Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Agronomická fakulta
Geneze uplatnění a vývoj v oblasti energetických zdrojů z biomasy Bakalářská práce
Vedoucí bakalářské práce
Vypracoval
Ing. Martin Fajman. Ph.D.
Jan Hloušek
Brno 2008 1
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Agronomická fakulta
Ústav techniky a automobilové dopravy
Akademický rok: ZS2007/2008
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
Řešitel
Jan Hloušek
Bakalářský studijní program
Zemědělská specializace
Obor
Agroekologie
Název tématu: Geneze
uplatnění a vývoj v oblasti energetických zdrojů z biomasy Zásady pro vypracování:
1.
Na základě studia literárních pramenů přehledně zpracujte přehled dostupných energetických zdrojů z biomasy
2. Rozveďte možnosti konverzí energie z biomasy, popište technické principy zařízení a způsoby využití získané energie 3.
Přehledně zpracujte již realizované projekty v ČR
4.
Analyzujte nasazení v České republice a ve světě a pokuste se sestavit výhled této problematiky do budoucna
2
Rozsah práce:
25-35 stran včetně příloh
Seznam odborné literatury:
1.
elektronické informační zdroje
2.
firemní literatura
3.
odborné časopisy (Alternativní energie, Energie), sborníky z vědeckých konferencí
Datum zadání bakalářské práce:
listopad 2006
Termín odevzdání bakalářské práce:
duben 2008
Jan Hloušek
Ing. Martin Fajman. Ph.D.
zpracovatel bakalářské práce
vedoucí bakalářské práce
doc. Ing. Miroslav Havlíček, Csc.
prof. Ing. Ladislav Zeman, Csc.
vedoucí ústavu
děkan AF MZLU v Brně
3
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Geneze uplatnění a vývoj v oblasti energetických zdrojů z biomasy vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne.............................................................
podpis bakaláře..........................................
4
PODĚKOVÁNÍ Tímto děkuji Ing. Martinu Fajmanovi. Ph.D. za poskytnuté informace, pomoc při řešení bakalářské práce a ochotu při konzultacích.
5
Abstrakt Cílem bakalářské práce je vypracovat podle literárního přehledů současný stav řešeného problému na zadané téma a nastínit využívání biopaliv v praxi. V bakalářské práci je obsaženo stručné vymezení pojmu obnovitelné zdroje energie, biomasa, druhy biomasy a shrnutí jejího energetického potenciálu. Biomasu jsem rozdělil podle jejího vzniku na cíleně pěstovanou biomasu, odpadní biomasu. Dále jsem se zabýval konverzí energie z biomasy na bázi termochemické, biochemické a mechanicko-chemické přeměny. Hlavní pozornost jsem věnoval realizovaným projektům na území České republiky
využívající
biomasu
k výrobě
bioplynu,
skládkového
plynu
a spalování.V závěru jsem shrnul její potenciál na území České republiky.
Abstrakt The purpose of the bachelor thesis is to elaborate a literary survey of the present circumstances of solving problematic of the given subject and outline using bio-oils practically. The bachelor thesis is involved in a short determination of the renewable energy sources definition, biomass, the sorts of biomass and a summary of the energy potential that we can get from biomass. The biomass is divided into two groups: the waste biomass and into the on purpose grown biomass. I have also worked on the conversion of energy from biomass by the thermo-chemical, biochemical and mechanically-chemical transformations. In particular, I have focused on the realized projects in the Czech Republic that use the biomass for producing biogas, landfill gas and for burning. In the conclusion, I have summarized the potential of the biomass in the Czech Republic.
6
Obsah 1ÚVOD.............................................................................................................................9 2CÍL PRÁCE.................................................................................................................11 3 Obnovitelné zdroje energie.......................................................................................12 4Rozdělení obnovitelných zdrojů ...............................................................................13 4.1 Sluneční energie....................................................................................................13 4.2Vodní elektrárny....................................................................................................13 4.3 Větrná energie.......................................................................................................14 4.4Biomasa .................................................................................................................14 4.5 Rozdělení biomasy................................................................................................15 4.6 Pro získávání energie se využívá..........................................................................15 4.6.1Cíleně pěstovaná biomasa...............................................................................15 4.6.2Odpadní biomasa ...........................................................................................16 5Využití biomasy jako energetického zdroje v ČR....................................................18 5.1 Biopaliva...............................................................................................................18 5.2 Tuhá biopaliva......................................................................................................18 5.2.1Tuhá biopaliva vyrobená ze dřeva..................................................................18 5.2.2 Tuhá biopaliva vyrobená ze slámy a sena...................................................20 5.3 Kapalná biopaliva.................................................................................................21 5.3.1Alkoholová biopaliva......................................................................................21 5.3.2Biooleje...........................................................................................................21 5.3.3Plynná biopaliva..............................................................................................22 6Konverze energie z biomasy, technické principy zařízení a způsoby využití získané energie..............................................................................................................23 6.1 Tepelná přeměna biomasy....................................................................................24 6.1.1Karbonizace (dřevěné uhlí).............................................................................24 6.1.2Pyrolýza..........................................................................................................25 6.1.3Zplyňování......................................................................................................25 6.1.4Spalování.........................................................................................................25 6.1.4.1Kotle a další zařízení na spalování biomasy............................................26 6.1.4.2Krbová kamna a interiérové kotle............................................................26 6.1.4.3Kamna na peletky....................................................................................27 6.1.4.4Ekologické kotle na tuhá paliva malých výkonů.....................................27 6.1.4.5Zařízení na spalování biomasy s vyššími výkony (nad 100 kW)............27 6.2 Biochemická přeměna biomasy...........................................................................28 6.2.1Alkoholové kvašení........................................................................................28 6.2.2Aerobní kvašení..............................................................................................29 6.2.3Anaerobní kvašení..........................................................................................30 6.3 Mechanicko-chemická přeměna biomasy.............................................................33 6.3.1 Esterifikace....................................................................................................33 7 Realizované projekty využívající biopaliva v ČR...................................................34 7.1 Bioplynová stanice Bohuňovice 500kW (750kW) ..............................................34 7.1.1Obecný popis bioplynové stanice...................................................................35 7.1.2Stručný popis BPS a jednoduché schéma.......................................................35 7.1.3Popis objektů: .................................................................................................36 Fermentační nádrže s příslušenstvím .................................................................36 7.1.4Stručný popis výrobního procesu....................................................................39 7
7.1.5Předpokládané kapacity BPS 750kW.............................................................39 Produkce tepla z chlazení .............................................................40 3 x 255 kW jmenovitého tepelného výkonu...................................40 7.1.6Stručný popis technologie výroby, manipulace s materiálem, skladování.....41 7.2 Vliv BPS na své okolí ..........................................................................................41 7.2.1Emise...............................................................................................................41 7.2.2Pachové látky..................................................................................................42 7.3 Životnost technologie............................................................................................42 7.4 Ekonomika...........................................................................................................42 8 Závěr ..........................................................................................................44 9Seznam použité literatury..........................................................................................46 10 Přílohy.....................................................................................................................48
8
1
ÚVOD Dvacáté století je spojeno s neuvěřitelným pokrokem v nových poznatcích, které
napomohly k využití moderních strojů a výpočetní techniky v lidské činnosti jako nikdy před tím. Ulehčení lidské činnosti však vedlo k závažným problémům, které negativně ovlivnily životní prostředí. Člověk je jediný tvor, který dokázal ovlivnit přírodu v globálním měřítku. Lidé se zemědělstvím začali zabývat asi před 10.000 lety a za tuto dobu dokázali vykácet 2/3 lesa na celém světě, což mělo za následek změny ve vodních režimech v povodí, snížení retenze půd vedlo k vodní erozi půdy. Zemědělství ovlivňuje přírodu již dlouho a nezanedbatelnou měrou, ať to
bylo kácením lesů pro zakládání nových polí,
využíváním velkých ploch polí vedoucí k erozi a ztrátě biodiverzity, používání velkých dávek hnojiv znečisťující vodní zdroje nebo používání pesticidů (např. DDT,...),
což
vedlo k otravám a smrti mnoha živočichů. V současné době se přistupuje k přírodě šetrněji než před několika desítkami lety. Průmysl ovlivnil, a v některých rozvojových zemích stále velmi negativně ovlivňuje, životní prostředí tím, že továrny vypouští nebezpečné látky do vodních toků a ovzduší (freony, těžké kovy, apod.). Dále se pak tyto nebezpečné látky dostávají do půdy a značným způsobem ovlivňují životy všech živočichů, rostlin a lidí ve svém okolí. V případě, že se nebezpečné látky splavují do půdy nastává velký problém, jelikož z půdy se dostává do potravního řetězce, a tím pádem je ohroženo mnoho organizmů, které se nemohou proti těmto látkám dostatečně bránit. Těžba pro zásobování průmyslu a dopravy vedla k devastaci přírody kvůli hledání zdrojů energií a těžbou nerostných surovin (jako jsou fosilní paliva a drahé kovy), což mělo za následek kácení deštných pralesů, zamořování vodních toků a moří chemickými látkami. Následkem by mohlo být úplné vyčerpání nerostných surovin, řešením těchto problémů je recyklace a snížení spotřeby energií a fosilních paliv. Rozvoj průmyslu a dopravy způsobil nadměrnou tvorbu skleníkových plynů, což vedlo ke změně klimatu, tato změna neměla za následek jen k oteplování planety, tání ledovců a následnému zvýšení hladiny moří a oceánů, které zaplavují některé ostrovy. V posledních letech přibývá i množství živelných pohrom jako je nárůst povodní, tornád, tsunami, snížení srážek během léta, které způsobuje velké problémy především zemědělcům, kterým snižuje úrodu. 9
Vysoký nárůst počtu obyvatel vede ke spotřebě energií, potravin a mnoha dalších látek k uspokojování jejich potřeb. Při výrobě nebo jen pouhé lidské existenci vzniká odpad. V minulosti lidé neměli s odpady takové problémy jako jsou dnes. Spotřeba energií se také stále zvyšuje, lidskou práci nahradily stroje, lidé zpohodlněli a jsou zvyklí, že i sebemenší práce za ně vykonají stroje, ovšem s mnohem vyšší energetickou náročností. Elektrickou energii zatím vyrábíme z velké části spalováním fosilních paliv v tepelných elektrárnách (v ČR je to kolem 66 % vyrobené energie) nebo v jaderných elektrárnách (v ČR je to kolem 30 %). Spalování fosilních paliv má poměrně malou účinnost a velmi negativní vlivy z pohledu znečišťování ovzduší, zvyšování koncentrace skleníkových plynů a nevratné poškozování přírody při těžbě uhlí. Jaderné elektrárny jsou v současné době nejšetrnější zdroj výroby elektrické energie. Při jejich provozu nevznikají skleníkové plyny, mají však neblahý dopad na životní prostředí z důvodu těžby uranu a vznikajícího jaderného odpadu. Dalším problémem by mohla být havárie reaktoru jako tomu bylo v Černobylu (1986) což mělo za následek radioaktivní zamoření velkého území. Dále by se jaderné elektrárny mohly stát velmi snadným cílem pro teroristické útoky. Nejbezpečnějším
a
nejekologičtějším
způsobem
je
získávání
energie
z obnovitelných zdrojů, zatím však nemohou konkurovat jaderné a tepelné energii. Díky legislativní podpoře se energie z obnovitelných zdrojů pomalu začínají prosazovat.
