Jak wygląda produkcja gazu z biomasy i gdzie można go wykorzystać?

Produkcja gazu z biomasy to proces przetwarzania organicznego materiału roślinnego i zwierzęcego w wartościowe paliwo gazowe przez zgazowanie lub fermentację beztlenową. Te dwie główne technologie umożliwiają wytworzenie gazu syntezowego (syngaz) oraz biogazu, które stanowią czyste źródła energii odnawialnej o szerokich zastosowaniach przemysłowych i energetycznych [1][2][4].

Surowce wykorzystywane w produkcji gazu

Biomasa stanowi podstawowy surowiec do produkcji gazu energii odnawialnej i obejmuje szeroki zakres materiałów organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego [1][3]. Do najważniejszych rodzajów biomasy wykorzystywanej w procesach gazyfikacji należą odpady komunalne, odpady rolnicze, drewno oraz inne materiały organiczne o wysokiej zawartości części lotnych.

Kluczowym czynnikiem decydującym o efektywności procesu jest wysoka zawartość części lotnych w biomasie, która umożliwia lepszą optymalizację całego procesu produkcyjnego [2]. Materiały te charakteryzują się różną wartością energetyczną i składem chemicznym, co wpływa na wybór odpowiedniej technologii przetwarzania oraz jakość końcowego produktu gazowego.

Proces zgazowania biomasy

Zgazowanie biomasy to zaawansowany proces termochemiczny polegający na ograniczonym spalaniu biomasy w kontrolowanych warunkach, w wyniku którego powstaje gaz syntezowy o wysokiej wartości energetycznej [1][2][3]. Proces ten przebiega w specjalnych urządzeniach zwanych zgazowarkami, gdzie biomasa jest podawana za pomocą przenośników taśmowych lub kubełkowych.

Technologia ta obejmuje cztery kluczowe etapy następujące po sobie w określonej kolejności. Pierwszy etap stanowi suszenie paliwa, podczas którego usuwana jest wilgoć z biomasy. Następnie następuje piroliza, czyli termiczny rozkład materiału organicznego bez dostępu tlenu w temperaturze 300-400°C [2].

Trzecim etapem jest spalanie, polegające na częściowym utlenianiu biomasy w kontrolowanej atmosferze. Powietrze wprowadzane przez specjalne dysze umożliwia precyzyjną kontrolę procesu i utrzymanie odpowiednich parametrów termicznych. Ostatni etap to redukcja, podczas której produkty spalania są przekształcane w gaz syntezowy o pożądanym składzie chemicznym [1][2].

Rozwój technologiczny w tej dziedzinie doprowadził do powstania technologii zgazowania wielostopniowego, która pozwala na znaczną optymalizację procesu i uzyskanie lepszej jakości produkowanego gazu [2]. Nowoczesne rozwiązania, takie jak technologia Sarré, umożliwiają efektywne przetworzenie odpadów komunalnych i biomasy na czystą energię, przyczyniając się jednocześnie do zagospodarowania odpadów [3].

Fermentacja beztlenowa jako alternatywna metoda

Fermentacja beztlenowa stanowi drugą główną metodę produkcji gazu z biomasy i polega na wykorzystaniu mikroorganizmów beztlenowych do przekształcenia materii organicznej w biogaz [4]. Proces ten zachodzi w szczelnych reaktorach nazywanych fermentatorami, gdzie utrzymywane są ściśle kontrolowane warunki środowiskowe.

Kluczowym aspektem tego procesu jest utrzymanie odpowiednich warunków termicznych w zakresie od 35°C dla procesów mezofilnych do 55°C dla procesów termofilnych [4]. Temperatura wraz ze stabilnym mieszaniem zawartości reaktora decyduje o efektywności całego procesu i wydajności produkcji biogazu.

Mikroorganizmy beztlenowe rozkładają materię organiczną bez dostępu tlenu, produkując głównie metan i dwutlenek węgla. Stabilność środowiska mikrobiologicznego oraz właściwe parametry procesowe są kluczowe dla uzyskania wysokiej wydajności produkcji biometanu i utrzymania ciągłości procesu fermentacyjnego.

Składy chemiczne otrzymywanych gazów

Produkty końcowe obu procesów różnią się składem chemicznym i właściwościami energetycznymi. Gaz syntezowy powstający w procesie zgazowania to złożona mieszanina tlenku węgla (CO), wodoru (H2), dwutlenku węgla (CO2) oraz niewielkich ilości metanu (CH4) [1][2]. Proporcje poszczególnych składników zależą od parametrów procesu, rodzaju biomasy oraz warunków operacyjnych zgazowarki.

Biogaz pochodzący z fermentacji beztlenowej charakteryzuje się prostszym składem chemicznym, zawierając głównie metan w ilości 50-75% oraz dwutlenek węgla stanowiący 25-50% całości [4]. Ta zawartość metanu decyduje o wysokiej wartości energetycznej biogazu i jego przydatności jako paliwa alternatywnego.

Optymalizacja poszczególnych etapów produkcji, szczególnie utrzymanie właściwych temperatur podczas pirolizy w procesie zgazowania oraz stabilności środowiska mikrobiologicznego podczas fermentacji, bezpośrednio wpływa na jakość i skład końcowego produktu gazowego. Kontrola tych parametrów umożliwia dostosowanie właściwości gazu do konkretnych zastosowań przemysłowych.

