Kryzys nawozowy i gazowy – unikalna szansa na rozwój biogazowni w Polsce

Kryzys nawozowy i gazowy – unikalna szansa na rozwój biogazowni w Polsce

Wywiad z prof. dr. hab. Aleksandrem Lisowskim

Warszawa 05.06.2022

Dr Magdalena Sobańska-Cwalina (MSC): od miesięcy w Europie wiele mówi się na temat czekającego nas kryzysu energetycznego, trudnej nadchodzącej zimie. Rolnicy muszą mierzyć się z ogromnymi podwyżkami cen nawozów mineralnych, które to z pewnością wpłyną na wzrost cen wytwarzanej przez nich produkcji. Podobnie z resztą jak wzrost cen paliw, który obserwowaliśmy po rozpoczęciu wojny na Ukrainie.  Trwa nerwowy import nieodnawialnych surowców energetycznych z zagranicy. Gospodarka Unii Europejskiej zmaga się więc z poważnymi problemami, mającymi wpływ na nas wszystkich. Jednocześnie w rzeczywistości surowce i to te doskonalsze bo odnawialne mamy „na wyciągnięcie ręki”.

Panie Profesorze, czy rozwój biogazowni w Polsce w dłuższym okresie mógłby pomóc w niwelowaniu negatywnych konsekwencji kryzysu nawozowego i energetycznego w Polsce?

Prof. dr hab. Aleksander Lisowski (AL): Zintensyfikowanie rozwoju biogazowni w Polsce jest nieodzowne i te sugestie ze strony naukowców i specjalistów od wielu lat są aktualne, a obecnie, w okresie gwałtownego zawirowania na światowym rynku paliw, potrzeba przyspieszenia tego rozwoju stała się niezmiernie pilna. Od ponad dekady znane jest hasło: biogazownia w każdej gminie. W Polsce jest 2489 gmin, a wszystkich biogazowni około 300, o łącznej mocy 245 MWe (moce energii elektrycznej), w tym biogazowni rolniczych 128 o łącznej mocy 125 MWe. Moc z biogazowni stanowi tylko 2,6% udziału w polskim systemie OZE wynoszącym 9474 MWe. A wykorzystanie mocy z biogazowni w całym krajowym sektorze elektroenergetycznym (ponad 50 GWe) jest tylko małym ułamkiem (0,5%). Polska ma ogromny potencjał rozwoju sektora biogazu. Wynika to z porównania 9300 biogazowni w Niemczech o całkowitej mocy 6,2 GWe, co stanowi około 3% niemieckiej produkcji energii elektrycznej i około 5% dostaw energii elektrycznej z OZE. W Polsce powierzchnia użytków rolnych 14,4 mln ha stanowi 87% powierzchni UR w Niemczech. Niemiecki rząd nadal wspiera rozwój biogazowni w Niemczach tak, aby w 2030 roku osiągnąć moc 8,4 GWe. Z tego wynika, że w Polsce średnia moc biogazowni jest większa niż w Niemczech i wynosi odpowiednio 820 kWe i 670 kWe, ale wcześniejsze instalacje w Niemczech miały połowę tej mocy.

Działania w Polsce powinny być ukierunkowane na wsparcie rozwoju naszych biogazowni , gdyż to ewidentnie niwelować będzie negatywne konsekwencje kryzysu nawozowego i energetycznego. Każdy kierunek wsparcia OZE jest i będzie korzystny, ze względu na odnawialną cechę tych źródeł oraz rozproszenie systemu elektroenergetycznego, co jest dodatkowym, istotnym czynnikiem bezpieczeństwa energetycznego. Uszkodzenie lub zniszczenie pojedynczej biogazowni o mocy 1 MWe skutkuje mniejszymi problemami lokalnymi, a nie regionalnymi jak w przypadku bloku energetycznego o mocy 200 MWe.

