1/63
Využití biomasy ve zdrojích pro CZT spalování biomasy
bioplynové stanice
2/63
Spalování biomasy Teplárna Třebíč - sever
3/63
CZT s využitím biomasy
biomasa jako palivo
obnovitelná – trvale udržitelné palivo – sklízení ročních přírůstků
CO2 neutrální
regionální model: pěstování, zpracování, produkce, využití v místě
vícepalivové hospodářství: štěpka, piliny, sláma, traviny, energetická biomasa snížení rizikovosti dodávek paliv a výkyvů ceny
4/63
Pravidla úspěšných projektů (CZT)
dostupnost paliva v přijatelné ceně
analýza trhu, smlouvy o dodávce paliva, dlouhodobé kontrakty
velmi problematické najít stabilní zdroj biomasy pro větší výkony
biomasa: včera odpad – dnes strategická surovina
dopravní vzdálenost max. do 30-50 km (velké zdroje až 100 km)
5/63
Pravidla úspěšných projektů (CZT)
kvalitní projektová dokumentace
náročná předprojektová a projektová příprava (nejsou k dispozici finance)
příprava stavby, omezení víceprací
efektivní kontrola provedení na stavbě
6/63
Pravidla úspěšných projektů (CZT)
ekonomicky efektivní podnikatelský záměr
konkurenceschopnost v provozu, ekonomika provozu samotná dotace na instalaci kotelny na biomasu nic nevyřeší projekty velmi citlivé na změnu ceny paliva odhad rozvojového potenciálu obce, budoucí výstavba (odpojování od CZT x připojování k CZT)
zajištění odběru tepla, soustředěná výstavba
kogenerace: snaha o maximální využití tepla
7/63
Pravidla úspěšných projektů (CZT)
lidský faktor
místní autorita, která kotelnu prosadí
spolehlivá obsluha
8/63
Výtopna na biomasu - schéma 1 Dovoz dřevního paliva 2 Hydraulický agregát, 3 Denní zásobník paliva 4 Hydraulický dopravník 5,6 Teplovodní kotle 7 Kontejner na popílek 8 Kontejner na popel 9 Rozvaděče 10 Řídící pracoviště 11 Oběhová čerpadla
Výtopna 4 MW Kašperské hory
9/63
Spalovací zařízení na biomasu (CZT)
spalování na roštu (ve vrstvě)
paliva s vysokou vlhkostí > 40 %, výkony do 50 MW, účinnost do 85 % několikanásobný přívod vzduchu (optimalizace), vícestupňové spalování
fluidní spalování
vznos částic paliva proudem spalin a vzduchu, vysoký přenos tepla a látky, cirkulační vrstva, účinnost 85 – 88 % pouze 700 až 900 °C, menší produkce NOx, rychlé spalování, vlhká biomasa
cyklonové odlučovače
10/63
Roštové kotle na štěpku, piliny do 10 MW
oddělená spalovací komora
velká spalovací a dohořívací komora velká akumulace – šamot terciární vzduch
11/63
Roštové kotle na vlhkou biomasu 1 až 10 MW 95 až 100 °C 0,3 až 0,6 MPa sekundární vzduch terciární vzduch
dohořívací komora horkovodní kotel (trubkový výměník)
předsušení paliva přívod a úprava paliva (hydraulický zavážecí lis) odvod popela
12/63
Spalovací zařízení na slámu
kotel
rozpojovač, rozdružovač balíků
dohořívací komora rošt, popelník
šnekový podavač
13/63
Spalovací zařízení na slámu (balíky)
14/63
Fluidní kotle – spalování ve fluidní vrstvě stacionární fluidní vrstva na roštu
pro kotle menších výkonů
cirkulující fluidní vrstva, cyklon
15/63
Zdroje tepla na biomasu
sklad paliva