10
2
CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce bylo sestavit přehled obnovitelných zdrojů, především
obnovitelných zdrojů
z biomasy, zhodnotit její energetický potenciál a způsoby
využívání získané energie. Dále bylo cílem sestavit přehled realizovaných projektů zaměřených na využívání biomasy v bioplynových stanicích na území České republiky.
11
3
OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE Obnovitelné zdroje energie (OZE) jsou přírodní zdroje energie, které jsou
neustále obnovovány, a tudíž nehrozí problém, že by v budoucnosti byly vyčerpány. OZE mají nenahraditelnou pozici v energetické koncepci nejen každého státu, ale i regionu, kde se díky OZE sníží jak emisní limity skleníkových plynů, tak energetická závislost na fosilních palivech, proto je velice důležitá politická podpora, díky níž se stane zajímavá pro řadu podnikatelů v tomto „ poměrně novém“ oboru. Je však velice důležité klást důraz na realizaci opravdu efektivních projektů, jelikož všude nejsou ideální podmínky pro dané zařízení na výrobu „zelené“ energie. Česká republika pokrývá v současné době OZE zhruba 2%
z celkové
energetické bilance. Značný podíl z těchto OZE tvoří podíl biomasy (kolem 70 %), tím se stává nejperspektivnějším OZ v ČR [10]. Česká republika se však zavázala, ke zvýšení výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie v Přístupové smlouvě k EU. Jejím cílem je dosažení 8% podílu elektřiny vyrobené z OZE na hrubé spotřebě elektřiny v ČR v roce 2010. Jedním z nepostradatelných nástrojů podpory využívání OZE je zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře využívání obnovitelných zdrojů, který uložil Ministerstvu průmyslu a obchodu ve spolupráci s Ministerstvem životního prostředí a Energetickým regulačním úřadem předložit vládě ČR Zprávu o plnění indikativního cíle výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů.
Graf.1: Procentuální využití obnovitelných zdrojů
Zdroj: Výzkumný ústav Silva Taroucy
12
4
ROZDĚLENÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ Vzhledem k zaměření, cílům a rozsahu práce je obecnému rozdělení
obnovitelných zdrojů věnován jen úzký prostor, podrobněji se budu zabývat tématem biomasy, jejího rozdělení a využití.
4.1
Sluneční energie Sluneční záření je základní podmínkou života na Zemi, jeho energie vzniká
jadernými přeměnami v nitru Slunce. Sluneční záření a jeho fotony dopadají na zemský povrch a mají obrovský energetický potenciál. Sluneční energie se na Zemi přeměňuje na jiné formy energie: a) pomocí technického zařízení (fotovoltaické články, sluneční kolektory) = sluneční energie b) vázaná v živých organismech (pomocí fotosyntézy) = vznik energie biomasy c) vázána do potenciální energie vody (koloběh vody na Zemi) = vodní energie d) přeměna na kinetickou energii vzdušných mas = větrná energie
větrná energie uvádí do pohybu vodu na hladinách oceánů = energie vln
Využívání slunečního záření pomocí technického zařízení podle formy energie:
Tepelná (solární kolektory) - vytápění bytů, zásobování teplou užitkovou vodou, sluneční vařiče, destilační zařízení, tavící pece, velmi často se používají pro ohřev vody v bazénech.
Elektrická (fotovoltaické systémy) - s využitím fotovoltaických článků nebo solárně termickou přeměnou.
4.2 Vodní elektrárny Voda je v přírodě nositelem mechanické energie vodních toků, je neustále obnovována koloběhem vody v přírodě, původcem vodní energie je sluneční záření. Energie vodních toků se projevuje ve formě kinetické a potenciální. Základními prvky malé vodní elektrárny jsou: vodní zdroj, vodní dílo, a generátor elektrické energie. 13
4.3
Větrná energie Energie pohybující se vzdušné masy se používá k přeměně na jiný druh energie
– dříve to byla hlavně mechanická energie, využívaná v mlýnech pro mletí obilí apod. S nástupem parních strojů a později vznětových motorů, které hlavně přinášely stálou energii bez závislosti na přírodních podmínkách větrné motory poměrně rychle zanikly. Dnes se využívá větrné energie hlavně k výrobě elektrické energie [1].
4.4 Biomasa Biomasa je produktem nejdůležitějšího biochemického procesu na Zemi fotosyntézy, při kterém se mění přijatá energie světelného záření na energii chemických vazeb [1]. Fotosyntéza je základní proces probíhající v přírodě, bez nějž by nebyl život na Zemi možný. Fotosyntéza zabezpečuje interakci oxidu uhličitého, vody a sluneční energie za vzniku složitých organických látek.
Celkový průběh fotosyntézy shrnuje rovnice:
sluneční energie
6 CO2 + 12 H2O
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
→
Chlorofyl
•
Emise Emise z biomasy jsou výrazně nižší než z fosilních paliv:
biomasa je tzv. "CO2 neutrální" (spalováním se uvolní tolik CO2, kolik
je
spotřebováno pro růst dané rostliny) ve dřevě není síra, ve slámě je jí 0,1% (2% u hnědého uhlí) další škodliviny v emisích z biopaliv jsou ve srovnání s emisemi z fosilních paliv příznivější obsah těžkých kovů v palivech z biomasy se přibližuje nule
popel z fytopaliv je možno z větší části použít jako hnojivo s dobrým obsahem vápníku, draslíku, hořčíku a fosforu.
14
•
Potenciál ve využívání biomasy
Po provedení řady studií zabývajících se tímto problémem, přišli odborníci s výsledkem jaký by mohla mít biomasa potenciál. Podle dosažených výsledků by do 15 let mohla biomasa pokrýt až 12 % z celkové energetické bilance ČR [18].
4.5
Rozdělení biomasy
Pastorek rozdělil energetickou biomasu do pěti základních skupin [5]: 1.
fytomasa s vysokým obsahem lignocelulózy
2.
fytomasa olejnatých plodin
3.
fytomasa s vysokým obsahem škrobu a cukru
4.
organické odpady a vedlejší produkty živočišného původu
5.
směsi různých organických odpadů
4.6
Pro získávání energie se využívá
4.6.1
Cíleně pěstovaná biomasa Zdrojem biomasy jsou plantáže energetických plodin (vrby, topoly, energetické
byliny, traviny). Při pěstování energetických rostlin je možno využít půd, které jsou zemědělsky neobdělávané, na půdách kontaminovaných cizorodými látkami nebo jinak devastovaných půdách lidskou činností (skládky, výsypky, kontaminované půdy, okraje dálnic a silnic). Pěstování energetických rostlin na těchto půdách v dlouhodobém časovém horizontu umožňuje revitalizaci těchto půd [9]. Využití půd tak může přinést společnosti užitek, zejména přirozenou údržbu krajiny, vznik nových pracovních míst, protierozní ochranu půdy a minimalizaci úniku dusičnanů z půdy do spodních a povrchových vod. Rozloha nepotřebné půdy k potravinářským nebo krmivářským účelům v České republice představuje v současnosti kolem jednoho miliónu hektarů.
