Biometan jako paliwo komunikacji miejskiej

Andrzej Żółtowski⁽¹⁾, Paulina Grzelak⁽¹⁾

⁽¹⁾ Instytut Transportu Samochodowego, 03-301 Warszawa, ul. Jagiellońska 80

STRESZCZENIE

Biogaz może być wykorzystywany jako paliwo w ciepłownictwie lub do produkcji energii elektrycznej i ciepła w kogeneracji. Uznawany jest on za cenny surowiec do produkcji paliw silnikowych. Biogaz po oczyszczeniu (tzw. upgradingu) i sprężeniu staje się paliwem o czystości i właściwościach dorównujących CNG. W tej postaci bywa on nazywany biometanem dla odróżnienia od metanu zawartego w gazie ziemnym. Szwedzkie doświadczenia wykazują, że ilość biometanu, jakie aglomeracje miejskie mogą wyprodukować z odpadów organicznych zebranych w nich, pozwalają na zasilenie całej miejskiej komunikacji autobusowej. Biometan to paliwo ekologiczne, wyprodukowane z odpadów organicznych, jego produkcja zapobiega samoistnym procesom fermentacji bioodpadów i emisji do atmosfery gazu cieplarnianego w postaci metanu. Jako paliwo odnawialne zmniejsza ono emisję CO₂ do atmosfery, uniezależnia gospodarkę od paliw kopalnych i ich importu.

W roku 2015 działało w Polsce 278 biogazowni mogących wyprodukować rocznie 0,18 mld m³ biometanu, ale żadna z nich nie produkowała biometanu o czystości kwalifikującej wytwarzany gaz do użycia go jako substytutu CNG. W tym samym roku w Niepołomicach na składowisku odpadów uruchomiono pierwszą w Polsce kontenerową stację tankowania pojazdów sprężonym biometanem (CBG – Compressed Biomethane Gas) otrzymywanym z miejscowego gazu wysypiskowego. Ta mobilna stacja pozwala na tankowanie kilku autobusów dziennie, a jej celem jest zebranie doświadczeń w dziedzinie produkcji biometanu.

 

1. WSTĘP

Dyrektywa Unii Europejskiej 2009/28/WE z dnia 5 czerwca 2009 roku w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych stworzyła nowe możliwości rynkowe dla rozwoju sektora OZE w Polsce. W Dyrektywie tej ustanowiono m. in. dla Polski do osiągnięcia cel 15%-owego udziału odnawialnych źródeł energii w ogólnym zużyciu energii w 2020 roku. Stwarza to szanse rozwoju dla sektora biogazowego, który może znaleźć bezpośrednie i pośrednie zastosowanie w odniesieniu do produkcji zarówno energii elektrycznej, ciepła jak również wykorzystania biogazu jako paliwo transportowego.

Sprężony gaz ziemny (Compressed Natural Gas – CNG) już obecnie jest paliwem wykorzystywanym w transporcie i rozpowszechnionym na świecie, szczególnie w krajach Ameryki Południowej i krajach azjatyckich.

Doskonałym substytutem dla wykorzystywanego w transporcie sprężonego gazu ziemnego jest uszlachetniony biogaz, czyli biometan, pochodzący z odnawialnych źródeł energii. Źródła te wykorzystywane są w biogazowniach rolniczych, biogazowniach przy wysypiskach odpadów komunalnych a także biogazowniach w oczyszczalniach ścieków. Bazują one na substratach, jakimi są odpady rolnicze i z hodowli zwierząt gospodarskich, odpady komunalne, a także ścieki komunalne. Na rynku pojawiają się również biogazownie wykorzystujące surowiec mieszany.

Surowy biogaz jest mieszaniną metanu (ok. 60-65%), ditlenku węgla (ok. 35%), a także innych substancji śladowych. Biogaz jest wytwarzany przez mikroorganizmy z materii organicznej w wyniku fermentacji metanowej w warunkach beztlenowych. Jak wspomniano powyżej najbardziej odpowiednimi substratami do pozyskiwania biogazu są odpady rolnicze (biomasa), odpady komunalne z wysypisk, organiczne odpady przemysłowe oraz osad ściekowy z zakładów oczyszczalni ścieków [1].

Biogaz może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej i ciepła, a w formie oczyszczonej do jakości gazu ziemnego (biometanu) może być wykorzystywany jako paliwo do zasilania transportowych silników spalinowych. Silniki spalinowe zasilane biometanem charakteryzują się niższą emisją zanieczyszczeń oraz gazów cieplarnianych od silników o zapłonie samoczynnym, biorąc pod uwagę to, że biogaz jest paliwem odnawialnym.

