Bioplyn a bioplynové stanice Ing. Petra Dundálková Mendelova zem d lská a lesnická univerzita v Brn Ústav zem d lské, potraviná ské a environmentální techniky e-mail:
[email protected]
Biomasa Definice: je souhrn látek tvo ících t la všech živých organism , jak rostlin tak i živo ich . tímto pojmem asto ozna ujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické ú ely. energie má sv j prap vod ve slune ním zá ení a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj energie.
Energetické využití biomasy Skupina
Technologie
Spalování
Spalování Zply ování
Chemické p em ny
Výstupy Teplo, elekt ina
Rychlá pyrolýzy
Olej, plyn, dehet, metan, pavek, metanol
Zkapal ování
Olej
Chemické p em ny ve vodním Esterifikace prost edí
Biologické procesy
Produkty
Elekt ina, teplo, pohon vozidel
Metylester epkového oleje (ME O – bionafta)
Pohon vozidel
Anaerobní digesce
Bioplyn, metan
Elekt ina, teplo, pohon vozidel
Alkoholové kvašení
Etanol
Pohon vozidel
Kompostování
Teplo (z chlazení kompostu)
Sm rnice Rady EU . 1999/31/EC o skládkách odpadu Ukládá lenským stát m EU vypracovat národní strategii o recyklaci, kompostování a produkci bioplynu → omezení množství BRO ukládaného na skládky Konkrétn se požaduje snížit množství ukládaného BRKO na skládky: o 25% do r. 2005 (2010) o 50% do r. 2012 (2013) o 65% do r. 2016 (2020) ve srovnání s množstvím, které vzniklo v roce 1995 V n kterých lenských zemích je na skládky ukládáno více než 80% komunálního odpadu → termíny posunuty na léta 2010, 2013, 2020
Využití bioplynu • Je skladovatelný a po úprav m že být dodáván i
do rozvodné sít zemního plynu
• Pohon motorových vozidel • Kogenera ní výroba elektrické energie a tepla • Využití v palivových láncích k p ímé výrob
elektrické energie
Anaerobní technologie(fermentace) Cílem je: 1. získání bioplynu (energetické využití) 2. snížení obejmu odpadu 3. snížení obsahu org. látek v bioodpadu P ednosti: Nízká energetická náro nost technologie Vysoké objemové zatížení umožn né vysokou koncentrací biomasy Transformaci a zušlecht ní organických látek do energeticky bohatého bioplynu (OZE) Nedostatky: Finan n náro ná technologie Horší kvalita odtoku (amoniakální dusík, fosfor) Pov domí ob an
Anaerobní rozklad organických látek Hydrolýza Acidogeneze
Acetogeneze Metanogeneze
Produkty anaerobní fermentace Kone né produkty Vzniklá biomasa Plyny (CH4, CO2, H2, N2, H2S) Nerozložený zbytek organické hmoty - z hlediska hygienického a senzorického je nezávadný pro prost edí, tj. je stabilizován
Vlastnosti bioplynu Hlavní složky bioplynu Metan (CH4), oxid uhli itý (CO2) P ím si v bioplynu dusík (N2), vodík (H2), sirovodík (H2S), kyslík (O2), amoniak (NH4), vyšší aromatické uhlovodíky a halogeny Výnosnost z 1 kg sušiny vzniká 500 l bioplynu
Složení bioplynu Složka
Objemové rozmezí %
CH4
50 – 85
CO2
15 – 50
H2 O
1–3
H2S
0,1 – 1
N2
1–3
NH3, CO, H2
stopy
Faktory ovliv ující anaerobní procesy Ovliv ující životní prost edí mikroorganism vlhké prost edí ( min 50%) pH zabrán ní p ístupu sv tla zabrán ní p ístupu vzduchu (odsi ení) stálá teplota p ísun živin (pro bun nou stavbu pot ebují: N slou eniny, minerální látky, stopové prvky – hn j, kejda) velké kontaktní plochy inhibitory (org. kyseliny, antibiotika, dezinfekce)
Faktory ovliv ující anaerobní procesy zatížení vyhnívacího prostoru rovnom rný p ísun substrátu (aby nedošlo k p etížení – nadm rnému zatížení, zajistit p ísun substrátu v co nejkratších intervalech) odply ování substrátu (není-li plyn odvád n – vzestup tlaku, bublinky, materiál n kolikrát denn promíchávat)
