MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2010
TOMÁŠ JANKOT
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav aplikované a krajinné ekologie
Využívání skládkového plynu Diplomová práce
Vedoucí práce: Ing. Bohdan Stejskal, Ph.D.
Vypracoval: Tomáš Jankot Brno 2010
Mendelova univerzita v Brně Ústav aplikované a krajinné ekologie
Agronomická fakulta 2009/2010
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor:
Název tématu:
Tomáš Jankot Zemědělské inženýrství Všeobecné zemědělství
Využívání skládkového plynu
Rozsah práce:
50 stran + přílohy
Zásady pro vypracování: 1. Stručný popis problematiky vývinu skládkového plynu se zaměřením na technologii jeho využívání. 2. Modelový výpočet produkce skládkového plynu a porovnání se skutečnými hodnotami vývinu plynu. 3. Posouzení vhodnosti praktikovaných způsobů využívání skládkového plynu. Seznam odborné literatury: STRAKA, F. -- DOHÁNYOS, M. a kol. Bioplyn : [příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů]. 2. vyd. Praha [i.e. Říčany u Prahy]: GAS, 2006. 706 s. ISBN 80-7328-090-6. 80 2. SCHULZ, H. -- EDER, B. Bioplyn v praxi. Ostrava: BEN, 2004. ISBN 80-86167 86167-21-6. KOLÁŘ, L. Analýza skládkování komunálních odpadů a využití skládkového bioplynu. Diplomová 3. práce. MENDELU Brno, 2001. 1.
Datum zadání diplomové práce:
říjen 2007
Termín odevzdání diplomové práce: duben 2010
Tomáš Jankot Řešitel
Ing. Bohdan Stejskal, Ph.D. Vedoucí práce
prof. Ing. František Toman, CSc. Vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Využívání skládkového plynu vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne 1. Dubna 2010
………………………. Tomáš Jankot
PODĚKOVÁNÍ Můj dík patří vedoucímu mé práce Ing. Bohdanu Stejskalovi, Ph.D. zejména za možnost pracovat na zajímavém tématu, které je mi blízké. Dále děkuji za pomoc a četné informace panu Karlu Kožnarovi a panu Michalu Tichému z firmy TEDOM, Ing. Milanu Říhovi z firmy EKOLINE. Můj dík patří také mé rodině, za podporu ve dny přípravy a psaní, kdy jsem byl nepoužitelný pro běžný život.
ABSTRAKT Využívání skládkového plynu Ukládání komunálního odpadu na skládkách je prozatím nejrozšířenějším způsobem likvidace. Obsažený biodegradovatelný materiál je zodpovědný za anaerobní biochemické procesy probíhající v tělese skládky a uvolňující skládkový plyn. Na dříve zakládaných skládkách způsoboval výskyt skládkového plynu řadu problémů a nezřídka bylo nutné dodatečně skládky odplynit. U nových skládek je odplynění povinnou podmínkou provozování. Uvolňovaný plyn je odčerpáván, upravován a využíván pálením v kotlích nebo kogeneračních jednotkách. Elektřina je prodávána do veřejné sítě a teplo více či méně využíváno. Stabilita a délka produkce skládkového plynu jsou faktory, jejichž znalost je zásadním předpokladem pro úspěšné projekty využívání skládkových plynů. Práce si klade za cíl seznámení se stavem odplynění a souvisejících technologií na skládkách a využití skládkového plynu. Součástí práce je i modelový výpočet a jeho srovnání s praktickými poznatky. Závěr práce se pak snaží o celkové zhodnocení problematiky. Protože finanční náročnost a sekundární dopady u jiných technologií likvidace brání jejich masovému nasazení, bude zřejmě po dlouhou dobu skládkování nejvyužívanější formou likvidace odpadů. Proto je znalost problematiky využívání skládkového plynu jistě velmi perspektivní. KLÍČOVÁ SLOVA – obnovitelná energie, skládkový plyn, kogenerační jednotky
