ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIRE
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


SPONSORZY
ASSECO
PGNiG
ENEA

Polska Spółka Gazownictwa
CMS

PGE
CEZ Polska
ENERGA





MATERIAŁY PROBLEMOWE

Eksperymentalne biorafinerie rolnicze
06.12.2019r. 05:13

Magdalena Szymańska ("Energia i Recykling" - 11/2019)
Nowatorska biorafineria rolnicza funkcjonująca w holenderskim gospodarstwie doświadczalnym obok podstawowej funkcji, jaką jest chów bydła mlecznego, odgrywa jednocześnie rolę biogazowni, instalacji do odzysku azotu i fosforu oraz stawów przeznaczonych do uprawy rzęsy wodnej, wpisując się tym samym w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym.

Pozornie nieograniczone możliwości rozszerzania powierzchni upraw, eksploatacji paliw kopalnych i surowców w Europie, później także w Nowym Świecie, Azji i Afryce napędzały w historii ludzkości światową gospodarkę, przyczyniając się do cywilizacyjnego i ekonomicznego rozwoju społeczeństw i państw od czasów wielkich odkryć geograficznych. Na przełomie XX i XXI w. ten atrakcyjny w sferze wytwórczej sposób gospodarowania zasobami, określony w 1966 r. przez brytyjskiego ekonomistę K.E. Bouldinga mianem "cowboy economy" (wzorem podboju Dzikiego Zachodu), przestał być akceptowalny społecznie, politycznie i w pewnej mierze gospodarczo. Kurczące się zasoby surowców, nieodwracalne zmiany w środowisku przyrodniczym oraz postęp naukowy - zwłaszcza w dziedzinie biotechnologii - stały się impulsem do formułowania nowych koncepcji funkcjonowania gospodarki.

Zasadniczym założeniem gospodarki o obiegu zamkniętym (circular economy) jest możliwość wielokrotnego użycia materiałów w kolejnych cyklach produkcji wysokowartościowych produktów oraz energii. W tym sensie materiały odpadowe powstające na różnych etapach - pozyskiwania surowców czy produkcji towarów oraz ich konsumpcji - są ponownie (a więc wielokrotnie) kierowane do procesu wytwórczego. Zważywszy, że właściwości odpadów mogą ograniczać ich przydatność w procesie produkcji, istotną rolę w gospodarce o obiegu zamkniętym odgrywają innowacyjne rozwiązania technologiczne oparte na wiedzy przyrodniczej, umożliwiające wytwarzanie wysokowartościowych produktów lub odzysk substancji i/lub energii z substratów o niższej wartości.

Kaskadowe wykorzystanie biomasy

Wykorzystanie w procesach wytwórczych biomasy pozwala na zaadaptowanie koncepcji gospodarki o obiegu zamkniętym w systemie ekonomicznym definiowanym jako biogospodarka. Jego istotą jest ewolucja przemysłowych procesów wytwórczych, umożliwiająca zastąpienie surowców nieodnawialnych (np. paliw kopalnych) tymi z gatunku odnawialnych (odpadami lub biomasą). Elementem łączącym oba systemy - biogospodarkę i gospodarkę o obiegu zamkniętym - jest kaskadowe wykorzystanie biomasy. W modelu jednorazowego wykorzystania biomasy jest ona przeznaczona do spełnienia jednej funkcji w gospodarce. Natomiast wielokrotne włączanie biomasy (substratu organicznego, a następnie odpadów organicznych) do procesu produkcji i odzysku pozwala na wytwarzanie produktów o wartości dodanej, zwiększających konkurencyjność przedsiębiorstw. Odzysk różnych substancji z biomasy i włączenie ich do cyklu produkcyjnego zmniejsza wydobycie zasobów kopalnych oraz ogranicza negatywny wpływ produkcji przemysłowej na środowisko przy jednoczesnym zachowaniu wzrostu gospodarczego. Jest to możliwe dzięki transferowi wiedzy i zastosowaniu innowacyjnych rozwiązań technologicznych w produkcji przemysłowej.

W ogólnym założeniu produkcja rolnicza realizuje zasadnicze założenia biogospodarki. Produkcja biomasy roślinnej odbywa się dzięki fotosyntetycznej asymilacji CO2 z powietrza z wykorzystaniem odnawialnego źródła energii - promieniowania słonecznego oraz energii ze źródeł nieodnawialnych (paliw kopalnych i energii elektrycznej niezbędnej do napędzania maszyn rolniczych i wytworzenia środków produkcji). Biomasa roślin przeznaczona jest do produkcji żywności, paszy, surowców przemysłowych lub energii. Produkcji plonu głównego towarzyszy wytworzeniu pewnej ilości plonu ubocznego roślin (słomy, liści, części podziemnych roślin). Znajduje on różne wykorzystanie w obrębie gospodarstwa lub poza nim (np. jako pasze, ściółka w produkcji zwierzęcej, resztki pożniwne i komposty użyźniające glebę, a także jako surowiec energetyczny). Odpadem powstającym w produkcji zwierzęcej są odchody, z których produkowane są nawozy naturalne. Są one stosowane na polach uprawnych w celu użyźnienia gleby i dostarczenia roślinom składników pokarmowych w kolejnym cyklu produkcji roślinnej.

