Aнализа производње енергије из отпадне биомасе на фармама у околини града Бора

Transcript

1 Aнализа производње енергије из отпадне биомасе на фармама у околини града Бора Аутор: Јелена Петковић 936/2013 Факултет техничких наука, Чачак Техника и информатика, 2013/14 е-mail: Ментор рада: проф. др Снежана Драгићевић Апстракт - Мастер рад даје преглед стања на пољопривредним фармама у околини града Бора, као и посебан осврт на могућности добијања биогаса из стајњака као примарног супстрата и потенцијално могуће оствариве количине биогаса по јединици површине а све у циљу да се укаже неопходност изналажења одговарајућег решења, али и могућност значајног повећања производње енергије из отпадне биомасе. Кљтчне речи - бжомара, бжогар, жољожпжвпгдно домаћжнрево УВОД Идеја о производњи биогаса није нова идеја али је мало испитана на нашем подручју и на нашим фармама. Биогас је идеалан извор енергије из више разлога: Енергија биомасе је акумулисана у живим организмима те је практично неуништива; Извори за добијање биогаса су многобројни; Улагања су релативно мала; Остатак после ферментације је првокласно органско ђубриво; Истовремено се решава питање заштите животне средине. У оквиру рада о изводљивости производње биогаса на сточарској фарми Некшановић, Трујић и Голубовић-Најдановић у Тимочкој крајини, околини града Бора, израђено је истраживање о могућностима производње и искоришћења биогаса на фармама. Циљ овог рада је задовољење потреба корисника, очувања животне средине, уштеде постојеће енергије, утицаја на ширу производњу и примену биогаса и развоја у околини града Бора. Рад даје добру слику и основу о томе како се биогас може практично искористити, које су потребне инвестиције и какве користи се могу очекивати. 1 БИОМАСА КАО ОБНОВЉИВ ИЗВОР ЕНЕРГИЈЕ Биомаса представља најстарији извор обновљиве енергије. Израз ''биомаса'' у општем и ширем смислу подразумева материју биљног и животињског порекла, мада се у пракси чешће користи за биљну масу. Биомаса се у енергетском смислу користи за добијање топлоте, било директним сагоревањем чврстих облика дрвне материје - стабала и грањевине дрвета и других, различитих биљака или биљних остатака и отпадака, или сагоревањем гасовитог и течног горива која се могу добијати одговарајућим технолошким процесима од различитих облика биомасе - биљног или животињског порекла. 2 БИОГАС Биогас настаје анаеробним врењем органских материја. Анаеробно врење представља процес разлагања органске материје без присуства ваздуха, односно без присуства кисеоника из ваздуха. Биогас је мешавина горивих и негоривих гасова, као што је приказано у табели, при чему је од горивих гасова највиши садржај метана (око 2/3 запреминског удела), a од негоривих гасова угљендиоксид са око 1/3 запреминског удела у укупној запремини произведеног биогаса.

2 Гориви састојци биогаса 2.1 Анаеробно врење Табгла 2.1 Сареав бжогара На интензитет анаеробног врења утиче температура при којој се процес одвија, тако да постоје следеће врсте процеса врења: a) Нижетемпературни (психрофилни) процес анаеробног врења од 10 до 20 C; б) Средњетемпературни (мезофилни) процес анаеробног врења - од 20 до 40 C; в) Вишетемпературни (термофилни) процес анаеробног врења - од 50 до 60 C. Сам процес анаеробног врења се одвија у три фазе и то: Прва фаза је фаза хидролизе долази до разградње великих молекула на мање и почетак развоја киселинских бактерија. Друга фаза је киселинска фаза долази до распадања молекула протеина, масноћа и угљених хидрата на органске киселине, угљендиоксид, водоник, амонијак, алкохол и др. Трећа фаза је метанска фаза наставља се даља разградња органских материја и интензивно стварање метана и угљендиоксида. 2.2 Основне карактеристике биогаса Негориви састојци биогаса Назив гаса Запремински садржај% Назив гаса Запремински садржај % Метан (CH 4 ) Угљен диоксид (CO 2 ) Водоник (H 2 ) 0-1 Азот (N 2 ) 0-2 Водоник сулфид (H 2 S) 0-1 Кисеоник (O₂) 0-0,5 Водена пара (H₂O) 0-2 Амонијак (NH 3 ) 0-2 Ефикасност продукције биогаса обезбеђује се одржавањем температуре (oкo 35 o C), ph вредности, мешањем и одстрањивањем кисеоника и токсичних материја. У анаеробним реакторима (дигестор) настаје биогас као мешавина горивих и негоривих гасова просечног састава (у запреминским %): метан 55-75%, угљен-диоксид 25-45%, и осталих гасова, као што су водоник, кисеоник, угљен-моноксид, азот, водоник-сулфид, амонијак и водена пара. Остале карактеристичне особине биогаса су: - густина која се креће у границама од 1,09 до 1,29 [kg/nm 3 ]; - релативна густина биогаса, у односу на густину ваздуха се креће од 0,843 до 0,998 [-]; - специфичне топлоте: s r = 1230 до 1435 [J/(kg)] s u = 940 до 1095 [J/(kg K)]; - експонент адијабатске промене: k = 1,305 до 1,311; - експлозивност: Метан који представља основу биогаса је експлозиван гас који са ваздухом чини експлозивну смешу.то се односи на случајеве када се у ваздуху налази најмање 5%, a највише 15% метана. 3 ПРОРАЧУН ПРОИЗВОДЊЕ ЕНЕРГИЈЕ ИЗ РАСПОЛОЖИВЕ БИОМАСЕ НА ФАРМАМА Биомаса из пољопривреде има велике могућности употребе: производња хумуса (заоравањем на њивама), производња сточне хране (третирана хемијским средствима, мешањем са протеинима и др.), производња топлотне енергије (сагоревањем), производња грађевинског материјала, делова намештаја, алкохола (врењем), биогаса (анаеробном ферментацијом), папира и амбалаже, средства за чишћење металних површина, украсних предмета итд. Укупна расположивост биомасе у околини Бора износи t из чега се може добити енергија која је еквивалентна t лаког угља за ложење. Врло погодна сировина за производњу биогаса представља стајњак домаћих животиња, посебно говеда, крава (музара) и оваца.

3 Врста домаће животиње Tабгла 3.3 Ппжнор бжогара же реајњака паенжу впреа домаћжу джвоежња Просечан дневни прилив (V) течног стајњака при просечном садржају OСM oд oкo 11% (кг /дан;сј) Садржај органске суве материје у течном стајњаку p (%) кг/дан; СЈ Просечан садржај азота у OСM стајњака (%) Однос угљеника према азоту у OСM стајњака C:N Принос биогаса (m²/кг OСM;дан) min-max просеч но Просечан принос биогаса по СЈ домаћих животиња и по дану (m³/дан,сј) Краве (музаре) 45 10,5 4,7 1,7 6,0 (17-25):1 0,18-0,33 0,255 0,846-1,551 Говеда у тову 29 11,0 3,2 1,7 6,0 (17-25):1 0,16-0,32 0,240 0,512-1,024 Oвце 28 11,07 3,1 3,8 33:1 0,09-0,31 0,200 0,279-0,961 У табели је приказана приближна количина стајњака која остаје гајењем појединих врста стоке и теоретска количина биогаса која се може добити прерадом тог отпада на годишњем нивоу. 4 АНАЛИЗА ПРОИЗВОДЊЕ ЕНЕРГИЈЕ НА ФАРМАМА 4.1 Анализа производње енергије на фарми Некшановић Фарма крава музара "Некшановић" је лоцирана у месту Оснић Тимок, у околини града Бора. Њен капацитет је 30 крава - музара. Анализирајући стање на фарми, показало се да је укупна количина топлоте која се добија сагоревањем пољопривредних отпадака на годишњем нивоу око 8000 GJ за краве (музаре) а дневна количина енергије која се може добити од биогаса на фарми у току године је око МЈ/дан. За загревање пољопривредно домаћинство Некшановић користи камени угаљ као конвенционално (необновљиво) гориво. Домаћинство располаже одређеним бројем домаћих животиња (30 крава музара) и годишње производи 438 тона детелине и 320 тона суве кукурузовине као пољопривредног остатка. За ово домаћинство потребно је израчунати количину горива која би могла годишње да се супституише биогасом који се добија из дигестора за усвојене податке из табеле 4.2. Табгла 4.2 Урвојгнж жапамгепж жоепгбнж еа жпопачсн жпожеводњг гнгпгжјг на тапмж Нгкшановжћ Просечан принос биогаса по SЈ домаћих животиња и по дану, (m³/dan,sј) 1,000 1,000 Фактор бројности животиња (fb), (SЈ / 1 ком) 1,20 1,20 Принос биогаса из култура и отпадака просечан принос, (m³ / kg OSM; dan) 0,490 0,420 Доња топлотна моћ биогаса, (MJ/Nm 3 ) 25,10 25,10 Доња топлотна моћ конвенционалног горива, (MJ/kg) Степен искоришћења система за сагоревање биогаса 30,50 30,50 0,85 0,85 Количина топлоте која се добија сагоревањем биогаса добијеног из стајњака домаћих животиња се израчунава по обрасцу: Q 1 P 1 MJ где је P 1 топлотна снага добијена сагоревањем биогаса из стајњака домаћих животиња а τ представља време у данима.