Należy podkreślić, że biogazownie pozwalają na skuteczną i bezpieczną utylizację odpadów z przemysłu rolno-spożywczego, przeterminowanej żywności, obornika i gnojowicy. Odchody zwierzęce są źródłem emisji uciążliwych gazów odorowych i cieplarnianych, ale też prowadzą do skażenia gleb i wód w przypadku ich nieodpowiedniego wykorzystania jako nawozu (np. nieodpowiednia dawka, termin nawożenia) lub niezachowania odpowiednich warunków przechowywania. Gnojowica jest substratem rozcieńczającym, inokulującym i buforującym. W Polsce powstaje rocznie 90 mln ton obornika, gnojowicy oraz pomiotu, które wymagają właściwego zagospodarowania. Obecnie wszystkie biogazownie rolnicze w Polsce wykorzystują tylko 4,9 mln ton surowców, w tym rośliny, głównie kukurydzę. W Polsce mamy około 700 tys. ha, które były do niedawna użytkowane rolniczo, a obecnie pozostają nieużywane. To są potencjalne źródła substratów, które powinny być przefermentowane w biogazowniach rolniczych. Coraz częściej chów zwierząt, trzody chlewnej, bydła, odbywa się w dużych gospodarstwach rolnych i wytwarzany obornik i gnojowica są znakomitymi substratami, których przefermentowanie beztlenowe w szczelnych zbiornikach biogazowni znakomicie sprzyja poprawie środowiska naturalnego, zmniejsza ulatnianie się metanu i dwutlenku węgla – gazów cieplarnianych.

W wyniku fermentacji anaerobowej powstaje biogaz z 60% udziałem metanu. Biogaz jest najczęściej spalany w silnikach kogeneracyjnych w celu wytworzenia energii elektrycznej i ciepła, którego, pod względem energetycznym jest więcej niż mocy w energii elektrycznej. Wytworzona energia elektryczna jest najczęściej kierowana do sieci elektroenergetycznej. Ciepło jest częściowo wykorzystane do celów wewnętrznych procesu fermentacyjnego, aby utrzymać temperaturę procesu 37°C ±2°C a także coraz częściej jest tłoczone do sieci cieplnej, do ogrzewania domów i dostarczania ciepłej wody użytkowej. Dzięki temu, ogrzewanie domów jest tańsze o 40%, bez emisji spalin z węgla, popiołu, z zachowaniem czystego powietrza dla społeczności lokalnej.

Trzecim cennym strumieniem jest pozostałość pofermentacyjna, która jest wartościowym, naturalnym nawozem, o dobrym udziale azotu w przyswajalnej formie amonowej przez rośliny. W gnojowic azot w takiej formie ma udział 20%, a w pozostałości pofermentacyjnej 80%. Rolnicy dostarczający substraty do biogazowni mają zapewnione stałe i pewne dochody oraz aplikują pozostałość pofermentacyjną na pola, zmniejszając w ten sposób udział nawozów mineralnych. Przy jesiennym zastosowaniu pozostałości pofermentacyjnej w ilości 40-60 m³/ha pod pszenicę lub kukurydzę nie ma potrzeby stosowania nazwożenia mineralnego. Jedynie wiosną potrzebne jest zbilansowanie NPK. Nawożenie pozostałością pofermentacyjną poprawia gleby  , próchnicę, zwiększa ilość mikroorganizmów, w tym dżdżownic, które poprawiają właściwości gleb, pomagają napowietrzyć glebę i ich urodzajność. Plony po zastosowaniu pozostałości pofermentacyjne zwiększają się o kilkanaście procent. Pozostałość pofermentacyjna może być bezpośrednio rozlewana na ścierniska pól – za pomocą zwykłych rozlewaczy do gnojowicy i następnie mieszana z glebą za pomocą bron talerzowych lub agregatów-uprawowych bądź lepiej z wykorzystaniem aplikatorów doglebowych. Pozostałość pofermentacyjna może być suszona i w takiej formie organicznej lub po zmieszaniu z nawozami mineralnymi jako nawóz organiczno-mineralny jest bardzo ceniony przez rolników i działkowców nawozem. Opisana konwersja biomasy w biogazowniach na cele energetyczne i nawozowe oraz zalety tej konwersji oraz potencjał substratów wykorzystywanych w fermentacji anaerobowej wskazują na potrzebę rozwoju biogazowni w Polsce. W dłuższym okresie biogazownie mogłyby pomóc w niwelowaniu negatywnych konsekwencji kryzysu nawozowego i energetycznego w Polsce.

