Efektivní využití bioplynu a odpadového tepla v pivovarech
SAPPORO BREWERIES LTD. Závod Čiba, odd. technologie Kamiyama Takeshi
OBSAH ■Profil firmy Sapporo Breweries a její aktivity v oblasti životního prostředí ■Popis anaerobní čistírny odpadních vod v naší firmě ■Příklad realizace kogeneračního zařízení využívajícího plyn ■Ostatní zařízení využívající bioplyn ・palivové články na bioplyn ・kogenerační systém s bioplynovým motorem ■Budoucí úkoly
Profil společnosti SAPPORO BREWERIES LTD. 1876 zahájení činnosti 1. září 1949 rozdělení pův. spol. a založení Nippon Breweries 1. července 2003 transformace na holdingovou společnost Základní kapitál: Předmět činnosti:
10 mld. jenů Výroba a prodej piva, nízkosladového piva a dalších lihovin v Japonsku Prodej vín a likérů a další Objem tržeb: 278,8 mld. jenů ※Podíl firem (divizí) v rámci Sapporo Group na tržbách: tuzemská divize alkoholických nápojů 71,6 % zahraniční divize alkolických nápojů 6,5 % divize nealkoholických nápojů 8,8 % divize restauračního stravování 6,9 % realitní divize 6,0 %
Korporátní environmentální politika Základní environmentální filozofie Sapporo Group se zavazuje, věrna zásadě vedení přispívat k obohacování života a relaxaci, že každý zaměstnanec bude chránit životní prostředí a aktivně se podílet na vytváření udržitelné společnosti v celém životním cyklu produktů a služeb, které v rámci činnosti svých divizí firma poskytuje.
Program pro environmentální ochranu 1) Nastavit normy řízení v souladu s legislativou relevantní pro ochranu ŽP. 2) Vytvořit systém pro environmentální management a vykonávat aktivity pro ochranu ŽP. 3) Vyvíjet technologie a produkty s ohledem na životní prostředí. 4) Snažit se docílit úspor energií, zdrojů a redukce environmentální zátěže. 5) Pracovat na redukci objemu a recyklaci vedlejších produktů a odpadů. 6) Zvyšovat povědomí zaměstnanců o životním prostředí a podporovat dobrovolnou účast na environmentálních aktivitách v regionu. 7) Snažit se vytvářet zelená prostranství v rámci závodů a zkrášlovat ŽP v jejich okolí. 8) Rozvíjet externí komunikaci prostřednictvím zveřejňování informací.
SAPPORO BREWERIES LTD. Environmentální cíle pro období 2011 - 2015 ※výňatek Naší snahou je v rámci životního cyklu našich produktů a služeb dosáhnout následujících cílů, abychom vyjádřili naši vděčnost za dary přírody a předali budoucím generacím udržitelné životní prostředí: ■Snížení environmentální zátěže v rámci životního cyklu našich výrobků ・snížit emise CO2 ve všech výrobních pobočkách do roku 2015 o 60 % v porovnání s rokem 1990 ・udržet na 100 % snižování objemu vedlejších produktů a odpadů z výroby a jejich recyklaci atd. ■Snížení environmentální zátěže způsobené obchodní a kancelářskou činností ■Vývoj a zavádění nových technologií ■Snaha o zkrášlování životního prostředí a ochranu ekosystémů ■Vytváření lidských zdrojů schopných přispívat k ochraně životního prostředí, dialog se zákazníky