------------------------------------------------------------------------------------------SUMMARY Landfill gas utilization Disposition of the communal waste on the waste dumps is so far the most widespread way of waste disposal. The biodegradable material that is included in the waste is responsible for the anaerobic processes running in the body of the waste dumps; the processes releasing landfill gas. The occurrence of landfill gas on the earlier established waste dumps caused a number of problems and it was often necessary to deaerate the dumps subsequently. In case of the new waste dumps, the deaeration is a compulsory condition for the waste dump operation. Released gas is drained, adapted and afterwards burned in the boilers or cogeneration units. Electricity is sold to the public grid and heat is more or less made use of. Stability and length of the landfill gas production are the factors whose knowledge is a crucial pre-requisite for successful projects of landfill gas utilization. The goal of this thesis is to introduce the situation of the waste dumps deaeration and related waste dumps technologies and landfill gas utilization. A part of the thesis is a model calculation and its comparison with the practical pieces of knowledge. The global issue analysis is provided in the conclusion of the thesis. Financial demandingness and secondary impacts of alternative disposal technologies hinder their mass application. As the result the landfilling will probably be the most used way of waste disposal for a long time. That’s why the knowledge of the landfill gas utilization issue is certainly very prospective. KEY WORDS – Renewable energy, Landfill gas, LFG, Cogeneration units
OBSAH 1
ÚVOD
2
CÍL PRÁCE
3
SOUČASNÝ STAV NA SKLÁDKÁCH V ČR
8 11
3.1 Terminy a definice používané v oboru skládkování 3.2 Problematika skládkování odpadu 3.3 Metanizace 3.4 Konverze energie 3.5 Těsnění skládek 3.6 Drenážní systém skládek 3.7 Jímání plynu 3.8 Rekultivace skládek 3.9 Čerpání plynu 3.10 Úprava plynu 3.11 Analýza plynu 3.12 Přeprava plynu na delší vzdálenosti 3.13 Využití plynu 3.14 Stabilizace a stimulace produkce plynu
12 14 18 23 24 25 26 31 33 36 37 42 43 47
MATERIÁL A METODIKA 4.1 Pozorované skládky 4.2 Použité přístroje 4.3 Metodika měření
48 49 50
5
MODELOVÝ VÝPOČET PRODUKCE PLYNU
53
6
SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ
56
7
DISKUZE
65
8
ZÁVĚR
67
9
PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY
69
4
1 ÚVOD Environmentální vironmentální technologii označujeme takovou technologii, která svou koncepcí, nebo povahou redukuje, nebo odstraňuje nově vznikající, nebo staré zátěže životního prostředí. Narůstající zájem o tyto technologie je logickým důsledkem technického pokroku a vzrůstající životní úrovně úrovně, kdy mnoho společenských skupin aktivně přistupuje k problematice ochrany životního prostředí. Také většina vlád si uvědomuje hrozící nebezpečí nevratného poškození životního prostředí, a proto moderní technologie a jejich využívání podporuje podporuje. Nejčastější formou podpory, kterou je možné využít ke komerčním účelům, je státní garance výkupních cen z OZE. Mezi jednu z environmentálních mentálních technologií bezesporu patří využívání bioplynu, konkrétně skládkového plynu. Toto odvětví mimo jiné, nastartovala asi nevýznamněji energetická krize v 70. letech minulého století.
Obrázek č. 1 Pohled na největší řízenou skládku TKO v ČR – Praha Ďáblice
Provozovatelé skládek musí v dnešní době provozovat skládku tak, aby její provoz neohrožoval a nenarušoval životní prostředí.. Takže mimo jiné povinnosti, musí zajistit odčerpávání vznikajících skládkových plynů. Během počátečních období existence skládky, bývá tento plyn z důvodu neúplného zapojení všech biochemických procesů nevyužitelný. V tomto období musí být plyn z důvodu nízké kvality, malého množství metanu, vysokého obsahu kyslíku, kyslíku 8
produkci nežádoucích plynů a především nevyrovnanosti těchto parametrů pálen bez užitku v hořáku, v těchto obdobích, ještě ani na skládce nebývá jiná technologie pro využívání skládkového plynu.
