Strona główna » energia elektryczna » Niezagospodarowane źródło energii odnawialnej, czyli wpis o krowach

Niezagospodarowane źródło energii odnawialnej, czyli wpis o krowach

Archiwum

Aby pokazać jak bardzo nie są nam do niczego potrzebne paliwa kopalne, opisze jedno z odnawialnych źródeł energii. Kompletnie niezagospodarowane, nie tylko w Polsce, również praktycznie nigdzie na świecie. Zupełnie przy okazji mówimy o dość poważnym źródle gazów cieplarnianych.

Przeżuwacze. Zwierzęta należące do tej rodziny korzystają dla przyswajania pokarmu roślinnego o małej wartości z pomocy bakterii oraz — od czego pochodzi nazwa — ponownego przeżuwania w nocy wcześniej zjedzonego pożywienia. Jak lubią niech gryzą, nas tu bardziej obchodzi działalność tych bakterii.

Bakterie w żołądkach krów rozkładają nieprzyswajalną przez ssaki celulozę i ligninę na właściwe składniki odżywcze, ale przy okazji musza też podtrzymywać własne procesy życiowe. Z braku dostępu do powietrza musza to robić beztlenowo. Ubocznym skutkiem tego procesu jest wytwarzanie nie tylko pewnych ilości dwutlenku węgla, ale przede wszystkim sporych ilości metanu. Naprawdę sporych… Jedna krowa wydziela dziennie 250-500 litrów metanu.

Przyjmijmy, że 3 krowy produkują dziennie 1 m3 metanu. Jest to dużo i mało jednocześnie. Wystarczy, żeby przy kilkudziesięciu sztukach wyleciał w powietrze dach gorzej wentylowanej obory, a z drugiej strony to jest energetyczny ekwiwalent 1 litra oleju. Czyli praktycznie nic — jeśli bierzemy pod uwagę jednostki. Ale jeśli spojrzymy szerzej? W Polsce jest nieco powyżej 2 mln krów mlecznych. Ta liczba spada od kilku lat, przyjmijmy bardzo optymistycznie, że jest możliwość i potrzeba hodowli 3 mln. To już jest 1 mln m3 dziennie, czyli 365 mln m3 rocznie. Ilość jest nadal dość zabawna, bo stanowi 2% dzisiejszego zużycia gazu w Polsce. Ale 2% to jest już jakaś policzalna i zauważalna ilość. Nie postuluję tu oparcia całej gospodarki na wyziewach krów, tak naprawdę jest to źródło tak marginalne, że nawet Duńczycy i Holendrzy się jeszcze po to nie schylili. Ale pokazuję coś innego, że właśnie takie drobne ilości też mogą stanowić dodatek zmieniający obraz całości.

Ale jak to się ma nie do dzisiejszego marnotrawstwa, a realnych potrzeb? Już lepiej. Biorąc pod uwagę dzisiejszy kształt energetyki i docelowe jej działanie oparte w jak największym stopniu o źródła odnawialne, potrzeba pozostawienia wszystkich dzisiejszych elektrociepłowni węglowych i docelowo przestawienia ich na stałą biomasę, a cała reszta backupu, której nie zapewni energetyka wodna, może być zapewniona przez biogaz. Może, nie musi, ale jeśli będzie, to będzie oznaczało około 20 GW mocy (bio)gazowych, działających średnio 2000 h rocznie, ze sprawnością 50%. Na to potrzeba około 8 mld m3 metanu. Z tego mamy już z naszych krówek prawie 5%. To piechotą nie chodzi. Za głupi 1000 m3 trzeba na wschód wysłać 200 $, a polski rząd to wysyła chyba z 400$, bo lubi.

Przy okazji — metan jest gazem cieplarnianym, 25-krotnie mocniejszym od CO2. W atmosferze w końcu też się rozłoży, ale zajmuje to średnio 100 lat. Stąd zapobieżenie emisji metanu jest dość istotną rzeczą dla klimatu. Nawet przez proste spalenie go. Na przykład w Argentynie, kraju dość znanym z dużej ilości krów, metan odpowiada za ok. 30% emisji gazów cieplarnianych.

