Hlavní způsoby využití biomasy anaerobní fermentací
HLAVNÍ ZPŮSOBY VYUŽITÍ BIOMASY ANAEROBNÍ FERMENTACÍ
Výrobní zařízení Základní schéma bioplynové stanice na tekutou kejdu je na obr. 1., foto na obr. 2. Surová kejda je čerpána z vyrovnávací nádrže (1), v níž je míchadlo zabraňující nežádoucímu usazování kejdy, do anaerobního reaktoru (2), kde je při mezofilní teplotě 37 °C podrobena anaerobnímu procesu. Vzniklý bioplyn je odváděn do suchého plynojemu (5) odkud je podle potřeby odváděn do energobloku (4). Případný přebytečný bioplyn je spalován na hořáku zbytkového plynu (6). Fermentovaná kejda je z reaktoru přepadem dopravována do skladovacích nádrží (7). Procesní teplota je v reaktoru udržována cirkulací kejdy z reaktoru přes výměník tepla (3), kde je ohřívána topnou vodou ohřátou odpadním teplem motorgenerátoru. Teplo produkované při výrobě elektrické energie stačí na zajištění technologického ohřevu bioreaktoru. Jeho přebytky, zejména v letním období, je možné využívat i k jiným účelům, např. pro sušení. Zpracování chlévské mrvy s výrobou bioplynu je v zahraničí málo používáno. Řešení, které se používá v ČR, tj. systém koš a zvon, je vlastně unikátní řešení. Je odzkoušeno ve větším měřítku a i v delším časovém úseku. Základní součástí technologie je fermentační jednotka, složená z fermentačního koše a zvonu, obr. 3. Slamnatý hnůj se po vyhrnutí z kravínů vyváží v kontejnerech. Jako přepravník kontejnerů je použit ramenový nakladač. Nakladač dopravuje naplněné kontejnery na složiště, které je hlavní částí zařízení. Na jeho ploše je umístěno přepravní zařízení, portálový jeřáb, koše, zvony a propojovací plynové potrubí. Složiště zároveň plní funkci skladu ošetřeného fermentovaného slamnatého hnoje. Naplněné kontejnery se portálovým jeřábem přenesou a jejich obsah se vyklopí do koše. Po naplnění, které při plném provozu trvá 3 až 4 dny, je koš zakryt plynotěsným ocelovým zvonem. Zvon, který je tepelně izolován a zajišťuje uvnitř prostoru vznik anaerobního prostředí, se přemístí z fermentační jednotky, kde se již ukončil anaerobní proces. Vznikající bioplyn je z uzavřeného prostoru postupně vytěsňován a odsáván. Bioplyn prochází spojovacím plynovým potrubím, které lze napojit na jednotlivé fermentační jednotky. Centrální plynové potrubí ústí k plynovému dmychadlu. Plynové dmychadlo dopravuje bioplyn do plynojemu.
Stránka 1
Hlavní způsoby využití biomasy anaerobní fermentací
Složení a vlastnosti bioplynu Bioplyn, který vzniká při anaerobní fermentaci exkrementů hospodářských zvířat, má obvykle 55 až 70 objemových procent metanu (viz tabulka T-1). V závislosti na obsahu metanu může mít bioplyn výhřevnost v rozmezí 19,6 až 25,1 MJ.m-3 . V běžných případech závisí výhřevnost bioplynu na druhu zpracovávaných exkrementů. Podle všech údajů má nejnižší výhřevnost bioplyn získaný zpracováním kejdy skotu, a to 19,6 až 22 MJ.m-3 (většinou kolem 21 MJ.m-3). Bioplyn z fermentace kejdy prasat má výhřevnost 22 až 23 MJ.m-3. Kromě oxidu uhličitého obsahuje bioplyn ještě menší množství dusíku a stopy až 1 % kyslíku, které se mohou dostat do plynového systému ze vzduchu strženého při čerpání kejdy. U vysoce zatížených anaerobních reaktorů jsou v bioplynu až 3 objemová % vodíku (většinou ale kolem 1 %). V závislosti na složení krmiva hospodářských zvířat obsahuje bioplyn sirovodík v množství 0,1 až 1 objemových procent. Při provozním sledování bioplynových stanic bylo v bioplynu maximálně 0,7 % sirovodíku (průměrně 0,3 až 0,35 %), tedy asi trojnásobné množství v porovnání s bioplynem z městských čistíren. Sirovodík při spalování vytváří oxid siřičitý, který znečišťuje ovzduší a ve spojení s vodou má korozívní účinky. V bioplynu je však síry podstatně méně než ve všech ostatních fosilních palivech. Hnědé uhlí obsahuje např. 2 až 4 % síry, těžké topné oleje a mazut asi 2 % a lehký topný olej až 1 % síry. Vedle zemního plynu je proto bioplyn