Obrázek č. 2 Vysokoteplotní pochodeň VTP Bio 600 určená pro likvidaci nevyužitelného (nevyužívaného) skládkového plynu
Plyn je nutné likvidovat, také z důvodů nepříjemného zápachu plynu, ale hlavně z důvodu nebezpečí výbuchu v případě kritické koncentrace výbušných složek tohoto plynu a neposlední řadě je to také toxicita skládkového plynu, před kterou je potřeba rostliny a živočichy chránit. Vznikající skládkový plyn se odčerpává podtlakem, který vytváříme pomocí vývěv, o jejich konstrukci, nedostatcích, přednostech a vhodnosti bude pojednáno v průběhu této práce. Jakmile je produkce skládkového plynu stabilní (stabilizovaná metanogenní fáze), nastane čas pro vybudování zařízení k jeho využívání. Plyn, který byl doposud spalován ve vysokoteplotní pochodni, může být přímo spalován v kotli s plynovým hořákem, nebo kombinovaným způsobem spalován v kogeneračních jednotkách, kde se realizuje „spoluvýroba“ elektrické energie a tepla. Samotnému využívání, ale předchází případná úprava a analýza plynu, které jsou potřebné pro spolehlivý provoz. 9
Podíl biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) v TKO, zejména ve větších aglomeracích, již dosahuje téměř jedné poloviny z celkového ukládaného objemu. Díky rostoucí životní úrovni, podíl BRKO neustále roste. Nově navážený materiál, je tedy více než vhodný pro budoucí využívání. Jeho rozklad v tělese skládky zajistí spolehlivou metanogenezi. Podíl BRKO na celkové produkci TKO byl v r. 1995 stanoven na 41% hmotnosti (Kotoulová, 2000; in EKOVEL, 2001). Typická hodnota obsahu metanu ve stabilizované fázi dosahuje 61-62% obj. (Straka 2006), což je z hlediska využitelnosti hodnota, která překračuje požadavky pro praktické využívání. Pístové motory kogeneračních jednotek mohou v praxi pracovat i s podstatně horšími parametry. Důležitá z hlediska stability vývinu a kvality SP, je i struktura organické složky z hlediska doby rozkladu. Proto BRKO dělíme na odpady: lehce, středně a obtížně rozložitelné (Straka 1999). Tradičním problémem při využívání SP je problematické využití vznikajícího tepla a to z důvodu, že většina skládek bývá logicky budována dále od sídel a staveb. Využívání skládkového plynu je tak ve většině případů pouze částečné pro výrobu elektrické energie, nevyužité vznikající teplo pak musí být bez užitku vychlazeno do ovzduší. Řešením je na delší vzdálenosti transportovat teplo, nebo samotný plyn. Toto, se však vyplatí pouze u větších zdrojů. Dopady na životní, to je jeden z dalších aspektů, kterým se tato práce zabývá, ať je to hluk produkovaný technologií pro využívání SP, nebo vliv plynů uvolňovaných skládkou, nebo spalováním skládkového plynu.
Obrázek č. 3 Navracení do kulturní krajiny. Pohled na provedenou rekultivaci
10
2 CÍL PRÁCE Cílem této práce, je seznámit čtenáře s používanou terminologií a technologií, poskytnout ucelený elementární přehled problematiky využívání skládkového plynu v ČR a přiblížit současný stav na skládkách. Práce, se zaměřuje na technologii potřebnou pro využívání skládkového plynu, seznamuje s principy těchto jednotlivých technologií a posuzuje jejich vhodnost, případně navrhuje další dostupná řešení. Ve své praktické části, si klade za cíl provést a analyzovat několik modelových měření, aby bylo možné potvrdit, či vyvrátit předpokládané výsledky, na jejichž základě dojde k rozhodnutí o rozšíření technologie na skládce TKO. Dále, se pak zabývá existujícím modelovým výpočtem produkce skládkového plynu a porovnává tento model se skutečnými hodnotami naměřenými a vypozorovanými při praktickém provozu.
Obrázek č. 4 Pohled na skládku TKO. Ze snímku je patrný obrovský podíl plastických hmot. 11
3 SOUČASNÝ STAV NA SKLÁDKÁCH V ČR
3.1 Termíny a definice používané v oboru skládkování Bariéra – přírodní nebo uměle vytvořená překážka, účinně bránící kontaminaci okolního prostředí látkami pocházejícími z ukládaného odpadu. Místo skládky – území, ve kterém je umístěno těleso skládky a objekty pro manipulaci s odpady, průsakovými vodami a skládkovým plynem. Skládkování odpadu - zneškodňování odpadu trvalým uložením na skládkách, úložištích, složištích, odkalištích, odvalech a výsypkách. Zhutňování odpadu - mechanická úprava odpadu na skládce za účelem snížení jeho objemu. Zhutněný odpad - odpad záměrně zhutněný kompaktorem za účelem dosažení vyšší objemové hmotnosti odpadu a současně jeho homogenizace a v neposlední řadě za účelem úspory místa na skládce. Podloží skládky – část geologického prostředí, která se nachází pod základovou spárou skládky. Základová spára skládky – plocha, ve které se stýká konstrukce (základ skládky) skládky s podložím. Těleso skládky – konstrukční vrstvy skládky včetně uloženého odpadu. Sekce - tvoří ji jednotlivé části dna velkoprostorové skládky se samostatným odvodňovacím systémem. Aktivní plocha – plocha, na kterou se v danou dobu ukládá odpad. Drenážní systém skládky - technické zařízení k oddělenému odvádění jak průsakové vody, tak i dešťové vody ze skládky do kontrolních jímek. Drenážní vrstva - filtračně stabilní a vodu propouštějící vrstva ze štěrkopísku, která průsakovou vodu shromažďuje a odvádí. Štěrkový plošný filtr - zpravidla 30 cm silná vrstva ze štěrkopísku k odvodnění uzavíracích vrstev. Průsaková voda, vnitřní voda – voda vytékající z tělesa skládky. Voda vytékající z tělesa skládky je směsí výluhů, kalové vody a vytlačené pórové vody.