Zastosowania przemysłowe i energetyczne

Zarówno syngaz, jak i biogaz znajdują szerokie zastosowanie w różnych sektorach gospodarki jako czyste źródła energii odnawialnej. Główne kierunki wykorzystania obejmują produkcję energii elektrycznej i cieplnej, gdzie gazy te spalane są w specjalnych turbinach lub silnikach kogeneracyjnych [3][4].

Produkcja energii elektrycznej stanowi jedno z najważniejszych zastosowań gazów z biomasy. Nowoczesne instalacje, wykorzystujące technologię Sarré, potrafią wyprodukować 9 MW energii elektrycznej i 9 MW ciepła, przetwarzając rocznie 55 000 ton paliwa alternatywnego z odpadów (RDF) [3]. Ta skala produkcji pokazuje znaczny potencjał energetyczny biomasy.

Kolejnym istotnym obszarem zastosowań jest wykorzystanie gazów jako paliwa do silników oraz instalacji przemysłowych. Biogaz może być oczyszczany i wzbogacany do postaci biometanu, który stanowi wysokiej jakości komponent paliw alternatywnych nadających się do użycia w transporcie oraz przemyśle chemicznym [4].

Gazy z biomasy przyczyniają się również do zagospodarowania odpadów, oferując rozwiązanie problemu rosnących ilości odpadów organicznych przy jednoczesnym wytwarzaniu wartościowej energii. To podwójne korzyści środowiskowe i ekonomiczne czynią technologie gazyfikacji biomasy kluczowym elementem gospodarki cyrkularnej i zrównoważonego rozwoju energetycznego.

Korzyści środowiskowe i ekonomiczne

Produkcja gazu z biomasy przynosi znaczące korzyści środowiskowe poprzez redukcję emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z konwencjonalnymi źródłami energii. Wykorzystanie biomasy jako surowca energetycznego zamyka cykl węglowy, ponieważ rośliny podczas wzrostu pochłaniają tyle dwutlenku węgla, ile wydzielają podczas spalania powstałego z nich gazu.

Technologie zgazowania i fermentacji beztlenowej umożliwiają efektywne zagospodarowanie odpadów organicznych, które w przeciwnym razie trafiłyby na składowiska lub do spalania w konwencjonalnych spalarniach. Przekształcenie tych odpadów w wartościowe paliwo gazowe redukuje presję na środowisko naturalne i ogranicza potrzebę składowania odpadów [3].

Z ekonomicznego punktu widzenia, inwestycje w technologie produkcji gazu z biomasy tworzą nowe miejsca pracy w sektorze odnawialnych źródeł energii oraz w związanych z nimi branżach obsługowych i technicznych. Lokalna produkcja energii z biomasy zwiększa także bezpieczeństwo energetyczne regionów, redukując zależność od importowaných paliw kopalnych.

Dodatkowo, możliwość wykorzystania różnorodnych rodzajów biomasy, od odpadów rolniczych po odpady komunalne, tworzy elastyczny system energetyczny zdolny do adaptacji do lokalnych warunków i dostępności surowców. Ta uniwersalność technologii gazyfikacji biomasy przyczynia się do rozwoju zdecentralizowanych systemów energetycznych o wysokiej efektywności ekonomicznej.

Perspektywy rozwoju technologii

Rozwój technologii produkcji gazu z biomasy koncentruje się na zwiększeniu efektywności procesów oraz poprawie jakości powstających gazów. Technologie wielostopniowego zgazowania reprezentują kierunek innowacyjny, umożliwiający lepszą kontrolę parametrów procesowych i uzyskanie wyższych wydajności energetycznych [2].

Badania nad nowoczesnymi rozwiązaniami fermentacyjnymi skupiają się na optymalizacji warunków pracy mikroorganizmów beztlenowych oraz rozwoju nowych szczepów bakterii o zwiększonej produktywności. Integracja różnych technologii w ramach jednej instalacji pozwala na maksymalne wykorzystanie potencjału energetycznego różnych frakcji biomasy.

Postęp w dziedzinie oczyszczania i wzbogacania gazów prowadzi do otrzymywania produktów o jakości porównywalnej z gazem ziemnym, co rozszerza możliwości ich zastosowania. Rozwój technologii magazynowania i dystrybucji gazów z biomasy umożliwia ich lepsze włączenie w krajowe systemy energetyczne i gazowe.

Przyszłość branży gazyfikacji biomasy wiąże się również z rozwojem inteligentnych systemów zarządzania procesami produkcji, wykorzystujących zaawansowane systemy monitoringu i automatyki. Te rozwiązania pozwalają na optymalizację pracy instalacji w czasie rzeczywistym, zwiększając ich rentowność i niezawodność eksploitacyjną.

Źródła:

[1] http://www.crbenergia.pl/asp/pliki/foto/prezentacja_-_zgazowanie.pdf
[2] https://www.cire.pl/pliki/2/2017/technologie_zgazowania_biomasy.pdf
[3] https://portalkomunalny.pl/plus/artykul/technologie-zgazowania-biomasy/
[4] https://agriportance.com/pl/wiedziec/biometan/jak-produkowany-jest-biometan/