svoz paliva – velkokapacitní vozy skládka (zastřešené haly, bez zastřešení), pohotovostní sklad velikost podle typu paliva, objem minimálně na 7 dní (v zimě)
doprava a manipulace s palivem
nakladač (podle typu paliv, zrnitosti), mostový jeřáb s drapákem
16/63
Zdroje tepla na biomasu
spalování, spalovací zařízení
vlastní kotle (teplovodní, parní), rozložení výkonu do několika jednotek záložní kotel
přívod spalovacího vzduchu, odvod tepla, spalin, popela
šnekový podavač popela, filtry, cyklony (sláma), ohřev vzduchu, ventilátory teplosměnné plochy, napojení na CZT, předávací stanice, akumulátor
17/63
Provozní charakteristiky zdroje CZT
denní odběr tepla
měsíční a roční odběr tepla
denní akumulátor
výkonová skladba kotlů, rozdělení instalovaného výkonu do více zařízení střídání provozu kotlů
odběr elektrické energie
povinný výkup, vyvedení výkonu
18/63
Provozní charakteristiky zdroje CZT využití špičkového kotle (ZP) x akumulace
možnost využití akumulace:
pro zimní špičky – snížení instal. výkonu pro léto – snížení cyklování kotle
19/63
Solar + biomasa v CZT Kotelna na biomasu
Akumulátor: pro snížení instalovaného výkonu v zimě pro omezení startů v přechodovém období
20/63
Ekonomické parametry – investice
lokální zdroje pro budovy
kotel na kusové dřevo: 1 až 3 tis. Kč/kWt kotel na pelety: od 5 do 20 tis. Kč/kWt (v závislosti na kvalitě, původu, dodávce) kotel na štěpku: od 5 do 15 tis. Kč/kWt
soustavy CZT, výtopny
zdroj tepla: 5 až 10 tis. Kč/kWt
včetně CZT: 15 až 25 tis. Kč/kWt
náklady na CZT zhruba 30 – 50 % celkových nákladů
21/63
Ekonomika využití biomasy (CZT)
cena biomasy
konkurence: stavebnictví, zemědělská výroba, vývoz biomasy do zahraničí malý trh = velké výkyvy, nabídka – poptávka 2005: výkup elektřiny z biomasy, spoluspalování velkých množství biomasy s uhlím v kondenzačních elektrárnách (účinnost využití biomasy pouze 20 %)
2009: výstavba kondenzačních bioelektráren, vysoké zelené bonusy
zvýšení ceny biomasy pro všechny subjekty
22/63
Zásady využití biomasy (CZT)
teplárenská výroba elektřiny a tepla
nepodporovat kondenzační bioelektrárny „na zelené louce“
podporovat využití energie biomasy v KVET
nahrazovat biomasou uhlí ve stávajících teplárnách
využít záměrně pěstované biomasy
23/63
Plzeňská teplárna
energoblok na biomasu
elektrický výkon 11,6 MW
tepelný výkon 35 MW
14 t/h biomasy, 120 000 t/rok ≈ náhrada 90 000 t/rok hnědého uhlí
štěpka z rychlerostoucích dřevin, tráva, vojtěška, řepková a obilná sláma, odpad z lesů a pil, mláto z pivovaru dovoz z okruhu 80 km
24/63
Výtopna Žlutice
zdroj tepla
původně blokové uhelné kotelny
2002: centrální zdroj tepla – výtopna na biomasu
kotel 2,5 MW na dřevní odpad
kotel 1,8 MW na dřevní odpad a balíky slámy
kotle 2 x 1,8 MW pouze na slámu
palivo
piliny, dřevní odpad z těžby dřeva, štěpka z náletů, vlhkost do 50 %
sláma (obilná, řepková), energetický šťovík, vlhkost do 18 %
ročně 4 až 4,5 tisíc tun paliva (polovina sláma)
25/63
Výtopna Žlutice – zavážení dřevní hmoty
26/63
Výtopna Žlutice – zásobník paliva
27/63
Výtopna Žlutice – sláma uskladnění
28/63
