Energia z pola, silosu i budynków inwentarskich

Podstawowym substratem dla biogazowni rolniczych utylizacyjnych jest gnojowica bydlęca i gnojowica świńska. Ze względu jednak na zbyt małą zawartość suchej masy dotychczas nie stosowało się rozwiązań opartych wyłącznie na tym substracie i składnikiem uzupełniającym musi być kiszonka z kukurydzy lub z innych roślin uprawnych. Jednak innowacyjne rozwiązania firm zachodnich stwarzają taką możliwość i jako ciekawostkę podam, że w powiecie Grajewo (woj. podlaskie) w bieżącym roku właśnie na gnojowicę pochodzącą wyłącznie od krów będą instalowane przez firmę belgijską trzy małe biogazownie kontenerowe — jedna 40 kW i dwie po 10 kW.

Przykładem dla nas w zakresie biogazowni rolniczych o mocy do 1 MW i więcej mogą być rozwiązania wprowadzane w Niemczech, dzięki którym w ciągu ostatnich kilku lat liczba biogazowni rolniczych przekroczyła 6 tysięcy. W Polsce mamy 58 biogazowni rolniczych w tym dwie pracujące w woj. podlaskim — w Rybołach gmina Zabłudów i w Wojnach Wawrzyńcach gmina Szepietowo oraz w zawansowanej budowie jest biogazownia przy zakładzie Ekogril w Sokółce.

Z celowych upraw i z odpadów

W biogazowniach rolniczych do produkcji biogazu wykorzystywane są oprócz odchodów zwierzęcych odpady i produkty uboczne z rolnictwa i przetwórstwa rolno-spożywczego oraz rośliny o wysokim potencjale produkcyjnym biomasy tj. kukurydza w postaci kiszonki z całych roślin i kiszonki z traw o niskiej jakości paszowej. Zapewnia to produkcję biogazu przez cały rok, zaś substrat cechuje się stabilnym składem co zapewnia utrzymanie produkcji biogazu na określonym poziomie.

Celem funkcjonowania biogazowni rolniczych jest przede wszystkim redukcja emisji metanu i utylizacja odpadów, a równocześnie produkcja biogazu. Do tego procesu wykorzystywane są zarówno biodegradowalne odpady i produkty uboczne z rolnictwa i przetwórstwa rolno-spożywczego, a także biomasa z celowych upraw rolniczych.

Trzy grupy mikroorganizmów

W biogazowniach rolniczych fermentacja metanowa jest złożonym procesem beztlenowymi, w którym bakterie rozkładają substancję organiczną w procesie, w którym powstaje gaz zwany metanem. Aby proces fermentacji był wydajny i przebiegał bez zakłóceń, trzeba zapewnić sprzyjające warunki do rozwoju mikroorganizmów biorących udział w tym procesie.

Podstawowymi składnikami pokarmowymi dla mikroorganizmów są białko, tłuszcz i węglowodany zawarte w biomasie. Ważne jest zapewnienie właściwego stosunku węgla do azotu (C:N), ponieważ węgiel jest składnikiem metanu, a azot jest niezbędny do syntezy białka powstających nowych komórek bakterii. Jednak przy nadmiarze azotu tworzy się amoniak, który już w niewielkich stężeniach hamuje rozwój bakterii. Z tego też względu stosunek C:N nie powinien być większy niż 100:3.

Ze względu na preferowaną do rozwoju temperaturę rozróżnia się trzy grupy mikroorganizmów: psychrofilne — najlepiej rozwijają się w temperaturze niższej niż 10-250 C, mezofilne — w temperaturze 32-38 0 C oraz termofilne — w temperaturze 52-550 C. Im wyższa temperatura, tym czas przemiany biomasy na metan jest krótszy. W procesie fermentacji borą udział różne mikroorganizmy, które mają odmienne wymagania wobec zawartości tlenu oraz kwasowości środowiska, w którym żyją. Część bakterii fazy hydrolitycznej i kwasowej może przeżyć w obecności tlenu, ale bakterie octanowe i metanowe wymagają środowiska beztlenowego. Bakterie hydrolityczne i kwasowe potrzebują środowiska kwasowego o wartości pH od 4,5 do 6,3, natomiast bakterie octowe i metanowe najlepiej rozwijają się w środowisku obojętnym w zakresie pH 6,8-7,5.

Należy też pamiętać, że niektóre substancje zwane inhibitorami działają hamująco na rozwój bakterii, a tym samym na prawidłowy przebieg procesu fermentacji. Szczególnie należy pamiętać, aby nie stosować substratów z zawartością preparatów bakteriobójczych, herbicydów, insektycydów oraz środków powierzchniowo czynnych. Ważna też jest znajomość optymalnego czasu (dni) przebywania substratu w komorze fermentacyjnej.

Właściwy stosunek węgla do azotu

Surowcem do fermentacji metanowej mogą być prawie wszystkie odpady organiczne z produkcji rolnej. Poszczególne materiały różnią się jednak znacznie, jeśli chodzi o szybkość ich rozkładu oraz wydajność produkcji metanu. Szczególnie odpowiedni skład mają odpady pochodzące z produkcji zwierzęcej, takie jak gnojowica, obornik czy pomiot z hodowli drobiu. Najkorzystniejsze dla prawidłowego przebiegu procesu fermentacji metanowej jest wykorzystanie kiszonki kukurydzy i gnojowicy bydlęcej w ilości pozwalającej na efektywną produkcję biogazu.

Możemy stwierdzić, że kiszonka z kukurydzy zapewnia stabilną produkcję biogazu i w połączeniu z gnojowica bydlęcą powstaje substrat zawierający powyżej 18 proc. suchej masy. Populacja bakterii uczestniczących w fermentacji metanowej wymaga dostatecznej pożywki, aby rosnąć i rozmnażać się. Aby uzyskać dużą wydajność biogazu podczas fermentacji metanowej potrzebne jest stworzenie najbardziej korzystnych warunków dla rozwoju mikroorganizmów, które ten proces prowadzą. Z tego względu stosunek węgla do azotu (C:N) nie powinien przekraczać 100:3. Wynika to z budowy chemicznej komórek bakteryjnych oraz faktu, że 15 proc. węgla w substracie jest asymilowane przez bakterie. Jeżeli jednak w surowcu (substracie) poddawanym fermentacji znajdzie się zbyt dużo azotu, akumuluje się on w postaci amoniaku aż do stężenia, w którym staje się toksyczny dla bakterii metanowych. Do wstępnych obliczeń przy produkcji metanu można przyjąć, że przy temperaturze około 32 stopni C z 1 kg suchej masy organicznej poddanej fermentacji uzyskuje się średnio 0,4-0,6 m3 biogazu.

Wykorzystanie energetyczne kiszonki z kukurydzy

Substratem dla biogazowni może być każda odmiana kukurydzy, jednak więcej biogazu można otrzymać z odmian specjalnie wyhodowanych z przeznaczeniem dla biogazowni. Odmiany przeznaczone do zakiszania na pasze powinny charakteryzować się większą zawartością skrobi, a przeznaczone do produkcji biogazu — wyższą zawartością polisacharydów strukturalnych.
Najważniejsze kryteria przy wyborze odmiany to plon suchej masy oraz termin zbioru. Termin zbioru oznaczany jest liczbą FAO — określającą klasę wczesności odmiany. Według różnych autorów najbardziej przydatne odmiany dla biogazowni powinny mieć klasę wczesności zawierającą się w przedziale 250 do 370.

Dzięki dłuższemu okresowi wegetacji można uzyskać wyższy przyrost suchej masy z hektara uprawy. Wyższą zawartość suchej masy powyżej 30 proc. otrzymuje się z upraw odmian wczesnych kukurydzy. Odmiany zbierane przy zawartości suchej masy ok. 30 proc. zapewniają stabilność tlenową kiszonek i jednocześnie są najlepszym surowcem do produkcji biogazu, lepszym niż rośliny zbierane w pełnej dojrzałości ziarna i charakteryzujące się zawartością suchej masy ok. 40 proc.

Ważnym parametrem jest strawność roślin, od której zależy wykorzystanie substancji organicznej przez bakterie i wydajność metanu. Odmiany późniejsze cechują się większym udziałem części wegetatywnych zawierających węglowodany strukturalne (włókno surowe), które łatwo się hydrolizują do cukrów prostych. Wraz ze wzrostem roślin włókno surowe ulega lignifikacji, przez co jest ono gorzej hudrolizowane, a zatem mniej strawne dla mikroorganizmów prowadzących proces fermentacji. Mniejsza ilość pozyskiwanego metanu wynika ze wzrostu zawartości związków lignino-celulozowych w kukurydzy, które są gorszym, mniej dostępnym źródłem węgla dla bakterii w trakcie fermentacji beztlenowej. Wraz z postępem lignifikacji wzrasta też poziom skrobi w roślinie, co powoduje, że wzrasta zawartość węgla, a maleje azotu. Prawidłowa proporcja węgla do azotu wynosi 10:25:1. Zbyt wysoka proporcja powoduje mniejszą produkcję metanu. Dalszy wzrost suchej masy, wynikający ze wzrostu zawartości skrobi, nie równoważy strat uzysku biogazu związanych ze wzrostem zawartości związków lignino-celulozowych. Za optymalny udział suchej masy w całej roślinie uważa się 28-35 proc.

Najkorzystniejszym terminem zbioru, zapewniającym najwyższy uzysk biogazu to faza wegetacji zwana woskową dojrzałością ziarna. Technologia kiszenia kukurydzy z przeznaczeniem na paszę i na cele energetyczne jest podobna — różnica istnieje w rozdrobnieniu zielonki. Im rozdrobnienie jest większe, do pewnej granicy, tym uzysk biogazu też jest większy. Optymalne rozdrobnienie zielonki wynosi od 4 do 8 mm.

W procesie zakiszania kukurydzy wykorzystuje się fermentację mlekową, w której bakterie kwasu mlekowego w środowisku beztlenowym produkują głównie kwas mlekowy, niezbędny do konserwacji substratu. W procesie zakiszania powstają również: kwas octowy i inne lotne kwasy tłuszczowe oraz alkohole, czyli produkty fazy kwasowej fermentacji metanowej. Zastosowanie preparatów mikrobiologicznych umożliwia zakiszanie i korzystnie wpływa na kierunek przemian biochemicznych w zakiszonej masie i powodują zwiększenie uzysku biogazu, nawet do 17 proc.

Wybierając odmianę kukurydzy, należy kierować się nie tylko jej wydajnością biogazową z powierzchni uprawy, ale również uwzględnić indywidualne warunki glebowo-klimatyczne gospodarstwa, takie jak: suma temperatur w okresie wegetacji, ilość dostępnej wody, rodzaj gleby, występowanie chorób. W ofercie polskich i zagranicznych firm jest dużo odmian kukurydzy przeznaczonych wyłącznie na cele energetyczne, jak również odmian uniwersalnych.
Wiele czynników wpływających na wielkość uzyskanego biogazu z kukurydzy tłumaczy dużą rozpiętość wyników podawanych w literaturze. W tabeli zaprezentowano dane różnych autorów dotyczące uzysku biogazu i metanu z zielonki z kukurydzy oraz kiszonki z kukurydzy.

Inne rośliny i odpady w substracie

Jako substrat do biogazowni rolniczej mogą być stosowane wszystkie gatunki zbóż, zarówno ozime jak i jare w postaci ziarna i słomy, a także całych roślin. Z okopowych m.in. buraki, ziemniaki, marchew i topinambur. Dążąc do ograniczenia stosowania roślin uprawnych jako substratów do biogazowni, poszukuje się roślin osiągających wysokie plony zielonej masy, a jednocześnie o małych wymaganiach glebowo-nawozowych i niskich kosztach uprawy i dodatkowo niestosowanych do celów spożywczych i paszowych.

Duże znaczenie w zastosowaniu jako substratów do biogazowni rolniczych odgrywają produkty uboczne z rolnictwa np. słoma, kiszonka z liści buraków, buraków i liści, łęty i liście z ziemniaków oraz pozostałości z przetwórstwa produktów pochodzenia rolniczego (przemysłu rolno-spożywczego) np. odpady resztki owoców, łuska z cebuli, wytłoki owocowe, wycierka ziemniaczana, wysłodziny browarnicze, odpady i pozostałości warzyw, melasa.

Ponadto jako wsad do biogazowni rolniczych mogą być komponowane mieszaniny substratów. Może to być dokonywane indywidualnie dla każdej instalacji i poprzedzone badaniem laboratoryjnym. Każda zmiana wsadu (substratu) powodować może duże spadki w produkcji biogazu.

Powyższe opracowanie jest zbiorem niezbędnych informacji rolnikom, którzy rozpoczną współpracę z biogazowniami rolniczymi w zakresie uprawy kukurydzy na cele energetyczne.

mgr inż. Eugeniusz Mystkowski, Podlaski Ośrodek Doradztwa Rolniczego w Szepietowie

Artykuł ukazał się w miesięczniku "Rolnicze ABC" nr 7 (298) 8 lipca 2015 r.