Analysis of the possibilities of using a hybrid heating system in the process of anaerobic biomass decomposition in a container fermenter

• Autorzy: Adamski M. , Herkowiak M. , Mioduszewska N. , Osuch E. , Osuch A. , Niedbała G. , Piekutowska M. , Przygodziński P.

Warianty tytułu

PL

Analiza możliwości wykorzystania hybrydowego systemu grzewczego w procesie beztlenowego rozkładu biomasy w fermentorze kontenerowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The subject of the work concerns the design of a hybrid solar system to maintain mesophilic conditions in the process of anaerobic biomass decomposition. The main purpose of the work was to design a hybrid heating installation for a biomass utilizer. It was assumed to simulate the use of three energy sources: photovoltaic panels, solar collector and heat from biogas combustion. It was assumed that the results of the analysis will be supported by evaluation of biogas yield for waste consisting food. The quasi-continuous and periodic operation of the rendering chamber was tested in relation to the energy demand for maintaining the mesophilic conditions in the fermentation process. As a result of the objective of the work, biogas productivity tests of the selected substrate mixture were carried out. A general design of the utilization plant (microbiogas plant) was also carried out, including thermal insulation and the design of the heating system. In order to determine the heat losses of the digester, the methodology based on the heat transfer coefficient by individual partitions was used. The level of biogas production was determined using a test stand complying with the requirements of DIN 38 414 S.8. On the basis of the volume of biogas production, thermal deficiencies resulting from its combustion were determined. Biogas deficiencies constituted more than 30% in the worst computing conditions for the periodic system and about 6% for the quasicontinuous system. The designed heating installation, which uses additional solar energy, in the case of a periodic system, allowed to cover 100% of the summer heat demand. In winter, the coverage of heat demand was around 90% for average monthly temperatures in December and January and 80% for the worst computing conditions. Identified energy shortages can be limited by optimizing the control of the biological process and optimizing the parameters of thermally insulating layers.

PL

Tematem pracy jest projekt hybrydowego systemu solarnego w celu utrzymania warunków mezofilnych w procesie beztlenowego rozkładu biomasy. Głównym celem pracy było zaprojektowanie hybrydowej instalacji grzewczej dla utylizatora biomasy. Założono symulację wykorzystania trzech źródeł energii: paneli fotowoltaicznych, kolektorów słonecznych i ciepła ze spalania biogazu. Wskazano, iż wyniki analizy będą poparte oceną wydajności biogazowej dla substratów zawierających składniki żywności i paszy. Quasi-ciągłe i okresowe działanie komory utylizacyjnej badano w odniesieniu do zapotrzebowania na energię do utrzymywania warunków mezofilnych w procesie fermentacji. W wyniku realizacji celu pracy wykonano biogazowe testy wydajności wybranej mieszaniny substratów. Wykonano również ogólny projekt instalacji utylizacyjnej (instalacji mikrobiogazowej), obejmującej izolację termiczną i projekt systemu grzewczego. W celu określenia strat ciepła komory fermentacyjnej zastosowano metodę opartą na współczynniku przenikania ciepła poszczególnych elementów konstrukcji. Poziom produkcji biogazu określono za pomocą stanowiska testowego zgodnego z wymaganiami normy DIN 38 414 S.8. Na podstawie wielkości produkcji biogazu określono niedobory termiczne wynikające z jego spalania. Niedobory biogazu stanowiły ponad 30% w najgorszych warunkach obliczeniowych układu okresowego i około 6% w systemie quasiciągłym. Zaprojektowana instalacja grzewcza, w której wykorzystywana jest dodatkowa energia słoneczna, będzie w przypadku układu okresowego bilansowała się na poziomie 100% letniego zapotrzebowania na ciepło. Zimą pokrycie zapotrzebowania na ciepło wynosiło około 90% w przypadku średnich temperatur miesięcznych w grudniu i styczniu oraz 80% dla najgorszych warunków obliczeniowych. Zidentyfikowane niedobory energii można ograniczyć, optymalizując kontrolę procesu biologicznego i optymalizując parametry warstw termoizolacyjnych.

Słowa kluczowe

EN

methane fermentation; waste processing; container utilizer; hybrid heating system

PL

fermentacja metanowa; przetwarzanie odpadów; utylizator kontenerowy; hybrydowy system grzewczy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Poznański Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, nr 4
• Strony: 7--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 58 poz., rys., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Adamski M.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Herkowiak M.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Mioduszewska N.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Osuch E.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Osuch A.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Niedbała G.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

autor

Piekutowska M.

