalizatorów procesu fermentacji (gliceryna, Colitis, Vinase).

Mieszanina substratów składać się będzie min. z kukurydzy, kiszonek, ziaren zbóż i gnojowicy. W Europie południowej testowane będą różnego rodzaju rozwiązania pozwalające na funkcjonowanie instalacji biogazowej bez konieczności zewnętrznego dogrzewania komory ciepłem procesowym. W rezultacie wymienionych działań opracowane zostaną wytyczne dotyczące standardów technologicznych i bezpieczeństwa oraz poradniki budowy i eksploatacji rolniczych instalacji biogazowych, podobne do podobnych tych opracowanych już w Austrii.

Zadanie 6: Działania demonstracyjne na wybranych obiektach biogazowych.

Zadanie 6.1. Działania demonstracyjne i innowacyjne mające na celu usprawnienie sposobu podawania substratu.

Zadanie 6.2. Działania demonstracyjne i innowacyjne mające na celu wdrożenie systemu automatycznego monitorowania, zarządzania i wczesnego ostrzegania.

Zadanie 6.3. Działania demonstracyjne i innowacyjne mające na celu zwiększenie efektywności komory fermentacyjnej.

Zadanie 6.4. Działania demonstracyjne i innowacyjne podejście do procesów przetwarzania energii.

Zadanie 6.5. Demonstracja programu ECOGAZ i nowo opracowanych dla niego modułów

Zadanie 7. Zastosowanie programu ECOGAS do oceny ekonomicznej i środowiskowej funkcjonowania biogazowni rolniczych.

Zadanie 7.1. Analiza danych otrzymanych w zadaniu 5.

Zadanie 7.2. Opracowanie bardziej rozbudowanego modelu ECOGAS

Zastosowanie programu ECOGAS do oceny ekonomiczne i środowiskowej funkcjonowania biogazowni rolniczych.

Działania demonstracyjne zostaną przeprowadzone na wybranych biogazowniach i będą obejmowały przykładowo:

• optymalizację właściwości fizyko-chemicznych substratów,
• innowacyjne rozwiązania w zakresie: podawania substratów z uwzględnieniem nakładów pracy, zużycia energii (np. do mieszania); produkcji biogazu, kofermentacji, wstępnej obróbki materiału wsadowego, kontroli i bezpieczeństwa, eliminacji odorów,
• instalacja systemu monitoringu oraz wczesnego ostrzegania: zainstalowanie innowacyjnych czujników, odpowiedniego oprogramowania, przeprowadzenie testów na rzeczywistych obiektach, automatyczny monitoring i zarządzanie,
• innowacyjne rozwiązania wewnątrz komory ferementacyjnej: systemy mieszania oraz dawkowania substancji dodatkowych, działania mające na celu poprawę sprawności produkcji biogazu: dodawanie enzymów, nowych mikroorganizmów, ko-substratów (np. roślin energetycznych) i optymalizację systemów mieszania,
• ulepszenie technologii przetwarzania biogazu na ciepło i energię elektryczną: w celu zwiększenia sprawności układu kogeneracyjnego oraz polepszenia parametrów pozyskiwanego biogazu, dostarczanie ciepła do lokalnej sieci ciepłowniczej, oraz produkcję chłodu,
• zastosowanie specjalistycznego oprogramowania ECOGAS w celu optymalizacji ciągu technologicznego na biogazowni.

Program ECOGAS zostanie wykorzystany do przeliczenia i zaprezentowania wskaźników ekonomicznych wynikających z wprowadzenia usprawnień technologicznych. Program będzie wskazywał spadek kosztów oraz emisji (CO2, NOx, N2O, CO), możliwa będzie również wizualizacja przepływów energetycznych pomiędzy poszczególnymi procesami na biogazowi.

Pakiet ten ma za zadanie ocenę korzyści ekonomicznych oraz środowiskowych uzyskanych dzięki wprowadzeniu usprawnień technologicznych i poprawie funkcjonowania biogazowi. Analiza ekonomiczna będzie obejmowała następujące zagadnienia:

• korzyści dla odbiorcy indywidualnego (sprzedaż, wykorzystanie biogazu i bionawozu),
• nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne biogazowi,
• ocena makroekenomiczna (czynniki społeczne i środowiskowe),
• finansowanie i pomoc publiczna
• cykl życia biogazowi (LCA) oraz wpływ biogazowi na środowisko.

Danymi wyjściowymi analizy ekonomicznej będą następujące wskaźniki:

• nakłady inwestycyjne w podziale na kategorie,
• jednostkowe nakłady inwestycyjne wyrażone w EUR/kWe,
• koszty eksploatacyjne min. produkcja i pozyskiwanie upraw energetycznych EUR/t,
• wysokości wkładu własnego, poziom dofinansowania,
• cena i zyski ze sprzedaży energii elektrycznej EUR/kWhe, cena sprzedaży ciepła (EUR/GJ),
• próg rentowności,
• redukcja emisji CO2.

Po zakończeniu projektu program komputerowy ECOGAS będzie można nabyć jako produkt komercyjny służący do oceny zarówno planowanych jak i istniejących już inwestycji.

Zadanie 8 Rozpowszechnianie wyników projektu

Zadanie 8.1. Stworzenie i utrzymanie strony internetowej projektu

Zadanie 8.2. Przygotowanie materiałów

Zadanie 8.3. Organizacja seminarium krajowego

Zadanie 8.4. Organizacja seminarium międzynarodowego

Zadanie 8.5. Przygotowanie końcowego planu rozpowszechniania wiedzy