Środowiskowe korzyści z funkcjonowania mikrobiogazowni
Mikrobiogazownie w Strategii Energetycznej 2020
Jedną z polityk europejskich, w której kwestia mikrobiogazowni zajmuje ważne miejsce jest Strategia Energetyczna 2020. Wiąże się to z faktem, że mikrobiogazownie przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju poprzez:
- zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych,
- zmniejszenieemisji gazów cieplarnianych poprzez produkcję energii z obornika i gnojowicy zamiast z paliw kopalnych,
- zmniejszenie emisji metanu z przechowywanych nawozów naturalnych.
Procesy te mogą przyczynić się do spełnienia zobowiązań w zakresie zrównoważonego rozwoju, takich jak pakiet klimatyczno-energetyczny przyjęty przez Unię Europejską jako zestaw wiążących przepisów, mających na celu zapewnić wywiązanie się z reguły „20-20-20” do 2020 roku. Zobowiązania te obejmują:
- redukcję emisji gazów cieplarnianych w UE o 20% w stosunku do 1990,
- zwiększenie w UE udziału zużycia energii ze źródeł odnawialnych do 20%,
- poprawę efektywności energetycznej o 20%.
Zgodnie z tzw. decyzją Effort Sharing (406/2009/WE), państwa członkowskie przyjęły cele roczne dla zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w sektorach nieobjętych Europejskim Systemem Handlu Emisjami (non-ETS) takich jak rolnictwo, mieszkalnictwo, gospodarka odpadami i transport. Krajowe cele na rok 2020 i emisje w 2012 przedstawione zostały na rysunku 13. Rysunek 14 przedstawia udział odnawialnych źródeł energii w zużyciu energii brutto w porównaniu do celów przyjętych na rok 2020.
Zamieszczone dane wskazują, że państwa członkowskie UE muszą dalej ograniczać emisję gazów cieplarnianych w sektorach nieobjętych ETS, takich jak rolnictwo, i nadal zwiększać udział energii odnawialnej w ogólnym zużyciu energii, w celu osiągnięcia wyznaczonego pułapu. Produkcja biogazu w gospodarstwach rolnych może przyczynić się do osiągnięcia określonych poziomów zarówno w odniesieniu do redukcji emisji gazów cieplarnianych jak i zwiększenia udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym jej zużyciu.
Emisje gazów cieplarnianych w sektorach nieobjętych Europejskim Systemem Handlu Emisjami (ETS) według Strategii Energetycznej 2020 . Źródło: Eurostat
Zgodnie z tzw. decyzją Effort Sharing (406/2009/WE), państwa członkowskie przyjęły cele roczne dla zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w sektorach nieobjętych Europejskim Systemem Handlu Emisjami (non-ETS) takich jak rolnictwo, mieszkalnictwo, gospodarka odpadami i transport. Krajowe cele na rok 2020 i emisje w 2012 przedstawione zostały na powyższym rysunku.
Udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto na tle celów Strategii Energetycznej 2020. Źródło: European Environment Agency.
Emisje gazów cieplarnianych w rolnictwie
Międzyrządowy Panel do Spraw Zmian Klimatu (IPCC) podkreśla znaczenie trzech gazów cieplarnianych (GHG, z ang. greenhouse gases) w tworzeniu globalnego efektu cieplarnianego. Są to: dwutlenek węgla (CO2), podtlenek azotu (N2O) oraz metan (CH4).Wspólną jednostką służącą do wyrażania wpływu lub siły oddziaływania różnych gazów cieplarnianych jest ekwiwalent CO2. Każdy z gazów cieplarnianych ma swój odpowiednik w ilości CO2, która ma taki sam wpływ na środowisko. Według UNFCCC (Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu) oddziaływanie CH4 jest 23 razy silniejsze, niż CO2, a odziaływanie N2O aż 310 razy silniejsze niż wpływ CO2 na tworzenie efektu cieplarnianego. Emisja metanu jest drugą, główną przyczyną zmian klimatu.
Jak widać na rysunku 15, rolnictwo stanowi najważniejsze, pojedyncze źródło emisji CH4 i N2O. Ponadto, emisje tych dwóch gazów w rolnictwie są znacznie wyższe niż emisje CO2. W związku z powyższym dążenie do redukcji emisji gazów cieplarnianych w sektorze rolnym powinno się koncentrować przede wszystkim na CH4 i N2O, a nie tylko na CO2.
Emisja gazów cieplarnianych według działalności gospodarczych i źródła zanieczyszczeń, UE-28, 2012, Źródło: Eurostat.