15
1..
energetické plodiny lignocelulózové energetické dřeviny (topoly, vrby, akáty, olše,...) travní a ostatní porosty (chrastice, šťovík krmný, křídlatka sachalinská, konopí seté, sléz topolovka, čirok, ozdobnice čínská a další) obiloviny
2.
energetické olejnaté plodiny (řepka olejná, slunečnice, len) – slouží pro výrobu metylesteru a surových olejů
3.
energetické plodiny škrobnato-cukernaté (obilí, brambory, cukrová řepa, cukrová třtina, kukuřice, topinambur) – slouží pro výrobu ethanolu
4.6.2
Odpadní biomasa Při lidské činnosti vzniká velké množství odpadu a není tomu jinak při nakládání
s biomasou. Z tohoto důvodu je odpadní biomasa velmi perspektivní zdroj energie a může se stát zajímavým záměrem pro podnikatele, kteří budou využívat její energii k přeměně na jinou formu. Mnoho odpadu se dnes vyváží na skládky, složitě se spaluje nebo se vůbec energeticky nevyužije a rozloží se bez užitku. Některé biodpady mohou být zároveň i nositeli nebezpečných nemocí, plevelů, apod. (např. zbytky z jatek,...). Biologicky rozložitelný komunální odpad (BRKO) je velmi obtížná složka skládek, v současné době v ČR připadá průměrně na jednoho obyvatele asi kolem 130-150 kg (BRKO).r-1, tento odpad končí převážně na skládkách nebo ve spalovnách, je to kvůli chybějícím kompostárnám a bioplynovým stanicím, které by mohly odpad zpracovávat, a tím z něj získávat velmi kvalitní hnojivo. V současnosti je u nás nejčastěji využívána zbytková biomasa v podobě posklizňových zbytků v zemědělství a dřevní odpad v lesnictví, množství je odhadováno na cca 8 - 10 tis t.r-1. 1) rostlinné zbytky ze zemědělství – sláma (obilná, kukuřičná, řepková, apod.) 2) rostlinné zbytky z údržby krajiny – dřevní odpady (prořezy a údržba porostů v parcích a kolem komunikací, odpady ze sadů a vinic, apod.)
16
3) odpady z živočišné výroby - exkrementy z chovu hospodářských zvířat (hnůj, kejda, hnojůvka, močůvka), zbytky krmiv – velmi cenné odpady pro svůj obsah minerálních látek 4) organický podíl tuhého komunálního odpadu – kaly z čistíren odpadních vod, organický podíl tuhých komunálních odpadů
5) organické odpady z průmyslových a potravinářských výrob -
odpady
z dřevařských závodů (hobliny, piliny, kůra), odpady z lihovarů, cukrovarů, odpady ze stravovacích jídelen a provozoven na zpracování a skladování rostlinné produkce (zbytky potravin, potraviny s prošlou zárukou spotřeby, zkažené ovoce a zelenina), odpady z jatek, mlékáren, apod. 6) lesní odpady (dendromasa) – odpady z těžby dřeva (větve, odřezky, kořeny), vývraty a znehodnocené stromy po vichřici, toto dřevo se již většinou nedá využít pro další zpracování ve dřevařském průmyslu; zbytky po likvidaci náletů a křovin, apod.
17
5
Využití biomasy jako energetického zdroje v ČR
5.1
Biopaliva
Biopaliva dělíme podle jejich fyzikální podstaty na:
5.2
5.2
Tuhá
5.3
Kapalná
5.4
Plynná
Tuhá biopaliva Tuhá paliva jsou v podstatě biopaliva, která se při jejich energetickém využití
nachází v tuhém stavu. Můžeme je rozdělit podle toho, z čeho jsou vyrobeny a jakou mají podobu.
5.2.1 •
Tuhá biopaliva vyrobená ze dřeva polena – nejstarší druh paliva. Výhřevnost u zdravého suchého dřeva se pohybuje u listnáčů kolem 18 MJ.kg-1 a u jehličnanů dokonce kolem 19 MJ.kg-1, což je zhruba polovina výhřevnosti ropných látek. Dřevo může mít minimálně, bez cíleného vysoušení, 10 % obsah vody, ale nejčastěji obsahuje vlhkost dřeva skladovaného pod střechou kolem 30 %. Čím je vlhkost dřeva vyšší, tím se snižuje jeho výhřevnost.
•
štěpka – jsou rozdrcené zbytky dřevní hmoty po lesní těžbě nebo z údržby městské zeleně a parků. Vyrábí se na místě těžby kde se nechává určitou dobu oschnout, umělé dosoušení je zatím velice nákladné.
•
piliny – jsou odpadním materiálem z dřevozpracujícího průmyslu a malých dílen (truhláren) pracujících se dřevem. Nejvíce jsou používány pro výrobu pelet, briket, jako podestýlka hospodářských zvířat nebo je přidáván jako důležitá složka do kompostů díky svým pozitivním vlastnostem zadržování vody a živin 18
ve zpracovávaném kompostu. •
pelety - jsou vysoce komprimovaná, sypká fytopaliva, s vysokou výhřevností (18 – 19 MJ.kg-1), s nízkým obsahem vody (cca 7 - 10 %), s nízkými emisemi síry a dusíku, nízkým obsahem popelovin (0,5 – 1 %). Popel se dá používat jako kvalitní hnojivo, ve světě je velmi oblíbeno díky schopnosti spalování v automatických kotlích, kde je možno vytvořit zásobu i na několik dní. Rozměry záleží na peletovacích linkách, kde jsou vyráběny pouze z čisté dřevní hmoty bez nežádoucích přísad a vyrábějí se pod vysokým tlakem. Jsou vyráběny z kvalitního tvrdého dřeva (buk, bud, jasan, apod.) bez přídavku pojiv a chemických látek. Nejčastější rozměry: délka do 40 mm, průměr od 6 do 20 mm. Musí být skladovány v suchu jinak by mohly nasát vlhkost a ztratit svoje vlastnosti, popř. se rozpadat na piliny. Jsou dodávány v maloobjemových pytlích (10 – 20 kg), ve velkoobjemových baleních nazývaných - Big-bag (800kg). Cena v roce 2008 se pohybuje cca3,80 Kč.kg-1.
•
brikety – jsou svými vlastnostmi podobné peletám, rozdíl je jen v rozměrech, které jsou: obdelníkový profil 150 x 65 délky 100 mm nebo to jsou válce o průměru 50 mm a délce 70 mm. Některé brikety se vyrábějí se středovým otvorem, který tak zvyšuje plochu hořícího materiálu a zaručuje uvolňování plynných složek. Cena v roce 2008 se pohybuje cca 31 Kč včetně DPH za jedno balení o hmotnosti 10 kg
Tab.1 Výhřevnost dřevěných briket[19] 10 kg dřevěných briket dle výhřevnosti nahradí: 7,7 kg
Černého uhlí
14, 8 kg
Hnědého uhlí
15,4 kg
Dřeva
10,1 kg
Pelet
14,7 kg
Štěpky
9,4 kg
Obilí
19
10 kg dřevěných briket dle výhřevnosti nahradí: 5,6 m3
Zemního plynu
3,8 kg
LTO
42,7 kWh
Elektřiny – akumulace
40,5 kWh
Elektřiny – přímotop
Zdroj: tzb-info.cz, tzb.fsv.cvut.cz
5.2.2
Tuhá biopaliva vyrobená ze slámy a sena
Pro výrobu paliv ze slámy a sena se nejčastěji používá posklizňových zbytků, především obilní a řepkové sláma, lněné stonky, traviny a ostatní stébelniny. Nejvhodnější sláma z obilnin využitelná k energetickým účelům je sláma žita a triticale, jejich energetický potenciál z jednoho hektaru obilnin je asi 180 až 210 GJ. Řepková sláma má takový energetický potenciál, že se vyrovná kvalitnímu hnědému uhlí s výhřevností kolem 14 MJ.kg-1. Seno se v posledních letech považuje spíše za odpadní biomasu, je tomu z důvodu snížené živočišné výroby. Traviny se oproti obilninám liší ve svých vlastnostech, jako vyšší obsah dusíkatých látek, což se často projevuje na emisích, dále jsou to nižší výnosy na hektar. Pro energetické využití slámy a sena se používá podobných postupů jako u zpracování dřeva, kdy se upravují do tvaru peletek, briket a balíků z důvodu lehčí manipulace, skladování a spalování ve speciálně upravených kotlích [2]. a) balíky – jejich velikost je dána podle způsobu využití, použité manipulační techniky a v neposlední řadě podle kotle ve kterým jsou spalovány [4] standardní nízkotlaké s měrnou hmotností kolem 60 kg.m-3 a hmotností 3 – 10 kg.kus-1 standardní vysokotlaké s měrnou hmotností kolem 120 kg.m -3 a hmotností do 20 kg.kus-1 velké válcové s měrnou hmotností kolem 110 kg.m -3 a hmotností do 200 – 300 kg.kus-1, výrobně jsou nejlevnější, jejich manipulace
je
snadnější, problém však může nastat s velkými nároky na skladovací 20
prostory. Jsou to nejčastěji využívané balíky, pro využití v místních spalovnách. velké válcové s měrnou hmotností kolem 150 kg.m -3 a hmotností do 300 – 500 kg.kus-3, nejvhodnější pro velké odběratele b) brikety a pelety – jsou suché nakrátko nařezané, nadrcené a za vysokých tlaků slisované stébelniny (sláma, olejniny, energetické byliny,...) do tvaru válečků nebo cihliček. Výhřevnost těchto briket činí 16,5 – 19 MJ.kg-1 a měrná hmotnost 1 - 1,2 kg.dm-3 [4].