Výtopna Žlutice – zavážení paliva
29/63
Výtopna Žlutice – rozdružení balíků
30/63
Výtopna Žlutice – kotlové výměníky
31/63
Výtopna Žlutice – rozvod tepla
teplovodní rozvod
teplotní úroveň 105 / 65 °C
tři sídliště: 700 bytů
městské objekty: školy a školky, obchodní dům, pošta, lékárna, policie, farní úřad
celkem 12 km teplovodů
70 % města
bez plynofikace
32/63
Výtopna Žlutice – cena tepla Cena tepla ČR Žlutice
2004
2005
2006
2007
2008
2009
361,50
398,32
460,02
463,54
542,85
579,87
357,00
378,00
388,50
476,70
486,15
533,01
množství dřevní štěpky v ČR: 1 600 000 tun
spalováno (2009):
850 000 tun
13 nových projektů (2011)
650 000 tun
24 nových záměrů (2012-2014) 2 100 000 tun
zvýšení ceny dřevní štěpky hledání alternativ
33/63
Biomasa pro výtopny
orientace na jiná paliva než štěpku obilná sláma zbylá po sklizni zrna
cíleně pěstované energetické rostliny
zajištění paliva dlouhodobými kontrakty
od spolehlivých dodavatelů svozové vzdálenosti – překrývání oblastí
34/63
Biomasa – zdroje plánované 2012-2014
35/63
Bioplynové stanice
36/63
Přeměna biomasy
rozklad za přístupu vzduchu - spalování C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O + uvolněná energie Q
rozklad bez přístupu vzduchu C6H12O6 3 CH4 + 3 CO2
bioplyn
37/63
Proces tvorby bioplynu
metanové kvašení / anaerobní digesce
biochemický proces tvorby metanu
přeměna organických látek přes řadu meziproduktů na metan a CO2
řada na sebe navazujících fyzikálních, fyzikálně-chemických a biologických procesů směsná kultura metanogenních mikroorganismů rozkládá postupně za podmínek bez přístupu vzduchu (bez kyslíku) vyšší uhlovodíky (organické látky) a produkují energii potřebnou pro jejich metabolismus
produkt jedné skupiny bakterií je substrátem pro druhou skupinu
metan CH4 a oxid uhličitý CO2 jsou vedlejší produkty procesu
38/63
Etapy
hydrolýza
probíhá v aerobním prostředí (vzdušný kyslík ze vsázky)
předpokladem je dostatečná vlhkost > 50 % hmotnostního podílu
enzymatický rozklad polymerů (polysacharidy, proteiny, lipidy) na jednodušší organické látky – monomery (cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny)
acidogeneze
materiál může obsahovat ještě zbytky vzdušného kyslíku dochází definitivně k vytvoření anaerobního prostředí, odstranění zbytků O2 zajišťují kmeny anaerobních mikroorganismů
39/63
Etapy
acetogeneze
metanogeneze
mezifáze, acidogenní kmeny bakterií transformují vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou (CH3COOH), H2 a CO2 metanogenní bakterie rozkládají kyselinu octovou na CH4 a CO2 (acetotrofní), nebo produkují CH4 z H2 a CO2 (hydrogenotrofní)
energetická bilance
90 % energie se uvolňuje jako chemická energie metanu CH4
zbytek se uvolňuje v průběhu chemické reakce jako teplo (ztráty)
v přírodě: bahnité rybníky (neřízený proces), v průmyslu: bioreaktory s řízeným vstupem surovin (řízené podmínky)
40/63
Podmínky
teplota
hlavní činitel - určuje úroveň látkové přeměny, a tím i množení mikroorganizmů.
ovlivňuje hlavní technologické parametry, tj. množství a složení bioplynu.