Hlavní aktivity v environmentálních otázkách 【Milníky v historii firmy z hlediska životního prostředí】 1968: začátek instalace ČOV do závodů 1970: přechod na palivo s nízkým obsahem síry (z uhlí na ropu) 1973: rozvoj opatření jako je recyklace odpadního tepla nebo recirkulace a opětovné využití vody 1982: plynofikace závodů na místo doposud používaných paliv 1983: začátek zavádění absorpčních chladniček 1989: začátek zavádění anaerobních čistíren odpadních vod 1991: zřízení Oddělení pro životní prostředí (dnešní Sekce společenského prostředí) 1994: ustanovení „Programu a cílů pro environmentální ochranu“ 1997: začátek zavádění kogeneračních systémů s plynem 1998: instalace palivového článku o výkonu 200 kW využívajícího bioplyn v závodu Čiba 1999: dosaženo 100 % recyklace vedlejších produktů a odpadů ve všech závodech; získání certifátu ISO 14001 ve všech závodech 2004: dosažení environmentálního cíle (pro energie, vodu a emise CO2) (o 6 let dříve oproti plánu) ⇒ nastolen nový environmentální cíl 2010: dosažení environmentálního cíle (objem emisí CO2) 2011: nastavení nového střednědobého environmentálního cíle
Popis anaerobní čistírny odpadních vod ■SAPPORO BREWERIES LTD. zavedla anaerobní ČOV v 6 závodech v hlavních tuzemských výrobních pobočkách ■Účel zavedení anaerobních ČOV V porovnání s původními aerobními čistírnami umožňuje: ・velké snížení spotřeby el. energie ・zredukovat plochu pro instalaci zařízení ・snížit náklady na zpracování odpadů, protože je u nich menší výskyt kalu Vznikající bioplyn (metan) je možné zpracovat a efektivně jej využít jako paliva v podobě páry ve výrobním procesu.
Proces vaření piva ječmen
slad chmel
rmutování zrna, rýže
scezení
usazování
filtrování kvašení
kvasnice
vaření
dozrávání
čistírna odpadních vod
balení
Proces čištění odpadní vody Pivovar Čiba
odpadní voda nádrž na odpadní vodu
parní topení
síto úpravná nádrž
shrnovací tlaková nádrž
bioplyn
bioplynový kotel
CH4
odváděcí nádrž
aerobní ČOV
neutralizační nádrž
reakční nádrž
kyselá nádrž
Anaerobní ČOV Kapacita: 11.000 m3/den (max.) Max. generované množství plynu: 437 Nm3/hod. (max.)
Bioplynový kotel
Kapacita 2 tuny/hod x 5 ks Tlak páry 1 MPa
Mechanizmus anaerobního čištění odpadní vody využití jako paliva pro kotel
150 – 200 Nm3/hod
CO2
metan
voda
odpadní voda z procesů výroby piva
V porovnání s aerobním zpracováním (aktivní kal): snížení energie na pohon mikroorganizmy Je možné znovu asi o 30 %, využít palivo redukován přebytečný kal (bioplyn).
Kapacita ČOV (závod Čiba) Anaerobní ČOV: instalovaná kapacita ： 11.000 m3/den pH ： ｉn 4.0∼10.0 ⇒ out 6.0∼8.0 teplota ： 30℃∼38℃ nerozpuštěné částice ： in < 1,000mg/l ⇒ out < 500mg/l (SS) （※přes shrnovací tlakovou nádrž） biochemická spotřeba ： in < 3,000mg/l ⇒ out < 300mg/l kyslíku (BSK) míra odstranění 90% max. generované ： ４３７Nm3/hod množství plynu
Kogenerační zařízení využívající plyn ■SAPPORO BREWERIES LTD.
zavedla v hlavních výrobních pobočkách kogenerační zařízení využívající plyn (plynové motory, plynové turbíny) ■Účel zavedení Snížit spotřebu energie a náklady díky efektivnímu využití odpadního tepla při výrobě elektrické energie. ・snížení celkové spotřeby energie ・redukce nakupované el. energie (paušální poplatky, poplatky podle spotřeby) ・redukce výdajů za nákup paliva pro kotle Snížit environmentální zátěž ・celkové snížení zátěže v podobě odpadního plynu díky redukci použití tradičních kotlů
Kogenerační zařízení v SAPPORO BREWERIES LTD.