5.3
Kapalná biopaliva Kapalná biopaliva jsou biopaliva, která se při jejich energetickém využití
nachází v kapalném stavu.
5.3.1
Alkoholová biopaliva
Bioethanol
Biomethanol - methanol vyrobený z biomasy (silně jedovatá látka). Jeho produkce je v současnosti zatím neekonomická.
Butanol – vyrábí se složitou fermentací biomasy. Může být spalován v existujících benzínových motorech a je méně korozivní než ethanol (je jedovatý).
5.3.2
Biooleje Biooleje mohou být používány v naftových motorech jako náhrada nafty
Bionafta (FAME – fatty acid methyl ester) – získává se rafinací zvanou transesterifikace z živočišných tuků a rostlinných olejů. Toto palivo může být spalováno ve vznětových (dieselových) motorech bez jakýchkoliv úprav. 21
V současné době se v ČR povinně přimíchává 5 % bionafty do nafty vyrobené tradičním způsobem z ropy. Toto množství bionafty by nemělo nijak zvlášť negativně ovlivnit funkci motoru. Některé automobilky zaručují spalování i stoprocentní bionafty (Volkswagen, Scania) bez ovlivnění jízdních vlastností (snížení výkonu, problematické startování, apod.).
Použitý fritovací olej
Rostlinné oleje
5.3.3
Plynná biopaliva
Bioplyn
Dřevní plyn (dřevoplyn, generátorový plyn) – je produktem nedokonalého spalování dřevní hmoty za omezeného přístupu kyslíku. Dřevní plyn je tvořen ze 40 % dusíkem (N2), z 20 % oxidem uhelnatým (CO), dále podílem metanu (CH4), oxidu uhličitého (CO2), vodíku (H2), aromatických uhlovodíků, dehtových par a vodní páry s relativně nízkou výhřevností kolem 4 – 6 MJ.Nm-3. Kvalitnější dřevoplyn je vyroben při velmi nízkém obsahu vzduchu a umělém ochuzení o část dusíku např. membránovou destičkou [4]
Termální depolymerizace – slouží ke komplexní přeměně organických materiálů na lehkou ropu. Tato metoda napodobuje přirozené procesy (tlak a teplotu), které se odehrávaly při vzniku ropy, dlouhé uhlovodíkové polymery se štěpí na krátké řetězce.
22
6
KONVERZE ENERGIE Z BIOMASY, TECHNICKÉ PRINCIPY ZAŘÍZENÍ A ZPŮSOBY VYUŽITÍ ZÍSKANÉ ENERGIE Využívání biomasy k energetickým účelům je určeno podle chemických a
fyzikálních vlastností daného druhu použité biomasy. Nejdůležitější vlastností energetické biomasy je její vlhkost, jinak je tato vlhkost známa jako obsah sušiny. Množství sušiny udává její hmotnostní obsah ku hmotnostnímu obsahu vody, přibližná hranice je 50 % která ji rozděluje na dva procesy - mokré a suché [5].
Tab.2 Způsoby využití biomasy k energetickým účelům Odpadní Typ konverze
Způsob konverze
biomasy
biomasy
Energetický výstup
materiál nebo druhotná surovina
Teplo vázané na
Spalování
Popeloviny
nosič Termochemická
Zplyňování
Generátorový plyn
konverze (suché procesy)
Dehtový olej, uhlíkaté palivo Dehtový olej,
Pyrolýza,
Generátorový plyn 1
karbonizace
pevné hořlavé zbytky
Anaerobní
Bioplyn
Fermentovaný
Biochemická konverze
fermentace Aerobní
Teplo vázané na
substrát Fermentovaný
(mokré procesy)
fermentace
nosič
substrát
Alkoholová
Ethanol, metanol
fermentace Fyzikálně-chemická
Esterifikace
konverze
bioolejů
Metylester biooleje
Vykvašený substrát Glycerin
Zdroj: [1]
1
Pozn. autora – údaje převzaté z literatury by bylo možné u pyrolýzních dějů rozšířit o hlavní produkty v podobě dřevěného uhlí a hořlavé kapaliny, literatura je uvádí pouze jako odpadní produkt
23
6.1
Tepelná přeměna biomasy Termické (termochemické) reakce kromě vlastního spalování jsou si velmi
podobné, liší se jen jejich výsledek: karbonizace, zplyňování, pyrolýza. Je to proces suché destilace biomasy bez přístupu vzduchu, v některých případech se používá minimální množství vzduchu.
6.1.1
Karbonizace (dřevěné uhlí) Dřevěné uhlí je dřevo karbonizované za vysokých teplot bez přístupu vzduchu,
které je dále definováno jako drobný snadno hořlavý vysoce uhlíkatý nekrystalický produkt suché destilace, mající matný černý kovový lesk s výraznou dřevitou strukturou. Karbonizační teplota ovlivňuje jak obsah uhlíku, tak i tvrdost vypáleného uhlí, to znamená čím je vyšší teplota, tím je vyšší tvrdost a obsah uhlíku. Kvalitně vyrobené dřevěné uhlí hoří pomalu, bez kouře, bez plamenů a vydává sálavé teplo o teplotě 400 – 500°C. Z důvodu absence kouře a plamenů vzniká problém s čerstvě vypáleným dřevěným uhlím, protože může snadno dojít k samovznícení, proto se musí při jeho dozrávání ve skladech dodržovat zvýšená pozornost. Jeho výroba je velmi stará, dříve se vyráběl v milířích v tzv. redukční atmosféře, dnes je tato metoda nahrazena suchou destilací v karbonizačních pecích a retortách. Rozdíl je v dodávce tepla zuhelňovaného dříví, v milířích a karbonizačních pecích je teplo dodáváno zevnitř samotným dřevem, zatímco u retorty je dřevo zahříváno zvenčí jejím pláštěm a z tohoto důvodu je dřevěné uhlí vyrobeno v retortě chemicky čistší. Dřevo k výrobě dřevěného uhlí se používá z listnatých i jehličnatých stromů, v současnosti se upřednostňuje výroba z tvrdého listnatého dřeva. Je nutné dbát na kvalitu dřeva, není vhodné používat dřevo s velkým množstvím suků nebo napadeného hnilobou ta by mohla později způsobit problémy s dlouhým žhnutí vyprodukovaného uhlí. Dřevěné uhlí je často využíváno při filtraci kapalin a plynů díky svoji vysoké absorpční schopnosti, v průmyslu je používán k tzv. nauhličování ušlechtilých ocelí. Nejznámější využití je při provozu krbů [5].
24
6.1.2
Pyrolýza Pyrolýza je termický rozklad organických látek na nízkomolekulární produkty
a tuhý zbytek, za nepřístupu médií obsahujících kyslík. Pyrolýza má využití především při energetické přeměně tuhých materiálů (odpadů) na kapalná či plynná paliva. Pyrolýza může být součástí zplyňování a spalování. V závislosti na teplotě se mění složení plynů.
Staff rozdělil pyrolýzní procesy dle dosažené teploty [14]: a. nízkoteplotní (< 500 °C) b. středněteplotní (500 – 800 °C) c. vysokoteplotní (> 800 °C )
Použitím katalytické pyrolýzy vzniká prostor pro zvýšení podílu zpracovaných surovin o komunální odpady a další odpady jako je papír, plasty, atd.. V kombinací se zpracováním odpadu spolu s biomasou v jednom zařízení je v odpadovém hospodářství velmi perspektivní využívání odpadů, které následně nezatěžují skládky [5].
6.1.3
Zplyňování Zplyňování je termochemická reakce, která vzniká při spalování tuhých paliv při
vysokých teplotách, za omezeného přístupu vzduchu, kdy z pevného paliva vzniká palivo plynné. Zplyňování má dvě fáze:
vznik dřevěného uhlí a dehtu za nepřístupu vzduchu při teplotě cca 800 °C
minimální množství vzduchu reaguje se vzniklými meziprodukty Technologie zplyňování jsou: s pevným ložem (protiproudá, souproudá, křížoproudá) a fluidní
6.1.4
Spalování Spalování paří mezi nejznámější a nejjednodušší termochemickou konverzi
biomasy. Při tomto procesu se dosahuje velmi nízkých hodnot škodlivých emisí oproti spalování fosilních paliv. 25
Spalování biomasy má nulovou bilanci oxidu uhličitého (CO2), to však neznamená, že by spalování biomasy neprodukovalo žádný oxid uhličitý (CO2), produkuje ho právě jen takové množství, které spalované rostliny z atmosféry odebraly při svém růstu. Další emise jako jsou oxid siřičitý, je svým obsahem zanedbatelný, emise oxidu dusíku (NOx) dosahují cca polovinu povolených limitů, zvýšení však může nastat při překročení teploty plamene 1200°C. Toto spalování tudíž nezatěžuje atmosféru skleníkovými plyny a je z dlouhodobého pohledu velmi pozitivní pro životní prostředí [9].