2. POTENCJAŁ PRODUKCJI BIOGAZU W POLSCE

Produkcja biogazu charakteryzuje się wysokim stopniem rozproszenia. Optymalizacja procesu wytwórczego oraz wzrost ilości i rodzajów możliwych substratów wymagają rozwiązania paru fundamentalnych problemów, które mogą przyczynić się do znacznego wzrostu poziomu produkcji biogazu jak i do zwiększenia efektywności poszukiwania surowców [2].

Wzrost produkcji biogazu jest nie tylko wynikiem potrzeb energetycznych. Jego przyczyną jest również powstawanie administracyjnych systemów wsparcia dla promocji wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE) oraz ochrony środowiska.

Wynikiem wzrastającego zainteresowania produkcją biogazu jest szeroki zakres rozwiązań technologicznych, które powinny być dobierane w procesie produkcji biorąc pod uwagę potencjał surowcowy w zakresie ilościowym i jakościowym, klimat oraz uwarunkowania rolnicze dostaw surowców i odbioru energii etc. Brak wiedzy w zakresie powyższych uwarunkowań może prowadzić do obniżenia wydajności procesów produkcji biogazu, pomimo wysokich nakładów inwestycyjnych.

Polska jako kraj przemysłowo-rolniczy ma względnie duży potencjał produkcji biogazu z surowców rolniczych. Również ogromna ilość niezagospodarowanych odpadów organicznych, a także osadu ściekowego z oczyszczalni ścieków stanowić mogą doskonały substrat do produkcji biogazu. Może być on wykorzystywany przy produkcji energii elektrycznej i ciepła (lub również chłodu) w układach kogeneracyjnych, trigeneracyjnych i poligeneracyjnych, a po jego oczyszczeniu do jakości gazu ziemnego (min. 95% zawartości metanu) może być również stosowany jako gazowe paliwo transportowe.

Zgodnie z danymi prezentowanymi przez Urząd Regulacji Energetyki w grudniu 2012 r. w Polsce istniało 199 biogazowni, w tym:

•    29 biogazowni rolniczych,
•    76 biogazowni przy oczyszczalniach ścieków, w których biogaz otrzymuje się z osadów ściekowych,
•    94 biogazowni przy wysypiskach odpadów [3].

Według najnowszych danych z grudnia 2015 r., w Polsce istnieje aktualnie 278 instalacji produkcji biogazu, w tym:

•    78 biogazowni rolniczych,
•    99 biogazowni przy oczyszczalniach ścieków, w których biogaz otrzymuje się z osadów ściekowych,
•    97 biogazowni przy wysypiskach odpadów,
•    4 biogazownie ze wsadem mieszanym [4].

Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi określiło, że w 2020 roku potencjał produkcji biogazu wyniesie (2 ÷ 5,5) mld m³ [5]. Natomiast według szacunków, poczynionych przez autorów publikacji potencjał biogazu w Polsce został określony na poziomie (2,9 ÷ 6,4) mld m³ [1].

W tabeli 1 przedstawiono produkcję biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania.

Tabela 1. Produkcja biogazu w podziale na źródła jego pozyskiwania w Polsce (2009) na tle potencjału produkcyjnego biogazu [6]

W tabeli 2 przedstawiono potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania. Z uwagi na to, że Polska jest krajem rolniczo-przemysłowym, potencjał biogazu właśnie ze źródeł rolniczych jest w naszym kraju największy, bo szacuje się, że stanowi on aż ok. 69% całego potencjału biogazu. Potencjał biogazu z odpadów komunalnych i wysypisk stanowi natomiast 27%, a z oczyszczalni ścieków – ok. 4% potencjału produkcyjnego biogazu w Polsce [6].

Tabela 2. Potencjał biogazu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania [6]

Zawartość biometanu w biogazie stanowi około 60%. Wobec tego całkowity potencjał biometanu oszacowany został (w oparciu o dane z Tabeli 2) na poziomie 1,7-3,8 mld m³/rok (Tabela 3).

Tabela 3. Potencjał biometanu w Polsce w podziale na źródła jego pozyskiwania [6]

3. INSTALACJA DO PRODUKCJI BIOMETANU W NIEPOŁOMICACH

W 2015 roku Instytut Transportu Samochodowego wspólnie z firmą NGV Autogas uruchomiły w Niepołomicach na składowisku odpadów pierwszą w Polsce, kontenerową stację tankowania pojazdów sprężonym biometanem (CBG – Compressed Biomethane Gas) otrzymywanym z miejscowego gazu wysypiskowego.