rozsah teplot je poměrně široký 10 do 60 °C
má vliv na druhy bakterií
41/63
Podmínky
mikroorganismy
psychrofilní: 20 až 30 °C
mezofilní: 30 až 40 °C většina provozovaných bioplynek v ČR se pohybuje v rozmezí 35-40 °C bakterie málo citlivé na změny, snadné udržení procesu
37 °C je teplota zažívacího traktu přezvýkavců (stejný proces)
termofilní: 40 až 55 °C nejvyšší aktivita, největší výtěžek bioplynu, nutné vyhřívání, 30 – 50 % energie, podle izolace
42/63
Podmínky
doba zdržení
závislá na teplotě, optimální doba pro zdržení substrátu
psychrofilní
40 až 100 dní
mezofilní
25 až 40 dní
termofilní
12 až 25 dní
vlhkost
min obsah 50 % v substrátu
pH
optimálně okolo 7,5
sledovat při spoludigesci kyselých substrátů (zpracování potravin)
43/63
Podmínky
dodatkové látky
bakterie potřebují dusíkaté látky, minerály a stopové prvky pro svůj metabolismus
hnůj, kejda: látky jsou přítomny v dostatečném množství
dusík pomáhá udržovat pH – přeměnou na čpavek neutralizuje kyseliny
příliš mnoho N2 – výrazná produkce čpavku, toxicita
optimální poměr C:N
20:1 až 40:1
44/63
Podmínky
velikost částic
nesmí být příliš veliké - doprava materiálu čerpadly dostatečný povrch, aby se bakterie dostaly všude, urychlení tvorby bioplynu nutné drcení u spoludigestovaných substrátů (tráva)
míchání substrátu
odvádění plynu, zlepšení metabolismu mikroorganismů odvodem plynu, omezení nárůstu tlaku
promíchání mikroorganismů do čerstvého substrátu
zajištění rovnoměrné teploty
omezení tvorby sedimentů
45/63
Materiál
suroviny pro produkci bioplynu
jakákoli zkvasitelná organická hmota exkrementy hospodářských zvířat – kejda, slamnatý hnůj, močůvka, mokrý organický materiál složení kejdy je závislé na typu farmy, druhu chovaných zvířat, vliv na výtěžnost
lidské exkrementy – čistírenské kaly (ČOV)
odpady jiného původu
jatečné odpady, tukový průmysl, potravinářské odpady (pivovary, škrobárny), mlékárenské odpadní vody, kuchyňské odpady, zelená biomasa – kukuřice, tráva – přídavek pro zvýšení produkce
46/63
Materiál
47/63
Materiál sklad kukuřičné siláže
48/63
Druhy BPS
malé (Asie)
100 až 1000 t/rok, reaktor 5 až 100 m3
špatná ekonomika, vysoké náklady, žádný ohřev, žádné míchání
střední (farmy)
1000 až 15.000 t/rok, reaktor 100 až 800 m3
vlastní odpad, produkce elektřiny do sítě
centrální svozový systém ve střediskové obci
velké (průmyslové)
>15 000 t/rok, ekonomické
zpracování digestátu na hnojiva
49/63
Schéma bioplynové stanice
50/63
Součásti bioplynové stanice fermentory
míchadlo kogenerace
51/63
Bioplyn
složení
50 až 70 % CH4, hlavní energetická složka, čím vyšší obsah, tím vyšší výhřevnost
30 až 50% CO2 (balast, snižuje výhřevnost, nemá energetický obsah)
H2 < 1 % (žádoucí složka)
H2S (sirovodík) < 1 %, vzniká při rozkladu bílkovin, jedovatý, korozivní pro kovové plochy (nesmí do spalovacích motorů = koroze), nutno odstranit
NH3 (čpavek) < 1 %, korozivní účinky
N2 < 1 %
52/63
Bioplyn
výhřevnost
18 až 25 MJ/m3 (zemní plyn 34,1 MJ/m3, čistý metan 35,8 MJ/m3)