Spalovací proces má dle Cenka čtyři fáze: 1. fáze – sušení: materiál obsahuje značné množství vody, při tomto procesu se materiál zahřívá a probíhá postupné vysušování 2. fáze – pyrolýza: při dostatečném přísunu kyslíku a dosažené zápalné teploty se uvolní spalné teplo a spalovaná látka se začne postupně rozkládat na hořlavé plyny, destilační produkty a zuhelnatělé zbytky. Proces pyrolýzy probíhá samovolně, není-li materiál příliš vlhký a uvolní dostatek spalného tepla. 3. fáze – spalování plynné složky: tento proces hoření plynných složek zaručuje prodlužující plamen a zvyšuje teplotu plynných spalin. 4. fáze -
spalování pevných látek: poslední fáze se neobejde bez dostatečného
přístupu kyslíku u dohořívajícího materiálu na roštu, kde se vytváří oxid uhelnatý (CO), jenž dále oxiduje na oxid uhličitý (CO2) . Dle Motlíka je spalování biomasy v současnosti technicky dostatečně vyřešeno a to ve dvou koncepcích [11]: 1) spalování na roštu 2) spalování na fluidní vrstvě 6.1.4.1 Kotle a další zařízení na spalování biomasy
6.1.4.2 Krbová kamna a interiérové kotle Jsou to lokální topidla, které slouží pro vytápění jen jedné nebo několika místností. V současné době se jedná o velmi atraktivní zdroj tepla pro menší domy nebo jako doplňkový nebo záložní zdroj tepelné energie. Důvodem je jejich poměrně 26
vysokou účinností 70 – 80 % tepla, jejich velká výhoda je rychlá výhřevnost a nízké pořizovací náklady (neplatí vždy). Krby a krbové vložky mají velký estetický význam a pohled na plápolající oheň pro mnoho lidí působí uklidňujícím dojmem.
6.1.4.3 Kamna na peletky Výhodou je zde velký rozsah výkonů, dobrá regulovatelnost, tyto kamna či kotle mají výhodu při doplňování paliva, které se doplňuje jednou denně do zásobníků, některé
jsou
automatické
a
spouští
se
podle
naprogramování
majitelem.
Navíc manipulace s peletkami je čistá a bezproblémová.
6.1.4.4 Ekologické kotle na tuhá paliva malých výkonů Jejich pořizovací cena je vysoká, ale náklady se brzo vrátí v podobě úspoře paliva. Dnes je na trhu mnoho kotlů pracují na principu pyrolýzního spalování, které umožňuje dosáhnout dobré účinnosti a minimální produkci škodlivých emisí. Popis Kotle jsou konstruovány pro spalování dřeva, na principu generátorového zplynování s použitím odtahového ventilátoru, který odsává spaliny z kotle, nebo ventilátoru vhánějícího vzduch do kotle, popř. jejich kombinace. Těleso kotlů je vyrobeno jako svařenec z ocelových plechů 3-8 mm. Tvoří je násypka paliva, která je ve spodní části opatřena žáruvzdornou tvarovkou s podélným otvorem pro průchod spalin a plynů. Dohořívací prostor pod ní je opatřen keramickými tvarovkami. V zadní části těla kotlů je svislý spalinový kanál, opatřený ve vrchní části zatápěcí záklopkou. Vrchní část spalinového kanálu je opatřena odtahovým hrdlem pro připojení na komín [17].
6.1.4.5 Zařízení na spalování biomasy s vyššími výkony (nad 100 kW)
27
Kotle s výkony nad 100 kW se používají pro systémy centrálního zásobování teplem a teplou užitkovou vodou. Tato zařízení jsou
vybavena automatickým
přikládáním paliva (nejčastěji šnekovými dopravníky a jiným podávacím zařízením) a jsou schopny spalovat i vlhčí biomasu jako je dřevní odpad, balíky slámy,...
6.2
Biochemická přeměna biomasy
6.2.1
Alkoholové kvašení
Velmi stará metoda, která je spojována hlavně s výrobou alkoholických nápojů a nyní je využívána pro pohon motorových vozidel. V současnosti se větší část líhu vyrábí z melasy (kolem 90%). U nás byl ethanol používaný již ve 20.letech minulého století [5].
Bioethanol - ethanol vyráběný z rostlin nebo zbytků obsahujících větší množství škrobu a sacharidů (brambory, obilí, kukuřice, cukrová řepa, cukrová třtina). Využívá se ho hlavně k pohonu motorových vozidel, kde je však do benzínu přimícháván v menším množství (5-10%). Největší oblibu má v Brazílii a ve Skandinávii.
28
Obr.1: Technologické schéma produkce bioetanolu ze škrobnatých plodin
Zdroj: Technicko-ekonomická analýza vhodných alternativních paliv v dopravě, VŠCHT Praha, 2006
Tab.3: Produkce ethanolu pro jednotlivé rostliny Plodina
Výtěžnost alkoholu -1
Výnos -1
Produkce ethanolu (t.ha-1)
(l.t )
(t.ha )
Pšenice ozimá (zrno)
370
5–6
1 850 – 2 220 (1,5 – 1,8)
Cukrovka (bulvy)
80
35 – 45
2 800 – 3 600 (2,3 – 2,9)
Brambory (hlízy)
100
20 – 30
2 000 – 3 000 (1,6 – 2,4)
Topinambur (hlízy)
77
30
2 310 (1,9)
Čirok cukrový
76
30
2 280 (1,8)
386
3,4 -4,5
1 312 – 1737 (1,1 – 1,41)
(nadzemní část) Kukuřice (zrno) Zdroj: [5] 6.2.2
Aerobní kvašení Aerobní kvašení je přeměna organických odpadů, pomoci metabolické aktivity
mikrooganismů. Při této přeměně se původní látky mění na energeticky chudší. Fermentace je charakteristická velmi rychlým nárůstem teploty. Aerobní kvašení 29
probíhá za přístupu kyslíku. Nejznámějším druhem této fermentace je kompostování. Pro energetické účely má tato přeměna však minoritní význam.
6.2.3
Anaerobní kvašení Je to v podstatě kontrolovaná mikrobiální přeměna organických látek za pomoci
bakterií, které se množí a žijí v prostředí bez přístupu vzduchu, díky jejich činnosti vzniká bioplyn a digestát (biologicky rozložený nezávadný odpad, ze kterého je velmi kvalitní hnojivo). V přirozených podmínkách probíhá především v mokřadech, trávících ústrojí přežvýkavců a na rýžových polích. V odpadovém hospodářství se objevuje na skládkách, v čistírnách odpadních vod (ČOV) a v bioplynových stanicích, kde je používán k výrobě tepla, elektřiny a v poslední době k výrobě chladu.
Bioplyn – je produkovaný plyn během anaerobní digesce organických materiálů: exkrementy hospodářských zvířat, biologická frakce z komunálních odpadů, kukuřičná siláž, poslizňové zbytky a mnoho dalších organických odpadů. Vznik bioplynu se se uskutečňuje v čtyřech základních fázích: 1. Hydrolýza – v této fázi se anaerobní bakterie - makromolekulární organické látky - jako jsou: uhlovodíky, bílkoviny, tuk, celulóza se přeměňují na nízkomolekulární sloučeniny 2. Acidogeneze – acidofilní bakterie přemění jednoduché organické sloučeniny na organické kyseliny, čpavek,sirovodík a oxid uhličitý 3. Acetogeneze – octové bakterie vytvoří kyselinu octovou 4. Metanogeneze – metanogenní bakterie vytvoří v alkalickém prostředí metan, oxid uhličitý a vodu V praxi při provozu fermentoru bioplynové stanice probíhají tyto čtyři fáze vedle sebe a nejsou odděleny místně ani časově, výjimkou jsou vícestupňové bioplynové stanice, zde probíhají tyto fáze odděleně. Po zahájení provozu fermentoru trvá několik týdnů než se začne tvořit metan. Pro udržení stability při anaerobní fermentaci je důležité zajistit metanogenním bakteriím vhodné podmínky pro život [5]. 30
Přísun živin Metanové bakterie potřebují pro svou buněčnou stavbu rozpuštěné dusikaté sloučeniny, stopové prvky a minerální látky. V kejdě je mnoho těchto látek, z tohoto důvodu se kejda stává základním substrátem pro výživu bakterií spolu s dalšími složkami, které však mají dostatek živin na to, aby se rozložily samy. Toto spojení je velmi důležité, aby se dosáhlo vyrovnaného poměru zásaditosti a kyselosti [1].
Vlhkost materiálu Anearobní fermentace probíhá vždy při menším podílu sušiny než je 50 %, jinak by metanové bakterie nemohly pracovat [1].
