Biogazowa instalacja do prywatnego domu: zalecenia dotyczące wykonania własnej konstrukcji

Zapobiegliwy gospodarz marzy o tanich źródłach energii, efektywnej utylizacji odpadów i uzyskaniu nawozów. Domowa biogazownia wykonana własnymi rękami to niedrogi sposób na urzeczywistnienie tego marzenia.

Samodzielny montaż takiego urządzenia będzie kosztował rozsądne pieniądze, a wytwarzany gaz stanie się dobrym wsparciem w gospodarstwie: można go używać do gotowania, ogrzewania domu i innych potrzeb.

Spróbujmy zrozumieć specyfikę działania tego sprzętu, jego zalety i wady. A także, czy możliwe jest samodzielne zbudowanie biogazowni i czy będzie ona efektywna.

Specyfika pozyskiwania biogazu

Biogaz powstaje w wyniku fermentacji substratu biologicznego. Rozkładają go bakterie hydrolityczne, kwasotwórcze i metanogenne. Mieszanina gazów wytwarzanych przez bakterie jest palna, ponieważ zawiera duży procent metanu.

Pod względem właściwości praktycznie nie różni się od gazu ziemnego, który jest używany do celów przemysłowych i domowych.

W razie potrzeby każdy właściciel domu może nabyć biogazownię przemysłową, jest to jednak drogie, a inwestycja zwraca się w ciągu 7–10 lat. Dlatego warto podjąć wysiłek i zbudować bioreaktor samodzielnie.

Biogaz to ekologicznie czyste paliwo, a technologia jego pozyskiwania nie ma szczególnego wpływu na środowisko. Co więcej, jako surowiec do produkcji biogazu wykorzystuje się odpady organiczne, które wymagają utylizacji.

Umieszcza się je w bioreaktorze, gdzie zachodzi przetwarzanie:

• przez pewien czas biomasa poddawana jest działaniu bakterii. Czas fermentacji zależy od ilości surowca;
• w wyniku działalności bakterii beztlenowych wydziela się palna mieszanina gazów, w skład której wchodzą metan (60%), dwutlenek węgla (35%) oraz niektóre inne gazy (5%). Podczas fermentacji w niewielkich ilościach wydziela się również potencjalnie niebezpieczny siarkowodór. Jest on trujący, dlatego zdecydowanie niepożądane jest narażanie ludzi na jego działanie;
• mieszanina gazów z bioreaktora jest oczyszczana i trafia do zbiornika gazu, gdzie jest przechowywana do momentu wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem;
• gaz ze zbiornika można wykorzystywać dokładnie tak samo jak gaz ziemny. Trafia on do urządzeń domowych – kuchenek gazowych, kotłów grzewczych itp.;
• Rozłożoną biomasę należy regularnie usuwać z fermentatora. Wiąże się to z dodatkowymi nakładami pracy, jednak wysiłek się opłaca. Po fermentacji surowiec przekształca się w wysokiej jakości nawóz, który wykorzystuje się na polach i w ogrodach.

Biogazownia jest opłacalna dla właściciela prywatnego domu tylko wtedy, gdy ma on stały dostęp do odpadów z ferm zwierzęcych. Średnio z 1 m³ substratu można uzyskać 70–80 m³ biogazu, jednak produkcja gazu przebiega nierównomiernie i zależy od wielu czynników, m.in. temperatury biomasy. Utrudnia to obliczenia.

Biogazownie idealnie nadają się do gospodarstw rolnych. Odchody zwierzęce mogą dostarczyć wystarczającą ilość gazu do pełnego ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych i budynków gospodarczych.

Aby proces pozyskiwania gazu był stabilny i ciągły, najlepiej zbudować kilka biogazowni, a substrat do fermentatorów wprowadzać w odstępach czasowych. Takie instalacje pracują równolegle, a surowiec ładuje się do nich sekwencyjnie.

Gwarantuje to stałą produkcję gazu, dzięki czemu można zapewnić jego nieprzerwany dopływ do urządzeń domowych.

Idealnie bioreaktor powinien być podgrzewany. Każde 10 stopni ciepła podwaja produkcję gazu. Chociaż instalacja systemu ogrzewania wymaga inwestycji, zwraca się to większą efektywnością konstrukcji.

