Możliwości energetycznego zagospodarowania selektywnie zbieranych odpadów kuchennych – kierunek biogaz

W Polsce posiadamy duży potencjał substratowy do produkcji biogazu i biometanu, pochodzący nie tylko z sektora rolniczego i przemysłu spożywczego, ale także z odpadów przemysłowych i komunalnych. Dlatego Grupa Kapitałowa PGNiG podejmuje szereg działań w obszarze zielonych paliw gazowych odpowiadających wyzwaniom, przed którymi stoi krajowy rynek gazu w związku z koniecznością dalszej redukcji poziomu emisyjności krajowej gospodarki. Grupa wspiera wytwórców m. in. biometanu tak, aby rynek tego gazu mógł się rozwijać i był możliwie najbardziej przewidywalny. W dłuższej perspektywie jest to jedno z podstawowych paliw alternatywnych dla GK PGNiG.

Przyjęty w grudniu 2019 r. Zielony Ład zakłada szeroko zakrojoną transformację energetyczną, mającą na celu przekształcenie Unii Europejskiej do 2050 r. w pierwszy neutralny klimatycznie kontynent. Kraje członkowskie zobligowały się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych do 55% do 2030 r. Powoduje to konieczność sprawnego wdrażania, na szeroką skalę, rozwiązań wykorzystujących odnawialne źródła energii. Jednym z nich jest produkcja biogazu i biometanu w procesie fermentacji metanowej. Produkcja metanu wiąże się z koniecznością przetwarzania biodegradowalnych materiałów, których pozyskanie na cele energetyczne konkuruje z innymi sposobami ich zagospodarowania. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku np. kiszonki z kukurydzy czy gnojowicy, które od lat są zagospodarowywane w rolnictwie w sposób tradycyjny – kolejno paszowy i nawozowy. Konsekwencją takich zależności jest coraz częstsze sięganie po substraty odpadowe, których wykorzystanie w procesie fermentacji metanowej wpisuje się w „Strategię redukcji emisji metanu”, przedstawioną przez Komisję Europejską 14 października 2020 r. Komisja wskazała właśnie na produkcję biogazu i biometanu, jako na jeden ze sposobów rozwiązania problemu niekontrolowanej emisji metanu w sektorach rolnym i odpadowym.

Strategia ta wpisuje się w długookresowe plany PGNiG. Prace badawcze nad produkcją biometanu z bioodpadów, pozwalają na zdobycie know-how z zakresu wykorzystania zbieranej selektywnie biodegradowalnej frakcji odpadów komunalnych, a także na opracowanie formuły wielkoskalowych inwestycji związanych z produkcją między innymi bioCNG, czyli skompresowanego gazu wysokometanowego. Jest to zwłaszcza istotne pod względem rosnącego zapotrzebowania na sprężony gaz w transporcie, który w coraz większym zakresie będzie napędzany zielonymi paliwami. Rezultaty projektu wpłyną także na dywersyfikację portfela produktów na poziomie całej Grupy Kapitałowej PGNiG

Rozwiązanie, nad którym pracują specjaliści z Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa oraz naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, oparte jest o założenia gospodarki obiegu zamkniętego. Ma umożliwić konkurencyjną i skuteczną utylizację biodegradowalnej frakcji odpadów komunalnych w oparciu o technologię fermentacji beztlenowej i produkcję gazu fermentacyjnego, którego wskaźniki jakości będą pozwalały na dostosowanie go do standardów technicznych biometanu, a następnie sprężania go do standardów odnawialnej alternatywy dla CNG, czyli bioCNG. Zaprojektowana technologia zostanie sprawdzona w warunkach rzeczywistych, a następnie poddana pełnej komercjalizacji.

Jednym z materiałów odpadowych możliwych do zagospodarowania w technologii fermentacji metanowej są właśnie selektywnie zbierane bioodpady. Jest to materiał, którego selektywna zbiórka zgodnie z zapisami Rozporządzenia Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 10 maja 2021 r. w sprawie sposobu selektywnego zbierania wybranych frakcji odpadów jest obligatoryjna. Ustawa o odpadach z dnia 14 grudnia 2012 r. definiuje bioodpady, jako ulegające biodegradacji odpady z ogrodów i parków, odpady żywności i kuchenne z gospodarstw domowych, gastronomii, w tym restauracji, stołówek oraz zakładów zbiorowego żywienia, biur, hurtowni i jednostek handlu detalicznego, a także podobne odpady z zakładów produkujących lub wprowadzających do obrotu żywność. Ustawa definiuje również fermentację, jako jedną z metod przeznaczonych do utylizacji omawianego odpadu. W związku z brakiem szczegółowych wytycznych dotyczących sposobu zbiórki tych odpadów, możliwa jest zbiórka bioodpadów „kuchennych i ogrodowych” razem oraz oddzielnie. Odpady kuchenne ulegające biodegradacji o kodzie 20 01 08, w związku z ich składem chemicznym i łatwością rozkładu, zdają się być lepszym substratem dającym wyższe wyniki produkcji biogazu względem odpadów zielonych.