Stálá teplota fermentovaného materiálu Tyto teploty jsou závislé na různých kmenech bakterií:
psychrofilní kmeny – teploty pod 20 °C
mezofilní kmeny – teploty 25 – 35 °C
termofilní kmeny – teploty nad 45 °C
Stálou teplotu ve fermentoru zaručuje většinou vnitřní teplovodní topení. Nejčastěji se v zemědělské praxi používají mezofilní kmeny bakterií [5]. Zabránění přístupu světla Světlo sice bakterie neničí, ale brzdí proces. Zabránit přístupu světla není problém [3].
Hodnota pH Hodnota pH by ve slabě alkalickém prostředí měla ležet okolo 7,5. U kejdy a hnoje tento stav nastává většinou samovolně ve druhé fázi vyhnívajícího procesu vlivem tvorby amoniaku. U kyselých substrátů, jsou výpalky, syrovátka a siláž, bývá zapotřebí přidat vápno, aby se hodnota pH zvýšila [3].
31
Zabránění přístupu inhibitorů do materiálu Chemické
látky,
antibiotika,
nízká
hodnota
pH,
organické
kyseliny
nebo dezinfekční prostředky mohou brzdit nebo úplně zastavit proces vyhnívání.
Zatížení vyhnívací prostoru Je velmi důležitý údaj, který nám udává jaké můžeme dodat maximální množství organické sušiny na m3 a den do fermentoru aniž by jsme ho „překrmili“, čímž by došlo k zastavení vyhnívacího procesu. Většinou závisí na obsahu sušiny, době kontaktu a teplotě ve fermentoru. Nejčastější zatížení při teplotě 35 °C leží mezi 0,5 až 1,5 kg os/ m3.den, (os = organická sušina) [3].
Tab.4: Složení bioplynu Složení bioplynu Metan
40 – 75 %
Oxid uhličitý
25 – 55 %
Vodní pára
0 – 10 %
Dusík
0–5%
Kyslík
0–2%
Vodík
0–1%
Čpavek
0–1%
Sulfan
0–1%
Zdroj: [21]
Tab.5: Chemické složení a vlastnosti bioplynu
32
Oxid Charakteristika
Metan CH4
uhličitý CO2
Objemový díl (%)
Vodík
Sulfan
H2
H 2S
Bioplyn 60% CH4 40% CO2
55 - 70
27 - 47
1
3
100
Výhřevnost (MJ.m-3)
35,8
-
10,8
22,8
21,5
Hranice
5 - 15
-
4 - 80
4 - 45
6 - 12
650 - 750
-
585
-
650 - 750
0,72
1,98
0,09
1,54
1,2
zápalnosti (obj.%) Zápalná teplota (°C) Hustota (kg.m-3) Zdroj: [1]
6.3 6.3.1
Mechanicko-chemická přeměna biomasy Esterifikace Esterifikace je mechanicko-chemická přeměna biomasy olejnatých rostlin,
ze kterých se po vylisování získává metylester. Způsob výroby metylesteru se provádí tzv. transesterifikací olejů nízkomolekulárním alkoholem. Metylester se přimíchává do nafty pro pohon dieselových motorů. Nejznámější metylester v ČR je bezesporu metylester řepkového oleje, známý též pod zkratkou MEŘO. Toto biopalivo se ve srovnání s motorovou naftou vyznačuje vcelku pozitivním vlivem na životní prostředí. MEŘO vykazuje podstatně lepší parametry ve srovnání s motorovou naftou v emisích CO2 , SO2 a kouřivostí. Mírně vyšší má pouze emise NOx, což lze eliminovat seřízením motoru.
33
7
REALIZOVANÉ PROJEKTY VYUŽÍVAJÍCÍ BIOPALIVA V ČR V posledních několika letech je výstavba a provoz nových bioplynových stanic
velmi atraktivní z pohledu ekologického i ekonomického, což je hlavně pro zemědělce velmi atraktivní forma rozvoje svého podnikání. Díky podpoře státu a Evropské unie, jsou tyto projekty podporovány v podobě dotací na výstavbu BPS a dále jsou zaručeny výkupní ceny na dobu patnácti let, ceny stanovuje Energetický regulační úřad. Po konzultaci s vedoucím své bakalářské práce jsem se rozhodl, že se hlouběji zaměřím na problematiku bioplynových stanic a během své bakalářské praxe jsem se po dobu tří týdnů účastnil stavby bioplynové stanice v Bohuňovicích, které se v této kapitole budu věnovat. V příloze přikládám přehled dalších výroben spalujících biomasu, bioplyn a skládkový plyn (k 28. 2. 2007).
7.1
Bioplynová stanice Bohuňovice 500kW (750kW) Pro výrobu elektrické a tepelné energie z OZE se zemědělci z Bohuňovic
rozhodli, jelikož museli přestat pěstovat cukrovou řepu z důvodu uzavření němčického cukrovaru. Stavba byla zahájena v červenci 2007 a úspěšně dokončena na konci listopadu 2007. Povolení pro zahájení zkušebního provozu získali v polovině ledna. Od této doby byl postupně navyšován výkon spojený se seřizováním chodu dvou kogeneračních jednotek podle množství vyrobeného bioplynu, v březnu se nejvyšší výkon pohyboval kolem 360-390 kW. V polovině měsíce dubna byl ukončen zkušební provoz a již od konce dubna vyrábějí kolem 500 kW elektrické energie.
Stavba bioplynové stanice v Bohuňovicích má za úkol vyřešit otázku získávání elektrické a tepelné energie ze zpracování biologicky rozložitelných odpadů a biologicky rozložitelných vstupních surovin, které díky tomu nemusí být vedeny v režimu odpadů a mohou být cíleně produkovány (fytomasa, kejda, siláž) přímo v lokalitě
zemědělského
družstva,
výhodou
může
být
využívání
biologicky
rozložitelných komunálních odpadů což bude mít za pozitivní následek snížení zatížení místní skládky.
34
7.1.1
Obecný popis bioplynové stanice Stavba
této
stanice
je vhodným
způsobem
začleněna
do
komplexu
hospodářských budov stojících v západní části farmy, na místě kde dříve stál nevyužitý chlév, díky tomuto začlenění se jedná o souvislý a vyvážený celek nenarušující okolní ráz krajiny. Stanice sousedí ze tří stran s několika objekty: stáje pro chov hovězího dobytka, seník a sklad zemědělských strojů, na západní straně je orná půda patřící farmě. Vstupní biomasa (fytomasa, kejda, siláž) je ve fermentoru zpracovávána anaerobním
kvašením
(fermentací),
produktem
je
bioplyn,
využívaný
k pohonu kogenerační jednotky. Energetickým výstupem je bioplyn, který je využíván pro kombinovanou výrobu elektrické energie, tato energie je prodávána do rozvodné sítě společnosti ČEZ a vyrobené teplo slouží pro potřeby farmy a dalších objektů. Druhotným ekonomickým výstupem je fermentační zbytek (digestát), jež bude používán jako ekologicky nezávadné a velmi hodnotné kapalné biohnojivo.
7.1.2
Stručný popis BPS a jednoduché schéma
Stavba se skládá z fermentoru (bioreaktoru) a dofermentoru s integrovaným zásobníkem bioplynu, strojovny s kogeneračními jednotkami pro výrobu elektrické energie, skladovacích prostor vstupní biomasy a koncového skladu produktu – biohnojiva.
Zdroj: AgriKomp Bohemia s.r.o.
35
7.1.3
Popis objektů:
Fermentační nádrže s příslušenstvím Technologické celky, které mají přímou souvislost s produkcí bioplynu: fermentor, dofermentor, skladovací jímka koncového produktu – digestátu. V současné době má BPS jeden fermentor, ale v budoucnu se počítá s rozšířením o další fermentor a kogenerační jednotku, tím bude zaručeno zvýšení výkonu ze stávajících 500 kW na 750kW.
Fermentor Fermentor je zakrytá, zateplená a plynotěsná železobetonová nádrž s výškou 5 m, nádrž je kruhového půdorysu o průměru 20 m, částečně zapuštěná do terénu (-1,6 m). Pracovní objem fermentoru činí 1 880 m3. Strop fermentační nádrže je sestaven z dřevěné konstrukce, složené z trámů a desek, na kterých je volně položena a na obvodě utěsněna gumotextilní elastická membrána Biolene. Dřevěná konstrukce rozděluje fermentor na dvě poloviny: 1) Ve spodní míchané části probíhá fermentace. 2) V horní části je jímán bioplyn, který vydouvá membránu do kopulovitého tvaru. Podlaha a stěny nádrže jsou zatepleny deskami z extrudovaného polystyrenu a vnitřní strany nádrže jsou doplněny teplovodním vytápěním.
Fermentor je vybaven: 1) míchacím zařízením Paddelgigant – míchací zařízení je velmi vhodné pro fermentaci substrátu s vysokým podílem vláknitých surovin jako jsou např. travní siláže. Je osazeno čtyřmi různě vyosenými pádly, které při svém pohybu velice důkladně promíchávají fermentovanou hmotu a ta se rychleji a důkladněji prohřívá, promíchává starší hmotu s nově příchozí a současně rozšiřuje bakterie, a dále zamezuje vzniku usazení plovoucího škraloupu 2) vstupním dávkovačem biomasy 3) výstupním čerpadlem
36
Dofermentor Dofermentor je nádrž velice podobná fermentoru. Opět se jedná o zakrytou zateplenou a plynotěsnou železobetonovou nádrž kruhového půdorysu o průměru 22 m a výškou 5 m, o pracovním objemu 2 280 m3 . Nádrž je také částečně zapuštěná do terénu (-1,6 m). Koncová jímka Koncová jímka je nezakrytá železobetonová nádrž kruhového půdorysu o průměru 32 m a o objemu 4 820 m3, částečně zapuštěná do terénu (-1,6 m), tato jímka slouží jako sklad kapalného digestátu. Pro vyprazdňování nádrže je jímka osazena šnekovým čerpadlem.
