Szkic projektu badań :
Produkcja biogazu w złożach węgla brunatnego kompleksów złóż gubińskich i legnickich.
Bogdan Góralski
Biblioteka Instytutu Historycznego Uniwersytetu Warszawskiego bogdangoralski@wp.pl
Jak sama nazwa wskazuje, „biogaz” powstaje w procesie biologicznym. Z masy organicznej przy braku obecności tlenu powstaje mieszanina gazów, tak zwany biogaz. Ten szeroko rozpowszechniony w przyrodzie proces odbywa się na przykład na torfowiskach, na dnie mórz, w gnojowicy oraz w żwaczach przeżuwaczy. Masa organiczna zamienia się prawie w całości w biogaz i oprócz tego powstają dodatkowo niewielkie ilości nowej biomasy lub ciepła.
Złoża węgla brunatnego licznie występujące w Polsce prawdopodobnie mogą być eksploatowane metodą podziemną przy wywołaniu fermentacji metanowej produkującej biogaz w objętości kopaliny złożowej. Biogaz byłby odprowadzany otworami wiertniczymi.
W kompleksie gubińsko-legnickim złoża występują od głębokości 108 do 256 m ppt. i ich wydobycie odkrywkowe może być niemożliwe ze względu na protesty społeczne.
Uruchomienie podziemnych biogazowi może być najtańszą metodą eksploatacji złóż węgli brunatnych. Wymaga to jednak opracowania technologii podziemnej biogazowi.
Obecne metody odkrywkowej eksploatacji złóż węgla brunatnego wzbudzają protesty lokalnych społeczności, które nie chcą dopuścić do degradacji środowiska naturalnego towarzyszącego kopalniom odkrywkowym. Opracowanie technologii eksploatacji biogazu z przeobrażonego substratu roślinnego występującego w węglach brunatnych w warunkach podziemnej fermentacji metanowej może być szansą na ekologiczne wykorzystanie odkrytych w Polsce złóż.
Warunki istniejące w złożu węgla brunatnego sprzyjają zastosowaniu beztlenowej fermentacji metanowej do produkcji biogazu i poniżej je wymienię:
- wilgotne środowisko- złoża węgli brunatnych są zawodnione,
– zapobieganie dostępu powietrza- w złożach panują warunki beztlenowe,
– zapobieganie dostępu światła- złoża są pod ziemią,
- stała temperatura-w złożach panuje stabilna temperatura a szczepy bakterii prowadzących fermentację metanową w niższych temperaturach na pewno odkryjemy np. w głębiach oceanicznych,
– wartość pH-złoża węgli brunatnych mają wysokie pH sprzyjające produkcji metanu, – dostawa substancji odżywczych- złoża zawierają ogromne nagromadzenia biomasy węgli, – duże powierzchnie styku- zależy od liczby otworów wiertniczych w złożu tłoczących bakterie,
– inhibitory-wpływ inhibitorów złożowych musi być każdorazowo monitorowany i modyfikowany,
– obciążenie przestrzeni fermentacji- wymaga opracowania technologii prowadzenia fermentacji w całym złożu- parametr obciążenia objętościowego podaje, ile kilogramów organicznej substancji suchej (oss) trzeba podać na objętość jednego m³ do fermentatora [2- 1].
– równomierna dostawa substratu-zapewniona przez udostępnianie kolejnych partii złoża, – odgazowywanie substratu-zapewnione przez otwory wiertnicze dla ujścia biogazu.
Uszczególniając, minimalna ilość surowca koniecznego do eksploatacji biogazowni wynosi 10 t/dobę, jednak dopiero od 20 t/dobę biogazownia jest rentowna. Wsad ten powinien być odpowiednio dobrany, ponieważ należy utrzymać odpowiedni stosunek substancji organicznych do azotu i fosforu:
CHSK:N:P – (300 – 500):6,7:1 oraz ilość suchej masy organicznej i wilgotność. Jeżeli surowce wejściowe zawierają duże ilości azotu istnieje ryzyko powstawania amoniaku, likwidującego potrzebną florę bakteryjną.
Uzysk gazu z substancji organicznej zawierającej 50% suchej masy wynosi około 168m sześciennych z tony suchej masy. Ilość biogazu, jaką możemy wyprodukować w instalacji biogazowej zależy zasadniczo od składu podawanych podłoży.
Fragment poniższy pochodzi z pracy [Podsiadły 2011]:
Fermentacja metanowa to proces mikrobiologiczny, w którym złożone substancje organiczne przekształcane są w metan i dwutlenek węgla. Przebiega on w warunkach beztlenowych, w ekosystemach naturalnych oraz tych sztucznie stworzonych przez człowieka. Jest to proces wielofazowy i przebiega w czterech etapach:
1. Hydroliza – rozkład polimerycznych, nierozpuszczalnych związków organicznych (białka, tłuszcze, węglowodany) do prostych związków, rozpuszczalnych w wodzie (monocukry, aminokwasy i kwasy tłuszczowe) przy udziale enzymów (amylazy, proteazy, lipazy) wytwarzanych przez bakterie hydrolityczne.
2. Acidogeneza (kwasogeneza) – rozkład zhydrolizowanych substancji do substancji prostszych przez bakterie beztlenowe. Jako produkty tego etapu powstają:
krótkołańcuchowe kwasy organiczne (mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy, walerianowy, hekasnowy), alkohole (metanol, etanol), aldehydy, ketony oraz dwutlenek węgla i wodór. Część z nich stanowi źródło węgla i energii dla bakterii octanogennych.
3. Octanogeneza – przemiana kwasów organicznych i alkoholi do kwasu octowego, dwutlenku węgla i wodoru. W procesie tym biorą udział bakterie nieselektywne, tj. redukujące jon siarczanowy do H2S oraz utleniające wodór do H2O.