Dlatego niezależnie od ilości energii, która pozyskamy, po prostu warto ten metan spalić. Ale jak to zrobić? Pomysł zamontowania na grzbietach krów zbiorników z wyciągiem z pyska i sprężarką wydaje się zbyt radykalny, choć technologia jest łatwo dostępna, na takiej zasadzie działają wyciągi oparów paliwa na stacjach benzynowych. Zresztą w Argentyńskim Instytucie technologii Rolniczych coś takiego opracowano:

cowpack2

Kolejna możliwość to jakieś pozyskiwanie tego metanu już wydzielonego, z obory. Pozostaje parę problemów. Pierwszym jest to, że dla żywych stworzeń potrzebna jest odpowiednia wentylacja, co normalnie jest zrobione przez nieszczelności budynku. Ponieważ własnie dobra wnetylacja jest potrzebna, aby metan sprawnie usuwać. Tym razem jednak właśnie tego metanu potrzebujemy. Najprostszym rozwiązaniem dla zebrania go zanim się rozwieje jest mechaniczna wentylacja, a co najmniej mechaniczny wyciąg, połączony z czujnikami stężenia gazów, co najmniej metanu i tlenu, aby nie dopuścić do stężenia wybuchowego, czyli zawartości metanu powyżej 5%. Trochę to nam utrudnia sytuację, bo przez to w żaden sposób bezpośrednio z obory nie wyciągniemy niczego, co bezpośrednio nadaje się na paliwo. W końcu przy zbyt niskim stężeniu w powietrzu metan nie wybuchnie, również w komorze silnika. Ale nie możemy dopuścić do powstania palnej już w oborze, w razie iskry dach trochę kosztuje.

Ale kto mówi, że to jakiś problem? Rozwiązań jest wiele, a pierwsze z nich jest technicznie proste jak budowa cepa. Po prostu do spalania w sąsiednim generatorze (może być biogazowni, ale z jakimkolwiek paliwem płynnym czy gazowym też będzie działać) używamy powietrza z naszej obory. Powietrze do spalania i tak jest potrzebne, a to już ma jakiś dodatek metanu, więc zawsze oszczędzamy paliwo. Jeśli stężenie metanu będzie dochodzić do 3-4% i przy ustawieniu silnika generatora na bardzo uboga mieszankę, mówimy o połowie paliwa. To już nie jest drobiazg. Osobną kwestią pozostaje ilość pozostałego tlenu w powietrzu w oborze przy takim stężeniu metanu i wpływ tego na same krowy. Mają dawać mleko, a nie mdleć w oborze. Drugą połowę paliwa bez trudu uzyskamy z beztlenowej fermentacji obornika od tych samych krów. Takie rozwiązanie całkiem dobrze rozwiązuje problem metanu, pozwalając nawet coś na nim zarobić, ale dla dobrego systemu energetycznego ma jeszcze spore wady.

Przede wszystkim uzależnia czas i intensywność pracy generatora od potrzeb wietrzenia obory, a nie od sytuacji w sieci energetycznej. W sumie nie przeszkadza w pracy non-stop, bo czy krowy są, czy nie ma, generator może pracować, ale jeśli krowy są, to musi pracować, bo wentylacja w oborze jest niezbędna.

Docelowo rolą generacji cieplnej jest dostarczanie prądu wyłącznie wtedy, gdy nie ma żadnych innych możliwości, a jeśli mówimy o tak alternatywnym paliwie, to mówimy także o zaawansowanej postaci nowoczesnego systemu energetycznego.  Teoretycznie możemy to powietrze z wentylacji jakoś składować przez godziny, czy dnie, ale pamiętajmy o tym, że od 100 krów uzyskujemy dziennie 33 m3, a składować musimy np. 50-krotnie więcej, bo jest tylko 2% CH4 w powietrzu. To oznacza zbiorniki (worki) o pojemności 1500 m3, aby przechowywać paliwo o dzisiejszej wartości 50 zł. To może mieć sens jedynie jako sposób unikania emisji metanu. Ale w takim razie lepiej go zwyczajnie palić.

W takim razie ulepszamy nasz system. Adsorpcją na zeolitach wyciągamy zupełnie niepotrzebny azot. Nie bawimy się w żadne szczególne wydzielanie, po jednym cyklu uszlachetniania naszej mieszanki gazów pozbyliśmy się 70% azotu, czyli mamy objętością połowę gazu, z dwukrotnie wyższą zawartością tlenu i metanu. Nieco to poprawia kalkulację przechowywania, a raczej poprawiałoby, gdyby nie to, że zamiast dużej objętości niepalnego gazu, mamy wybuchową mieszaninę tlenu i metanu.  Do niczego. Albo trzeba wszystko rozdzielić, albo przynajmniej wyciągnąć metan. Rozdzielanie wszystkiego jest drogie. Znacznie droższe niż to co możemy uzyskać. Albo mamy rynek przynajmniej na tlen, albo nie ma to żadnego sensu. Ale tlenu w powietrzu wyciąganym z pomieszczeń jest mniej niż w atmosferze, więc w ten sposób zwiększamy koszty jego pozyskania i obniżamy opłacalność. Nie tędy droga, nawet, gdyby skala i logistyka jednego z drugim mogła do siebie pasować.