Strojovna kogeneračních jednotek Strojovna se skládá z místnosti vlastní strojovny kogenerační jednotky, z místnosti skladu LTO a z místnosti rozvodny NN a z chladičů umístěných vně objektu.
Strojovna
je
vybavena
dvěmi
kogeneračními
jednotkami
Schnell
se šestiválcovým motorem se zápalným paprskem a synchronním generátorem 250 kW / 360 A, v budoucnu se počítá s připojením ještě jedné kogenerační jednotky. Spotřeba LTO je kolem 2,3 l.hod-1, spotřeba bioplynu 95 až 112 m3.hod-1. Motor je opatřen chladičem a na výfuku je osazen cyklonovým tlumičem hluku. Před kogenerační jednotkou je osazeno zařízení pro úpravu bioplynu a filtr s čidlem tlaku plynu. Teplo z chladičů je jímáno a rozvedeno potrubím k fermentorům a pro potřebu farmy k teplovzdušným výměníkům. Odvedení výfukových plynů je zajištěno nerezovým komínem. Teplota výfukových plynů činí bez tepelného výměníku cca 400°C, s tepelným výměníkem cca 155°C. V nerezovém výfukovém komíně je teplota redukována o dalších 30°C na 1 m potrubí.
37
Obr.2: Kogenerační jednotka Schnell
Zdroj: AgriKomp Bohemia s.r.o.
Přípojka a rozvody elektrické energie BPS je vybavena vlastním transformátorem, umístěným v bezprostřední blízkosti strojovny KJ a napojeným zemním kabelem VN ke stávajícímu nadzemnímu vedení VN 22 kV, nacházející se při hranici východní části areálu farmy.
38
Obr. 3.: Strojovna kogenerační jednotky s transformátorem
Zdroj: AgriKomp Bohemia s.r.o.
7.1.4
Stručný popis výrobního procesu Vstupními surovinami jsou hlavně kejda a kukuřičná siláž. Všechny tyto vstupy
jsou vyprodukovány a připraveny ke zpracování (fermentaci) přímo na farmě. Doba zdržení materiálu ve fermentačním procesu je kolem 120 dní, po tuto dobu je fermentovaný materiál 60 dní ve fermentoru a dále je přečerpán na dalších 60 dní do dofermentoru, kde má hmota dostatečný čas k dozrání. Konečný zbytkový produkt po fermentaci surovin (digestát) bude využit jako vysoce kvalitní hnojivo, které bude před předáváním jiným subjektům certifikováno.
7.1.5
Předpokládané kapacity BPS 750kW BPS s celkovým výkonem 750 kW (po rozšíření) bude zpracovávat denně
cca 6 000 kg kejdy a 39 000 kg kukuřičné siláže. Z těchto dvou surovin vyprodukuje BPS denně zhruba 7 315 m3 bioplynu. Elektrické generátory vyrobí celkem cca 3 x 250 kW elektrické energie a min. 765 kW tepelné energie. Produkce zbytkového digestátu (hnojiva) se bude pohybovat okolo 35 000 kg.den-1.
39
Tab.6: Parametry využívaného objemu, vyrobené elektrické a tepelné energie 45 m3
Objem dávkovače biomasy Vyvíječ bioplynu - fermentor
890 m3 prostoru pro bioplyn
Dovyvíječ bioplynu - dofermentor
1200 m3 prostoru pro bioplyn
Výroba elektrického proudu
750 kW el. výkonu
Spotřeba bioplynu
95 až 112 m3.hod-1.
Nádrže na LTO
6 x 1 500 litrů
Produkce tepla z chlazení
3 x 255 kW jmenovitého tepelného výkonu
Tab.7: Složení vznikajícího bioplynu je následující: Metan CH4
50 – 70%
Kyslič.uhličitý CO2
30 – 38%
Vodík H
do 1%
Sirovodík H2S
do 2 500 ppm
Amoniak NH3
do 70 ppm
Zdroj: AgriKompBohemia
Tab.8: Výkon BPS Bohuňovice Denní produkce bioplynu
7 315 m3
Roční produkce bioplynu
2 670 tis. m3
Obsah metanu
cca 52 %
Výhřevnost
18,8 MJ/m3
Zdroj: AgriKompBohemia
40
7.1.6
Stručný popis technologie výroby, manipulace s materiálem, skladování. Chlévská
mrva
(cca
6
kg.den-1),
000
senáž
a
kukuřičná
siláž
(cca 39 000 kg.den-1) je do fermentoru dodávána pomocí šnekového dávkovacího zařízení Vielfrass s kontejnerovým zásobníkem. Míchání surovin ve fermentoru je prováděno pomaluběžným míchacím zařízením Paddelgigant, vytápění zajistí trubkový had napájený teplovodním systémem napojeným na chladící okruh kogenerační jednotky. Po zahřátí surovin na tzv. termofilní teplotu to je 45°C bude probíhat intenzivní proces - anaerobní fermentace, který bude vstupní organickou hmotu měnit na bioplyn (metan a oxid uhličitý). Z integrovaného plynojemu je bioplyn o průměrném obsahu 54% metanu veden potrubím do strojovny. Zde je využit jako palivo k pohonu kogenerační jednotky, která vyrábí elektrickou energii a teplo.
7.2
Vliv BPS na své okolí BPS neprodukuje nadlimitní množství emisí ani hluku, nebude mít žádný
negativní vliv zdraví obyvatelstva, přírodu ani vodu nebo půdu. Přispěje jednak ke zvýšení podílu výroby elektřiny z tzv. obnovitelných zdrojů, jednak se jeho zprovozněním sníží množství biologicky rozložitelných odpadů od obyvatelstva ukládaných na skládky. Další pozitiva spočívající v produkci velmi kvalitního nepáchnoucího hnojiva, které nepodléhá snadnému vyplavování dusíkatých látek a je možno ho používat i v rizikových oblastech. Sníží se riziko eutrofizace a znečištění podzemních vod, navíc omezí používání herbicidů vlivem zničení semen plevelů při anaerobní fermentaci.
7.2.1
Emise Vzniklé emise jsou nižší než vznik metanu a CO2 při přirozeném rozkladu
stejného množství substrátu. U emisí CO2 dochází ke snížení obsahu v atmosféře o cca 35%, neboť na stejné množství získané energie jde větší část uhlíku zpět do přírodního cyklu (půdy), a to nikoliv přes atmosféru jako emise, ale vázána ve vzniklém hnojivu. Při kogenerační výrobě el.energie a tepla je spotřebováno na vstupu o 35-40% méně primární energie, než při teplárenském provozu, což znamená
41
snížení emisí pro výrobu stejného množství el. energie o cca 40%. Spálením metanu v generátoru vzniká o 26% NOx a o 59% CO2 méně oproti spálení uhlí v elektrárně.
7.2.2
Pachové látky Obavy
ze
zápachu
při
zpracování
biologicky
rozložitelných
odpadů
se u obyvatelstva při projednávání obdobných záměrů často objevují. Jsou obvykle způsobeny
zejména
špatnými
zkušenostmi
z nakládání
s odpady
v území
nebo nevhodným umístěním BPS v blízkosti obytné zástavby. Technologie zpracování stájových a jiných biologicky rozložitelných odpadů ve fermentorech však obvykle znamená značné zmírnění pachových problémů, neboť statková hnojiva i další biologicky rozložitelné odpady jsou fermentací zpracovány tak, že dále již při aplikaci na pozemky neuvolňují pachové látky. Samotné fermentory i vedení bioplynu jsou plynotěsné, tj. k uvolňování zápachu z nich nedochází. Pokud se může ojediněle v těsné blízkosti BPS zápach objevit, je to vždy důsledek provozní nekázně, které lze lehce zamezit jednak důslednou kontrolou, jednak častým čištěním komunikací a pojezdových ploch.
Zamezení uvolňování a šíření pachových látek jsou realizována následující opatření:
veškeré skladovací jímky jsou zcela uzavřené
odpady, jako jsou statková hnojiva apod., jsou vyloženy přímo do vstupní jímky technologie
7.3
výstupní hnojivo - tento produkt je průchodem fermentoru zbaven zápachu
Životnost technologie Životnost technologie výroby se počítá asi 15 – 20 let s možností průběžné
obnovy.
7.4
Ekonomika Investice do této moderní technologie byla 43 miliónů korun, družstvu se však 42
podařilo získat dotaci ze zdrojů Evropské unie, která pokrývá 50 procent vynaložených nákladů. Díky této dotaci se počítá, že se investice vrátí zhruba do pěti let. Podepsáním smlouvy o dodávkách energií se společností ČEZ mají patnácti-letou záruku, že od nich bude elektrická energie vykupována za minimální cenu 3,90 Kč.kW.