• Koszalin University of Technology, Department of Agrobiotechnology, Faculty of Mechanical Engineering ul. Racławicka 15-17, 75-620 Koszalin, Poland

autor

Przygodziński P.

• University of Natural Sciences in Poznań, Institute of Biosystems Engineering ul. Wojska Polskiego 50, 60-627 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Adamski M., Szaferski P.T., Gulewicz P., Majkowski W. [2018]. Silage of Switchgrass (Panicum virgatum) as a Bioenergy Feedstock in Poland. Ochowiak, M., Woziwodzki, S., Doligalski, M., Mitkowski, P.T. (Eds.) Practical Aspects of Chemical Engineering. Selected Contributions from PAIC 2017, ISBN 978-3-319-73978-6, 1-15.
• [2] Banach, M., Kowalski, Z., Marszałek, M. [2011]. Utylizacja gnojowicy na drodze fermentacji metanowej i tlenowej – produkcja biogazu i kompostu. W: Czasopismo Techniczne. Chemia, r. 108, nr 2, z. 10, s. 143-158. ISSN 1897-6298.
• [3] Bartoszek, B., Buraczewski, G. [1990]. Biogaz wytwarzanie i wykorzystanie. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, s. 45-53. ISBN 83-01-09534-2.
• [4] Bazzocchi, F., Croci, L. [2015]. Integration between a geothermal heat pump and thermo-photovoltaic solar panels. W: IEA Heat Pump Centre Newsletter, t. 33, nr 3, s. 34-37. ISSN 2002-018X.
• [5] Bilitewski, B., Härdtle, G., Marek, K. [2003]. Podręcznik gospodarki odpadami: teoria i praktyka. Wydawnictwo „Seidel-Przywecki”, Warszawa, s. 270-277, 292-327. ISBN 83- 910801-9-6.
• [6] Biskupska, K., Romaniuk, W. [2014]. Biogazownia rolnicza krok po kroku. Wydawca: Hortpress sp. z o.o., Warszawa, s. 5. ISBN 978-83-61574-58-3.
• [7] Buczkowski, R., Cichosz, M., Igliński, B. [2009]. Technologie bioenergetyczne: monografia. Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, Toruń, s. 171-177, 259- 269. ISBN 978-83-231-2441-2.
• [8] Buraczewski, G. [1989]. Fermentacja metanowa. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, s. 11. ISBN 83-01-09533-4.
• [9] Burczyk, B. [2011]. Biomasa. Surowiec do syntez chemicznych i produkcji paliw. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, s. 232-234. ISBN 978-83-7493-643-9.
• [10] Ciechanowicz, W., Szczukowski, S. [2015]. Ogniwa paliwowe, wodór, metanol i biomasa szansą rozwoju obszarów wiejskich i zurbanizowanych. Wydawnictwo UWM, Olsztyn, s. 26-31. ISBN 978-83-7299-927-6.
• [11] Curkowski, A., Oniszk-Popławska, A., Wiśniewski, G., Zowsik, M. [2011]. Mała biogazownia rolnicza. Wydawca: Fundacja Instytut na rzecz Ekorozwoju, Warszawa, s. 7, 9. ISBN 978-83-89495-06-8.
• [12] DIN 30722 – 1: Abrollbehälter Standard.
• [13] DIN 38414 S 8. [2012]. Niemiecka znormalizowana metoda badań wody, ścieków i osadów. Osady i sedymenty (grupa S). Określenie charakterystyki fermentacji (S. 8). DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, 2012.
• [14] Durczak K., Adamski M., Mitkowski P.T., Szaferski W., Gulewicz P., Majkowski W. [2018]. Chemical Processing of Switchgrass (Panicum virgatum) and Grass Mixtures in Terms of Biogas Yield in Poland. Ochowiak, M., Woziwodzki, S., Doligalski, M., Mitkowski, P.T. (Eds.) Practical Aspects of Chemical Engineering. Selected Contributions from PAIC 2017, ISBN 978-3-319-73978-6, 85-99.
• [15] Dylla, A. [2015]. Fizyka cieplna budowli w praktyce. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. ISBN 978-83-01- 18168-0.
• [16] Gattermann, H., Scholwin, F., Weiland, P. [2006]. Merkmale und Unterscheidung verschiedener Verfahrensvarianten. W: Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung. Wydawca: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow, Niemcy, s. 36-44. ISBN 3-00-014333-5.27.07.2017: http://www.big-east.eu/downloads/FNR_HR_Biogas.pdf.