Pozostaje wyciągnąć metan. Tu dochodzimy do granic dzisiejszej technologii. Nie dlatego, że krowie beknięcia i pierdy są tak kosmiczną technologią ale dlatego, że w przemysłowym świecie marnotrawstwa nikogo to nie interesowało. Tak samo jak metan w kopalniach, etc. Pierwsze poważne badania jak taki metan wyłapać rozpoczęły się w bieżącym wieku, a te mające jakąkolwiek praktyczną wartość pochodzą z obecnego dziesięciolecia. Stąd nic dziwnego, że nie ma dostępnych komercyjnie rozwiązań. Każdy kto chciałby takie stworzyć, musiałby liczyć się z koniecznością eksperymentowania i kosztownych prototypów. W sumie dość zabawnym jest, że z tych badań wynika, że dobrą, na dziś najlepsz, metodą jest adsorpcja na węglu aktywowanym. Tak, właśnie metan przytula się do powierzchni zwyczajnego węgla drzewnego (ok, trzeba go aktywować). Nie są do tego potrzebne żadne wielkie ciśnienia czy temperatury, ale optymalne warunki procesu wymagają jeszcze badań (a może je zrobiono, tylko ja nie wiem).

Trzecią metodą, która mi przychodzi do głowy jest coś także całkiem prostego. W jednym ze sposobów działania biogazowni do reaktora dodaje się kontrolowaną ilość tlenu, aby bakterie tlenowe rozłożyły siarkowodór. Czysta siarka pozostaje w reaktorze i nie męczy silnika. Można to zrobić także dwustopniowo, tj. w drugim reaktorze, gdzie powstanie woda i czysta siarka. Zależy co się opłaca sprzedawać, ale od kiedy w paliwie diesla siarki praktycznie być nie może, to rafinerie mają jej olbrzymie ilości na zbyciu.

Wadą tego rozwiązania jest uzależnienie od ilości tlenu potrzebnego w biogazowni. Ale powietrze może być dostarczane cały czas lub z dowolnymi przerwami i nie jest to specjalnie zależne od czasu pracy generatora. Ogólnie działa. Metan z obory trafia do reaktora biogazowni, skąd wychodzi zmieszany z tym z fermentacji, żaden problem. Pewnym problemem jest dodatek azotu i faktyczne rozcieńczenie biogazu. Jeśli jednak jest on spalany od razu, to nie ma to żadnego znaczenia, jeśli jest wtłaczany do sieci, to jakoś trzeba obniżoną wartość kaloryczną rozliczyć. Co jest kwestią mierników i księgowości i niczym szczególnie skomplikowanym czy kosztownym.

Jednak ilość tlenu potrzebnego w reaktorze biogazowni jest dość mała. Potrzeba 2-5% dodatku powietrza aby przereagować całą siarkę.  To by oznaczało, że faktycznie wszystkie biogazownie jako dodatek do utleniania musiałyby pobierać powietrze z obór.  Co stwarza następną warstwę problemów logistycznych i znów zaczyna wyglądać beznadziejnie.

Rozwiązaniem może być połączenie niektórych z powyższych rozwiązań. Całkiem kusi używanie powietrza do spalania, kiedy generator pracuje i do utleniania siarkowodoru, kiedy potrzeba wietrzyć, a nie pracuje. A instalację do odzysku metanu zainstalować kiedy (jeśli?) będzie komercyjnie dostępna.

To wszystko na dziś jest raczej ćwiczeniem intelektualnym, ale pokazuje jak wiele jest niewykorzystanego potencjału, zarówno w zakresie ograniczania emisji gazów cieplarnianych, jak też nowych możliwości pozyskiwania energii odnawialnej.

Advertisements

10 komentarzy

  1. cmss pisze:

    Czytam o tym CH4 od krów i spalaniu tegoż i przypomniał mi się Gienrich Altszuller i Algorytm wynalazku .
    Trafiłeś na faceta? Jeżeli nie to STANOWCZO polecam.