43
8
ZÁVĚR Biomasa v České republice má z pohledu obnovitelných zdrojů největší
potenciál pro výrobu elektrické, tepelné energie a v kombinaci výroby tepelné i elektrické energie – tzv. kogenerace nebo jako pohon pro motorová vozidla. Důvodem tohoto potenciálu je relativně velké zalesnění a některé oblasti produkující zbytečné přebytky zemědělské výroby, které by se mohly energeticky využít. Využívání odpadní biomasy má také nezanedbatelný potenciál, její využití by mohlo vést k menšímu zatěžování skládek a zvýšení materiálového využívání biologicky rozložitelných odpadu. Záměr napomáhá plnění Plánu odpadového hospodářství v ustanovení týkajícím se snížení podílu biologicky rozložitelných odpadů. Z ekonomického hlediska je biomasa také pozitivní, protože posiluje místní ekonomiku, snižuje nezaměstnanost, díky využívání biomasy v místě obce nebo regionu se snižují náklady na dopravu. Využívá-li se biomasa v jednou regionu, peníze v daném regionu zůstávají. Biomasa by mohla řešit energetickou nezávislost na běžných zdrojích energií nebo alespoň částečnou nezávislost na fosilních zdrojích. Biomasa má pozitivní vliv na snižování skleníkových plynů díky nulovému koeficientu oxidu uhličitého, protože při spalování biomasy je uvolněno do ovzduší přibližně téměř stejné množství CO2 jako bylo spotřebováno na její růst. Další pozitiva můžeme nalézt při využití ladem ležící půdy pro pěstování energetických plodin. Je možno využít i půd kontaminovaných cizorodými látkami nebo jinak devastovaných půdách lidskou činností (skládky, výsypky, kontaminované půdy, okraje dálnic a silnic). Pěstování energetických rostlin na těchto půdách v dlouhodobém časovém horizontu umožňuje revitalizaci těchto půd. Bioplynové stanice využívají odpadní biomasu na výrobu elektrické, tepelné energie a určitě nesmíme zapomenout na zbytkový digestát. Toto produkované hnojivo je kapalné, nesedimentující a bez výrazného zápachu, postupně uvolňuje hnojivé látky a je lépe využitelné rostlinami. Neobsahuje nadlimitní obsahy škodlivin ani choroboplodných zárodků a hnojivé látky se lehce nevymývají srážkovými vodami, což omezuje riziko znečištění podzemních a povrchových vod a jejich eutrofizaci.
44
Z těchto důvodů je produkované hnojivo vhodné i pro použití v ochranných pásmech vodních zdrojů, v chráněných oblastech, záplavových územích a je možno jej používat i v blízkosti sídel, aniž by bylo obyvatelstvo obtěžováno zápachem. V České republice zatím není využívání obnovitelných zdrojů na takové úrovni jako je tomu ve vyspělejších státech, v posledních letech se využívání biopaliv v ČR zvyšuje díky velkému zdražování zemního plynu a elektrické energie. Je však důležité, aby spolu státy spolupracovaly na vývoji nových technologií, které by zvyšovaly efektivitu zařízeních využívajících obnovitelné zdroje energie a snižovaly energetickou náročnost výrobních technologií, technických zařízení, vozidel a v neposlední řadě i domácích spotřebičů, jelikož musíme myslet na budoucí generace z pohledu zachování přírodního bohatství a energetické nezávislosti na fosilních palivech. Německo je ve srovnání s ČR velmi vyspělá země s využíváním bioplynových stanic, na svém území jich mají několik set, díky svým dlouholetým zkušenostem v tomto oboru má v České republice možnost nabízet své služby při výstavbě nových technologicky velmi vyspělých zařízení. Bioplynové stanice mají v ČR velký potenciál, při svém provozu využívají odpadní materiály a vyrábějí elektrickou a tepelnou energii. Takto vyrobená tepelná energie by se v letních měsících mohla využívat v sušičkách dřeva, bazénech, apod.. Využívání biomasy na našem území je možné i například při kombinovaném spalování uhlí a pilin nebo štěpky v tepelných elektrárnách. Osobně si myslím, že využívání biopaliv má v ČR velkou budoucnost, neboť odpadní biomasy bude vždy dostatek. Je důležité, aby se legislativně zvýhodnily ceny palivového dřeva oproti uhlí, jelikož cena je pro občany tohoto státu velmi důležitým, až zásadním, ukazatelem toho, čím budou topit.
45
9
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1.
CENEK, M.Obnovitelné zdroje energie. 2 .vyd Praha: FCC Public, 2001. 208 s. ISBN 80-901985-8-9
2.
NUSSBERGER, J. Topíme pevnými palivy lacino a ekologicky Jiří Nussberger 2005. 147 s. 80-902010-4-0
3.
SCHULZ, H. Bioplyn v praxi 1.vyd Ostrava-Plesná HEL, 2004 168 s. ISBN 80-86167-21-6
4.
PETŘÍKOVÁ, V. Energetické rostliny 1.vyd. Praha: Profi Press, s.r.o. 2006. 127 s. ISBN 80-86726-13-4
5.
PASTOREK, Z. Biomasa obnovitelný zdroj energie Praha: FCC Public, 2004. 288 s. ISBN 80-86534-06-5
6.
BERANOVSKÝ, J. Alternativní energie pro váš dům 2.vyd Brno EkoWATT 2004.
ISBN 80-86517-89-6
7.
Firemní dokumentace firmy AgriKomp Bohemia s.r.o.
8.
Fotosyntéza [online] cit. 2008-05-01
9.
Váňa, Ekologická hlediska spalování biomasy [online] cit. 2008-04-29
10.
Obnovitelné zdroje energie v České republice [online] cit. 2008-05-05
11.
Motlík, Váňa, Biomasa pro energii (2) Technologie [online] cit. 2008-05-01
12.
Obnovitelné zdroje energie [online] cit. 2008-06-03
13.
Váňa, Trvale udržitelná výroba bioetanolu [online] cit. 2008-06-01
14.
Staf, Výzkum termické konverze odpadní biomasy na plynná a kapalná paliva [online] cit. 2008-05-28
15.
Kvašení [online] cit. 2008-05-26
46
16.
Metylester (MEŘO) [online] cit. 2008-05-30
17.
Zplyňovací kotle na dřevo [online] cit. 2008-06-09
18.
Statistika využití biomasy v Evropě <www.biom.cz> [online] cit. 2008-04-16
19.
Výroba a prodej dřevěných briket [online] cit. 2008-05-28
20.
Tuhé biopalivo [online] cit. 2008-05-20
21.
Vysoce kvalitní dřevěné brikety [online] cit. 2008-05-28
22.
Bioplyn [online] cit. 2008-05-28
23.
Přehled výroben spalujících biomasu, bioplyn a skládkový plyn [online] cit. 2008-04-15
47
10
PŘÍLOHY
Tab.1: Produkce bioplynu z hlavních složek organických látek [1] Materiál
Produkce bioplynu
Obsah metanu (%)
(1.kg-1 organické sušiny)
Uhlohydráty
790
50
Tuky
1 250
68
Proteiny
700
71
Tab.2: Produkce exkrementů a orientační množství bioplynu od jednotlivých kategorií zvířat [1] Sušina výkalů
Výkaly celkem
Množství
včetně moče
průměrně
bioplynu
(kg.den-1)
(kg.den-1)
(m3.den-1)
Dojnice (550 kg)
6
60
1,7
Hovězí žír (350 kg)
3
30
1,2
Odchov jalovic (330 kg)
3,5
35
0,9
Telata (100 kg)
1,25
12 – 15
0,3
Výkrm (70 kg)
0,5
8,5
0,2
Prasnice (170 kg)
1,0
14
0,3
Prasnice se selaty (90 kg)
0,55
9
0,2
Selata menší (10 kg)
0,15
3
0,1
Selata vetší (23 kg)
0,25
4
0,15
1,3
18,5
0,3
Nosnice (2,2 kg)
00,36
0,15 - 0,30
0,016
Bojleři (0,8 kg)
0,020
0,009
Kuřice (1,1 kg)
0,020
0,009
Kategorie
Hovězí dobytek (průměr)
Prasata
Kanci (250 kg) Drůbež (průměr)
48
Tab.3: Kvalitativní ukazatele etanolu jako paliva Ukazatel
ČSN EN 65 6511
Návrh EN
Vzhled čirý,bez zákalů a sedlin Dtto Obsah EtOH před denaturací min. 99,7% V/V min. 99,7% m/m* Obsah vody max. 0,39 % V/V max. 0,3%m/m -3 Hustota při 20 °C min. 791 kg.m Obsah EtOH po denaturaci min. 95,6 % V/V Obsah volných kyselin max. 50 mg/le max. 0,007 m/m Odparek max. 15 mg/le max. 10 mg/100 ml Obsah denatur. prostředku 2,0 – 4,0 V/V Zdroj: Souček, J. Výroba a užití kapalných paliv, Praha: 2006.
Obr.1: Pohled na stavbu bioplynové stanice v Bohuňovicích (září 2007)
49
Obr.2: Dokončená bioplynová stanice v Bohuňovicích (duben 2008)
50