Produkcja rolna odbywa się tylko częściowo w układzie zamkniętym, ponieważ znaczna część produkowanej biomasy (roślinnej i zwierzęcej) jest eksportowana z gospodarstwa. Odpady organiczne powstające na etapie konsumpcji i przetwarzania wyeksportowanej z gospodarstwa biomasy powracają tam tylko w niewielkiej ilości. Domknięcie systemu wytwórczego jest jeszcze bardziej utrudnione w specjalistycznych farmach z intensywną produkcją zwierzęcą, ponieważ odpad organiczny (odchody zwierząt) z racji znacznej wielkości ich produkcji nie mogą być utylizowane w obrębie gospodarstwa. W rezultacie w klasycznie rozumianej produkcji rolniczej niemożliwa jest realizacja kaskadowego wykorzystania biomasy zgodnie z modelem gospodarki o obiegu zamkniętym.

Doświadczalne gospodarstwo

Wdrożenie gospodarki o obiegu zamkniętym w rolnictwie możliwe jest dzięki lokowaniu w rolniczej przestrzeni produkcyjnej biorafinerii rolniczych. Taką eksperymentalną instalację zbudowano w ramach realizacji projektu "Cradle to Cattle", finansowanego z programu ERA-NET Bioenergy. Projekt był realizowany w ramach konsorcjum, którego koordynatorem była holenderska firma Cornelissen Consulting Services B.V. (CCS), a partnerami ProfiNutrients z Holandii, Centrum Ekologii i Hydrologii (CEH - Centre for Ecology and Hydrology) z Wielkiej Brytanii, Instytut Nowych Syntez Chemicznych (INS) z Puław oraz Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) w Warszawie.

Głównym zadaniem instalacji jest dążenie do optymalizacji gospodarowania nawozami naturalnymi w obrębie gospodarstwa rolnego i próba zamknięcia obiegu składników dopływających do gospodarstwa w postaci pasz i nawozów mineralnych. Eksperymentalna biorafineria rolnicza funkcjonuje zgodnie z koncepcyjnym schematem przedstawionym na rysunku w gospodarstwie doświadczalnym Uniwersytetu Wageningen, zlokalizowanym w De Marke, nieopodal holenderskiego miasta Hengelo. Gospodarstwo to prowadzi chów bydła mlecznego i w wymiarze eksperymentalnym skoncentrowane jest na badaniach mających na celu optymalizację wykorzystania składników pokarmowych w produkcji rolnej.

Biorafineria jest kompleksem złożonym z biogazowni, instalacji do odzysku azotu i fosforu oraz stawów przeznaczonych do uprawy rzęsy wodnej. W instalacji tej gnojowica bydlęca poddawana jest fermentacji metanowej w biogazowni. Uzyskany biogaz wykorzystywany jest do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w agregacie kogeneracyjnym. Energia elektryczna wykorzystywana jest na potrzeby funkcjonowania obiektu, a nadwyżka sprzedawana do sieci. Produkowana w biogazowni ilość energii cieplnej przewyższa potrzeby energetyczne gospodarstwa. Nadwyżka ta wykorzystywana jest na pokrycie potrzeb cieplnych pracy biorafinerii (podgrzanie komór fermentacyjnych, komór reakcyjnych i stawów).

W klasycznej biogazowni nadwyżka energii często nie znajduje zastosowania i jest tracona w trakcie schłodzenia. Odpadem organicznym, powstającym przy produkcji biogazu w procesie fermentacji, jest produkt pofermentacyjny (poferment). Jest to brunatna ciecz o zawartości ok. 3-8% suchej masy, zawierająca cenne z punktu widzenia żywienia roślin składniki pokarmowe. Dlatego zazwyczaj poferment stosowany jest na polach w celach nawozowych. Jednak znaczne uwodnienie pofermentu ogranicza możliwość jego transportu na większą odległość. W praktyce oznacza to, że może on być aplikowany tylko na polach zlokalizowanych niedaleko biogazowni. Z tego względu w biogazowniach prowadzi się separację mechaniczną produktu pofermentacyjnego. Produktami tej separacji są frakcja stała i frakcja ciekła pofermentu. Rozwiązanie takie zastosowano w opisywanej biorafinerii. Frakcja stała, zasobna w materię organiczną i składniki pokarmowe roślin, wykorzystywana jest w gospodarstwie jako nawóz organiczny. Natomiast frakcja ciekła poddawana jest dalszej obróbce, mającej na celu odzysk pierwiastków biogennych, które w formie mineralnej mogą być sprzedane, stanowiąc dodatkowe źródło dochodu gospodarstwa.