  2. Nie znam, poszukam. Jak masz do udostępnienia w formie elektronicznej to chętnie poczytam.

  3. cmss pisze:

    http://chomikuj.pl/karolina7774/Dokumenty/Algorytm+wynalazku+-+Henryk+Altszuller,3176076991.pdf

    Jeżeli będą problemy to powiedz.
    Co do A. to jak się zdaje facet to instytucja.

  4. cmss pisze:

    Twoja maszyneria informuje mnie, że „Twój komentarz oczekuje na moderację.” :)^:)

  5. To akurat było ciężkie i chomik chciał sms. Którego nie mogłem wysłać, więc sobie odpuściłem, ale znalazłem inne opracowania. Metody dobre dla czasów świetności mechaniki i rewolucji analogowej, na dziś może tez by działały, ale po co, skoro prościej wszystko na rympał i bez superoptymalizacji zrobić elektroniką (w sensie sterowanie, czujniki, itp., co umożliwia tańsze materiały z mniejszym marginesem, itd.) Jak skończą się możliwości elektroniki i nowych materiałów to może wrócimy do żmudnej optymalizacji…

  6. cmss pisze:

    Po prostu załóż konto. Dostaniesz 50MB. Chodzi o sposób myślenia.
    „Co to jest TRIZ” też fajne (na chomiku).

  7. Jura pisze:

    Badania nad (prostym i wydajnym) rozkładem ligniny i celulozy (czyli najczęściej występujacych na świecie polimerów) do cukrów prostych przez enzymy wydzielanie przez bakterie i grzyby (nawet modyfikowane genetycznie) są prowadzone nie od dziś, a do celu („wrzucasz trawę -odbierasz metanol”) nadal daleko.

  8. To jest jedna ze ścieżek. Niekoniecznie najlepsza. IMO najlepsza i najbardziej przyszłościowa jest ścieżka szybkiej pirolizy, z maksymalizacją pozyskania oleju pirolitycznego. Następnie traktujemy go wodorem i mamy praktycznie bardzo dobrą ropę naftową. Wady to właśnie ta ilość wodoru. Albo tez do pozyskania z biomasy albo oddzielnie z elektryczności. Przy tym drugim rozwiązaniu mamy więcej ropy na wyjściu niż biomasy na wejściu.

  9. Rafał pisze:

    IMHO kierunek to raczej wytlewanie, ze względu na większy uzysk frakcji ciekłych i większy stopień auto-energetyczności.(mniej energii na uzysk niższej temp, nawet przy dłuższym czasie prowadzenia)
    Warunek konieczny na lata 2000 (kiedy się tym zajmowałem) baryłka ropy powyżej 89$
    Ale to daleka pieśń, bo jakby to ładnie proces nie wyglądał na papierze(dużo pracy ludzkiej; czytaj w warunkach ekonomiki Zachodu nieopłacalne) to jest trudny technologiczno-operacyjnie. Zwłaszcza część „uwodarniająca” (nakłady)

    Samych opon samochodowych by wystarczyło na mnóstwo czasu (24MJ/Mg), więc biomasa zeszła by na dalszy plan.
    Choć przewagą pirolizy biomasy był by brak trudnego do zagospodarowania koksu popirolitycznego (a zniej mamy prawie substrat do uzyskania Terra Preta)

  10. Całej technologii daleko do etapu wdrożenia przemysłowego, więc rożne rzeczy wymagają udoskonalenia. Wiadomo jak się zabrać, nie wiadomo jakie rozwiązania będą optymalne.
    Sam aż tak głęboko nie siedziałem. Proces rozumiem, wiadomo, ze bawimy się w optymalizację degradacji termicznej w celu jak największej frakcji płynnej kosztem stałej i gazowej. Ale co do stałej- koks to koks. Bez odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej nie nadaje się na samodzielny wkład do wielkiego pieca, ale jako dodatek zawsze. Zresztą same opony też się w ten sposób używa.
    Mi się wydaje, że kluczowym w całej zabawie jest koszt wodoru. Przecież można optymalizować proces w stronę większego zużycia wodoru lub biomasy na daną ilość produktu. W ekstremalnym przypadku dochodząc do Fischera-Tropsa, ale tu raczej byśmy nie mówili o dwucyfrowej cenie baryłki, nawet przy odpadowej biomasie.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: