BiogazPoradnik
Bilans masy i energii biogazowni: przykład obliczeń od substratu do kilowatogodzin
Krok po kroku: z masy substratów i ich VS do produkcji metanu, energii w paliwie, prądu i ciepła netto. Jawne założenia, tabele i kontrola poprawności wyniku.
Bilans masy i energii biogazowni przeprowadza się w sześciu krokach: masa świeża → sucha masa (TS) → sucha masa organiczna (VS) → produkcja metanu (uzysk na kg VS) → energia chemiczna paliwa (wartość opałowa) → energia elektryczna i cieplna po uwzględnieniu sprawności CHP i zużycia własnego. Poniżej pełny przykład z jawnymi założeniami; wszystkie liczby są ilustracyjne i należy je zastąpić danymi własnymi z analiz i pomiarów.
Krok 1: dawka dobowa
| Substrat | Masa świeża [t/d] | TS | VS w TS | VS [t/d] | Założony uzysk [m³ CH₄/kg VS] |
|---|---|---|---|---|---|
| Kiszonka kukurydzy | 20 | 0,33 | 0,95 | 6,27 | 0,34 |
| Gnojowica bydlęca | 30 | 0,08 | 0,80 | 1,92 | 0,20 |
| Kiszonka z traw | 5 | 0,30 | 0,90 | 1,35 | 0,30 |
| Razem | 55 | 9,54 |
Uzyski to założone wartości praktyczne w skali technicznej, niższe niż potencjały z testów BMP (patrz artykuł o różnicy BMP i skali technicznej).
Krok 2: produkcja metanu
- kiszonka kukurydzy: 6 270 kg × 0,34 = 2 132 m³ CH₄/d,
- gnojowica: 1 920 × 0,20 = 384 m³,
- trawy: 1 350 × 0,30 = 405 m³.
Razem ≈ 2 921 m³ CH₄/d. Przy zawartości 53% CH₄ biogazu powstaje ok. 5 512 m³/d (230 m³/h). Uzysk średni: 2 921 / 9 540 ≈ 0,31 m³ CH₄/kg VS — wiarygodny (mieści się poniżej teoretycznych maksimów dla tych substratów).
Krok 3: energia chemiczna
Przyjmijmy wartość opałową metanu 9,97 kWh/m³ (warunki normalne). Energia paliwa: 2 921 × 9,97 ≈ 29 120 kWh/d, czyli ≈ 1 213 kW mocy cieplnej paliwa (średnio).
Krok 4: CHP
Przy sprawności elektrycznej 38% i cieplnej 45% (wartości typowe dla silników gazowych tej klasy; rzeczywiste zależą od modelu i obciążenia):
- energia elektryczna brutto: 29 120 × 0,38 ≈ 11 066 kWh/d (≈ 461 kW),
- ciepło: 29 120 × 0,45 ≈ 13 104 kWh/d (≈ 546 kW).
Krok 5: zużycie własne
Zużycie energii elektrycznej własnej przyjmijmy 8% produkcji, czyli ≈ 885 kWh/d; energia netto do sieci ≈ 10 181 kWh/d. Ciepło własne na ogrzewanie komory zależy od pory roku; załóżmy średnio 25% ciepła z CHP (≈ 3 276 kWh/d). Ciepło dostępne dla odbiorców ≈ 9 828 kWh/d, ale tylko część bywa realnie wykorzystana (sezonowość).
Krok 6: bilans masy pofermentu
Ubytek VS w procesie wynosi zwykle kilkadziesiąt procent wprowadzonego VS, zależnie od miksu i HRT; w tym przykładzie przyjmijmy 60%. Z 9,54 t VS zostaje wtedy ok. 3,8 t VS w pofermencie, do którego dochodzi nieorganiczna część suchej masy i woda. Masa pofermentu jest równa masie dozowanej pomniejszonej o masę biogazu. Przy gęstości biogazu rzędu 1,2 kg/m³ i produkcji 5 512 m³/d masa gazu to ok. 6,6 t/d, więc poferment to ok. 48 t/d (55 − 6,6 ≈ 48,4). Wynik trzeba uwzględnić w planie magazynowania i rozwozu pofermentu.
Kontrola poprawności
| Kontrola | Co sprawdzić |
|---|---|
| Uzysk CH₄ / VS | czy mieści się w zakresie możliwym dla miksu i nie przekracza potencjałów substratów |
| Produkcja energii / liczba godzin | czy odpowiada mocy CHP |
| Sprawność | czy bilans energetyczny sumuje się do paliwa minus straty (ok. 80–90% suma sprawności) |
| Wydajność objętościowa | m³ CH₄ / (m³·d) komory — nie powinna przekraczać zakresu technologicznego |
Analiza wrażliwości
Zmiana uzysku kukurydzy z 0,34 na 0,30 m³ CH₄/kg VS obniża produkcję metanu o ok. 250 m³/d (−8,6%), a energię elektryczną o ok. 950 kWh/d. Zmiana zawartości suchej masy kiszonki z 33% na 30% zmniejsza VS o ok. 9%, więc wpływa niemal równie mocno. Dlatego dokładność analiz TS i VS oraz ważenie substratów są kluczowe.
Wnioski
Bilans jest narzędziem planowania i kontroli. Powtarzany co miesiąc z danymi rzeczywistymi, pokazuje, gdzie instalacja traci energię: w niedorozłożeniu substratu, pochodni, niskiej sprawności CHP, nadmiernym zużyciu własnym lub niewykorzystanym cieple.
Uwagi dotyczące założeń
Sprawności CHP zależą od modelu, obciążenia, stanu serwisowego i temperatury otoczenia; praca przy obciążeniu częściowym obniża sprawność elektryczną. Uzyski w skali technicznej zwykle są niższe od wyników BMP, bo część materiału przechodzi przez komorę zbyt szybko, a mieszanie jest niedoskonałe. Zawartość suchej masy kiszonki zmienia się z partią i terminem zbioru. Ciepło własne na ogrzewanie komory jest największe zimą, a latem odbiorców ciepła bywa mało — dlatego roczny bilans ciepła warto liczyć miesiąc po miesiącu.
Jak przekształcić przykład w narzędzie
Zbuduj arkusz, w którym wpisujesz masy substratów, wartości TS, VS i uzyski, a pozostałe pola są liczone formułami. Dodaj kolumny porównujące plan z rzeczywistością (pomiar gazu, licznik energii). Różnice rzędu kilku procent są normalne; większe warto zbadać.