12
Jímka průsakových vod - nepropustná bezodtoková jímka, do které je zaústěn drenážní systém pro odvádění průsakových vod ze skládky. Kontrolní jímka – nepropustná jímka, do které je zaústěn kontrolní drenážní systém pod těsněním skládky. Těsnící systém skládky - plošné prvky z přírodních a syntetických hmot sloužící k utěsnění tělesa skládky od okolního prostředí. Tyto plošné prvky mohou mít funkci podkladní, drenážní, těsnící a ochrannou. Podkladové těsnění - uměle vybudované vrstvy z minerálních zemin, případně s přidáním nějakých těsnících příměsí např. bentonitu. Těsnění svahu skládky - postranní těsnění skládky navazující na podkladové těsnění. Fólie – plastová membrána, používaná jako plošný těsnící prvek. Geotextilie - druh rouna z polypropylenu sloužící jako ochranná vrstva před poškozením polyetylénové těsnící fólie Odplyňovací systém – systém sběrných drénů a svodných potrubí, který může být vytvářen soustavou svislých, vodorovných nebo šikmých drenáží a svodů. Jímání skládkového plynu - zachycování a odvádění skládkového plynu z tělesa skládky. Skládkový plyn - je plyn vznikající při anaerobním rozkladu organických látek v tělese skládky. Součinitel filtrace – míra propustnosti pórovitého prostředí, nebo těsnícího materiálu (fólie) pro vodu. Rekultivace skládky - činnost směřující k vytvoření podmínek, za kterých je možno území skládky následně využít v souladu se zásadami ochrany životního prostředí. Násyp skládky - ohraničuje úložný prostor skládky a zamezuje vzniku povrchových vod z okolí do tělesa skládky. Koruna násypu - horní část násypu skládky, kterou tvoří obvykle objízdná komunikace. TKO – tuhý komunální odpad SP – skládkový plyn LFG – skládkový plyn BRKO – biologicky rozložitelný komunální odpad
13
3.2 Problematika skládkování odpadu Vyvážení odpadu za hranice lidských sídlišť, je nejstarší a doposud nejvyužívanější způsob nakládání s odpady – skládkování.
S rozmachem životní
úrovně lidí, nastala i populační exploze, takže i množství produkovaných odpadů několikanásobně vzrostlo. Průmyslový rozvoj koncentroval ještě více lidí na malých plochách měst a přinesl do života člověka obalový průmysl. V současné době produkuje jeden obyvatel cca.300 kg komunálního odpadu ročně (Eurostat 2008). Podíl obyvatelstva na celkové produkci odpadů je přibližně 15%. Z tohoto objemu je asi 75% uloženo na skládkách. Současný odborný pohled na tuto problematiku, považuje skládkování za obecně nejméně vhodný způsob zneškodňování tuhých komunálních odpadů. Důvodem, proč je skládkování stále nejužívanějším způsobem nakládání s odpady, je především finanční dostupnost a možnost uložit velká množství v krátkém čase. Ostatní technologie pro nakládání s odpady se prozatím potýkají s problémy, jako je třídění materiálu vstupujícího do procesu likvidace, energetická náročnost, exhaláty, atd. I přes všechna navrhovaná a realizovaná zařízení na využití a zneškodňování odpadů, která naznačují, že se výhledově podaří docílit značného poklesu množství skládkovaných odpadů, je nutno počítat s tím, že poměrně značné množství odpadů, se bude v blízké budoucnosti ukládat na skládkách i nadále. Množstvím, meziročně produkovaného odpadu, patří Češi v rámci EU na poslední místo. Tabulka č. 1 Komunální odpad v EU v roce 2008 (ČTK 2010)
stát
odpad na osobu skládky (kg) (%)
spalovny (%)
recyklace (%)
kompost (%)
EU 27
524
40
20
23
17
Belgie
493
5
36
35
25
Bulharsko
467
100
0
0
0
Česká republika
306
83
13
2
2
Dánsko
802
4
54
24
18
Německo
581
1
35
48
17
Estonsko
515
75
0
18
8
14
stát
odpad na osobu skládky (kg) (%)
spalovny (%)
recyklace (%)
kompost (%)
Irsko
733
62
3
32
3
Řecko
453
77
0
21
2
Španělsko
575
57
9
14
20
Francie
543
36
32
18
15
Itálie
561
44
11
11
34
Kypr
770
87
0
13
0
Lotyšsko
331
93
0
6
1
Litva
407
96
0
3
1
Lucembursko
701
19
36
25
20
Maďarsko
453
74
9
15
2
Malta
696
97
0
3
0
Nizozemsko
622
1
39
32
27
Rakousko
601
3
27
29
40
Polsko
320
87
1
9
4
Portugalsko
477
65
19
9
8
Rumunsko
382
99
0
1
0
Slovinsko
459
66
1
31
2
Slovensko
328
83
10
3
5
Finsko
522
50
17
25
8
Švédsko
515
3
49
35
13
55
10
23
12
Velká Británie 565
Tabulka naznačuje, že co se týče produkce TKO, bude ČR jistě dohánět své vyspělejší kolegy. Z tabulky je také ovšem patrné, že budeme nuceni snížit podíl odpadů ukládaný na skládkách. Zásadám ochrany životního prostředí vyhovují pouze řízené skládky odpadů.