4 Топлотна снага добијена сагоревањем биогаса из стајњака домаћих животиња израчунава се по обрасцу: P1 V Hd fb N s MJ / dan где су: V 1,000 m / SJ; dan - просечан принос биогаса по сточној јединици H d 25,1 3 MJ / Nm - доња топлотна моћ биогаса (са око 70% метана-ch 4 ) f b 1,20 SJ / kom - фактор бројности сточне јединице за краве (музаре) N 30 kom - број животиња у домаћинству 0,85 - степен искоришћења система за сагоревање биогаса. s Заменом бројних вредности добија се снага и количина топлоте: P 1 1,000 25,1 1, ,85 768,06 MJ / dan Q P , ,90 MJ 280, GJ Количина топлоте која се може годишње добити сагоревањем биогаса из биомасе, тј. детелине (покошене), израчунава се по следећем обрасцу: Q 2 V, m H d s MJ где су: V 0,490 3 m / kgosm; dan - просечан дневни принос биогаса из детелине (покошене) m kgosm - годишњи принос детелине (покошене) са домаћинства Заменом бројних вредности добија се: Q 0, ,1 0, ,70 MJ 4578, 92 2 GJ Укупна годишња количина топлоте која се добија сагоревањем биогаса добијеним заједно из стајњака и биомасе износи: Q Q GJ ; Q god 1 2 Q god 280, , , 26 GJ Маса горива која се годишње може супституисати биогасом израчунава се из израза: m Q 4859,26 9 god gor , 00 6 H dgor 30, H dgor 30,50 10 J / kg - доња топлотна моћ горива - камени угаљ 10 kg Дневна количина енергије која се може добити од биогаса на фарми у току године израчунава се на следећи начин: 9 Qgod 4859,26 10 Qdnevno 13313,04 MJ / dan Q dnevno 13313,04 MJ / dan 4.2 Анализа производње енергије на фарми Трујић Фарма крава музара "Tрујић" је лоцирана у месту Сумраковац, у околини града Бора. Њен капацитет је 24 краве - музаре, 8 говеда у тову и 20 оваца. Анализирајући стање на фарми, показало се да је укупна количина топлоте која се добија сагоревањем пољопривредних отпадака на годишњем нивоу укупно око 4700 GJ за краве (музаре), говеда у тову и оваца а дневна количина енергије која се може добити од биогаса на фарми у току године укупно је око МЈ/дан.

