Energia uzyskana z odpadów

Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu domostw czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla brunatnego, kamiennego, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię zmusił nas do szukania nowych metod uzyskiwania energii. Jedna z takich metod jest odzyskiwanie energii z odpadów.

recykling energetyczny zwany też odzyskiem energii jest to proces, w którym odzyskuje się w części energię zużytą na wytworzenie wyrobów i towarów, usuniętych po zużyciu na wysypisko, w tym także odpadów opakowaniowych.
Recykling energetyczny obejmuje nie tylko spalanie odpadów, lecz także wytwarzanie z odpadów paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz przetwarzanie ich na materiały termoizolacyjne.

Energie możemy uzyskać z:

- odpadów organicznych
- gazów unoszących się nad wysypiskami
- ścieków
- biomasy
- spalania odpadów

Energia z odpadów organicznych


W Polsce około 10 gospodarstw rolnych wykorzystuje energię biogazu z odchodów zwierzęcych do produkcji ciepła.
W procesach fermentacji odpadów biologicznych wytwarza się gaz, który ma szerokie zastosowanie w gospodarstwach i przedsiębiorstwach rolniczych. Firmy kompostujące gromadzą i przetwarzają odpady biologiczne dostarczane z rzeźni, ubojni, gospodarstw ogrodniczo-rolniczych a także z innych przedsiębiorstw przemysłowych. Zamiast bezproduktywnie spalać biogaz powstający w procesie kompostowania odpadów, można go wykorzystać jako paliwo dla silników gazowych stosowanych w układach wytwarzania energii elektrycznej.
Bioodpady organiczne są dostarczane do zakładu gdzie podlegają przeróbce ręcznej i mechanicznej. W celu unieszkodliwienia czynników chorobotwórczych, biomasa jest pasteryzowana tzn. jest podgrzewana do temperatury 70C. Pasteryzowana biomasa jest przekazywana do zbiornika reakcyjnego, gdzie poddana jest procesowi fermentacji. Biomasa pozostaje tam przez 20-25 dni. Proces fermentacji zachodzi w temperaturze 38C. W tych warunkach bakterie przetwarzają około 40-50 % materiału organicznego biomasy na palny biogaz, w którym zawartość czystego metanu wynosi 60-70%. Siarkowodór jest usuwany w procesie chemicznym, następnie gaz podlega sprężaniu do ciśnienia 1 bara i jest suszony. W ten sposób w ciągu 24 godzin uzyskuje się 3.000-4.000 m3 biogazu, co odpowiada 2.000 - 2.500 litrom oleju opałowego.

Biogaz o dużej zawartości metanu (powyżej 40%) może być wykorzystany do celów użytkowych, głownie do celów energetycznych lub w innych procesach technologicznych. Typowe przykłady wykorzystania obejmują:
· produkcję energii elektrycznej w silnikach iskrowych lub turbinach,
· produkcję energii cieplnej w przystosowanych kotłach gazowych,
· produkcję energii elektrycznej i cieplnej w jednostkach skojarzonych,
· dostarczanie gazu wysypiskowego do sieci gazowej,
· wykorzystanie gazu jako paliwa do silników trakcyjnych/pojazdów,
· wykorzystanie gazu w procesach technologicznych, np. w produkcji metanolu.



W niektórych krajach do zasilania pieców centralnego ogrzewania wykorzystuje się małe fermentownie odpadów zwierzęcych, ludzkich i gospodarskich.
Najwięcej takich instalacji jest w Chinach (ok. 6 mln), Indiach (1 mln), Korei Południowej, Brazylii oraz w Nepalu. Amerykanie specjalizują się w budowie fermentowni, które przerabiają obornik z farm liczących po kilka tysięcy krów.
Francuzi doskonale opanowali technologię wytwarzania biogazu z odpadów powstających przy przetwarzaniu warzyw i roślin przemysłowych. W krajach skandynawskich do ogrzewania mieszkań wykorzystuje się ciepło z fermentowania odchodów ludzkich i zwierzęcych.
W 1998 r. W Danii działało 20 dużych scentralizowanych biogazowni rolniczych odbierających odpady z przynajmniej kilku większych farm zwierzęcych, oraz 20 instalacji na indywidualnych farmach. Biogazownie duńskie produkują obecnie ponad 260 GWh energii elektrycznej rocznie. W Niemczech jest ponad 600 biogazowni rolniczych zlokalizowanych głownie na farmach indywidualnych