Domowe urządzenia biogazowe, złożone z dostępnych materiałów, są znacznie tańsze niż instalacje przemysłowe. Ich wydajność jest niższa, ale odpowiada poniesionym kosztom. Jeśli ma się dostęp do obornika i chęć włożenia własnego wysiłku w montaż i konserwację konstrukcji, jest to bardzo opłacalne.

Zalety i wady systemu

Instalacje biogazowe mają wiele zalet, ale również sporo wad, dlatego przed rozpoczęciem projektowania i budowy należy wszystko rozważyć:

• Utylizacja odpadów. Dzięki instalacji biogazowej można uzyskać maksymalny pożytek z odpadów, których i tak trzeba by się pozbyć. Ta utylizacja jest mniej szkodliwa dla środowiska niż zakopywanie odpadów.
• Odnawialność surowca. Biomasa to nie węgiel ani gaz ziemny, których wydobycie wyczerpuje zasoby. W prowadzeniu gospodarstwa rolnego surowiec pojawia się stale.
• Stosunkowo niewielka ilość CO2. Podczas pozyskiwania gazu środowisko nie jest zanieczyszczane, ale przy jego wykorzystaniu do atmosfery wydostaje się niewielka ilość dwutlenku węgla. Nie jest ona niebezpieczna i nie jest w stanie krytycznie zmienić ekologii, ponieważ jest pochłaniana przez rośliny w procesie wzrostu.
• Umiarkowana emisja siarki. Podczas spalania biogazu do atmosfery przedostaje się niewielka ilość siarki. To negatywne zjawisko, ale jego skalę poznaje się w porównaniu: przy spalaniu gazu ziemnego zanieczyszczenie środowiska tlenkami siarki jest znacznie większe.
• Stabilna praca. Produkcja biogazu jest bardziej stabilna niż działanie paneli słonecznych czy wiatraków. Jeśli energią słońca i wiatru nie można zarządzać, to instalacje biogazowe zależą od działalności człowieka.
• Można użyć kilku instalacji. Gaz to zawsze ryzyko. Aby zmniejszyć potencjalne straty w razie awarii, można rozmieścić na terenie kilka instalacji biogazowych. Jeśli prawidłowo zaprojektuje się i złoży system z kilku fermentatorów, będzie on działać stabilniej niż jeden duży bioreaktor.
• Korzyści dla rolnictwa. Do uzyskania biomasy sadzi się niektóre gatunki roślin. Można wybrać takie, które poprawiają stan gleby. Na przykład sorgo zmniejsza erozję gleby, poprawia jej jakość.

Biogaz ma również wady. Chociaż jest to stosunkowo czyste paliwo, to jednak zanieczyszcza atmosferę. Mogą też występować problemy z dostawami biomasy roślinnej.

Nieodpowiedzialni właściciele instalacji często pozyskują ją w sposób, który wyjaławia ziemię i zaburza równowagę ekologiczną.

Obliczenie opłacalności instalacji

Jako surowca do produkcji biogazu zwykle używa się krowiego obornika. Jedna dorosła krowa może dostarczyć go tyle, aby zapewnić 1,5 m³ paliwa; świnia – 0,2 m³; kura lub królik (w zależności od masy ciała) – 0,01-0,02 m³. Aby zrozumieć, czy to dużo, czy mało, można porównać z bardziej znanymi rodzajami zasobów.

1 m³ biogazu zapewnia taką samą ilość energii cieplnej, jak:

• drewno – 3,5 kg;
• węgiel – 1-2 kg;
• elektryczność – 9-10 kWh.

Znając przybliżoną wagę odpadów rolniczych, które będą dostępne w ciągu najbliższych lat, oraz ilość potrzebnej energii, można obliczyć opłacalność biogazowni.

Jedną z głównych wad pozyskiwania biogazu jest zapach. Możliwość wykorzystania małych pryzm kompostowych to duży plus, ale trzeba znosić niedogodności i dokładnie kontrolować proces, aby nie wywołać rozprzestrzeniania się chorobotwórczych mikroorganizmów.

Do załadunku do bioreaktora przygotowuje się substrat, który zawiera kilka składników w następujących proporcjach:

• obornik (najlepiej krowi lub świński) – 1,5 t;
• odpady organiczne (mogą to być gnijące liście lub inne składniki pochodzenia roślinnego) – 3,5 t;
• woda podgrzana do 35 stopni (ilość ciepłej wody oblicza się tak, aby jej masa stanowiła 65-75% całkowitej ilości materii organicznej).