Udział rolnictwa w emisji gazów cieplarnianych. Źródło: Eurostat 2012.
CH4 pochodzi głównie z chowu bydła i wytwarzanych przez nie odchodów. Wobec powyższego mikrobiogazownie, w których głównym źródłem wsadu jest gnojowica i obornik, mogą znacząco ograniczyć emisję metanu, poprzez jego przekształcenie w bioenergię.
W łącznej emisji gazów cieplarnianych, co pokazano na rysunku 16, w której rolnictwo ma 10% udziału, 1,63% (16,7% udziału rolnictwa) przypada na gospodarkę odchodami zwierząt[1]. Produkcja bioenergii w mikrobiogazowniach nie tylko ogranicza emisję metanu, ale także, poprzez redukcję zapotrzebowania na energię elektryczną i ciepło pozyskiwane z paliw kopalnych, przyczynia się do ograniczenia emisji pozostałych gazów cieplarnianych.
[1] Pozostałe źródła emisji nie stanowią przedmiotu optymalizacji w ramach omawianego projektu z powodu braku udowodnionego wpływu wynikającego z fermentacji odchodów zwierzęcych.
Potencjał redukcji emisji
Na podstawie wyników projektu BioEnergy Farm 1 oraz kalkulacji dotyczących opłacalności procesu fermentacji beztlenowej przygotowanych w ramach tego projektu, sporządzono oszacowanie potencjału rocznej redukcji emisji gazów cieplarnianych (GHG, z ang. greenhouse gases) dla typowej mikrobiogazowni. Redukcja emisji gazów cieplarnianych w tym przypadku wynika z:
- zastąpienia tradycyjnego gospodarowania gnojowicą/obornikiem –uniknięcie emisji, jeśli odchody poddawane są fermentacji,
- zastąpienia produkcji energii elektrycznej i ciepła z paliw kopalnych – uniknięcie emisji, jeśli paliwa kopalne zastępowane są biogazem.
Tak ustaloną redukcję gazów cieplarnianych należy pomniejszyć o:
- emisję metanu nieprzekształconego w energię (niespalonego z powodu niepełnego spalania biogazu w silniku i wycieków z instalacji).
Wartości prezentowane w szacunkach powinny być traktowane jedynie jako przykładowe. Nie wynikają one z pogłębionych analiz, ale stanowią efekt połączenia badań przeprowadzonych w ramach projektu Bioenergy Farm 2 z istniejącą metodyką szacowania emisji gazów cieplarnianych.
Najważniejszy wniosek, który można wyciągnąć z prezentowanych poniżej zestawień wskazuje na bardzo duży potencjał redukcji emisji gazów cieplarnianych z tytułu produkcji i wykorzystania energii wytwarzanej w mikrobiogazowniach. W połączeniu z dodatkowym wpływem zastąpienia tradycyjnej metody gospodarowania gnojowicą i obornikiem, efekty środowiskowe dla tej technologii są dużo większe, niż zazwyczaj zakładane dla odnawialnych źródeł energii.
Redukcja emisji wynikająca z eksploatacji pojedynczej biogazowni.
Należy zauważyć, że różnica między całkowitą redukcją emisji w związku z zagospodarowaniem gnojowicy/obornika dla instalacji o tej samej mocy maksymalnej, np. dla Francji i Włoch, wynika z różnych wartości średniorocznej temperatury w poszczególnych krajach. Podobnie, różnica pomiędzy całkowitą unikniętą emisją z paliw kopalnych dla instalacji o tych samych mocach maksymalnych jest rezultatem udziału różnych źródeł energii wykorzystywanych w poszczególnych krajach.
Na podstawie powyższych danych określono zakres redukcji emisji dla każdego kraju partnerskiego wynikający z produkcji energii w biogazowni (i jej wykorzystania w gospodarstwie rolnym), wyrażając go w ekwiwalencie CO2. Obliczone współczynniki zostały porównane ze współczynnikami emisji dla energii pobieranej z sieci energetycznej (dla poszczególnych krajów), stosowanymi w ocenach dotyczących ograniczenia zużycia energii elektrycznej.
Wykorzystanie energii elektrycznej z sieci energetycznej wywiera negatywny wpływ na środowisko przejawiający się w emisji gazów cieplarnianych. Zastosowanie energii z biogazu oddziałuje natomiast na środowisko naturalne w sposób pozytywny. Poniższy rysunek przedstawia oszacowaną wartość redukcji emisji wynikającą z wytwarzania energii z biogazu wyprodukowanego w mikrobiogazowniach dla poszczególnych krajów1.