MSC: Czy da się oszacować, na ile biogazownie mogłyby nam pomóc w zapewnieniu bezpieczeństwa gazowego, nie powodując spadku produkcji żywności (stary argument przeciwników biogazowni: rolnicy, zamiast produkować żywność mogą przekierować swoje ograniczone zasoby na produkcję biogazu/biodiesela)?

AL: Z dotychczasowych analiz wynika, że na cele energetyczne można przeznaczyć do 4% użytków rolnych, bez ujemnych skutków dla sektora żywnościowego. Dla Polski to jest około 500 tys. ha. Podstawowymi substratami w biogazowniach rolniczych są obornik i gnojowica, ale produkcja biogazu z tych substratów jest mała i dlatego stosuje się mieszaninę, dodając do tych naturalnych substratów kiszonkę z kukurydzy lub innych roślin zielonych. Nie jestem zwolennikiem wykorzystania paszy, czyli kiszonki z kukurydzy, do produkcji biogazu, ale biorąc pod uwagę 700 tys. ha niezagospodarowanych gleb w Polsce, to część (nie na wszystkich odłogach można uprawiać rośliny, które zapewniłyby opłacalne plony) tej powierzchni mogłaby i powinna być zagospodarowana. Uważam, że zwierzęta powinny zjeść kukurydzę jako paszę, a dopiero po jej wykorzystaniu do produkcji mleka lub przyrostu żywca można i należy obornik i gnojowicę przeznaczyć do produkcji biogazu. Przy większym wykorzystaniu kukurydzy lub innych roślin do produkcji biogazu lub wykorzystaniu rzepaku do produkcji biodiesla istnieje ryzyko zachwiania na rynku cen kukurydzy lub nasion rzepaku. Takie sytuacje już odnotowano, ale biogazownie też prowadzą rachunek ekonomiczny i nie mogą płacić rolnikom zbyt wysokich cen za kukurydzę, gdyż ich produkcja stanie się nieopłacalna. Po przejściowych okresach turbulencji sytuacja rynkowa najczęściej się normalizuje. Z przytoczonych dostępnych substratów i przy założeniu, że tylko połowa z nich może być wykorzystana, wynika, że w Polsce można zbudować dużo więcej biogazowni niż liczba gmin. Nie odbędzie się to jednak szybko. To należy rozłożyć na kilkadziesiąt lat. Ponadto liczba biogazowni będzie zależała od polityki wsparcia i regulacji prawnych. Można zwiększyć wsparcie dla biogazowni, w których używa się co najmniej 70% obornika i gnojowicy z chowu trzody chlewnej i bydła. Szybki rozwój nowych technologii i materiałów do wytwarzania zbiorników fermentacyjnych może być czynnikiem sprzyjającym i pozwalającym na inwestycji w nowoczesne biogazownie, które po cyklu życia nie będą nastręczać kłopotów z ich utylizacją, co aktualnie stanowi  potencjalnie spore zagrożenia dla środowiska naturalnego. Jak wykorzystać bowiem żelbeton, z którego są wykonane ściany zbiorników fermentacyjnych. Zatasowanie stali lub innych materiałów, które mogłyby być powtórnie wykorzystane są lepszym rozwiązaniem.

W odniesieniu do samego biogazu należy podkreślić, że może być one oczyszczony, głównie z CO₂ i ewentualnie ze związków siarki do czystego metanu, zwanego w tym wypadku biometanem, którego wartość opałowa i zastosowanie są porównywalne z gazem ziemnym. W 2021 roku w instalacjach biogazowni rolniczych wytworzono 513 mln m³ biogazu, z którego można byłoby wyprodukować około 310 mln m³ biometanu. W Polsce nie ma jednak żadnej instalacji biometanowej. W UE jest około 18 tys. biogazowni (o łącznej mocy 11 GW) i 750 instalacji biometanowych. Liderem są Niemcy, ale instalacje biometanowe rozwijają się również we Francji, Włoszech, Szwajcarii, Szwecji, Danii. Cenną cechą biometanu jest jego możliwość magazynowania lub tłoczenia do sieci gazowej, zamiast gazu ziemnego. Biometan można sprężać tak jak sprężony gaz ziemny (CNG) i wykorzystywać jako paliwo transportowe lub skraplać, tak jak gaz ziemny w ciekłym stanie (LNG), który może być przetransportowany na większe odległości i wykorzystany, podobnie jak gaz ziemny, do produkcji energii elektrycznej, ciepła, w przemyśle lub w transporcie.