Składowisko odpadów wyposażone jest w sprawny system odgazowania, sieć drenażu do odprowadzania odcieków oraz odpowiednie uszczelnienie dna i skarp, co zapewnia zminimalizowanie zagrożenia dla środowiska przyrodniczego. Średnia objętość biogazu możliwa do pozyskiwania ze składowiska odpadów w Niepołomicach w ciągu jednej godziny waha się w granicach 60 - 100 Nm³/h, w zależności od pory roku i od temperatury otoczenia, a średnia objętość biogazu pozyskiwanego ze składowiska została określona na około 94 Nm³/h [7]. Zasoby biogazu oszacowano na około 47 mln Nm³.

Instalacja upgradingu biogazu do jakości biometanu, wykonana przez firmę NGV Autogas z Krakowa, pozwala na osuszenie biogazu i usunięcie nadmiaru dwutlenku węgla, związków siarki oraz innych niepożądanych zanieczyszczeń, a następnie na sprężenie biometanu i zmagazynowanie pod ciśnieniem 250 barów w przystosowanych do tego celu zbiornikach. Instalacja została wykonana na bazie dwóch kontenerów. W jednym kontenerze (moduł I) zamontowano urządzenia do uzdatniania biogazu do parametrów paliwa silnikowego (upgrading). W drugim kontenerze (moduł II) zamontowano sprężarkę, absorber pochłaniający pozostałości wody z biometanu i zbiorniki do magazynowania biometanu. Oba kontenery widoczne są na rysunku 1. Na zewnętrznej ścianie kontenera modułu II (rys. 2.) zamontowano dystrybutor służący do tankowania biometanu (CBG) do zbiorników samochodowych (rys. 3.). Średnia wydajność godzinowa pozyskiwania biometanu z tej instalacji limitowana jest wydajnością pracy sprężarki biometanu i wynosi 50 Nm³/h [7].

Rys. 1. Kontenerowa stacja tankowania pojazdów sprężonym biometanem (CBG) otrzymywanym z miejscowego gazu wysypiskowego (źródło: ITS)

Rys. 2. Moduł II instalacji do produkcji biometanu z dystrybutorem tankowani CBG (źródło: ITS)

Rys. 3. Dystrybutor CBG i autobus tankowany sprężonym biometanem (CBG) (źródło: ITS)

Instalacja uzdatniania biogazu jest mobilna i może być wypożyczana i instalowana w celach promocyjnych u producentów biogazu. Pozwala ona na tankowanie 2-3 autobusów dziennie [7], a jej celem jest zebranie doświadczeń w dziedzinie produkcji biometanu i jego wykorzystania jako paliwa do zasilania silników pojazdów samochodowych, w tym autobusów komunikacji miejskiej.

4. MOŻLIWOŚCI I KORZYŚCI WYNIKAJĄCE Z WYKORZYSTANIA BIOMETANU JAKO PALIWA KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ W POLSCE

Komunikacja miejska stanowi wzorcowy przykład segmentu branży motoryzacyjnej o bardzo dużym negatywnym oddziaływaniu na środowisko naturalne. Jest to spowodowane następującymi czynnikami:

•    każdy autobus komunikacji miejskiej pokonuje dziennie setki kilometrów w mocno zaludnionych i zabudowanych aglomeracjach miejskich,
•    ze względu na tryb ruchu autobusu (który wymaga częstego zatrzymywania się i ruszania z przystanków) zużycie paliwa jest wyższe z uwagi na większe obciążenie silnika;
•    stanowi źródło hałasu.

Niestety, bez szkody dla społeczeństwa nie da się wyeliminować dwóch pierwszych czynników. Jedynym rozwiązaniem pozostaje zmiana paliwa, którym napędzane są autobusy, na bardziej ekologiczne.

Mając to na uwadze, producenci autobusów wprowadzili do swoich ofert pojazdy napędzane paliwami alternatywnymi, wśród których dominuje sprężony gaz ziemny (CNG).

Wśród największych zalet autobusów napędzanych CNG należy wymienić to, że znacznie zmniejszają emisję zanieczyszczeń do środowiska - spełniającą obowiązujące od 2005 roku normy EURO 4, a nawet obowiązujące od 2008 roku normy EURO 5. Ponadto zapewniają znacznie cichszą pracę silnika.

W rezultacie w wielu krajach, nie tylko europejskich, wykorzystuje się w komunikacji miejskiej autobusy, których paliwem jest sprężony gaz ziemny. W chwili obecnej w Europie pojazdy te jeżdżą między innymi w Niemczech (we Frankfurcie nad Odrą, Augsburgu, Dessau i w innych miastach), we Francji, Szwecji, Hiszpanii, Portugalii i Finlandii.