■závod Hokkaidó: plynový motor (845 kW) x 2 realizováno v roce 2001 jako projekt ESCO ■závod Sendai: plynová turbína (700 kW) x 3 realizováno v roce 2003 ■závod Čiba: plynová turbína (1200 kW) x 2 přemístěna v roce 2004 z původního závodu Saitama, projekt podpořený NEDO jakožto variabilní systém teplo/el.energie ■závod Šizuoka: plynový motor (1900 kW) x 2 realizováno v roce 2003, projekt podpořený NEDO jakožto systém využívající tepelného čerpadla ※Zařízení instalována ve 4 závodech z 5 hlavních pivovarů
V čem spočívá kogenerační systém? elektrárna energetické společnosti
kogenerační systém
palivo
efektivní využití energie 燃料 ⇒snížení jednotky energie
parní turbína
plynový motor
ztráty odpadního tepla 60 % vypuštěné odpadní teplo
vyhozená energie 65 %
ztráty z přenosu elektřiny 5 % přenos do závodu
použitá energie 35 %
ztráty odpadního tepla 15,9 % vypuštěné odpadní teplo
rekuperace odpadního tepla
vyhozená energie 15.9 %
ztráty z přenosu elektřiny 0 % přenos do místa spotřeby
použitá energie 84.1 %
V porovnání s elektrárnou je podíl využitelné energie větší.
Kogenerační systém (turbínový)
Schéma kogeneračního systému s plynovou turbínou palivový plyn 1,2 MPa
sací filtr
spalovací jednotka s nízkými emisemi oxidů dusíku
plyn
pára 2 – 3 tuny/hod
405 Nm3/hod
kompresor palivového plynu
generátor
redukce
kompresor kompresor nízkotlakého vysokotlakého stupně stupně
turbínový stupeň
odpadní plyn
soustava energetické společnosti
odsiřovací jednotka
chladící jednotka
・・・ spotřeba (zatížení) v závodě
vstřikovaná pára přehřívač páry 0 – 1 tuna/hod
el. energie 1,1 – 1,3 MW
doplňování vody
suchý režim: celková účinnost 70,1 %
vstup
chladící věž
efektivní elektřina 24,9 % 26,9 % energie pára 46,2 % 31,6 % režim vstřikování páry: celková účinnost 58,8 % ztráta
pára (1,5 MPa)
kotel na odpadní teplo
ekonomizér
Kogenerační systém s variabilním systémem teplo/elektřina ■ nově vyvinutý systém využívající parní turbínu s variabilním systémem teplo/elektřina a vstřikováním páry tento systém s kapacitou 1 MW první na světě svého druhu vstřikuje max. cca 1/3 (1,0 t/hod) vznikající páry do parní turbíny → umožňuje zvýšení množství generované elektřiny téměř o 20 % Tento systém flexibilně reaguje na potřebu elektřiny a tepla v závodě. Podpořeno v roce 1999 organizací NEDO v rámci “Projektu pro podporu podniků zavádějících nové energie“ ■ výjimečná environmentální šetrnost spalovací jednotka s nízkými emisemi NOx (metoda DLN) → 35 ppm (16 % O2) aplikace denitrifikačního systému → max. 20 ppm (16 % O2)
Kogenerační systém (KGS) (efekt instalace zařízení) • kogenerační systém využívající plynovou turbínou s variabilním systémem teplo/elektřina • generátor (1220 kW) x 2 ks • kotel na odpadní teplo (3000 kg/h) průtokový x 2 ks • celková účinnost 71,1 % (energetická účinnost 24,9 %,účinnost rekuperace 46,2 %) před instalací
po instalaci
40 % elektrická energie
nakupovaná el. energie
nákup
100 % kotel na bioplyn 15 %
pára
KGS
nakupovaná pára nakupovaná pára
kotel na bioplyn 10 % KGS
40 %
Schéma kogeneračního systému s plynovým motorem přídavná zařízení
soustava energetické společnosti
spotřeba v závodě
tlumič
deodorační a odsiřovací jednotka
・・・ spotřeba v závodě
odpadní plyn obtok
kogenerační jednotka
parní kotel na odpadní teplo 1172 kg/hod
1,172kg/h
plynový motor