Obrázek č. 5 – pohled na izolaci u zakládané řízené skládky TKO 15
Řízená skládka odpadů je technické zařízení určené k ukládání určitých druhů odpadů za daných technických a provozních podmínek, a při průběžné kontrole jejich vlivu na životní prostředí. Řízené skládkování je technologický postup ukládání odpadů na skládce, respektující zásady ochrany životního prostředí, v souladu se schválenou projektovou dokumentací a provozním řádem skládky. Důležitým faktem je, že ve smyslu stavebního zákona je řízená skládka stavbou se všemi svými důsledky včetně schvalovacího procesu. Rozsah podkladů a požadovaná úroveň zpracování průzkumů pro vypracování projektu skládky odpadů jsou závislé na účelu zpracovávané dokumentace, na druhu skládky a na potencionálním vlivu skládky na životní prostředí.
Každá nově realizovaná řízená skládka musí být vybavena: a) zařízením na zhutňování odpadů b) dokonalým těsnícím systémem c) drenážním systémem d) zařízením na jímání skládkového plynu.
Obrázek č. 6 zachycuje zmiňované požadavky na řízenou skládku. V popředí jo dobře patrná drenážní a izolační vrstva, ve středu nově budovaná studna pro jímání plynu a vpravo kompaktor, zhutňující navezený materiál.
16
Zrání skládky je proces anaerobní fermentace. Tento proces je provázen tvorbou skládkového plynu. Z 1 tuny komunálního odpadu uloženého na skládku, vzniká 100300 m3 bioplynu, který se uvolňuje po dobu 5-30 let (Institut perspektivních technologických studií (Seville). Z tohoto množství je reálně zachytitelných asi 30%. Řízené skládky musí mít těsněné podloží (vrstva jílu). Pro izolaci dna skládky se uplatňují folie z plastů a nepropustné geotextilie, uspořádané ve vrstvách střídavě s pískem a kačírkem. Proti mechanickému poškození izolace, při navážení odpadu, se pak v praxi používá vrstva těsně vyrovnaných starých pneumatik. Dno musí mít mírný sklon 1-3% do místa vyvedení drenáže. Podzemní vody, které se případně uvolňuji z podloží skládky, musí být odvedené samostatnou drenáží. Zřizování nových skládek je obsáhlá problematika. Zřizovatel skládky musí zajistit vypracování řady podkladů. Hlavními, kromě územně plánovací dokumentace, jsou také následující podklady: •
výsledky hydrologického a inženýrsko-geologického průzkumu
•
geodetické údaje
•
klimatické a hydrologické údaje
•
údaje o pásmech hygienické ochrany vodních zdrojů
•
údaje o ochranných pásmech přírodních léčivých zdrojů a přírodních minerálních vod
•
údaje o existenci inženýrských sítí a jejich ochranných pásmech
•
údaje o chráněných územích a kulturních památkách
•
výsledky hodnocení vlivu skládky na životní prostředí dle metodiky EIA
•
základní údaje o druhu a množství ukládaného odpadu
17
3.3 Metanizace Komunální odpad, který je v současnosti deponován na skládkách obsahuje cca. 35% (Straka 2008) organických (biodegradovatelných) látek. Nesmíme zapomínat, že mnoho odpadů, jejichž původcem nejsou domácnosti, obsahuje značnou část biodegradovatelného podílu (údržba zeleně, odpady z výroby, prošlé potraviny, papírové obaly, atd.). Názory na obsah BRKO ve směsném komunálním odpadu se proto značně různí. V metodickém pokynu MŽP se doporučuje počítat s 45 % podílem BRKO ve směsném odpadu. Organizace Ekokom, která uvádí dle svého výzkumu 20,4 % zastoupení bioodpadu (Plán odpadového hospodářství Slaný 2006). Při správném procesu skládkování je skládka již od svého založení dobře utěsňována a během procesu navážení TKO pak dále důsledně hutněna kompaktory, čímž dochází ke znatelné úspoře místa, ale z hlediska budoucí produkce plynu také k žádoucímu vytěsňování vzduchu z objemu skládky a homogenizaci hmoty. Těmito kroky uspíšíme nástup metanogeneze a zkrátíme metanogenezi předcházející nestabilní období, která se projevují mimo jiné výrazným zápachem, a proti kterým nelze v podstatě nic jiného dělat. V neposlední řadě tím také předcházíme budoucímu nerovnoměrnému