Różnica między sprawnością a dyspozycyjnością instalacji biogazowej?

Biogazownia i biometanownia to instalacje, w których zachodzą procesy przemiany energii od pierwotnej do końcowej. W procesach przemiany tracimy część przetwarzanej energii (straty). Energia uzyskana po przemianie w stosunku do energii podanej do procesu (mierzone w tym samym czasie tej przemiany) reprezentuje sprawność (mnożąc wynik ilorazu energii końcowej i początkowej przez 100%, uzyskamy sprawność wyrażoną w procentach: (Ek / Ep) *100% = sprawność). Zwykle sprawność utożsamiana jest z parametrem urządzenia przetwarzającego jeden rodzaj energii w drugi. Ale w biogazowni mamy do czynienia z kilkoma następującymi po sobie procesami:

• Przetwarzanie energii chemicznej (pierwotnej) biomasy w procesie fermentacji, w wyniku którego uzyskuje się energię pierwotną chemiczną biogazu (wartość opałowa):
  • Przemiana substancji organicznej do postaci gazowej ma miejsce z różną sprawnością. 
  • Nie ma 100% sprawności procesu tj. nie ma możliwości przekształcenia całkowicie substancji organicznej zawartej w biomasie do postaci gazowej (część substancji organicznej pozostanie w masie pofermentacyjnej).
  • Biomasa zawierająca substancje skostniałe, zdrewniałe lub ligninę (generalnie wolno rozkładające się w czasie) będzie przetwarzać się z mniejszą sprawnością niż biomasa „miękka” (ulegająca szybkim procesom biodegradacji). 
  • Sprawność przemiany wynosi od ok. 40% (lignina, obornik słomiasty) do ok. 90% (wywar, tłuszcze, owoce, warzywa), a średnio dla niezdefiniowanej mieszaniny w biogazowniach można przyjąć na poziomie 70%.
  • Sprawność przemiany można wyrazić ilorazem masy biogazu i całkowitą masą organiczną zawartą w biomasie poddanej przetwarzaniu w procesie fermentacji tj. odpowiada jaka część organicznej masy przekształca się masowo w biogaz.
  • Jeżeli w 1 tonie biomasy udział suchej masy organicznej wynosi 90% w suchej masie, a udział suchej masy w biomasie (świeżej masie) stanowi 22%, to oznacza, że biomasa reprezentowana jest przez masę organiczną w ilości 90%*22%*1000 kg = 198 kg. 
  • Jednocześnie wiedząc, że masa surowego biogazu wynosi średnio ok. 1,2 kg, maksymalny uzysk biogazu (wyrażony w Nm³ na jedną tonę biomasy tzw. świeżej masy) może być reprezentowany ilorazem iloczynu średniej sprawności przemiany (70%) i masy organicznej (licznik) oraz masy jednostkowej biogazu (mianownik).
• Przetwarzanie surowego biogazu w silniku kogeneracyjnym, który ma sprawność elektryczną np. 40% i cieplną 42%:
  • Sprawność elektryczna obrazuje, że energia o wartości 1 MWh w paliwie (energia pierwotna biogazu) przekształcona zostanie w 0,4 MWh energii elektrycznej oraz 0,42 MWh (1,512 GJ) ciepła.
  • Pozostała ilość energii pierwotnej paliwa gazowego to straty tej przemiany. 
  • Łączna sprawność jednostki kogeneracji wynosi w podanym przykładzie 82%.
  • Ale podana sprawność łączna jest sprawnością wytwarzania energii z biogazu. 
  • Brak wykorzystania (wytwarzanego w skojarzeniu) ciepła na cele użytkowe spowoduje, że mimo „sprawnego” przetwarzania biogazu w energię elektryczną i ciepło (w zakresie wytwarzania), jednostka kogeneracji może nie być uznana za jednostkę kogeneracji wysokosprawną w rozumieniu przepisów ustawy Prawo energetyczne i dyrektywy o efektywności energetycznej. 
  • Kwalifikacja (formalna) jednostki kogeneracji do wysokosprawnej (z przypisanymi na wyższym poziomie dopłatami do wyprowadzanej energii elektrycznej do sieci) wymaga, aby średnioroczna sprawność ogólna kogeneracji (łączna elektryczna i cieplna) wynosiła dla silników gazowych nie mniej niż 75%. To wymaga, aby wytwarzać w kogeneracji ciepło użytkowe tzn., aby nie tyle wytwarzać ciepło, co wytwarzać i jednocześnie wykorzystać je w celach użytkowych. 
  • A więc, sprawność przemiany biogazu w energię w kogeneracji przez producenta urządzenia będzie inną wartością niż sprawność przemiany w kogeneracji w ujęciu formalnym. W pierwszym przypadku ważne jest wytwarzanie, a w drugim przypadku wytwarzanie energii użytecznej (czyli wytwarzanie i jej konsumowanie w celach użytkowych, a nie utylizowanie z wykorzystaniem chłodnic awaryjnych).
• Przemiana surowego biogazu do biometanu:
  • Proces ten związany jest (niezależnie od stosowanej metody oczyszczania) odseparowania CO₂ od metanu prowadząc do względnego zwiększenia ilości metanu w biogazie zwykle powyżej 97%).
  • W efekcie tego procesu, część metanu pozostaje gazem resztkowym w odseparowanej reszcie mieszaniny gazowej lub jest poddany procesem spalania bez odzysku energetycznego. 
  • Sprawność takiego procesu rozumiana jest jako iloraz wartości energetycznej biometanu (po procesie oczyszczania surowego biogazu) do wartości energetycznej surowego biogazu (przed procesem).