MSC: Co konkretnie należałoby w Polsce zrobić aby system biogazowni mógł się szybko rozwijać?

AL: W Polsce branża biogazowni walczy o zniesienie barier rynkowych, prawnych i finansowych, związanymi z możliwościami przyłączania nowych biogazowni do sieci elektroenergetycznej. Potrzebne są pewne regulacje prawne, obowiązujące w dłuższym okresie, aby zmniejszyć ryzyko inwestorów. Ryzyko zawsze istnieje, ale jest ono zidentyfikowane i należ je koniecznie ograniczyć. Inwestycja w biogazownię to jest proces, który wymaga wcześniejszego zaplanowania i wiedzy o warunkach realizacji. Nie można działać doraźnie, jeśli inwestycja w biogazownię o mocy 1 MWe wynosi około 20 mln zł. Przy takiej skali kosztów konieczne jest również wsparcie finansowe, odpowiednia polityka kredytowa.

Poważnym problemem jest akceptacja planowanej biogazowni przez społeczność lokalną. Wiele inwestycji nie doszło do skutku tylko z powodu złej informacji i negatywnemu PR wśród mieszkańców gmin, gdzie biogazownia miała powstać. Potrzebne są rzetelne informacje, edukacja, wyjazdy do biogazowni dobrze funkcjonujących, aby przedstawiciele lokalnej społeczności mogli się naocznie przekonać, że biogazownie nie pogarszają jakości życia i nie generują dodatkowych odorów, gdyż nie mogą, ze względu na bezwzględną potrzebę utrzymania szczelności zbiorników fermentacyjnych, z który biogaz nie może być tracony do atmosfery. Jeśli biogazownia powstaje przy istniejącej fermie, w której chowa się trzodę lub bydło, to odorów będzie mniej przy produkcji biogazu. Wynika to z technologii wytwarzania biogazu. Obornik i gnojowica są natychmiast kierowane do biogazowni, bez ich magazynowania w otwartych zbiornikach, z których ulatnia się nieprzyjemny zapach w wyniku naturalnej fermentacji w pryzmie obornika lub w zbiorniku gnojowicy. Bezpośrednia rozmowa z mieszkańcami sąsiadującymi z biogazownią jest dobrym rozwiązaniem. Podczas takich rozmów przedstawiciele otrzymują cenne uwagi o korzyściach związanych ze zmniejszenia kosztów ogrzewania domów, braku spalin z kominów, czystego powietrza, a od wójtów o wpływie podatków do gminy z tytułu istniejącej biogazowni i możliwości finansowania z tych podatków ważnych inicjatyw na rzecz mieszkańców gminy. Rozmowy przedsiębiorcy z wójtem lub prezydentem i spotkania na sesji rady odpowiedniego szczebla są również ważne, gdyż budują odpowiednie, pozytywne relacje.

MSC: Na ile rozwój biogazowni pomógłby w rozwiązywaniu problemu zagospodarowania odpadów organicznych w Polsce?

AL: Wykorzystanie odpadów organicznych, jako pozostałości z przemysłu rolno-spożywczego, owoców, warzyw, wywaru gorzelniczego, młóta, wysłodków buraczanych, pulpy ziemniaczanej, wytłoków z owoców, pestek z jabłek, odpadów komunalnych organicznych, resztek paszy z czyszczenia korytarzy paszowych jest cenne i stanowi wartościowy substrat do produkcji biogazu rolniczego. Tego typu substraty organiczne cechuje duża szybkość rozkładu przez bakterie beztlenowe i duża wydajność produkcji biogazu.