sesedání profilu skládky, které by mohlo mít za následek porušení izolace a následné unikání plynů a navíc by ani nepůsobilo esteticky dobrým dojmem. Již během doby sběru TKO a navážení skládky začínají probíhat biochemické procesy, které jsou však zpočátku většinou jen hydrolytické - aerobní. Po zavezení určitého množství hmoty, dojde k uvedenému zhutnění a probíhající aerobní procesy v této vrstvě poměrně rychle spotřebují kyslík, nebo ho vytěsní z tělesa skládky vznikajícím CO2. V té době dojde k zastavení procesů aerobního rozkladu a nastoupí rozklad hmoty prostřednictvím procesů anaerobních. Biochemický proces, který probíhá v tělese skládky, a jehož konečným produktem je metan CH4, nazýváme biometanizace obecně metanizace, je to soubor mnoha procesů, při kterých směsná kultura anaerobních mikroorganizmů rozkládá organický podíl TKO. Konečným produktem tohoto anaerobního rozkladu je „stabilizovaná organická hmota“, která obsahuje i narostlou biomasu a pro naše účely důležitý plyn, obsahující hlavně CH4, balast tvořený zejména CO2 a v některých případech H2, H2S, N2. Aby v tělese skládky mohla úspěšně probíhat metanizace, musí při rozkladu organických 18
složek
docházet
ke
koordinované
metabolické
součinnosti
různých
skupin
mikroorganizmů. (Straka 2006) Proces anaerobního rozkladu, byl v průběhu doby a přibývajících poznatků, popsaný pomocí tří modelů. Model nejstarší dvoufázový popisoval acidogenní fázi, která produkuje mastné kyseliny a metanogenní fázi, ve které se postupně produkty acidogenní fáze přeměňuje na CO2 a CH4. Třífázový model, popsaný Mackiem a Bryantem (1981), je odlišný tím, že procesům ještě předchází fermentační fáze, ve které dochází ke konverzi komplexních organických sloučenin (uhlovodíky, proteiny, lipidy) na mastné kyseliny, alkoholy, čpavek a CO2. Ve druhé fázi potom acetogenní baktérie, které produkují vodík, štěpí produkty první fáze na H2, CO2, nižší mastné kyseliny a acetát. Ve třetí metanogenní fázi jsou produkty fáze druhé přeměňovány na CH4 a mikrobiální biomasu. Podle chemické specializace mikroorganizmů, které se účastní procesu biometanizace je dnes uznáván nejnovější čtyřfázový model (Sam-Soon 1987), podle něhož pak můžeme probíhající procesy rozdělit na čtyři fáze: hydrolýzu, acidogenezi, acetogenezi a metanogenezi.
Hydrolýza – jedná se enzymatický rozklad, při kterém se makromolekulární řetězce organických látek (proteiny, polysacharidy, lipidy) štěpí na jednodušší nízkomolekulární
jednouhlíkaté
látky.
Štěpení
probíhá
prostřednictvím
extracelulárních enzymů (hydroláz). Acidogeneze - jedná se o další rozklad produktů hydrolýzy na jednoduché organické látky (nižší mastné kyseliny, alkoholy, CO2 a H2. Štěpení probíhá prostřednictvím acidogenních bakterií. Acetogeneze – proces při němž acetogenní, denitrifikační, sulfátredukující a homoacetogenní bakterie rozkládají produkty předchozí fáze na kyselinu octovou, H2 a CO2. Metanogeneze – z kyseliny octové vystupující z předchozího rozkladu je acetotrofními metanogenními bakteriemi tvořen metan CH4 stejně tak jako je tvořen i z CO2 a H2 prostřednictvím hydrogenotrofních metanogenních bakterií.
19
Tabulka č. 2 Mikroorganizmy a látky účastnící se reakcí (Lambein 2007)
BIOCHEMICKÉ PROCESY UVNITŘ SKLÁDKY (z hlediska skupin mikroorganizmů vstupujících do procesu metanizace) Hydrolytické mikroorganismy
Využívají:
Organický materiál
např. kvasinky a bakterie
Produkují:
monomery
Acidogenní bakterie např. Clostridia
Využívají:
Monomery
Produkují:
org. Kyseliny (C2-C4) alkoholy, aceton, CO2, H2
Acetogenní bakterie např.:syntrophomonas
Metanogenní bakterie Hydrogenotrofní, acetogenotrofní
Využívají:
org. Kyseliny (C2-C4) alkoholy, aceton, CO2, H2
Produkují:
kyselinu octovou,(acetát), CO2, H2
Využívají:
kyselinu octovou,(acetát), CO2, H2 Metan CH4
Produkují:
Obrázek č. 7 Průběh čtyřfázové anaerobní fermentace (načrtnul Nordberg 1996).