Vliv technologických faktor -
míchání substrátu doba zdržení v reaktoru
Faktory ovliv ující životní prost edí mikroorganism Teplota rychlost probíhajících proces zastoupení jednotlivých druh mikroorganism stupe hygienizace ím vyšší teplota, tím jsou bakterie citliv jší na výkyvy teplot (zejména krátkodobé výkyvy)
Rozd lení mikroorganism do teplotních t íd:
T optimální [°C] Psychrofilní
pod 20
Mezofilní
25 - 35
Termofilní
nad 45
(V praxi najdeme nej ast ji mezofilní BPS)
Faktory ovliv ující životní prost edí mikroorganism pH optimální hodnota pH slab alkalická (7,5) ovlivn no náhlou zm nou p ivád ného substrátu následkem inhibice metanogenních bakteriích toxickou látkou, teplotou, p ebytkem mastných kyselin nerovnováhou celého procesu
Faktory ovliv ující životní prost edí mikroorganism Složení substrátu vyvážený pom r C : N = 20 – 30 : 1 substrát musí mít velké kontaktní plochy (rozsekán, kalový strop) rozhodujícím faktorem pro volbu vhodné metody (zkvašování, kompostování) = OBSAH SUŠINY V MATERIÁLU pro bioplynové technologie optimální obsah sušiny 5 – 15 % nižší proces probíhá, ale s velkým množstvím vody vyšší substrát nejde erpat, mísit, promíchávat
Faktory ovliv ující anaerobní procesy Zatížení vyhnívacího prostoru 1 kg os / m3 . den
os = organická sušina
udává maximální množství os na m3 a den, které m že být dodáno do fermentoru, aniž dojde k p ekrmení bakterií a zastavení procesu Závisí na: p edevším na úrovní teploty obsahu sušiny dob kontaktu nap . p i t = 35 °C → 0,5 – 1,5 kg os / m3 . den (lze zvýšit na 3 kg)
Faktory ovliv ující anaerobní procesy Míchání substrátu umožní zabezpe ení dobrého kontaktu mikroorganism se vstupním substrátem homogenizace reak ní sm si uvnit reaktoru, aby došlo k rovnom rnému rozd lení teploty a substrátu v celém objemu reaktoru zabrán ní tvorby „mrtvých zón“ v reaktoru míchání umož uje lepší odd lení bublinek bioplynu od áste ek suspenze, ímž se snižuje nebezpe í tvorby plovoucí vrstvy na hladin reaktoru
Faktory ovliv ující anaerobní procesy Doba zdržení ovliv uje rychlost probíhajících reakcí požadovaný stupe vyhnití – množství získaného plynu snížení zápachu vyhnívajícího kalu krátké doby vysoký plynový výkon (dochází p edevším k rozkladu snadno rozložitelných živin) – nízký výnos plynu a nízký stupe rozkladu dlouhé doby klesá plynový výkon, zvyšuje se výnos plynu a stupe rozkladu
Faktory ovliv ující anaerobní procesy Doba kontaktu = Objem nádrže / dodávané množství substrátu pr m rná doba 35 – 51 dní P i použití kejdy: Teplota procesu [°C]
Doba kontaktu [dní]
20 – 25
60 - 80
30 – 35
30 - 35
45 - 55
15 - 25
Bioplynové stanice Základní rozd lení bioplynových stanic, dle zpracovávaného substrátu: Zem d lské 2. istírenské 3. Ostatní BPS 1.
Zem d lské BPS zpracovávají materiály rostlinného charakteru a statkových hnojiv, resp. podestýlky není možné zpracovávat odpady podle zák. . 185/2001 Sb. o odpadech Je možno zpracovávat: živo išné suroviny - kejda prasat - hn j prasat se stelivem - kejda skotu - dr beží exkrementy...
rostlinné suroviny - sláma obilovin a olejnin - plevy a odpad z išt ní obilovin - bramborová a epná na a slupky - kuku i ná sláma a zrno - travní biomasa a seno (senáže) - nezkrmitelné rostlinné materiály (siláže, obiloviny, kuku ice)...