generátor 1910 kW
teplovodní kotel na odpadní teplo z jednotky č. 2 665 MJ/hod
chladící jednotka lubrikačního oleje
82.8℃
primární ch chladící voda
pára (1,4 MPa) doplnění vody (65℃)
664.8 MJ/h
tepelný výměník teplá voda 93.0℃ 1,960 pro zpětné MJ/hod z jedn. č. 2 získávání teplé vody 50℃
1,140MJ/h
plyn palivo pro zapálení
382 Nm3/hod kompresor plynu
chladící jednotka vzduchu
42.0℃
topný olej energetická účinnost účinnost rekuperace páry teplá voda (primární chladící voda) teplá voda (sekund. chladící voda)
celková účinnost
teplá voda (85℃)
sekundární chladící voda
6,9 l/hod
12.2% 13.3% 84.1%
doplnění vody (20℃) tepelný výměník pro ohřev vody
38.5℃ 2,962 49.9℃ MJ/h 25.0℃
z jedn. č. 2
32.0℃
2,280MJ/h
chladící věž 35.0℃
do jedn. č. 2
8,212MJ/h
do jedn. č. 2
42.8% 15.7%
2,006kg/h･2 ks
absorpční tepelné čerpadlo s rekuperací tepla
337.8kg/h 849MJ/h
drenáž
rekuperační jednotka
Formy smluv na odběr elektřiny v Japonsku ■Poplatky za elekřinu 1) paušální poplatek podle smlouvy předem dohodnut podle špičkového odběru → snížení paušálního výroba el. en při špičce 2) poplatek podle skutečné spotřeby poplatku účtováno podle spotřebovaného množství v příslušných obdobích 13,72 JPY/kWh 6,08 JPY/kWh 10,56 JPY/kWh
vysoký tarif (denní proud v létě) noční tarif (víkendy a noční proud) denní proud (doba mimo výše uvedené)
nákup a → výroba elekřiny
Výhody samostatné výroby elektřiny pomocí kogeneračního systému ※příklad ze závodu, kde se instaloval kogenerační systém nakoupená
Objem vyrobené a nakoupené elektřiny [kW]
před instalací 6.800 kW
8,000 7,000 6,000
po instalaci 3.200 kW
買電量 elektřina
vyrobená No.2発電量 elektřina č. 2 vyrobená No.1発電量 elektřina č. 1
základní spotřeba elektřiny
5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
[čas]
Využití tepelné energie v pivovaru ※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém 80,000 množství tepla z蒸気熱量 páry množství tepla z湯熱量 teplé vody
množství tepla (MJ/hod)
70,000 60,000 50,000
základní spotřeba tepelné energie
40,000 30,000 20,000 10,000 0 1
5
9
13
17
21
čas
Efekt snížení oxidu uhličitého díky instalaci kogeneračního systému ※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém
Položka Objem nakupované elektřiny Spotřebované množství
plynu v kogeneračním systému
Spotřebované množství
plynu na rekuperaci tepla
Celkem
Změna díky instalaci Převodní ukazatel
19,156MWH 0.469ｔ-MWH
Úspora (t/ rok)
8,984
△4,143 tis. m3 2.121ｔ-tis. m3
△ 8,789
1,941 tis. m3 2.121ｔ- tis. m3
4,118 4,313
※Pozn.: vypočtená data v době instalace △označuje nárůst
Roční vypouštěné množství oxidu uhličitého: sníženo o 4.313 ｔ
Snížení oproti stavu před instalací o 11,2 %
Úspora nákladů díky instalaci kogeneračního systému ※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém
Změnové položky
Částka (tis. jenů/rok) Poplatky za elektřinu 220 000 Zpětné získávání páry 50 000 Uspořené náklady Zpětné získávání teplé vody 67 000 Mezisoučet 337 000 Poplatky za plyn △ 178 000 Poplatky za topný olej △ 3 200 Chemikálie atd. △ 4 800 Náklady navíc Údržba △ 7 400 Dodatečná smlouva na elektřinu △ 8 600 Mezisoučet △ 202 000 Celkem 135 000 ※Pozn.: vypočtená data v době instalace
Roční úspora nákladů 135 mil. jenů
Hodnocení kogeneračního systému využívajícího plyn ○ Umožňuje rekuperaci tepla za využití elektřiny a odpadního tepla.