palivo, které znečišťuje ovzduší oxidem siřičitým nejméně. Protože spalování plynného paliva je (ve srovnání se všemi ostatními kapalnými i tuhými palivy) nejúčinnější, představuje znečištění odpovídající získání stejného využitelného tepla jen 3 až 5 % znečištění při spalování hnědého uhlí. Při běžném spalování pro vytápění a přípravu horké vody se proto bioplyn většinou nezbavuje sirovodíku. V poslední době se v Evropě doporučuje, aby se před využíváním plyn odsířil. To je nutné při využívání bioplynu jiným způsobem, např. pro pohon motorů k výrobě elektrické energie nebo při jeho stlačování či zkapalňování. Korozívní účinky sirovodíku jsou zvýrazněny tím, že bioplyn obsahuje vždy značné množství (v závislosti na teplotě vyhnívání 2 až 6 %) vodních par. Páry při ochlazení rychle kondenzují, takže na plynovém rozvodném systému musí být na nejnižších místech potrubí nainstalovány lapače kapek k zachycení kondenzátu. Plynové potrubí musí mít nejméně 1 Stránka 2
Hlavní způsoby využití biomasy anaerobní fermentací
% spád k lapačům. Jinak hrozí, že se vytvoří vodní kapsy, které zúží profil potrubí, popř. úplně znemožní průchod bioplynu. T-1 Složení a vlastnosti bioplynu z exkrementů hospodářských zvířat
Výhřevnost Specifická Třaskavá plynů hmotnost Kritický Kritická směs se tlak MPa teplota °C -3 -3 vzduchem % MJ.m kg.m
Složky
Objemové rozmezí %
CH4
55 až 70
35,84
0,714
4,7
-82,5
5 až 15
CO2
27 až 44
-
1,977
7,4
31
-
H2
1 až 3
10,8
0,09
1,3
-
4 až 80
H2S
0,1 až 1
22,8
1,536
8,9
100,4
4 až 45
NH3
stopy
-
0,771
11,2
133
16
N2
1 až 3
-
1,25
3,3
-147,2
-
Úprava a čištění bioplynu Při běžném využívání bioplynu k vytápění a sušení se plyn zbavuje pouze vodní páry v lapačích kapek, popř. mechanických nečistot stržených z povrchu fermentujícího substrátu vedením přes lapače nečistot. K výrobě elektrické energie se vyžaduje snížit obsah sirovodíku v bioplynu pod 0,1 až 0,15 % (1,5 až 2,25 g.m-3 ). Při stlačování bioplynu pro pohon motorových vozidel je nutno z plynu odstranit přes 95 % CO2 (většinou v mokrých pračkách, kde se odstraní současně i H2S).
Vybudované bioplynové stanice - ekonomické a ekologické přínosy Úvahu o ekonomice anaerobní fermentace na farmách lze rozdělit do třech částí. První část patří úvaze, zda se vyplatí investovat do provozů pro anaerobní fermentaci ve srovnání s jinými možnostmi, jak účelně vynaložit tyto finanční prostředky. Druhá část je dána potřebou nebo přáním investovat do tohoto provozu z důvodu jeho ekonomické výhodnosti. Třetí část je dána potřebou nebo přáním investovat do tohoto provozu z důvodu jeho ekologické výhodnosti. Údaje, které lze použít pro srovnání v rámci výše uvedených úvah, lze rozdělit do dvou okruhů. V prvém okruhu jsou objektivní údaje, především ekonomické, z provozu farmy a v druhém okruhu jsou údaje prognostické, příp. předpokládané projektem. Většina bioplynových stanic byla v ČR uvedena do provozu v období let 1986 - 1989, další do roku 1992 a to v rámci ověřovacích, nebo experimentálních provozů s podporou státu na jejich výstavbu. Z toho důvodu jsou některé ekonomické údaje z tohoto období v podstatě nepoužitelné, neboť nezahrnují náklady vynaložené na výstavbu a to jak stavební, tak i technologické části. Po roce 1992 státní podpora bioenergetického programu v resortu Ministerstva zemědělství byla zaměřena jiným směrem. Výstavba bioplynových stanic v zemědělství se omezila na několik malých jednotek, financovaných z dotačních titulů. Přehled o základních údajích zemědělských bioplynových stanic v ČR udává tabulka T-2. V komunální sféře pokračují rekonstrukce a výstavby čistíren odpadních vod s možností získat státní podporu z Ministerstva životního prostředí, případně z dalších finančních zdrojů i na výstavbu bioplynových stanic. Komunální skládky tuhých domovních odpadů jsou již často vybavovány systémy na získávání a využití bioplynu. Na výzkumných a vývojových