1 Metodologia szacowania została przygotowana w ramach projektu BioEnergy Farm 2, w oparciu o wyniki projektu BioEnergy Farm 1, a w szczególności narzędzia – Kalkulator Opłacalności Procesu Fermentacji Beztlenowej.
Jak wskazano na rysunku poniżej, energia wytwarzana w mikrobiogazowniach ma bardzo pozytywny wpływ na środowisko naturalne. W przypadku wytwarzania energii elektrycznej z biogazu dodatkowe korzyści środowiskowe z zagospodarowania obornika/gnojowicy powodują, że wskaźnik redukcji emisji jest wyższy niż wskaźnik emisji dla energii pobieranej z sieci (tzn. wielkość zredukowanej emisji gazów cieplarnianych w wyniku produkcji energii elektrycznej w mikrobiogazowniach rolniczych jest większa niż emisja dla energii pobieranej z sieci). Korzyści środowiskowe z przefermentowania obornika/gnojowicy są szczególnie duże w krajach charakteryzujących się niską emisją dwutlenku węgla z produkcji energii elektrycznej (tzn. wielkość zredukowanej emisji gazów cieplarnianych jest wielokrotnie większa niż emisja dla energii pobieranej z sieci). Jednocześnie należy podkreślić, że dla krajów z wyższą emisją dwutlenku węgla wynikającą z wytwarzania energii elektrycznej inwestycja w biogazownie jest ciągle bardzo efektywnym sposobem na skuteczną redukcję gazów cieplarnianych i wniesienie wkładu w strategię zrównoważonego rozwoju.
Potencjał oszczędności emisji gazów cieplarnianych przypadającej na 1 kWh energii elektrycznej powstającej w mikrobiogazowni w porównaniu do emisji gazów cieplarnianych przypadającej na 1 kWh energii elektrycznej zużywanej z sieci energetycznej.
Korzystne efekty środowiskowe z zagospodarowania obornika/gnojowicy przeważają nad wskaźnikiem emisji dla energii elektrycznej z sieci, ponieważ ograniczeniu ulega emisja metanu wynikająca z zastąpienia tradycyjnego sposobu zagospodarowania odchodów zwierzęcych poprzez ich fermentacje, co zilustrowano na rysunku poniżej.
Oszczędności w emisji gazów cieplarnianych uzyskane poprzez eliminację emisji z tradycyjnego sposobu gospodarowania obornikiem/gnojowicą znacząco podnoszą ogólne korzyści z wytwarzania energii w mikrobiogazownich.
Oprócz istotności rezygnacji z tradycyjnego sposobu gospodarowania odchodami zwierząt, wykres wskazuje na potencjał mikrobiogazowni w przyczynianiu się do osiągnięcia założonego pułapu redukcji gazów cieplarnianych (wyrażonych w ekwiwalencie CO2) w zależności od udziału różnych źródeł energii w wytwarzaniu energii elektrycznej w poszczególnych krajach.
Na 1 kg ekwiwalentu CO2 redukowanego w wyniku zastąpienia paliw kopalnych biogazem
otrzymuje się dodatkowo około 1 kg ekwiwalentu CO2 (głównie metan) redukowanego
przez zastąpienie tradycyjnego sposobu gospodarowania odchodami zwierzęcymi ich fermentacją w biogazowni
To podwaja redukcję emisji!!! (przeciętnie dla wybranych krajów UE)
Oszczędności emisji gazów cieplarnianych uzyskiwane w wyniku uniknięcia tradycyjnego sposobu zagospodarowania odchodów zwierzęcych i zastąpienia paliw kopalnych biogazem.
Mając na uwadze cel redukcji gazów cieplarnianych należy podkreślić, że inwestycje w biogazownie mogą być kilkakrotnie bardziej efektywne w realizacji tego zadania, niż proste ograniczanie zużycia energii (skala tego zależy od udziału różnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej w poszczególnych krajach). Co więcej, należy zwrócić uwagę, że prezentowane powyżej wartości nie obejmują wykorzystania wytwarzanego ciepła, a jedynie energii elektrycznej. W przypadku projektów obejmujących zagospodarowanie ciepła prezentowane liczby byłby jeszcze bardziej optymistyczne.
Energia elektryczna równoważna liczbie kilometrów przejechanych przez samochód osobowy dla dwóch scenariuszy udziału źródeł energii w produkcji energii elektrycznej (z i bez udziału energii wytwarzanej w biogazowni).