Energia uzyskana z wysypisk

Właściwie zagospodarowane składowisko odpadów komunalnych może stać się źródłem taniej energii odnawialnej - gazu wysypiskowego. Rozkład substancji organicznych przez mikroorganizmy rozpoczyna się w kilka miesięcy po złożeniu odpadów na wysypisku śmieci.
Gaz wydzielający się w sposób niekontrolowany utrudnia i przeciwdziała systematycznej i szybkiej rekultywacji wysypiska.
Aby przyspieszyć rekultywację i zapobiec unoszeniu się gazów nad terenem wysypiska, powstawaniu nieprzyjemnych zapachów oraz niekontrolowanym samozapłonom gaz powinien być zbierany i odprowadzany. Gaz ten uzyskiwany jest w zasadzie za darmo, a jego wykorzystanie w układzie wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej w istotny sposób zwiększa zyskowność wysypiska.




Produkt końcowy w postaci biogazu składa się średnio z:
45-65% metanu (CH4)
25-35% dwutlenku węgla (CO2)
10-20% azotu (N)

W kraju mamy prawie 800 wysypisk komunalnych, a tylko 20 z nich posiada instalacje do pozyskiwania gazu energetycznego. Wynika z tego, że z polskich wysypisk można uzyskać około 11 mld metrów sześć. biogazu w ciągu roku. Stanowi to równowartość 5,2 mln ton tzw. paliwa umownego. Z tony odpadów komunalnych otrzymuje się w skali roku 5 m3 biogazu. Na nasze wysypiska trafiają przeważnie śmieci nie poddawane selekcji. Jest w nich dużo szczątków organicznych, są więc zdolne do wytwarzania dużej ilości cennego paliwa.
Z powodu częstego braku odpowiednich uszczelnień masy składowanych odpadów, zasoby gazu wysypiskowego możliwe do pozyskania nie przekraczają 30-45% całkowitego potencjału powstającego na wysypisku gazu. W takich warunkach, zasoby metanu realnie możliwe do pozyskania z wysypisk odpadów komunalnych są szacowane na 135-145 milionów m3 rocznie, co jest równoważnikiem 5235 TJ energii. Tym niemniej, zasoby metanu możliwe do pozyskania mogłyby zostać nawet podwojone w przypadku zastosowania odpowiednich środków wymaganych przez normy Unii Europejskiej przy prowadzeniu gospodarki odpadami na wysypiskach, jak uszczelnienia geotechniczne złoża osadów hamujące migracje gazu, kontrola uwodnienia złoża, systemy drenaży, odpowiednia segregacja składowanych odpadów organicznych itp.

Szacuje się, że w chwili obecnej na świecie działa co najmniej 800 instalacji do energetycznego wykorzystania gazu wysypiskowego. W Europie najbardziej zaawansowana jest pod tym względem Wielka Brytania, gdzie do tej pory moc zainstalowana na gazie wysypiskowym wynosiła w listopadzie 1998 r. ponad 175 MW elektrycznych, zaś niedawno nowo podpisane w ramach krajowego przetargu kontrakty na dostawy energii z tego źródła spowodują wzrost mocy zainstalowanej do 489 MW elektrycznych. W Polsce jeszcze w 1996 r. działało tylko kilka instalacji do wykorzystania gazu wysypiskowego ale w ostatnich dwóch latach liczba ta zaczęła się gwałtownie zwiększać dochodząc w grudniu 1998 prawie do 20 obiektów. Pierwsze wdrożenia dotyczyły jak dotąd instalacji produkujących głównie energię elektryczną. Moc zainstalowana na poszczególnych składowiskach na ogół nie przekraczała 400 kW. Można się jednak spodziewać, że po zebraniu już pierwszych doświadczeń z wykorzystaniem gazu wysypiskowego, w nieodległej przyszłości w Polsce pojawią się jeszcze lepiej zaprojektowane instalacje o większych mocach przekraczających 1 MW