projektech z minulých let se podílely vedle Výzkumného ústavu zemědělské techniky v Praze další instituce, mezi něž patří Hydroprojekt a.s. Praha, TF ČZU Praha, ČKD Hořovice a několik zemědělských podniků. Díky těmto pracím existuje dobrá technická základna pro realizaci zemědělských bioplynových stanic, i když "know-how" bez dalších inovačních aktivit začíná zaostávat za stavem v okolních státech EU, kde se zaměřují zejména na realizaci finančně nenáročných bioplynových stanic se zpracováním kejdy, pro malé a střední kapacity zemědělských podniků, na automatizaci jejich provozu a zlepšení pracovních a životních podmínek pro obsluhu i hospodářská zvířata. Pro aplikaci a rozvoj technologií anaerobní digesce fytomasy je v České republice předpoklad nejen v dlouhodobých zkušenostech s provozem zemědělských bioplynových stanic na fermentaci zvířecích exkrementů, ale též ve výzkumné, vývojové a výrobní základně. V bioplynových stanicích je možné zpracovat nejen zvířecí Stránka 3
Hlavní způsoby využití biomasy anaerobní fermentací
exkrementy, ale i fytoodpad z rostlinné výroby, z produkce a zpracování ovoce a zeleniny, jatečné, mlékárenské, tukové, koželužské a farmaceutické odpady, odpady z výroby bionafty a bioetanolu, odpady z údržby zeleně a bioodpad ze separovaného sběru tuhých komunálních odpadů. Bioplyn je výhodné získávat při anaerobní stabilizaci čistírenských kalů a při odplynování skládek organických odpadů. Dále je pro výrobu bioplynu možné uvažovat s využitím cíleně pěstovaných vhodných zemědělských plodin. T-2 Základní údaje o zemědělských bioplynových stanicích v ČR BIOPLYNOVA FERMENTOVANY
OBJEM
PRODUKCE TEPLOTA
VYUZITI
FERMENTORU BIOPLYNU FERMENT. BIOPLYNU
INVEST.
ZAHAJENI
STANICE
MATERIAL
NÁZEV Třeboň ČOV
m3.den-1 P/Č 200/40
m3 3200+2800
m3.den-1 4000 až 6000
39 – 41
Kogenerace
Kroměříž
P/Č 180/100
3800
35 – 40
Teplo
Kladruby ZD
P/M 100
2 x 9802 x 3500 2 x 1200
2200
39 – 41
Kogenerace
36 000
1989
Plevnice ČOV
P/Ku 70/10
2 x 1100
1700
39 – 41
Kogenerace
14 000
1991
Mimoň
P 120
2 x 1800
3500
42 – 45
Kogenerace
1994
Šebetov
P 120
2 x 2000
2000
39 – 41
Kogenerace
1993
Trhový Štěpánov
P/K 10/10
1 x 700
1000
42 – 44
Kogenerace
1994
Jindřichov ZD
S/M 21tun
6x
85
600
35 – 40
Kogenerace
5 500
1989
Výšovice ZD
S/M 11t
8 x 180
350
35 – 40
Teplo
3 500
1987
Hustopeče ZD
S/M 44t
8 x 170
1200
35 – 40
Teplo
8 500
1986
Skalice SDP
K/P 170
2 160
2 700
37
48 000
1993
°C
NAKLADY PROVOZU tis. Kč
Rok
42 000
1973 1985
Zkratky:P – kejda prasat, K – kejda skotu, Ku – slepičí trus, Č – čistírenský kal,S - slamnatý hnůj, M -chlévská mrva
Ekologické přínosy využití bioplynu Zemědělství menší ztráty organických látek lepší využívání organických živin tvorba humusu podpora uzavřeného koloběhu látek stabilita půdní reakce zvýšená biologická činnost zlepšení jímavosti vody menší zaplevelení lepší úrodnost vyšší kvalita produktů rostlinné výroby nižší potřeba průmyslových hnojiv snížení zápachu z velkochovů Lesnictví snížení kontaminace ovzduší SO2, NOx snížení spadu kyselých deštů snížení odumírání lesních dřevin
Stránka 4
Hlavní způsoby využití biomasy anaerobní fermentací
Energetika nižší nároky energie na výrobu průmyslových hnojiv nižší nároky energie na výrobu biocidů využívání energie z bioplynu Zdravotnictví zlepšování čistoty ovzduší - odstraňování zápachů - odstraňování škodlivého nebo nepříjemného hmyzu (much) a patogenních mikroorganizmů zlepšování kvality vody - snižování obsahu dusičnanů - dosahování lepší čistoty - snižování patogenních mikroorganizmů - zvyšování živin ve vodě k tvorbě biomasy zlepšování kvality potravin - lepší využívání živin z půdy - omezování luxusního příjmu - snížení obsahu dusičnamů v krmivech i v potravinách Průmysl snížení potřeby výroby průmyslových hnojiv zvýšení výnosů plodin pro potravinářský průmysl snížení potřeby výroby pytlů snížení dopravy hnojiv a biocidů snížení potřeby nafty.
Stránka 5