20
Uvedené fáze metanogeneze uvnitř tělesa skládky jsou z chemického hlediska posloupné, při odčerpávání plynu však probíhají ve skládce současně, nikoli však v celém jejím objemu homogenně. Proto můžeme na skládkách pozorovat zejména v nově naskladněných partiích například dobře rozvinutou acidogenezi, bez dočasně navazující metanizace. Nástup úplné metanizace na skládkách je proces poměrně pomalý a vyžaduje ke svému úplnému rozběhnutí úplné vytěsnění kyslíku a změnu pH. Můžeme, tak narazit zejména v mladých částech skládky na čerpací studny, kde se vyskytuje skládkový plyn s naprosto atypickým (nežádoucím) složením. Tento plyn může obsahovat až 80% obj. CO2 může obsahovat i například malá množství H2. K nastartování procesu kvalitní metanizace dochází na skládkách v relativně dlouhém časovém období, které může trvat až dva roky(Straka 2003). Na skládkách, kde bylo špatně provedené hutnění, nebo kde nebylo hutněno vůbec, procesy metanizace nastoupí později, nebo se do využitelné formy nerozvinou vůbec. Přehled toho jak nastupují na skládkách jednotlivé procesy metanizace v čase a jak se přitom mění složení produkovaného plynu, přehledně popisuje následující tabulka.
Tabulka č.3 Typické složení plynu, podle aktuálního stavu skládky.(Starka 2006)
CH4
CO2
O2
N2
H2
acidogenní fáze (mladý odpad)
0%
80%
0%
18%
2%
Metanogenní fáze nestabilizovaná I.
20%
64%
0%
16%
0%
Metanogenní fáze nestabilizovaná II.
40%
55%
0%
5%
0%
Metanogenní fáze stabilizovaná
62%
37%
0%
1%
0%
Metanogenní fáze stabilizovaná skládka přetížená nadměrným odsáváním)
47%
33%
0%
20%
0%
Dlouhodobě přetížená skládka
40%
27%
3%
30%
0%
21
Protože mocnost skládkového tělesa není konstantní, najdeme místa, kde metanizace probíhá za naprosto
odlišných
teplot.
Rozdělení metanogenních
mikroorganizmů z hlediska teploty prostředí, v němž se nalézají, můžeme rozdělit na kryofilní (0-5°C) – není technicky použitelná, psychrofilní (5-27°C), mezofilní (2745°C) a termofilní (45-60°C) Metan produkující mikroorganizmy jsou bez výjimek striktní anaeroby. Je pro ně toxické prostředí s obsahem kyslíku nad 0,001 % obj.
22
3.4 Konverze energie Potenciál energie uložený ve skládkovém plynu, respektive v jeho spalitelné složce metanu CH4 v současné době na skládkách prakticky využíváme pouze přímým spalováním. Ke spalování dochází v hořácích, kde obsaženou energii uvolňujeme ve formě tepla a světla, nebo v tepelných strojích, kde část energie přeměňujeme na energii mechanickou (většinou pístové spalovací motory) a tu dále prostřednictvím rotačních elektrických strojů (asynchronních, nebo synchronních generátorů) přeměňujeme na energii elektrickou. Pro účely prognostikování, sledování produkce a využívání plynu uvažujeme tedy následovně: 1 m3 metanu CH4 uvolní spálením 35,88 MJ energie 1 m3 ideálního skládkového plynu (62% CH4) uvolní spálením 22 MJ energie 1 m3 typického skládkového plynu (46% CH4) spálením 16,5 MJ energie Tyto elementární údaje, je nutné mít na mysli při výběru technologie pro využívání skládkového plynu. Většina údajů výrobců je totiž vztažena na zemní plyn, což je podmínkách ČR, téměř 100% CH4. Znamená to tedy, že pokud má zařízení dodat požadovaný výkon, musí být schopné pojmout dvojnásobné množství paliva. S tím pak dále souvisí dimenzování armatur a čerpadel, které toto množství musí propustit a dodat.