Energia z oczyszczalni ścieków

Zastosowanie zestawów odzysku i przerobu biogazu w oczyszczalniach ścieków jest jedną z najbardziej ekonomicznych metod pozyskiwania energii, gdyż gaz ze ścieków jako produkt uboczny najczęściej jest bezproduktywnie spalany.

Osady kanalizacyjne są produktami odpadowymi powstającymi w procesie mechanicznego, biologicznego i chemicznego oczyszczania, na końcu którego ulegają wysuszeniu. Wysuszony osad jest przekazywany do zbiornika fermentacyjnego, gdzie następuje proces beztlenowej fermentacji, w efekcie którego uwalnia się biogaz zawierający metan. Odgazowane osady kanalizacyjne są usuwane ze zbiornika fermentacyjnego, chwilowo składowane, wysuszane i kompostowane, a następnie przekazywane na odpowiednie cele np. jako nawóz dla rolnictwa.



Produkt końcowy w postaci biogazu składa się z:
· 50-60% metanu (CH4)
· 30-40% dwutlenku węgla (CO2)
· małych ilości gazów śladowych

Biogaz podlega sprężaniu - w przypadku dużej ilości substancji toksycznych, również oczyszczaniu - a następnie przejściowo jest przechowywany w zbiorniku gazu. Stąd biogaz jest przekazywany pod stałym ciśnieniem do układu kogeneracyjnego. Silnik gazowy zamienia energię skumulowaną w biogazie na energię mechaniczną i cieplną. Energia mechaniczna wykorzystywana jest do napędu generatora synchronicznego, który wytwarza energię elektryczną na pokrycie potrzeb własnych oczyszczalni. Nadwyżka energii elektrycznej może być przekazana do publicznej sieci elektroenergetycznej.
Ciepło powstające w silniku zostaje spożytkowane do podgrzewania osadu ściekowego w komorze fermentacyjnej do temperatury 32-34 C, co wspomaga produkcję biogazu, oraz jest doprowadzane do instalacji grzewczej oczyszczalni. Jeżeli występuje jego nadmiar - co często zdarza się w przypadku dużych instalacji - ciepło o wysokiej temperaturze, pochodzące z chłodzenia układu wylotowego spalin, może zostać użyte do pasteryzacji lub suszenia osadu ściekowego. Może również zostać przekazane do publicznej sieci ciepłowniczej


Od roku 1994 w Polsce zainstalowano 20 biogazowni w miejskich oczyszczalniach ścieków, między innymi w Olsztynie (2x200kWel, 2190 kWth), Siedlcach (200kW z blokiem ciepła), Opolu (2x200kW), Inowrocławiu (2x160kW z blokiem ciepła), Elblągu (2x200 z blokiem ciepła), Puławach (2x160kW z blokiem ciepła), Pleszewie, Krynice, Ostródzie, Zawierciu (3x310 kWth), Krośnie, Bielsko-Białej (240kWel, 400 kWth), Zamościu (1200kW el + 1200kWth), Świnoujściu (2x180kWel, 2x338 kWth, kocioł grzewczy 1020 kW), Sitkówce k.Kielc (2x404 kWel, 2x510 kWth), itp.
Całkowita produkcja w instalacjach biogazowych na oczyszczalniach ścieków w Polsce w listopadzie 1999 wynosiła 72.5 GWh energii elektrycznej i ponad 250 TJ energii cieplnej. Dla porównania w 1996 r. w W.Brytanii łączna moc zainstalowana instalacji biogazowych na oczyszczalniach ścieków wynosiła 92,6 MWel