Obliczenie substratu wykonano dla jednego wsadu na pół roku, zakładając umiarkowane zużycie gazu. Po około 10-15 dniach proces fermentacji przyniesie pierwsze rezultaty: gaz pojawi się w niewielkich ilościach i zacznie wypełniać zbiornik. Po 30 dniach można spodziewać się pełnej produkcji paliwa.

Sprzęt do produkcji biogazu nie jest jeszcze szczególnie rozpowszechniony w naszym kraju. Wynika to w dużej mierze z niskiej świadomości ludzi na temat zalet i specyfiki działania systemów biogazowych. W Chinach i Indiach wiele małych gospodarstw rolnych jest wyposażonych w prowizoryczne instalacje do uzyskiwania dodatkowego czystego paliwa.

Jeśli instalacja działa prawidłowo, objętość biogazu będzie stopniowo wzrastać, aż substrat ulegnie fermentacji. Wydajność konstrukcji zależy bezpośrednio od szybkości fermentacji biomasy, która z kolei jest związana z temperaturą i wilgotnością substratu.

Instrukcja samodzielnej budowy

Jeśli nie ma się doświadczenia w montażu skomplikowanych systemów, warto znaleźć w sieci lub opracować najprostszy schemat instalacji biogazowej dla domu jednorodzinnego.

Im prostsza konstrukcja, tym jest bardziej niezawodna i trwała. Później, gdy nabędzie się umiejętności budowy i obsługi systemu, będzie można przerobić sprzęt lub zamontować dodatkową instalację.

W drogich konstrukcjach produkowanych przemysłowo przewidziano systemy mieszania biomasy, automatycznego podgrzewania, oczyszczania gazu itp. Sprzęt domowy nie jest tak skomplikowany. Lepiej zmontować prostą instalację, a później dodać elementy, które okażą się niezbędne.

Przy obliczaniu objętości fermentatora warto kierować się wartością 5 m³. Taka instalacja pozwala uzyskać ilość gazu niezbędną do ogrzewania domu jednorodzinnego o powierzchni 50 m², jeśli jako źródło ciepła wykorzystuje się kocioł gazowy lub piec.

To wartość uśredniona, ponieważ kaloryczność biogazu zazwyczaj nie przekracza 6000 kcal/m³.

Aby proces fermentacji przebiegał mniej więcej stabilnie, należy osiągnąć odpowiedni reżim temperaturowy. W tym celu bioreaktor umieszcza się w ziemnym wykopie lub wcześniej projektuje się solidną izolację termiczną. Stałe podgrzewanie substratu można zapewnić, jeśli pod podstawę fermentatora doprowadzi się rurę ogrzewania wodnego.

Budowę instalacji biogazowej można podzielić na kilka etapów.

Etap 1 – przygotowanie wykopu pod bioreaktor

Praktycznie cała instalacja biogazowa znajduje się pod ziemią, dlatego wiele zależy od tego, jak wykop został wykonany i wykończony. Istnieje kilka sposobów wzmocnienia ścianek i uszczelnienia wykopu – plastik, beton, pierścienie polimerowe.

Optymalnym rozwiązaniem jest zakup gotowych pierścieni polimerowych z pełnym dnem. Będą one droższe niż materiały podręczne, ale nie będzie wymagane dodatkowe uszczelnienie. Polimery są wrażliwe na obciążenia mechaniczne, ale nie boją się wilgoci i chemicznie agresywnych substancji. Nie nadają się do naprawy, ale w razie potrzeby łatwo je będzie wymienić.

Od przygotowania ścian i dna bioreaktora zależy intensywność fermentacji substratu oraz wydajność gazu, dlatego dół jest starannie wzmacniany, izolowany i uszczelniany. To najtrudniejszy i najbardziej pracochłonny etap prac.

Etap 2 – wykonanie drenażu gazowego

Zakup i montaż specjalnych mieszadeł do instalacji biogazowych to kosztowna przyjemność. System można obniżyć kosztowo, aranżując drenaż gazowy. Stanowią go pionowo ustawione polimerowe rury kanalizacyjne, w których wykonano wiele otworów.

Przy obliczaniu długości rur drenażowych należy kierować się planowaną głębokością napełnienia bioreaktora. Górne części rur powinny znajdować się powyżej tego poziomu.

