Jak policzyć pojemność fermentora do planowanej mocy instalacji: bilans krok po kroku

Pojemność fermentora do planowanej mocy instalacji liczy się łańcuchem bilansów: od mocy elektrycznej (albo strumienia biometanu) przez sprawność urządzeń i wartość opałową metanu do dobowego zapotrzebowania na metan, stąd do masy substratu, a na końcu do objętości, którą daje wybrany czas zatrzymania (HRT). Wynik sprawdza się obciążeniem ładunkiem organicznym (OLR). To rachunek wstępny, ale pozwala szybko ocenić, czy zamierzony wsad i zbiornik do siebie pasują.

Krok 1: moc → energia w paliwie

Dla instalacji z kogeneracją punktem wyjścia jest moc elektryczna agregatu. Dzieli się ją przez sprawność elektryczną CHP (definicje i typowe wartości opisuje wpis o sprawności silnika CHP). Wynikiem jest moc paliwa, czyli strumień energii, który musi wejść do silnika z biogazem.

Dla instalacji biometanowej punktem wyjścia jest strumień metanu w produkcie (strumień biometanu razy zawartość CH₄), do którego dolicza się straty metanu w uzdatnianiu (zob. poślizg metanu) i metan spalany w kotle na ciepło własne.

Krok 2: energia → strumień metanu

Dolna wartość opałowa metanu wynosi około 9,97 kWh/Nm³ (Nm³ w warunkach normalnych: 0 °C, 101,325 kPa). Strumień metanu w Nm³/h to moc paliwa w kW podzielona przez tę wartość; razy 24 h daje strumień dobowy. Wygodniej liczyć od razu metan, bo tak podaje się uzysk substratów (np. w testach BMP, zob. teoretyczny potencjał metanu).

Krok 3: metan → masa substratu

Masę wsadu wyznacza uzysk metanu z tony świeżej masy (FM). Wartości z pierwszych trzech wierszy pochodzą z tabeli uzysków w FNR Leitfaden Biogas (2013); ostatni wiersz to założenie ilustracyjne. Dla konkretnej instalacji trzeba przyjąć wyniki własnych badań:

Uzysk z odpadów waha się tak szeroko, że lepiej zastąpić go wynikiem BMP (zob. Jak czytać raport z badania BMP).

Krok 4: masa → objętość robocza

Objętość robocza [m³] to dobowa masa wsadu [t/d] razy HRT [d], podzielone przez gęstość [t/m³] (dla mieszanin wodnistych ok. 1). HRT zależy od substratu i temperatury; w instalacjach rolniczych z dużym udziałem biomasy roślinnej to zwykle kilkadziesiąt dni (zob. HRT i SRT). Wynik weryfikuje się OLR, czyli masą suchej masy organicznej na m³ i dobę (zob. OLR w praktyce). W biogazowniach rolniczych często mieści się on w przedziale ok. 2–4 kg s.m.o./(m³·d) (zależnie od instalacji); wyższe wartości wymagają bardzo dobrego mieszania i kontroli procesu.

Objętość całkowitą wyznacza się, dodając do roboczej przestrzeń gazową i zapas na pianę oraz wahania poziomu; w przykładach robocza to 85% całkowitej.

Przykład 1: 500 kW elektrycznej, kiszonka z gnojowicą

Założenia: sprawność elektryczna CHP 40%, praca ciągła (przy bilansie rocznym trzeba uwzględnić rzeczywisty czas pracy), HRT 60 dni.

1. Moc paliwa: 500 / 0,40 = 1250 kW.
2. Strumień metanu: 1250 / 9,97 ≈ 125,4 Nm³/h, czyli ok. 3009 Nm³/d.
3. Mieszanka: 30 t/d gnojowicy dostarcza 30 × 14 = 420 Nm³ CH₄/d. Resztę, 2589 Nm³/d, pokrywa kiszonka: 24,4 t/d daje ok. 2586 Nm³/d. Razem ok. 3006 Nm³/d, czyli praktycznie cel.
4. Masa wsadu: 24,4 + 30 = 54,4 t/d.
5. Objętość robocza: 54,4 × 60 / 1,0 ≈ 3264 m³; całkowita 3264 / 0,85 ≈ 3840 m³.
6. Kontrola OLR: s.m.o. = 24,4 × 0,33 × 0,95 + 30 × 0,10 × 0,8 ≈ 7,6 + 2,4 = 10,0 t/d; OLR = 10,0 / 3264 ≈ 3,1 kg s.m.o./(m³·d), czyli w przedziale spotykanym w instalacjach rolniczych.