5 4.3 Анализа производње енергије на фарми Голубовић - Најдановић Фарма крава - музара "Голубовић-Најдановић" je лоцирана у месту Сумраковац, у околини града Бора. Њен капацитет је 22 краве - музаре. Анализирајући стање на фарми, показало се да је укупна количина топлоте која се добија сагоревањем пољопривредних отпадака на годишњем нивоу око 2000 GJ за краве (музаре) а дневна количина енергије која се може добити од биогаса на фарми у току године је око 5500 МЈ/дан. 5 МОГУЋНОСТИ КОРИШЋЕЊА БИОГАСА И ДИГЕСТАТА Постројење за производњу биогаса може бити једноставнијег и сложенијег типа. Једноставнији тип постројења је предвиђен за мање произвођаче (углавном у индивидуалном сектору), a сложенија постројења - за веће произвођаче (фарме, индустријске и комуналне системе). У принципу, постројења за производњу биогаса из пољопривредних култура и отпадака, функционишу тако што се у дигестор убацују отпаци из пољопривредне производње са потребном количином воде, уз мањи или виши степен припреме (уситњавања и др.). Посебним третманом пољопривредних култура различитим материјама (амонијаком и сл.) добија се квалитетна сточна храна. Анаеробни дигестори, односно уређаји у којима се врши дигестија ферментација биомасе, представљају основне уређаје система за производњу биогаса, јер се та основна функција стварања биогаса одвија у њима. У пракси налазе примену различити типови дигестора који се разликују по конструкцији, величинама, начину одвијања процеса у њима, материјалу од којих су изграђени, способности да складиште или не произведени биогас, са или без догрејача и др. У циљу смањења или избегавања наравномерности рада у систему за производњу и потрошњу биогаса, инсталацију је потребно снабдети складиштем биогаса. Од места складиштења, величине складишта и притиска гаса, разликују се и решења складиштења биогаса. Најједноставније складиште биогаса је оно које се изводи у склопу са дигестором. У том случају је простор изнад супстрата уједно и складиште гаса. Недостатак таквих складишта је у томе што она не могу бити довољно велика и условљавају одређена конструктивна прилагођавања дигестора. Таква складишта су нископритисна. Произведен биогас има значајан садржај угљен-диоксида који представља његов негориви и некористан састојак. Угљен-диоксид такође смањује топлотну моћ јединице запремине биогаса због запремине коју он заузима. Његовим одстрањивањем смањује се запремина произведеног биогаса али се повећава његова топлотна моћ. Код постројења за производњу и коришћење биогаса, мора се обратити посебна пажња сигурности рада постројења, како не би дошло до нежељених дејстава. Виши притисак биогаса у дигестору и инсталацији може да узрокује његово неконтролисано истицање кроз недовољно заптивена места или др. Осигурање се врши уградњом једноставних водених осигурача притиска или сигурносним вентилима. Биогас произведен на пољопривредним домаћинствима из стајњака и пољопривредних отпадака, користи се поред загревања дигестора и за покривање топлотних потреба самог домаћинства, за загревање просторија, сушење сена, житарица и поврћа. На сеоским домаћинствима са малим бројем грла стоке, биогас може да се производи у једноставним постројењима и користи за покривање значајног дела енергетских потреба домаћинства. Коришћење биогаса за производњу електричне енергије постаје све интензивније и економски оправданије захваљујући развоју уређаја који се у ту сврху користе. Ослањајући се на приложене податке о просечној производњи органске материје стајњака и производњи биогаса у m 3 /kg органске материје стајњака (по СЈ од 500 kg), дефинисана је следећа табела. Табгла 5.1 Ссмапна еабгла могсћг жпожеводњг глгкепжчнг ж еожлоенг гнгпгжјг на тапмама Могућа произведена топлота од биогаса на фармама Могућа производња електричне енергије од биогаса на фармама MJ/dan MJ/h MW kw kwh kwh /dan kwh/god 607,2 25,3 0, , ,2 16,67 0,0046 4,6 1,4 33, ,6 52,9 0, ,7 4, ,04 126,96 0, ,26 10,6 254,

6 6 ЗАКЉУЧАК На основу података о броју стоке на фармама Некшановић, Трујић и Голубовић Најдановић, може се уочити да околина града Бора има мале могућности у производњи биогаса, односно да се само од разградње говеђег, крављег и овчјег отпада ослобађа преко m 3 гаса. Међутим, неопходан услов је да стока буде груписана и гајена на већим фармама, јер подаци говоре да је исплативо инсталирати постројење за биогас једино на местима где се гаји више од 150 грла крупније стоке. Ова количина гаса би изградњом биогас постројења само на већим газдинствима и фармама могла омогућити годишњу производњу од око GW електричне енергије и око GW топлотне енергије. ЛИТЕРАТУРА 1 : Aniwaste Интегрално рјешавање проблема отпада са фарми и клаоница у сјеверозападном региону Босне и Херцеговине. Студија изводљивости, The European Union CARDS Programe, [2] Миладин J. Бркић, Тодор В. Јанић, Могућности коришћења биомасе у Републици Србији, Пољопривредни факултет, Нови Сад, [3] Kaltschmitt, M., Thran, D., Smith, K.R., Renewable energy from biomass, In: Encyclopedia of physical science and technology, ed: Meyers, R.A., Springer, 2007 [4] Покрајински секретаријат за енергетику и минералне сировине, Изградња постројења и производња електричне / топлотне енергије из биомасе у Републици Србији, фебруар [5] Kaltschmitt, M., Energetic use of biomass, in: Renewable Energy: technology, economics and environment, ed: Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A., Springer [6] Лапчик, В., Лапчикова, M., Biogas stations and their environmental impacts, Рударскогеолошки-нафтни зборник, 23, стр. 9-14, Београд, 2011.