bioplyn 60 až 75 % výhřevnosti ZP není třeba upravovat bioplyn na vyšší obsah dostatečně výhřevný jako palivo pro KJ
zemní plyn: 98,2% CH4; 0,1 % CO2
53/63
Bioplyn
využití BPS
zdroj energie - plyn pro kogenerační jednotky (plynové turbíny) kombinovaná výroba elektrické energie a tepla
likvidace organického odpadu s vysokou vlhkostí (rostlinný, živočišný odpad) zemědělské farmy, čistírny odpadních vod snížení produkce pachů (negativní vliv na ŽP) hygienizace
54/63
KVET z bioplynu
energetické využití bioplynu
zásadní pro ekonomickou efektivitu bioplynové stanice zážehové plynové motory (pouze bioplyn), vznětové motory (vstřik zapalovacího oleje) roční využití nad 7500 hodin rozložení výkonu do více jednotek – zvýšení spolehlivosti provozu x účinnost x zvýšení investičních nákladů
55/63
Využití tepla
využití pro vlastní proces
spotřeba tepla pro vlastní procesy bioplynové stanice závisí na:
tepelné ztrátě fermentorů
druhu teplotního procesu fermentace (mezofilní nebo termofilní)
spotřeba tepla pro technologické ohřevy zemědělských BPS pohybuje v rozmezí 20 – 40 % (není kritické)
využití přebytků
problematické v místě výstavby, místní faktory teplovody, výměníkové stanice, napojení na objekty v bezprostředním okolí, napojení na soustavy CZT, sušárny produktů rostlinné výroby, aj. podmínky poskytnutí podpory: efektivní využití definovaného % tepla
56/63
Využití elektřiny
využití pro vlastní proces
spotřeba elektřiny pro vlastní procesy:
pohon dopravníků, čerpadel, míchadel
osvětlení
poměr vlastní spotřeba elektřiny 5 až 10 %
využití přebytků
do sítě – hlavní tržba z provozu BPS
el. přípojka, obou směrné měření
57/63
Ekonomika – investiční náklady
rozdělení nákladů
stavba
25 až 40 %
technologie výroby bioplynu
30 až 45 %
kogenerační jednotka
20 až 30 %
ostatní
5 až 15 %
absolutní náklad 70 až 110 mil. Kč/MWe
58/63
Ekonomika – provozní náklady
rozdělení nákladů
suroviny
55 až 80 %
údržba
4 až 8 %
údržba kogenerační jednotky
10 až 20 %
ostatní
5 až 10 %
absolutní náklad 12 až 16 mil. Kč/MWe.rok
životnost 20 let
59/63
Bioplynové stanice – využití ORC
připojení ORC na spalinový výměník KJ roční využití ORC odpovídá využití KJ (> 8000 hodin)
60/63
Bioplynová stanice + ORC
61/63
ESO Kněžice
energeticky soběstačná obec
bioplynová stanice s KJ 330 kWe / 405 kWt
produkce elektrické energie do sítě, 17 % spotřebuje BPS
produkce tepla pro obec
kotle na biomasu – celkem 1,2 MW
K1: 800 kW (balíková sláma, šťovík), účinnost 85 %, 225 kg/h
K2: 400 kW (dřevní štěpka, dřevní odpad), účinnost 84 %, 170 kg/h
akumulace tepla 50 m3
stabilizace dodávek tepla
omezení maření výkonu KJ
62/63
Bioplynová stanice – ESO Kněžice
63/63
ESO Kněžice
napojení na CZT obce
teplovodní rozvod, bezkanálové uložení, předizolované potrubí
napojeno 149 domů (95 % obce)
délka rozvodu 6 km
ztráty tepla rozvodu 40 % celoroční dodávky tepla:
dlouhý rozvod
malá výkonová hustota
krytí ztrát produkcí tepla z bioplynové stanice
tlakově nezávislé předávací stanice, napojené na centrální dispečink
cena tepla 270 Kč/GJ (v otopné sezóně) / 135 Kč/GJ (mimo sezónu)