Produkty handlowe z odzysku

W pierwszym etapie odzyskuje się azot i fosfor w wyniku wytrącenia z frakcji ciekłej kryształów struwitu. Struwit jest związkiem azotowo-fosforowo-magnezowym o wzorze MgNH4PO4.6H2O. Niedobór magnezu w pofermencie wymaga suplementowania tego składnika w trakcie wytrącania struwitu dodatkiem MgCl2. Kryształy struwitu powstają w środowisku zasadowym (pH ok. 9), z tego względu frakcja ciekła pofermentu jest alkalizowana 5N roztworem NaOH. Wytrącony struwit gromadzony jest w stożkowej kolumnie reaktora i stanowi pierwszy produkt handlowy uzyskiwany w biorafinerii. Ze względu na dysproporcje w zawartości azotu i fosforu oraz stechiometrię reakcji odciek po wytrącaniu struwitu nadal charakteryzuje się obecnością azotu w formie jonów amonowych (NH4+).


Struwit z biorafinerii



Strącanie struwitu



Kolumna do produkcji siarczanu amonu



Komora fermentacyjna i separator pofermentu

W celu zwiększenia efektywności odzysku azotu biorafinerię rozbudowano o kolejny proces jednostkowy - strippingu amoniaku. W procesie tym odciek pozostały po strącaniu struwitu jest alkalizowany roztworem wodorotlenku sodu do pH 10,5 i podgrzany. Uwolniony w ten sposób amoniak wiązany jest w roztworze kwasu siarkowego do siarczanu amonu o wzorze (NH4)2SO4. W rezultacie siarczan amonu stanowi drugi produkt handlowy uzyskiwany w biorafinerii. W kolejnym etapie odciek po odzysku obu biogenów kierowany jest do stawu, w którym uprawiana jest rzęsa wodna. Produkcja rzęsy jest biologicznym sposobem odzysku rezydualnej ilości składników pokarmowych z frakcji ciekłej pofermentu. Biomasa rzęsy jest produkowana z przeznaczeniem na paszę dla bydła. Taki model biorafinerii umożliwia wielokrotne wykorzystanie - w tym wypadku gnojowicy bydlęcej - w kaskadowym cyklu odzysku składników i produkcji biomasy.

Budowa opisanej biorafinerii w gospodarstwach specjalizujących się w produkcji zwierzęcej pozwala na efektywne wykorzystanie powstających w nich nawozów naturalnych. W takim modelu gospodarowania biomasą produkuje się:
- energię elektryczną i cieplną (ze źródeł odnawialnych),
- organiczny nawóz, który stosowany jest w gospodarstwie jako źródło węgla organicznego w glebie i składników pokarmowych roślin - zmniejsza się jednocześnie zapotrzebowanie gospodarstwa na nawozy mineralne,
- rzęsę wodną, która w części pokrywa zapotrzebowanie gospodarstwa na paszę,
- struwit, który może być sprzedawany jako wolno działający nawóz azotowo-fosforowy przeznaczony do nawożenia użytków zielonych oraz upraw na gruntach ornych i który w pewnym stopniu może zastąpić przemysłowo pozyskiwany nawóz: fosforan amonu, a w dalszej perspektywie ograniczyć eksploatację złóż fosforytowych wykorzystywanych do produkcji nawozów zawierających fosfor,
- siarczan amonu, który może substytuować obecnie produkowany przez przemysł azotowy nawóz mineralny o tej samej nazwie.

Biorafinerie rolnicze wpisują się w ideę gospodarki o obiegu zamkniętym. Niestety, póki co są to instalacje drogie i dość skomplikowane w eksploatacji. Z tego względu można oczekiwać, że ich rozwój nastąpi w przyszłości, gdy zwiększy się potrzeba oszczędnego gospodarowania zasobami nieodnawialnymi oraz wzmocnione zostanie wsparcie finansowe przedsięwzięć ograniczających negatywny wpływ rolnictwa na środowisko.

Dodaj nowy Komentarze ( 0 )

WIĘCEJ NA TEN TEMAT W SERWISACH TEMATYCZNYCH

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie


PARTNERZY
PGNiG TERMIKA
systemy informatyczne
Clyde Bergemann Polska
PAK SERWIS Sp. z o.o.
ALMiG
GAZ STORAGE POLAND
GAZ-SYSTEM S.A.
Veolia
PKN Orlen SA
TGE
Savangard
DISE
BiznesAlert
Obserwatorium Rynku Paliw Alternatywnych ORPA.PL
Energy Market Observer
Innsoft



cire
©2002-2020
mobilne cire
IT BCE