Wniosek: przy tej mieszance HRT i OLR dają zbliżony wynik; przy większym udziale gnojowicy ograniczeniem byłby HRT, a przy samej kiszonce OLR.

Przykład 2: 250 Nm³/h biometanu, substraty mieszane

Założenia: biometan o 97% CH₄, straty metanu w uzdatnianiu 1% metanu z biogazu surowego, na ciepło własne spalane jest 6% tego metanu, HRT 70 dni.

1. Metan w produkcie: 250 × 0,97 = 242,5 Nm³/h.
2. Metan w biogazie surowym: 242,5 / (1 − 0,01 − 0,06) ≈ 260,8 Nm³/h, czyli ok. 6258 Nm³/d (obie straty są ułamkami tego samego strumienia).
3. Mieszanka: 40 t/d obornika (40 × 44 = 1760 Nm³ CH₄) i 60 t/d gnojowicy (840) dają 2600 Nm³/d. Brakujące 3658 Nm³/d pokrywa 34,5 t/d kiszonki.
4. Masa wsadu: 134,5 t/d. Objętość robocza: 134,5 × 70 ≈ 9415 m³; całkowita ok. 11 100 m³ (np. dwa zbiorniki po ok. 5500 m³).
5. OLR: s.m.o. = 34,5 × 0,33 × 0,95 + 40 × 0,25 × 0,8 + 60 × 0,10 × 0,8 ≈ 10,8 + 8,0 + 4,8 = 23,6 t/d; OLR ≈ 2,5 kg s.m.o./(m³·d).

Ciepło własne i straty uzdatniania zwiększają potrzebną produkcję, a więc i objętość fermentora, o ok. 7% (1/0,93).

Przykład 3: odpady spożywcze, objętość wyznacza OLR

Założenia: 250 kW elektrycznej, sprawność 40%, odpady o 20% s.m. i uzysku 120 Nm³ CH₄/t FM, dopuszczalny OLR 2,5 kg s.m.o./(m³·d) przyjęty zachowawczo ze względu na ryzyko zakwaszenia i amoniaku (zob. Chen i in. 2008).

1. Moc paliwa 625 kW; metan: 625 / 9,97 ≈ 62,7 Nm³/h ≈ 1505 Nm³/d.
2. Masa odpadów: 1505 / 120 ≈ 12,54 t/d; s.m.o. = 12,54 × 0,20 × 0,90 ≈ 2,26 t/d.
3. Objętość z OLR: 2260 kg/d / 2,5 kg/(m³·d) ≈ 900 m³ robocza.
4. Sprawdzenie HRT: bez rozcieńczenia 900 / 12,54 ≈ 72 dni. Jeżeli jednak substrat trzeba rozcieńczyć do pompowalnej zawartości ok. 12% s.m. (sucha masa 12,54 × 0,20 = 2,51 t/d, wsad 2,51 / 0,12 ≈ 20,9 t/d), HRT spada do ok. 43 dni. To nadal może wystarczać, ale wymaga weryfikacji kinetyki i ryzyka inhibicji.

Przy substratach o wysokim uzysku i małym udziale wody o objętości decyduje OLR, a HRT trzeba sprawdzać po doliczeniu wody technologicznej.

Na koniec

Uzyski przyjmuj z badań własnych substratów, dolicz wodę technologiczną i recyrkulat, sprawdzaj jednocześnie HRT, OLR i amoniak oraz zostaw rezerwę na gorsze partie substratu. Pełny bilans masy i energii biogazowni pokazuje przykład obliczeń, a dobór substratów opisuje wpis o planowaniu miksu.