Biomasa
W ekologii przez termin biomasa rozumie się ogólną masę materii organicznej, zawartej w organizmach zwierzęcych i roślinnych w danym siedlisku.
Pod tym pojęciem rozumie się także całość występującej w przyrodzie materii pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego nie wliczając w to materii organicznej zawartej w kopalinach. Poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych. Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Podlega ona przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy, lub spalanie produktów jej rozkładu. Spalanie odbywa się w kotłach, w celu uzyskania energii cieplnej, która może być ewentualnie dalej przetworzona na energię elektryczną.
Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej:
· drewno odpadowe
· odchody zwierząt
· osady ściekowe
· słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej
· wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych
Spalanie biomasy jest uważane za korzystniejsze dla środowiska niż spalanie paliw kopalnych, gdyż zawartość szkodliwych pierwiastków (przede wszystkim siarki) w biomasie jest dużo niższa, a tworzący się w procesie spalania dwutlenek węgla jest zamieniany na biomasę przez kolejne pokolenia organizmów żywych wytwarzających biomasę, które następnie są znowu spalane itd. Natomiast dwutlenek wprowadzony do środowiska przy spalaniu paliw kopalnych pojawia się w środowisku nagle, po milionach lat gromadzenia i przekształcaniu się pokładów biomasy w paliwa kopalne, zwiększając efekt cieplarniany.
Oprócz bezpośredniego spalania wysuszonej biomasy, energię pochodzącą z biomasy uzyskuje się również poprzez:
- niezupełne spalanie biomasy, z którego spaliny (głównie tlenek węgla) spala się w silniku wysokoprężnym, napędzającym generator elektryczny.
-gaz (głównie wodór i tlenek węgla) powstały ze zgazowania biomasy w zamkniętych reaktorach o podwyższonej temperaturze jest spalany w kotle parowym lub bezpośrednio napędza turbinę.
- wyniku fermentacji biomasy otrzymuje się biogaz, metanol, etanol i inne, które to związki mogą być następnie przetworzone na inne formy energii
W roku 1984 biomasa roślinna pokrywała 13% światowej produkcji energii, w tym Kanada pokrywała 7% potrzeb energetycznych, a USA 4% potrzeb. W roku 1990 udział biomasy w światowej produkcji energii wyniósł 12%.Ogólnie z 1 ha użytków rolnych zbiera się rocznie 10 - 20 t biomasy, czyli równowartość 5 - 10 ton węgla. Rolnictwo i leśnictwo zbierają w Polsce biomasę równoważną pod względem kalorycznym 150 mln ton węgla.