Odpady poubojowe takie jak osady poflotacyjne z rzeźni, zawartość żołądków bydła, odseparowana tkana tłuszczowa i odpady z zakładów mięsnych muszą być zbierane oddzielnie i utylizowane bądź unieszkodliwiane, w ściśle określony sposób. W przypadku mieszania odpadów mieszanka jest zaliczana do kategorii składnika o większym stopniu ryzyka. Tego typu odpady muszą przechodzić wstępną obróbkę termiczną z zachowaniem dodatkowych warunków i dopiero wówczas mogą być skierowane do procesu fermentacji anaerobowej. Tłuszcze są bardzo wydajnym substratem w produkcji biogazu.

W szerszym zastosowaniu odpady komunalne są przetwarzane w biogazowniach przy oczyszczalniach ścieków. Do tej grupy odpadów można dołączyć odpady z restauracji i zakładów zbiorowego żywienia. Przetwarzanie odpadów w fermentacji anaerobowej jest niezmiernie cenne i wartościowe, gdyż oprócz bezpośredniej korzyści z produkcji biogazu, istnieje natychmiastowa możliwość usunięcia odpadów ze środowiska, zmniejszając uciążliwości z tym związane.

Komunalne odpady, magazynowane na wysypiskach śmieci, również mogą i są wykorzystywane do produkcji biogazu. W Polsce jest kilkanaście takich instalacji na dużych wysypiskach śmieci, których jest około 100. Na istniejących wysypiskach śmieci robi się odwierty i instaluje pionowe rury perforowane o dużej średnicy oraz przewody, którymi biogaz jest kierowany do systemu oczyszczającego i spalany w silnikach kogeneracyjnych. Biogaz z wysypiska jest produkowany przez ponad 30 lat i w tym czasie zewnętrzna hałda, o dobrze wyliczonej wysokości, przykryta grubą warstwą ziemi, zapada się, zrównując się z poziomem otoczenia. Pozostaje teren, który może być wykorzystany rolniczo.

Rozwój biogazowni z pewnością pomógłby w rozwiązywaniu problemu zagospodarowania odpadów organicznych w Polsce, które w dalszym ciągu są w dużym stopniu składowane. W 2020 roku zebrano 13,1 mln t odpadów komunalnych, z których aż 40% składowano, a tylko 12% przetworzono w procesach biologicznych; kompostowanie, fermentacja. Produkcja biogazu stanowi dobry przykład gospodarki bezodpadowej o obiegu zamkniętym, która znacząco zmniejsza zanieczyszczenie środowiska i racjonalnie zwiększa zagospodarowanie odpadów organicznych. To ma i będzie miało znaczący wpływ na złagodzenie efektu cieplarnianego.

MSC: Od jakich państw powinniśmy czerpać wzorce w zakresie rozwoju biogazowni i dlaczego?

AL.: Rynek instalacji biogazowych na świecie jest szczególnie rozwinięty w Stanach Zjednoczonych, gdzie biometan wykorzystywany jest przede wszystkim do produkcji energii energetycznej. Potęgą produkcji bioenergii są również Chiny, gdzie główną ideą istniejących instalacji jest produkcja ciepła. Europie Zachodniej pod względem liczby instalacji przodują Niemcy, ale rynek biogazu rozwija się z powodzeniem także we Włoszech, Szwajcarii, Francji, Czechach, Austrii oraz Wielkiej Brytanii, co jest możliwe dzięki prowadzonej tam proekologicznej gospodarce.

Polska znajduje się w umiarkowanej strefie klimatycznej i powinniśmy się wzorować na rozwiązaniach technicznych i technologicznych jakie są stosowane u naszych sąsiadów, a zwłaszcza w Niemczech. Niemcy mają największe doświadczenie, wiedzę i umiejętności.