Szacunki te bazują na założeniu średniej emisji dwutlenku węgla na kilometr wynoszącej w przypadku nowego samochodu osobowego 132,2 g CO2/km, oraz średnim zużyciu energii elektrycznej na mieszkańca w poszczególnych krajach[1].
[1] Średnia emisja dwutlenku węgla na 1 przejechany kilometr dla samochodu osobowego dla krajów UE-27, w 2012 roku. Średnie zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych na mieszkańca w poszczególnych krajach, w 2012 roku. Źródło: Eurostat
Obliczenia przeprowadzono dla dwóch scenariuszy: pierwszy z założeniem 5% udziału energii elektrycznej z biogazu, drugi z wyłączeniem tego źródła. W zależności od udziału różnych źródeł energii w produkcji energii elektrycznej w poszczególnych krajach partnerskich oraz poziomu zużycia energii elektrycznej na jednego mieszkańca, ograniczenia emisji odpowiadają oszczędnościom sięgającym od 600 km do 1100 km drogi pokonanej przez samochód osobowy rocznie. Podobnie jak poprzednio należy podkreślić, że przedstawione efekty nie obejmują zagospodarowania ciepła, a jedynie energii elektrycznej. Wyniki z uwzględnieniem wykorzystania ciepła byłyby jeszcze bardziej optymistyczne.
Resztki pofermentacyjne (poferment) jako nawóz
Przefermentowane odpady z produkcji biogazu w mikrobiogazowni charakteryzują się lepszymi parametrami, niż nieprzetworzona gnojowica lub obornik ponieważ, m. in.:
- wyższy jest stopień wykorzystania azotu mineralnego (lepsza asymilacja składników pokarmowych wykorzystywanych w glebie),
- uwalnianych jest mniej nieprzyjemnych zapachów,
- do gleby trafia mniej zarazków chorobotwórczych[1],
- poferment charakteryzuje się niższą kwasowością,
- do gleby trafia mniejsza ilość nasion chwastów zdolnych do kiełkowania,
- w pobliżu składowiska nawozu gromadzi się mniej much i innych owadów latających, co jest istotne z punktu widzenia higieny zwierząt.
[1] Manyi-Loh, C.E., Mamphweli, S.N., Meyer, E.L., Okoh, A.I., Makaka G., Simon, M., Inactivation of Selected Bacterial Pathogens in Dairy Cattle Manure by Mesophilic Anaerobic Digestion (Balloon Type Digester), Int. J. Environ. Res. Public Health 2014, 11(7), 7184-7194.
Pierwsza z wymienionych powyżej korzyści oznacza wyższy poziom łatwo dostępnego azotu mineralnego (N) uwalnianego w trakcie fermentacji, co przyspiesza odżywianie roślin. Udział dostępnego azotu w ogólnym azocie jest wyższy zarówno w przypadku przefermentowanej gnojowicy (obornika) bydlęcej, jak i świńskiej[1]. W nieprzefermentowanym nawozie stanowi on 50% w gnojowicy bydlęcej i około 70% w gnojowicy świńskiej w ogólnej zawartości azotu, podczas gdy po przefermentowaniu jego udział wzrasta do około 80% (dla mieszanki obejmującej 50% gnojowicy świńskiej, 25% bydlęcej i 25% innych odpadów organicznych)[2].
[1] Sorensen, P., Giovanni, S., The fate of nitrogen from animalmanures in soil-cropsystems: experiences with dairy and pigslurries. Milano: 2008.
[2] Birkmose, T., Pedersen, T.R., Contribution of biogasplants to nutrient management planning. Milano: 2009.
Druga z wymienianych korzyści, tj. zmniejszenie nieprzyjemnych zapachów wynika z niższego stężenia lotnych kwasów tłuszczowych zawartych w przefermentowanej gnojowicy. Różne badania potwierdzają, że stężenie zapachów w powietrzu jest znacznie niższe w przypadku stosowania na polach resztek pofermentacyjnych niż nieprzefermentowanej gnojowicy/obornika. Problem zapachów z gnojowicy/obornika był jednym z głównych czynników, na które wskazywali rolnicy podczas badań przeprowadzonych w ramach projektu BioEnergy Farm 1.
strona projektu
Informacje dla decydentów politycznych
Raport
Co decydenci polityczni powinni wiedzieć o mikrobiogazowniach
Dalej
Mechanizmy wsparcia dla mikrobiogazowni