Aby szacować potencjalną ilość bioodpadów możliwych do zagospodarowania, należy rozważyć ogólną ilość odpadów produkowanych w Polsce, która w ostatnich latach wzrasta i w 2020 r. wynosiła ponad 13 mln Mg (Rys. 1). Ilość odpadów kuchennych w składzie morfologicznym zmieszanych odpadów komunalnych, w zależności od wielkości obszaru, na którym prowadzono badania, wynosi od 28,9% do 40%. Uwzględniając powyższe dane, potencjał ilości bioodpadów wynosi w skali kraju od 3,9 do 5,2 mln Mg, co jest tożsamym wynikiem do średnio 172 kg/M/a dla krajów UE 27.

Rys. 1. Ilość wyprodukowanych oraz zebranych selektywnie odpadów komunalnych (GUS 2021)

W związku z powyższym, substrat ten został wybrany do badań w projekcie „Badania przemysłowe i prace eksperymentalno-rozwojowe nad innowacyjnym zagospodarowaniem biodegradowalnej frakcji odpadów komunalnych – prototyp” finansowanym przez PGNiG a realizowanym na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu.

Rys. 2. Uproszczony skład morfologiczny odpadów

Aspektami, jakie poruszano w trakcie realizacji projektu, było kompleksowe zagospodarowanie substratu w fermentacji metanowej, odpadów generowanych w trakcie przygotowywania substratu na cele energetyczne oraz produkowanego pofermentu, zgodne z zasadami gospodarki obiegu zamkniętego.

Jednym z wyników szeroko zakrojonych prac badawczych była dokładna parametryzacja substratu pod kątem jego czystości, właściwości jak i potencjału produkcji biogazu, bazująca na przebadanych 27 próbkach o masie każdorazowo ponad 1 Mg pobranych w okresie 21 miesięcy z 2 miast wojewódzkich, w których realizowana była selektywna zbiórka rozłączna odpadów kuchennych i zielonych.

Analizując skład morfologiczny odpadów wykorzystanych w badaniach należy zwrócić uwagę na bardzo wysoki udział odpadów kuchennych w selektywnie zbieranej frakcji bioodpadów, wynoszący średnio 83%, przy relatywnie niskim, jak na odpady komunalne, współczynniku zmienności wynoszącym 12% (Rys. 2). Tak wysokie wartości świadczą o relatywnie dobrej zbiórce odpadów wykonywanej przez mieszkańców, jak i o potencjalnie wysokiej wydajności biogazowej zbieranych bioodpadów. Kolejnymi grupami wyszczególnionymi w składzie morfologicznym były odpady zielone, których udział wynosił średnio 4% przy wysokim poziomie zmienności wynoszącym 195% oraz pozostałe zanieczyszczenia, których średnia ilość wynosiła 13%. Wysoki poziom zmienności odpadów zielonych był związany z sezonem wegetacyjnym, gdzie w okresie wiosenno-letnim ich występowanie było znacząco częstsze. Na zanieczyszczenia składały się głównie odpady opakowaniowe i worki foliowe, w których odpady były zbierane szczególnie w zabudowie wielorodzinnej.

Tab. 1. Parametry substratów

Wszystkie substraty poddano analizie podstawowych parametrów (Tab. 1). Wykazano, że zarówno zawartość suchej masy organicznej, jak i procentowy udział węgla oraz stosunek węgla do azotu, potwierdzają słuszność założenia o wysokim potencjale substratu do przetwarzania w procesie fermentacji metanowej. Relatywnie niska sucha masa (23%) powoduje, że przy zastosowaniu odpowiedniej obróbki wstępnej substrat z powodzeniem może być stosowany w wysokowydajnej technologii fermentacji mokrej.

Założenia te potwierdzają wyniki wydajności biogazowej substratu (Tab. 2). Przeprowadzone badania wykazały, że substrat charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością biogazową wynoszącą ponad 600 m³/Mg s.m.o., osiągając wartości zbliżone do kosztowej kiszonki z kukurydzy, a jednocześnie znacząco wyższe aniżeli substraty tradycyjnie wykorzystywane
w biogazowniach rolniczych, takie jak obornik czy gnojowica.

Tab. 2. Średnia wydajność biogazowa substratów

Wyniki prowadzonych prac badawczych potwierdzają duże znaczenie prawidłowo prowadzonej selektywnej zbiórki odpadów kuchennych, dzięki której istnieje możliwość uzyskania wysoko jakościowego substratu dla produkcji biogazu i biometanu. Dzięki opracowywanym rozwiązaniom możliwy jest wzrost dostępności biometanu wytwarzanego z odpadów komunalnych, a tym samym uzyskanie pozytywnego wpływu na sektor gospodarki odpadami i jednoczesne ograniczenie stosowania wyspecjalizowanych produktów rolnych (np. kiszonki kukurydzy) w procesach fermentacji metanowej.

Źródło: POLSKIE GÓRNICTWO NAFTOWE I GAZOWNICTWO SA