Pionierem w produkcji biogazu była Dania, którą dotknął głębiej kryzys energetyczny z 1973 roku, gdyż Dania nie dysponuje złożami węgla kamiennego. Na przykładzie Danii możemy się uczyć podejścia wspólnotowego (10-20 osób), gdyż okoliczni rolnicy dostarczają surowce do większej biogazowni i odbierają pozostałość pofermentacyjną. Ważnym elementem sektora biogazowego w Danii było przyjęcie w 2012 roku ustawy Porozumienie energetyczne wprowadzającej mechanizm wsparcia w postaci taryf feed-in, aby sprawniej przyłączać się do sieci gazowej. Dania wprowadziła też cel wykorzystania 50% gnojowicy od trzody chlewnej i bydła do produkcji biogazu. Od 2018 Dania zaczęła przeznaczać 32 mln euro na rok na rozwój biogazu oraz doskonalenie procesów jego użycia w transporcie i przemyśle.

Rozwój biogazowni będzie ściśle związany z przepisami i regulacjami. Tak jest w Niemczech, gdzie wprowadzono również ustawę obejmującą taryfy typu feed-in, dłuższe perspektywy finansowania dla istniejących jednostek (do 2030), pakiet wspomagający rozwój energetyki biogazowej oraz przepisy uelastyczniające dotychczasowe regulacje.

Warto monitorować różne rozwiązania w sąsiednich krajach, aby wyciągać wnioski jak zmiana regulacji wsparcia wpływa na zachowanie się graczy na runku. Profesjonaliści, działający w większej skali będą zawsze lepiej zachowywać się i odnajdować w skomplikowanym gąszczu administracyjnym niż zwykli rolnicy, którzy mają mniejsze instalacje, w tym mikroinstalacje.

W sektorze biogazowni zaczynają właśnie odgrywać rolę mikroinstalacje, których na początku 2022 roku było 32 o łącznej mocy 819,6 kWe i średniej moc pojedynczej mikroinstalcji 25,6 kWe.

MSC: serdecznie dziękuję za  cenny głos Pana Profesora w dyskusji na temat rozwoju branży biogazu w Polsce. Bardzo chciałabym żeby trudny moment, w którym jesteśmy stał się jednocześnie początkiem dobrych zmian, nowego podejścia do myślenia o energetyce w Polsce. Mam nadzieję, że wiedza Pana i całego środowiska naukowego  będzie dostrzeżona, doceniona i właściwie wykorzystana dla rozwoju branży biogazu w naszym kraju.

Aleksander Lisowski Prof. dr hab. inż. Aleksander Lisowski jest zatrudniony w  Katedrze Inżynierii Biosystemów Instytutu Inżynierii Mechanicznej  na stanowisku profesora zwyczajnego Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego. W kadencji 2020-2024 jest członkiem: Rady Uczelni SGGW, Senatu tejże uczelni, a także Rady Dyscypliny Inżynieria Mechaniczna (od 2019 r.). Zainteresowania naukowe Profesora obejmują następujące zagadnienia: technika zbioru produktów objętościowych oraz zbóż i ziemniaków, modelowanie matematyczne procesów roboczych maszyn rolniczych, rolnictwo precyzyjne, monitorowanie parametrów gleby i plonu roślin w czasie rzeczywistym, eksploatacja maszyn, bezpieczeństwo użytkowania maszyn, rynek maszyn rolniczych, zarządzanie jakością, a ostatnio doskonalenie technik i technologii rolniczych, zbiór roślin energetycznych, wyjaśnienie zjawisk zachodzących w przerabianym materiale roślinnym i glebowym po wpływem zewnętrznych wymuszeń elementów i zespołów maszyn; konwersja biomasy na biogaz i paliwa formowane, w tym wyjaśnienie mechanizmu wiązań cząstek lignocelulozowych przy oddziaływaniu termicznym i z dodatkiem lepiszczy; modelowanie procesów fizycznych separacji i zagęszczania materiałów biologicznych. Według koncepcji i pod kierunkiem Prof. A. Lisowskiego wykonano kilka stanowisk dydaktycznych i badawczych dotyczących pomiaru właściwości fizycznych biomasy i jej konwersji na paliwa stałe i gazowe oraz pomiarów energetycznych elementów roboczych narzędzi i maszyn rolniczych. Za wdrożenia postępu w rolnictwie otrzymał dwie nagrody ministra rolnictwa (2001, 2002), a za działalność naukową, dydaktyczną lub organizacyjną został wyróżniony 17 nagrodami Rektora SGGW.