Zem d lské BPS p stovaná biomasa - obiloviny v mlé né zralosti, erstvé i silážované - kuku ice ve voskové zralosti - kuku ice vyzrálá - krmná kapusta - prutová biomasa (št pky nebo ezanka z listnatých d evin z rychloobrátkových kultur anebo z pr kles )
istírenské BPS zpracovávají pouze kaly z biologických istíren odpadních vod a jsou organickou sou ástí istírny odpadních vod anaerobní digesce je využívána za ú elem stabilizace kalu vznikajícího v OV nejsou ur eny ke zpracovávání bioodpad slouží pouze jako sou ást kalového hospodá ství OV jako celku nevstupují sem jiné materiály než kaly z OV, žump a septik a odpadní voda
Ostatní BPS zpracovávají ostatní vstupy mohou zpracovávat bioodpady uvedené v tab. 4, v p íloze 3, p ípadn substráty uvedené v odstavci 5.1 a 6.1 Metodického pokynu, odpady z prvovýroby v zem d lství, zahradnictví, myslivosti, rybá ství a výroby a zpracování potravin, nap : odpady ze zpracování masa, ryb a jiných potravin živo išného p vodu odpady z výrob a zpracování ovoce, zeleniny, obilovin, jedlých olej , kakaa, kávy, odpady z konzervárenského a kvasni ného pr myslu odpady z výroby cukru, z mlékárenského pr myslu odpady z pekáren a výroby cukrovinek
Ostatní BPS pokud zpracovávají vedlejší živo išné produkty musí plnit další ustanovení jako je nap . hygienizace suroviny/odpad (pasterace, vysokoteplotní hygienizace)
Ostatní BPS odpady ze zpracování d eva a výroby desek, nábytku, celulózy, papíru a lepenky odpady z kožed lného, kožešnického a textilního pr myslu odpady ze za ízení na zpracování (využívání a odstra ování) odpadu, z OV pro išt ní vod mimo místo jejich vzniku, komposty komunální odpady (odpad z domácností a podobné živnostenské, pr myslové odpady a odpady z ú ad ), v etn složek z odd leného sb ru odpady ze zahrad a park BRO z kuchyní a stravoven
Funk ní schéma BPS
Technické ešení BPS Bioplynová stanice se skládá ze souboru jednotlivých objekt , které lze rozd lit na: Nádrže pro skladování tekutých odpad – zejména kejdy Zásobník (skládka) pro skladování tuhých odpad - chlévské mrvy Zásobník pro kofermentované materiály (nap . odpady z ve ejného stravování) Homogeniza ní jímka Reaktor - fermenta ní nádrž Nádrž pro dofermentaci Biofiltr (pro zachycení a redukci produkované pachové zát že) Skladová jímka zpracované, sm si Zásobník bioplynu (plynojem) Za ízení pro úpravu bioplynu Za ízení pro využití bioplynu – energoblok Transforma ní stanice (VN/NN) Obslužné komunikace a zpevn né plochy v areálu BPS Provozní budova (kancelá , sociální za ízení, dílna údržby, garáž pro techniku a mechanizaci)
Zásobník pro skladování tuhých odpad
Reaktor
Reaktory
vej ité anaerobní reaktory
horizontální vyhnívací nádrž
válcové anaerobní reaktory
jednoduchá vertikální v ž
Kogenera ní jednotka
Využití bioplynu SPALOVÁNÍ zužitkování bioplynu v Bunsenovu ho áku na dmýchadlovém ho áku VYTÁP NÍ BIOPLYNEM a) kotle s atmosférickými ho áky pro malý výkon od 10-30 kW b) s dmýchadlovými ho áky pro v tší výkon Na kotle s vyrovnávajícími zásobníky je napojeno vytáp ní domu, oh ev fermentoru, zásobování užitkovou vodou
Využití bioplynu KOGENERACE TEPLA A EL. ENERGIE V tomto p ípad je bioplyn využíván jako pohonná hmota pro spalovací motor pohán jící generátor pro výrobu sí ového nap tí (st ídavý proud, resp. t ífázový). Odpadní teplo z chlazení motoru a výfukové plyny lze využít pro vytáp ní. Pro výrobu proudu se nabízejí 2 metody: 1) Výroba orientovaná podle pot eby – roste-li pot eba, roste i
výroba 2) Rovnom rná výroba – motor b ží v tšinou 24 h denn se stejným zatížením.
Využití bioplynu ZÁSOBOVÁNÍ PLYNOVODNÍ SÍT p ímé zásobování plynovodní sít bioplynem. je možno až od objemu 50 m3 /h výroby. plyn je nutno p ed dodáním do sít odvodnit a odsí it a musí být odd len CO2
Literatura František Straka: Bioplyn – p íru ka pro výuku, projekci a provoz boplynových stanic, í any 2003 Heinz Schulz, Barbara Eder: Bioplyn v praxi, Ostrava 2004 Peter Lechner: Kommunale Abfallentsorgung, Facultas, Wien 2004 M. Laaber, R. Braun und R. Kirchmayr: Biologische Prozessoptimierung von Biogasanlagen. Input, Informationsmagazin der ARGE Kompost und Biogas, 1/06, Linz 2006 D. Hornbachner, G. Hutter, D. Moor: Biogas-Netzeinspeisung, Berichte aus Energie - und Umweltforschung, 19/2005