• [17] IEC 61215: Moduły fotowoltaiczne (PV) do zastosowań naziemnych -- Kwalifikacja konstrukcji i aprobata typu -- Część 1: Wymagania dotyczące badań, PN-EN 61215-1:2017-01.
• [18] IEC 61646: Cienkowarstwowe naziemne moduły fotowoltaiczne (PV) -- Kwalifikacja konstrukcji i zatwierdzenie typu, PN-EN 61646:2008.
• [19] Immergas [2014]. Instalacje solarne – wytyczne projektowe. 12.12.2017: www.immergas.com. pl.
• [20] Jędrczak, A. [2007]. Biologiczne przetwarzanie odpadów. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, s. 226-244, 395- 396, 399-400, 406-407. ISBN 978-83-01-15166-9.
• [21] Kędzierski, P. [2009]. Zabezpieczenia instalacji ogrzewań wodnych systemu zamkniętego. 12.12.2017: http://www.is.pw.edu.pl/~pawel_kedzierski/Zabezpieczenie.
• [22] Klein, M., Siuzdak, K., Szkoda, M. [2014]. Badania i rozwój technologii ogniw PV. W: Czysta Energia, nr 12 (160), s. 32- 34, ISSN 1643-126X.
• [23] Klugmann-Radziemska, E. [2010]. Fotowoltaika w teorii i praktyce. Wydawnictwo BTC, Legionowo, s. 71-87, 159. ISBN 978-83-60233-58-0.
• [24] Kłos, M., Michalski, Ł., Molik, Ł., Paska, J. [2010]. Układy hybrydowe – integracja różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej. W: Elektoenergetyka – Współczesność i Rozwój, nr 4 (6), s. 46-57. ISSN 2080-8593.
• [25] Kołodziejczyk, T., Myczko, R. [2011]. Proces fermentacji beztlenowej. W: Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych: poradnik dla inwestorów zainteresowanych budową biogazowni rolniczych. Red. A. Myczko. Wydawnictwo ITP, Warszawa-Poznań, s. 10-15. ISBN 978-83-62416-23-3.
• [26] Krakowiak, A. [2009]. Rozkład beztlenowy jako proces mineralizacji odpadów organicznych i odzyskania energii w postaci biogazu. W: Nauki Inżynierskie i Technologie. Prace Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu, t. 1, nr 57. Red. E. Kociołek-Balawejder. Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu Ekonomicznego we Wrocławiu, Wrocław, s.170-183.
• [27] KTBL-Heft 84 2009: Schwachstellen an Biogasanlagen verstehen und vermeiden. Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e.V. (KTBL), Darmstadt, Druckerei Lokay, Reinheim, 56 s.
• [28] Laskowski, J., Szpryngiel, M., Pabis, J. [2015]. Inżynieria konwersji energii ze źródeł odnawialnych „OZE”. WWSZiP, Wałbrzych-Lublin, s. 203-204. ISBN 978-83-60904-11-4.
• [29] Lemański, J. [1993]. Zasady uszczelniania wysypisk, ujmowanie gazu i odcieków. W: Gospodarka odpadami na wysypiskach. Red. E.S. Kempa. ARKA KONSORPCJUM s.c., Poznań, s.77-120. ISBN 83-85060-57-X.
• [30] Lipińska, D. [2016]. Gospodarka odpadowa i wodnościekowa. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź, s. 51, 52-54. e-ISBN 978-83-8088-058-0.
• [31] Mitkowski P.T., Adamski M., Szaferski W. [2016]. Experimental set-up of motionless hydraulic mixer and analysis of hydraulic mixing. Chemical Engineering Journal, Vol. 288, 618-637.
• [32] Mitkowski P.T., Szaferski W., Adamski M. [2018]. Hydraulic Mixing. Ochowiak, M., Woziwodzki, S., Doligalski, M., Mitkowski, P.T. (Eds.) Practical Aspects of Chemical Engineering. Selected Contributions from PAIC 2017, 291-306. ISBN 978-3-319-73978-6.
• [33] Myczko A., Myczko R., Kołodziejczyk T., Golimowska R., Lenarczyk J., Janas Z., Kliber A., Karłowski J., Dolska M., [2011]. Budowa i eksploatacja biogazowni rolniczych. Wyd. ITP Warszawa-Poznań.
• [34] Neugebauer, M., Piechocki, J., Sołowiej, P. [2010]. Gazyfikacja biomasy odpadowej z produkcji rolniczej. W: Inżynieria Rolnicza, r. 14, nr 5 (123), s. 219-224, e-ISSN 2449-5999.