4.Metanogeneza – tworzenie metanu z kwasu octowego lub dwutlenku węgla i wodoru przy udziale bakterii metanogennych. Sumaryczne reakcje procesu metanogenezy z różnych substratów:
CH3COOH → CH4 + CO2
4HCOOH→ CH4 + 3CO2 + 2H2O
4CH3OH→ 3CH4 +CO2 + 2H2O
Bakterie fermentacji metanowej
W procesie przekształcania związków organicznych w gaz fermentacyjny biorą udział trzy grupy mikroorganizmów:
1. bakterie prowadzące dwa pierwsze etapy procesu to bakterie hydrolizującezwiązki organiczne. Dominują tu obligatoryjne
(Bacillus, Pseudomonas, Clostridium,Bifidobacterium) oraz fakultatywne (Streptococcus, Enterobacterium) beztlenowce. Niektóre z nich mogą być bezwzględnymi beztlenowcami
(Aerobacter, Lacobacillus,Micrococcus czy Flavobacterium). Optymalne warunki dla tych mikroorganizmów to pH ok. 6 oraz temp. ok. 30°C.
2. bakterie octanowe – odpowiadające za produkcję octanów. Dzielmy je na dwie grupy:
• syntroficzne – hydrolizujące, wykorzystują jako źródło węgla i energii kwasy tłuszczowe, organiczne, alkohole, aldehydy i ketony, żyją w symbiozie z bakteriami metanogennymi
• homooctanowe – syntetyzują octany z dwutlenku węgla i wodoru (Syntrophomonas wolfei, S. wolinii)
3. bakterie metanogenne – należą do bezwzględnych beztlenowców. W przypadku pojawienia się tlenu już w stężeniu 0,01 mg/dm3 są one inhibitowane, wzrasta stężenie kwasów organicznych i obniża się pH środowiska. Morfologicznie są bardzo
zróżnicowane i wyspecjalizowane do wykorzystywania określonych substratów.
Można podzielić je na dwie grupy: konsumentów kwasu octowego oraz dwutlenku węgla i wodoru. Nieliczne z nich zdolne są do przyswajania octanów
(Methanosarcina spp. i Methanosaeta spp.), nie wykorzystują zaś mrówczanów.
Bakterie te występują w postaci pałeczek (Methanobacterium), spirali
(Methanospirillum) czy ziarniaków (Methanococcus). Optimum temperaturowe procesu metanogenezy wynosi 35-45°C, zaś pH – 7.
Zastosowanie fermentacji
Praktyczne zastosowanie fermentacji metanowej wynika z jej następujących właściwości:
• całkowitej degradacji z wytworzeniem metanu, dwutlenku węgla i wodoru ulega cała gama związków organicznych
• powstający produkt, czyli biogaz zawiera 50-80% metanu, który może być
wykorzystywany jako źródło energii
• proces może być prowadzony na szeroką skalę przemysłową, jak również w warunkach domowych w gospodarstwach wiejskich
• spośród dostępnych przemysłowych metod rozkładu zanieczyszczeń jest najmniej uciążliwy dla środowiska ze względu na ilość produkowanej biomasy jako odpadu.
2. Zalety i wady produkcji energii z biogazu Zalety:
• wytwarzanie energii odnawialnej, przyjaznej dla środowiska
• mały wpływ na efekt cieplarniany dwutlenku węgla powstającego ze spalania biogazu
• zdecentralizowana jej produkcja nie wymaga budowy linii transmisyjnych, brak strat związanych z jej przesyłaniem
Wady:
• konieczność ciągłego monitorowania warunków procesu
• nakłady inwestycyjne na budowę zbiorników, fermentorów, zakup silnika, prądnicy czy aparatury kontrolnej
W coraz większej ilości krajów powstają programy rządowe wspierające budowę biogazowni i przetwarzanie biogazu w energię elektryczną. Przewiduje się, że dzięki temu zmniejszy się zanieczyszczenie środowiska naturalnego, jak również zwiększy bilans energetyczny kraju.
Autor: Karolina Podsiadły
Konieczne jest opracowanie technologii zabezpieczania przed osiadaniem powierzchni terenu biogazowni podziemnej jak i opracowania technologii zabezpieczania wód podziemnych przed skażeniem produktami podziemnej fermentacji metanowej. Wymaga to kompleksowych badań naukowych w celu opracowania optymalnej dla każdego złoża węgla brunatnego optymalnej technologii prowadzenia podziemnej fermentacji metanowej dla
uzyskiwania biogazu.
W niniejszej pracy wykorzystano fragmenty poniższych opracowań:
Biogaz – Produkcja Wykorzystywanie.pdf - opracowanie niemieckich ekspertów, pobrano z
Internetu w 2014 Link: http://www.ieo.pl/dokumenty/obszary_badan/Biogaz%20-
%20Produkcja%20Wykorzystywanie.pdf
Kasiński Jacek Robert, Potencjał zasobowy węgla brunatnego w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem kompleksów złóż gubińskich i legnickich. Pobrano z Internetu w 2014 roku link:
http://geoportal.pgi.gov.pl/css/powiaty/publikacje/wegiel_brunatny/Kasinski_potencjal_wegla _brunatnego.pdf
Podsiadły Karolina (2011) Fermentacja metanowa, Pobrano z Internetu w 2014 link:
http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/fermentacja-metanowa
Stejskal Bogdan, Praktyczne doświadczenia z prowadzenia biogazowi, pobrano z Internetu w 2014 link: http://www.infraeco.pl/pl/art/a_15370.htm?plik=488