Gaz ziemny, który stanowi konwencjonalne (kopalne) paliwo m. in. do silników samochodowych, można zastąpić oczyszczonym biogazem (biometanem). Biometan stanowi biopaliwo pozyskiwane z odpadowej biomasy lub organicznych odpadów komunalnych.

Doskonałym przykładem dla Polski i innych krajów Europejskich w zakresie wykorzystania biometanu jako paliwa transportowego jest Szwecja. W tym państwie biometan z sukcesem stosowany jest w transporcie publicznym jako paliwo miedzy innymi do zasilania silników autobusów miejskich. Wyznaczonym celem dla stolicy Szwecji – Sztokholmu w zakresie stosowania odnawialnych źródeł energii (OZE) było zapewnienie 40% floty autobusowej zasilanej paliwami z odnawialnych źródeł energii w 2010 roku. W 2011 roku wskaźnik ten miał osiągnąć 50%. Zgodnie z prognozami w 2025 roku w Sztokholmie cała flota autobusów miejskich zasilana będzie tzw. „paliwami odnawialnymi” [8].

Biogaz w Sztokholmie jest wprowadzany stopniowo i jest dostarczany z trzech oczyszczalni ścieków, które wytwarzają około 8 mln Nm³ biogazu rocznie [9]. Biogaz jest transportowany głównie w butlach na specjalnych samochodach (butlowozach), z powodu braku sieci gazowej. Odpowiednie wyposażenie do tankowania biometanu jest dostępne w kilku Sztokholmskich zajezdniach.

W 2010 roku w Polsce eksploatowanych było 330 autobusów zasilanych CNG, w 18 miastach, u 21 przewoźników [10]. Tym samym, CNG stanowiło najpopularniejsze paliwo stanowiące alternatywę dla oleju napędowego, stosowane do zasilania silników autobusów miejskich.

Zalety wykorzystywania gazu ziemnego w transporcie autobusowym są następujące:

•    niższy koszt paliwa gazowego w średnim koszcie 1 wozokilometra przebiegu w porównaniu z wariantem stosowania oleju napędowego,
•    niższa emisja substancji szkodliwych do atmosfery,
•    mniejszy hałas pracy silnika.

W Polsce istnieje aktualnie jedna instalacja oczyszczająca biogaz do jakości gazu ziemnego (biometanu), wybudowana przez Instytut Transportu Samochodowego i firmę NGV Autogas. Z uwagi na:

•    wysoki potencjał produkcji biogazu (biometanu) w Polsce,
•    prężnie rozwijającą się infrastrukturę instalacji biogazowych przy oczyszczalniach ścieków i wysypiskach odpadów komunalnych i przemysłowych,
•    dobrze rozwiniętą infrastrukturę rurociągów gazowych w Polsce,
•    ponad 10 polskich miast wykorzystujących w swoich flotach komunikacji miejskiej co najmniej 10 sztuk autobusów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG),
•    możliwość stosowania biometanu w autobusach przystosowanych do zasilania CNG bez konieczności wprowadzania modyfikacji w tych pojazdach, zasadnym wydaje się budowa kolejnych tego typu instalacji i stosowanie biometanu do zasilania pojazdów komunikacji miejskiej.

5. WNIOSKI

Wykańczanie się kopalnych zasobów paliw powodujące konieczność dywersyfikacji zaopatrzenia w paliwa oraz zmiany cen ropy naftowej na światowym rynku, a także kwestie szeroko pojętej ochrony środowiska naturalnego są przyczyną poszukiwania nowych nośników energii dla sektora transportu.

Technologia napędu pojazdów samochodowych gazem ziemnym, a zwłaszcza różnego typu taborów miejskich, w tym przede wszystkim autobusów, jest technologią przyszłościową. Szczególnie interesującym w tym względzie rozwiązaniem jest wykorzystanie substytutu gazu ziemnego, jakim jest biometan, który stanowi fizyczno-chemiczny odpowiednik gazu ziemnego, produkowany z organicznych surowców odpadowych. Wykorzystywanie odpadów komunalnych ze składowisk, czy też osadów ściekowych z komunalnych i przemysłowych oczyszczalni ścieków do produkcji biogazu, oczyszczanego później do jakości gazu ziemnego (biometanu) jest tu najtańszym rozwiązaniem, w wyniku którego może powstawać w pełni użyteczne paliwo transportowe przy jednoczesnym przetworzeniu i utylizacji kłopotliwych odpadów.