Do drenażu gazowego można wybrać rury metalowe lub polimerowe. Te pierwsze są mocniejsze, a te drugie bardziej odporne na działanie chemikaliów. Lepiej dać pierwszeństwo polimerom, ponieważ metal szybko zardzewieje i zgnije.

Do gotowego bioreaktora można natychmiast załadować substrat. Przykrywa się go folią, aby wydzielający się podczas fermentacji gaz znajdował się pod niewielkim ciśnieniem. Gdy kopuła będzie gotowa, zapewni to normalny przepływ biometanu rurą odprowadzającą.

Etap 3 – montaż kopuły i rur

Ostatni etap montażu najprostszej instalacji biogazowej to montaż kopułowej części górnej. W najwyższym punkcie kopuły montuje się rurę odprowadzającą gaz i przeciąga się ją do zbiornika gazu, bez którego się nie obejdzie.

Zbiornik bioreaktora zamyka się szczelną pokrywą. Aby zapobiec mieszaniu się biometanu z powietrzem, montuje się zaporę wodną (hydrauliczną). Służy ona również do oczyszczania gazu. Należy przewidzieć zawór spustowy, który zadziała, jeśli ciśnienie w fermentorze będzie zbyt wysokie.

Bardziej szczegółowo o tym, jak zrobić biogaz z obornika, przeczytasz w tym materiale.

Wolna przestrzeń bioreaktora do pewnego stopnia spełnia funkcję magazynu gazu, jednak to nie wystarcza do bezpiecznej pracy instalacji. Gaz musi być stale zużywany, w przeciwnym razie możliwa jest eksplozja spowodowana nadmiernym ciśnieniem pod kopułą.

Sposoby ogrzewania bioreaktora

Mikroorganizmy przerabiające substrat są obecne w biomasie stale, jednak do ich intensywnego rozmnażania potrzebna jest temperatura 38 stopni Celsjusza i wyższa.

Do podgrzewania w zimnym okresie można użyć wężownicy podłączonej do systemu ogrzewania domu lub grzałek elektrycznych. Pierwszy sposób jest bardziej opłacalny ekonomicznie, dlatego jest częściej stosowany.

Instalacja biogazowa nie musi być zakopana w ziemi, istnieją inne możliwości aranżacji. Przykład działania systemu złożonego z beczek przedstawiono na poniższym filmie.

Najprościej jest zorganizować ogrzewanie od dołu, układając rurę z systemu grzewczego, ale wydajność takiego wymiennika ciepła jest stosunkowo niska. Lepiej zastosować ogrzewanie zewnętrzne, najlepiej parą, aby biomasa się nie przegrzewała.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Chociaż w montażu i aranżacji instalacji biogazowej nie ma nic skomplikowanego, należy zachować najwyższą ostrożność w szczegółach. Błędy są niedopuszczalne, ponieważ mogą prowadzić do wybuchów i zniszczeń. Oferujemy instrukcje wideo, które pomogą zrozumieć budowę instalacji, poprawnie je złożyć i uzupełnić o przydatne akcesoria do wygodniejszego wykorzystania biogazu.

W filmie opisano, jak działa standardowa instalacja biogazowa:

Przykład domowej instalacji biogazowej. Lekcja wideo dotycząca samodzielnego montażu systemu:

Instrukcja wideo montażu instalacji biogazowej z beczki:

Opis procesu wykonywania mieszadeł do substratu:

Szczegółowy opis działania domowego magazynu gazu:

Niezależnie od tego, jak prosta jest instalacja biogazowa wybrana do domu jednorodzinnego, nie warto na niej oszczędzać. Jeśli to możliwe, lepiej kupić rozbieralny bioreaktor produkcji przemysłowej.

Jeśli nie – należy go wykonać z wysokiej jakości i trwałych materiałów: polimerów, betonu lub stali nierdzewnej. Pozwoli to stworzyć naprawdę niezawodny i bezpieczny system zaopatrzenia domu w gaz.

Czy mają Państwo pytania dotyczące tematu artykułu, znaleźli Państwo błędy lub mają cenne informacje, którymi mogą się podzielić z naszymi czytelnikami? Prosimy o pozostawienie komentarzy, zadawanie pytań i dzielenie się doświadczeniem.