• [35] Niedziółka, I., Szpryngiel, M. [2014]. Możliwości wykorzystania biomasy na cele energetyczne. W: Inżynieria Rolnicza, r. 18, nr 1 (149), s. 155-164. e-ISSN 2449-5999.
• [36] Pilarska, A., Pilarski, K. [2009]. Parametry procesu kompostowania. W: Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna, 1, 16-17. ISSN 1732-1719.
• [37] PN-EN 50438: 2014-02: „Wymagania dla instalacji mikrogeneracyjnych przeznaczonych do równoległego przyłączania do publicznych sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia”.
• [38] PN-EN 60269-6: 2011E: Bezpieczniki topikowe niskonapięciowe - Część 6: Wymagania dodatkowe dotyczące wkładek topikowych do zabezpieczania fotowoltaicznych systemów energetycznych.
• [39] PN-EN 61173: 2002: Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej – Przewodnik.
• [40] PN-EN 61724: 2002P: „Parametry charakterystyczne autonomicznych systemów fotowoltaicznych (PV)”.
• [41] PN-EN 62109-2:2011: „Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych - Część 2: Wymagania szczegółowe dotyczące falowników”.
• [42] PN-EN 62305-1: 2011: Ochrona odgromowa - Część 1: Zasady ogólne.
• [43] PN-EN 62305-3: 2011: Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
• [44] PN-HD 60364-6:2016-07: Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 6: Sprawdzanie.
• [45] PN-HD 60364-7-712: 2016-05: Instalacje elektryczne niskiego napięcia - Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji -- Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
• [46] PN EN 12831 2004: Instalacje ogrzewcze w budynkach Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego.
• [47] PN-74/C-04540/00. Wydawnictwo Normalizacyjne. Warszawa. Oznaczenie zasadowości.
• [48] PN-75/C-04616/01. Wydawnictwo Normalizacyjne. Warszawa. Oznaczanie suchej masy osadu i substancji organicznych. Woda i ścieki. Badania specjalne osadów. Oznaczanie zawartości wody, suchej masy, substancji organicznych i substancji mineralnych w osadach ściekowych.
• [49] PN-75/C-04616/04. Wydawnictwo Normalizacyjne. Warszawa. Oznaczenie lotnych kwasów tłuszczowych.
• [50] PN-90 C-04540/01. Wydawnictwo Normalizacyjne. Warszawa. Woda i ścieki. Badania pH, kwasowości i zasadowości. Oznaczanie pH wód i ścieków o przewodności elektrolitycznej właściwej 10 µS/cm i powyżej metodą elektrometryczną.
• [51] Rosik-Dulewska, C. [2010]. Podstawy gospodarki odpadami. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, s. 73, 168-198. ISBN 978-83-01-16353-2.
• [52] Steppa, M. [1988]. Biogazownie rolnicze. Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa, Warszawa, s. 6, 16.
• [53] Strzeszewski, M. [2010]. Obliczenia hydrauliczne instalacji centralnego ogrzewania. http://www.is.pw.edu.pl/~michal_strzeszewski/ioiw/hydraulika.
• [54] Szymański, B. [2017]. Instalacje fotowoltaiczne. GLOBEnergia, Kraków. ISBN 978-83-65874-00-9.
• [55] Tys, J., Wiącek, D. [2015]. Biogaz-wytwarzanie i możliwości jego wykorzystania. W: Acta Agrophysica Monographiae, z. 1. IAPAN, Lublin, s. 10-14, 30-35. ISSN 2084-3429, ISBN 978-83-89969-12-5.
• [56] Tytko, R. [2016]. Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej. Wydawnictwo i Drukarnia Towarzystwa Słowaków w Polsce, Kraków, s. 73-91, 168-185, 321-323, 348-350, 395,580-589, 603-608. ISBN 978-83-7490-649-4.
• [57] VDE V 0126-1-1: 2013-08: Automatic disconnection device between a generator and the public low-voltage grid (DIN VDE V 0126-1-1 VDE V 0126-1-1:2013-08).
• [58] Zawadzki, M. [2003]. Kolektory Słoneczne, Pompy Ciepła – Na Tak. Oficyna wydawnicza firmy Ekologia sp. z o.o., Warszawa, s. 42, 44-47, 122-146, 153-202. ISBN 83-918540-0-0.