Zainteresowanie biogazem i jego produkcją w Polsce i Europie rośnie również m. in. z uwagi na możliwości utylizacji odpadów komunalnych, osadu ściekowego i odpadów rolniczych, jak również ze względu na realizację przepisów Dyrektywy 2009/28/EC w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych.

Celem zwiększenia pozyskiwania biogazu do jego produkcji wykorzystywane mogą być również rośliny z upraw energetycznych, a także odpady rolnicze i biomasa, której potencjał w Polsce jest stosunkowo wysoki. Surowce tego rodzaju przetwarzane są w instalacjach biogazowni rolniczych, których liczba w Polsce rośnie z roku na rok.

Należy podkreślić, że produkcja biometanu z odpadów komunalnych z jednej strony prowadziłaby do ich gospodarczego wykorzystania, a z drugiej strony stanowiłaby czynnik ograniczający import do kraju surowców do produkcji paliw płynnych i import gazu ziemnego. Rozproszony charakter produkcji biometanu z odpadów wpłynąłby również na wzrost bezpieczeństwa energetycznego kraju i przyczyniłby się do powstania nowych miejsc pracy.

Wykorzystanie biometanu jako paliwa silnikowego, poza bezpośrednimi efektami komercyjnego wykorzystania biometanu jako paliwa silnikowego, odznacza się również znacznymi korzyściami dla środowiska. Silniki spalinowe zasilane biometanem charakteryzują się niższym poziomem emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzkiego, takich jak cząstki stałe i wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne,
w porównaniu do silników zasilanych olejem napędowym. Ponadto silniki zasilane biometanem charakteryzują się niższym poziomem hałasu, co jest szczególnie istotną kwestią w przypadku zastosowania go jako paliwa w komunikacji miejskiej.

Podsumowując, biometan jest perspektywicznym biopaliwem gazowym, możliwym do stosowania w silnikach spalinowych m. in. autobusów komunikacji miejskiej. Duży potencjał produkcyjny biogazu oraz jego dobre właściwości jako paliwa silnikowego, stanowią o opłacalności produkcji. Liderem w zakresie produkcji biogazu, jako paliwa dla transportu jest niewątpliwie Szwecja, gdzie autobusy komunikacji miejskiej w Sztokholmie są napędzane wyłącznie paliwami pochodzącymi ze źródeł odnawialnych, w tym biometanem. Szwedzkie rozwiązania są świetnym wzorem dla innych państw europejskich, między innymi dla Polski, które dopiero rozpoczynają swoją drogę w wykorzystywaniu biogazu (biometanu) jako paliwa transportowego.

LITERATURA

[1]    Biernat K., Dziołak P., Gis W. i in.: The Baltic Biogas Foresight: Desk study on wider range of biogas production options and experiences including production potential scenarios for the Baltic Sea Region, Final Report in WP4 “Securing biogas supply” in Baltic Biogas Bus European Project, Warsaw 2012.
[2]    Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE.
[3]    Mapa Odnawialnych Źródeł Energii, Urząd Regulacji Energetyki, dane na 31.12.2012: http://www.ure.gov.pl/uremapoze/mapa.html.
[4]    Mapa Odnawialnych Źródeł Energii, Urząd Regulacji Energetyki, dane na 31.12.2015: http://www.ure.gov.pl/uremapoze/mapa.html.
[5]    Żmuda K.: Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi: Energetyka odnawialna w polityce Ministerstwa Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Bydgoszcz, 24 czerwca 2009 r.
[6]    Gis W., Grzelak. P., Żółtowski A.: Potencjał produkcji biogazu w Polsce, Zeszyty Naukowe Instytut Pojazdów, 1(92)/2013, Politechnika Warszawska, s. 13-19.
[7]    Waśkiewicz J., Gis W., Menes E.: Wstępna ocena ekonomiczna wykorzystania biometanu w miejskim transporcie autobusowym. Studium przypadku, Transport Samochodowy, nr 2/2015, s. 11-21.
[8]    Hallgren L.: The introduction of biogas buses in Stockholm, Baltic Biogas Bus –Seminar, St. Petersburg, Russia, October 2011.
[9]    Hallgren L.: Biogas in Stockholm Public Transport – strategies & policies, Biogas as vehicle fuel, Saint-Petersburg, Russia,  November 2010.
[10]    Portal cng.auto.pl: Wykaz autobusów na CNG w Polsce, dostęp: 1.06.2016: https://cng.auto.pl/3362/autobusy-cng-w-polsce/.