→ efektivním využitím odpadního tepla je dosaženo úspory energie spotřebovaná energie na jednotku (MJ/kL) v pivovaru snížena: o cca 4 %
○ Efekt snížení emisí oxidu uhličitého
→ v závislosti na způsobu výroby elektřiny energetickou společností snížena spotřeba fosilních paliv díky snížení nakupované elektřiny a rekuperací tepelné energie → možné snížit emise oxidu uhličitého
△ Efekt snížení nákladů
→ výrazné snížení poplatků za nakupovanou elektřinu díky přehodnocení smluvně dodávané elektřiny vůči nákladu na nakupovanou elektřinu 13 jenů/kWh je náklad na výrobu elektřiny cca 3 jeny/kWh → výsledný efekt úspory nákladů se však významně mění v závislosti na nákupní ceně plynu
Vztah příjmů/výdajů na energii a ceny paliva v kogeneračním systému využívajícím plyn 120,000 ☆Klíčové:
80.0 výdaje エネル 70.0 na a možná nejstabilněji ギーコスト
systém co energii 収支 beze zbytku využít zpětně získanou tepelnou 60.0 cena za 燃料単価 80,000 energii palivo 50.0 provoz na 100 % kapacity 40.0 60,000 ⇒100 % efektivně využít generovanou 30.0 40,000 elektřinu a tepelnou energii 20.0 ・efekt úspory nákladů se snižuje při zvýšení 20,000 ceny plynu 10.0 ・náklady na údržbu jsou také důležitý prvek 0 0.0 cena (jenů/KL)
částka (tis. jenů)
・Provozovat 100,000
1
2
3
4
5
6
7 rok
Výsledek snížení emisí CO2 při výrobě piva Celkové emise CO2
Environmentální cíl: zamezit oteplování zeměkoule
Míra snížení oproti roku 1990 0.0%
250
-20.0%
200
-30.0% 150
Cíl: 86,4
-40.0%
Rok 2010: 79,5 -50.0%
100
-60.0% 50
-70.0%
0 1990
2002
2003
2004
2005
2006 Rok a cíl
2007
2008
2009 2010
Cíl
Míra snížení (%)
Emise CO2 (tis. tun CO2/rok)
-10.0%
Systém palivových článků využívajících jako palivo bioplyn
Charakteristiky kogeneračního systému s palivovými články ■ energetická účinnost a celková účinnost je vysoká ■ nízká hlučnost a vibrace ■ téměř žádné látky znečišťující ovzduší → environmentálně adaptivní kogenerační
systém
Schéma kogeneračního systému s palivovými články soustava energetické spol.