Spalanie odpadów
Termiczna utylizacja odpadów komunalnych jest pojęciem bardzo szerokim
obejmującym procesy bezpośredniego spalania w celu pozyskania energii elektrycznej i
energii cieplnej, jak również procesy przygotowania i spalania paliwa wydzielonego z
odpadów jako paliwo alternatywne, które z powodzeniem zastępuje pierwotne nośniki
energii. W procesach termicznej przeróbki odpadów stosowane są klasyczne procesy:
- spalanie na ruszcie,
- spalanie w warstwie fluidalnej,
- spalanie w piecu cementowym.
Celem tych procesów jest nieszkodliwe usuwanie odpadów. Każdy z tych procesów
charakteryzuje się zaletami i wadami.
Obecnie coraz większe znaczenie ma współspalanie odpadów w paleniskach przemysłowych:
- elektrowni i elektrociepłowni,
- cementowni,
- przemysłów, w których występują procesy wysokotemperaturowe.
Celem procesów współspalania jest pozyskiwanie energii zawartej w odpadach, dzięki czemu
osiąga się korzyści wynikające z oszczędności na pierwotnych nośnikach energii.
Charakterystykę odpadów pod względem paliwowym określa trójkąt spalania Tannera,
którego współrzędne są następujące:
- zawartość wilgoci - 50%,
- zawartość substancji mineralnej - 60%,
- zawartość substancji organicznej (palnej) - 25%.
Minimalna wartość opałowa, która umożliwia spalanie odpadów bez dodatkowego paliwa
wynosi 5-6 MJ/kg (Wandrasz J.W., Wróblewicz T. 1995; Sebastian M. 2000).
Tak więc odzysk ciepła w instalacjach termicznej utylizacji odpadów przy zastosowaniu
konwencjonalnych technologii jest efektywny wówczas, gdy wartość opałowa spalanych
odpadów wynosić będzie ponad 5,8 MJ/kg. Taka wielkość wartości opałowej zapewnia
spalanie odpadów na ruszcie bez dodatkowego paliwa. Natomiast nie zapewnia uzyskania w
komorze spalania wymaganej przepisami temperatury 850 o C. Z doświadczeń( praktycznych
wynika, że temperatura taka może być osiągnięta przy wartości opałowej powyżej 7,5 MJ/Mg.
Zadaniem przeróbki termicznej odpadów nie dających się już wykorzystać jest między
innymi osiągnięcie (Lorber K. E i inni 1999):
- zmniejszenie ciężaru odpadów,
- zmniejszenie objętości odpadów, a tym samym redukcją kosztów transportu,
-zmniejszenie składowiska,
-rozkład organicznych materiałów szkodliwych,
-pozyskanie energii z odpadów.
Wymogi odnośnie spalania odpadów są następujące:
-odpady powinny być wstępnie przygotowywane i posegregowane,
-przy spalaniu odpadów należy zwracać uwagę na utrzymanie temperatury powyżej,
-minimalnej temperatury procesu,
-odpady powinny pozostać w strefie spalania co najmniej 2 sekundy w temperaturze
powyżej 850 o C i przy zawartości tlenu powyżej 6%,
-instalacje przeróbki termicznej powinny by' przystosowane do obniżania poziomu
granicznych emisji gazów szkodliwych,
-należy uwzględnić zużycie i dalsze zobojętnienie pozostałości po przeróbce termicznej odpadów, co jest zgodne z postępem techniki

Cementownie stanowią jedne z najważniejszych zakładów mogących być potencjalnymi zakładami przetwórstwa odpadów. Wynika to z faktu, że w Polsce praktycznie nie istnieją profesjonalne zakłady unieszkodliwiania odpadów i wy-budowane specjalnie do tego celu. Jednocześnie w naszym kraju istnieje kilkanaście cementowni, które eksploatują piece pracujące w temperaturze ok. 1400 oC. Jest to temperatura umożliwiająca rozłożenie praktycznie wszystkich substancji i związków chemicznych. Oznacza to skuteczną i absolutną likwidację wszelkich odpadów oraz wbudowanie ich w strukturę krystaliczną klinkieru, szczególnie metali ciężkich. Wszystko to powoduje, że w piecach cementowych można unieszkodliwiać skutecznie prawie wszystkie odpady organiczne oraz nieorganiczne zawierające metale ciężkie.

Paliwa alternatywne

Odpady komunalne i przemysłowe lub ich mieszaniny zarówno w stanie stałym jak i
ciekłym mogą być paliwami alternatywnymi (zastępczymi, wtórnymi) wykorzystywanymi
w przemyśle jako zamiennik paliw konwencjonalnych. Pojęcie paliw alternatywnych funkcjonuje od kilkunastu lat. Udział tych paliw w globalnym rynku energii ciągle rośnie
Cementownie wykorzystują szeroką gamę odpadów zarówno przemysłowych jak i
komunalnych, a więc :

- powszechnie uciążliwe odpady komunalne,
- odpadowe produkty ropopochodne,
- zużyte opony samochodowe,
- przeterminowane środki ochrony roślin i środki owadobójcze,
- lekarstwa i inne produkty z przemysłu farmaceutycznego,
- produkty z przemysłu farb i lakierów
- osady i szlamy powstałe w oczyszczalniach ścieków
Korzyści wynikajcie z zastosowania paliw alternatywnych w przemyśle cementowym
są ekonomiczne jak i ekologiczne zarówno dla zakładu wykorzystującego odpady, jak
również dla społeczeństwa.