Dyspozycyjność, natomiast, jest pojęciem odmiennym od sprawności przemiany (pomimo niesłusznie naprzemiennie używania przez różne osoby tych pojęć). Dyspozycyjność to zdolność generowania energii w czasie (w analogii do dyspozycyjności pracownika do pracy). W okresie roku (8760h) instalacja do wytwarzania biogazu winna mieć dyspozycyjność zbliżoną do pełnego roku (w trybie 24 h na dobę przez 365 dni w roku ma miejsce (powinna mieć) produkcja biogazu). Jeżeli biogazownia wyposażona jest tylko w jedną komorę fermentacji, która wymaga serwisowania poprzez otwarcie przestrzeni gazowej (zwykle dotyczy instalacji o mocy elektrycznej lub elektrycznej ekwiwalentnej do 0,5 MW), dyspozycyjność może być nieco mniejsza. Dyspozycyjność można wyrazić liczbą godzin pracy (czasami wyraża się ją w procentach jako wynik dzielenia faktycznej pracy instalacji w h rocznie przez całkowitą liczbę godzin w roku). Dyspozycyjność oznacza pozostawanie w dyspozycji do pracy, ale nie oznacza pracy (tak, jak instalacje PV są w dyspozycji do pracy wtedy, gdy pada na nie promieniowanie słoneczne, a wiatrak kręci się jak wieje wiatr generując energię, to w przypadku biogazu niezbędne jest utrzymanie procesu produkcji energii pierwotnej w wyniku przetwarzania biomasy – brak karmienia lub ograniczenie karmienia lub perturbacje procesowe zmniejszą wynik produkcyjny, ale anomalie pogodowe (nie licząc ich wpływu na produkcję roślinną) nie mają przełożenia na potencjał energii pierwotnej). Dlatego dyspozycyjność instalacji na biogaz oraz urządzeń przetwarzających ten rodzaj paliwa mają znacznie większą dyspozycyjność pracy niż źródła nie paliwowe oparte o odnawialne zasoby słońca, wiatru czy wody.

Dyspozycyjność jednostki kogeneracji lub stacji uzdatniania biogazu do biometanu jest parametrem zależnym od dyspozycyjności instalacji do wytwarzania biogazu oraz dodatkowo od pozostałych uwarunkowań związanych z samym urządzeniem, jak i z uwarunkowaniami dyspozycyjności sieci lub szerzej całego krajowego systemu elektroenergetycznego. 

Można przyjąć w dobrze utrzymanej instalacji i urządzeniach, że dyspozycyjność dla biogazowni/ biometanowni wynosi:

• ok. 8700 h dla instalacji na surowy biogaz (99%)

• ok. 8500 h dla jednostki kogeneracji na biogaz (97%)

• ok. 8000 h dla jednostki kogeneracji na biogaz w przeliczeniu na średnią moc zainstalowaną (91%)

• ok. 8400 h dla instalacji do wytwarzania biometanu (96%).