・・・
plyn
výkon článků: 200 kW
předúprava
zásobní nádrž plynu
jednotka palivových článků tepelný výstup 736 MJ/hod 60℃ teplá voda
bioplyn 53 Nm3/hod. CH4: 95 %
pára
chladící voda
Cca 80 % energie obsažené v palivu je efektivně využito elektrickochem. reakce chem. reakce energie vodík paliva reformátor
elektřina 40 % pára 41 % ztráta 19 %
spotřeba v závodě
spotřeba v závodě
efektivní energie 81 %
nádrž s teplou vodou
teplá voda (85℃)
tepelný výměník na ohřev vody
Efekt ze zavedení systému ■ snížení poplatků za elektřinu ■ efektivní využití nevyužité energie ■ snížení emisí CO2 ■ zlepšení životního prostředí ■ vlastní výroba elektřiny ■ zlepšení image podniku
Mechanizmus bioplynu a výroby elektřiny ■ využívá plyn, který vzniká jakožto derivát při anaerobním zpracování odpadní vody →metan: 65∼70 ％, CO2: necelých 30 ％, podíl síry atd.: cca 0,5 ％ ■ v rámci předúpravy se odstraní síry atd. (odsiřovací jednotka atd.) ■ po dosažení koncentrace metanu min. 95 % zaveden do palivových článků ■ v reformátoru je z metanu (CH4) oddělen vodík (H2) ■ v palivových článcích se spustí reakce s kyslíkem ve vzduchu a vyrábí se elektřina
Princip palivového článku • Princip výroby elektřiny je proces obrácené elektrolýzy • Elektřina se vytváří pomocí elektrochemické reakce vodíku a kyslíku • Vodík se vyrábí reformací metanu. stejnosměrný proud H2 O2
(výstup cca 1,3 kW/článek)
elektrody (platina
elektrody (platina)
H2
zatížení
• Z vodíku se uvolní elektrony a vznikají vodíkové ionty. • Vodíkové ionty reagují s kyslíkem a s proudícími elektrony a vzniká voda. • Proudící elektrony vytvářejí elektrický proud.
O2
uhlík palivová elektroda (uhlík)
kalalyzátor (platina elektrolyt (kys. fosforečná) vodík
voda + elektrolyt (např.H2SO4)voda + elektrolyt (např.H2SO4)
elektrolýza vody
palivový článek
elektroda vzduchu (uhlík) separátor
vzduch (kyslík)
Hodnocení palivového článku využívajícího bioplyn ○ anaerobní zpracování + palivový článek
→ bioplyn, který vzniká při anaerobním zpracování, lze využít nejen jako páru ale i jako elektřinu.
○ systém palivových článků
→ vysoká celková účinnost, nízká hlučnost a vibrace, bez emisí plynů
○ efekt ze zavedení systému
→ snížení poplatků za elektřinu, efektivní využití nevyužité energie, snížení CO２ zlepšení okolních environmentálních vlastností, vlastní vyrobená elektřina, zlepšení image podniku
×efekt snížení nákladů je nepatrný
→ snížení jednotky energie v pivovaru: elektřina 3 %, zpětně získaná teplá voda = palivo 2 % vůči nákladu na nakupovanou elektřinu 13 jenů/kWh je náklad na výrobu elektřiny cca 25 jenů/kWh nákladná údržba
Úkolem zůstává snížení nákladů životního cyklu (LCC) zahrnujících počáteční náklady a náklady na údržbu
Ostatní způsoby využití bioplynu
■kogenerace s motorem na bioplyn bioplyn
energie páry
(hypotéza)
4 t/hod (0.98MPa) 2,880kW
300 Nm3/hod
účinnost 96 %
6.860 kcal/Nm3
ztráta 4 %
bioplyn (hypotéza) 300 Nm3/hod 6.860 kcal/Nm3
energie z elektřiny 900 kW, účinnost 35 % energie z teplé vody 650 kW, účinnost 25 % energie z páry 410 kW, účinnost 16 % ztráta 25 %
Budoucí úkoly ■ nově navrhnout celkovou energetickou rovnováhu ■ snížit množství spotřebovávané energie ve výrobních procesech ・ vytvořit výrobní procesy tak, aby spotřebovávané množství energie bylo co nejmenší ・ redukovat ztráty
■ co nejvíce zredukovat výkyvy ve spotřebě ve výrobních procesech ■ zlepšit provozní účinnost stávajících technologických zařízení ■ s ohledem na celkovou energetickou rovnováhu zvážit zavedení nových úsporných zařízení
Závěr
SAPPORO BREWERIES LTD. bude i nadále nabízet kvalitní produkty, aby se naši zákazníci mohli těšit z příjemného a bohatého života, a zároveň bude seriózně pracovat na úkolech souvisejících se životním prostředím. Děkuji Vám za pozornost!