23
3.5 Těsnění skládek Požadavky na těsnost skládek jsou značné. Účelem těsnění je zabráněné průniku průsakové vody do okolí skládky a utěsnění samotného tělesa skládky proti pronikání vody a vzduch. Používané těsnění bariér skládek rozdělujeme na přírodní a umělé. Přírodní - je tvořeno jílovou zeminou, která je utužená a nepropustná, realizují se tři vrstvy. Každá z těchto vrstev má minimální sílu 20cm. Každá jednotlivá vrstva se válcuje a poslední vrstva se hladí pomocí vody a válce do zrcadlového vzhledu. Umělé- geomembrána, v neporušeném stavu ji lze charakterizovat jako technicky dokonale těsné. Její tloušťka při těsnění musí být nejméně 2,5 mm silná. Používaný materiál
je
PEHD.
V současnosti
převažují
dvě
materiálové
fáze:
PVC
(polyvinylchlorid) a PE (polyetylén). U obou těchto druhů fólií vznikly a dále se vyvíjí různé druhy a modifikace. Zkušenosti z dosud kvalitně vyprojektovaných a provedených staveb jsou dobré, nedochází prakticky k žádným defektům.
Obrázek č. 8 Detail těsnící fólie a drenážní vrstvy.
24
3.6 Drenážní systém skládek Úkolem drenážního systému je odvést z tělesa skládky přebytečnou vodu. Tento systém je tvořen plošným drénem, který tvoří vrstva kačírku umístěná na izolační fólii na dně skládky, v této vrstvě je umístěna soustava drenážních trubek propojená s patami jednotlivých plynových jímajících studní a následně svedená do sběrných šachet.
Obrázek č. 9 Pohled do sběrné drenážní šachty
Úkolem těchto šachet je zajistit dokonalý odvod kondenzátu z tělesa skládky, aniž by mohlo dojít ke zpětnému průniku vzduchu do tělesa skládky (vodní uzávěra). Tyto šachty jsou potom napojeny na sběrné potrubí kondenzátu, které ústí do nádrže ve které se shromažďuje kondenzát, který je vracen zpět do skládky, tak aby se zabezpečila požadovaná vlhkost deponovaného materiálu. Analýzou kondenzátu můžeme získat přehled o probíhajících procesech ve skládce. Například kyselý výluh, nás informuje o tom, že intenzivně probíhají pouze hydrolýza a acidogeneze. Tento stav by byl nepříznivý, protože v této fázi se ve výluhu objevuje značné množství navázaných těžkých kovů. Další oblastí nakládání s vodami na skládkách TKO je srážková voda dopadající na povrch rekultivované části skládky. Tato voda se zachycuje a shromažďuje v nádrži na čistou dešťovou vodu a tato je později využívána například na mytí vozidel autoparku, nebo například na zavlažování zeleně rekultivované části skládky.
25
3.7 Jímání plynu Vlastní zařízení pro jímání plynu je základním kamenem v problematice odplynění skládek. Jak již bylo zmíněno, provedení odplynění skládky je nezbytné z hlediska bezpečnosti a z hlediska ochrany životního prostředí. Jednotlivá jímací zařízení v tělese skládky (studny, vrty) jsou propojena pomocí plynosběrného potrubí a potrubí pro odvod kondenzátu. A vytváří síť s předem projektovaným sponem. Projekty odsávání a využívání plynů ze skládek odpadů, vyžadují již předem zodpovězení zásadních otázek, z jejichž odpovědí určíme technickou a ekonomickou náročnost projektu:
• kolik skládkového plynu skládka vyvine • jak se bude toto množství měnit v závislosti na čase uložení odpadů • jak dlouho bude skládka zdrojem skládkového plynu • jaké bude složení skládkového plynu • kolik bude potřeba provést vrtů pro odsávání skládkového plynu
Základní strategie průzkumu starých i nově zřizovaných skládek probíhá následujícím způsobem:
• sběr základních údajů o skládce • sběr základních údajů o ukládaných odpadech • předběžný povrchový průzkum a kategorizace skládky
Podle základních údajů o množství a složení deponovaných odpadů lze teoreticky odpovědět jen na některé z těchto otázek. Je všeobecně známo, že teoretické výpočty výtěžku metanu z jedné tuny odpadů je několikanásobně vyšší, než jsou v praxi dosahované hodnoty. Toto je způsobeno samotnou odlišností skládek odpadů a jejich vlastnostmi, které se liší v mnoha faktorech ovlivňujících vývin metanu jako je např.:
•rychlost ukládání, stáří a druh odpadů •stupeň zhutnění skládky •hloubka tělesa skládky 26
•vlhkost odpadů a rovnoměrnost následného vlhčení •rozsah a intenzita počátečního aerobního rozkladu odpadů
Z hlediska umístění jímacího potrubí ve skládce můžeme rozdělit systémy na vodorovné, svislé a šikmé. V praxi se v české republice setkáme na skládkách převážně s provedením svislým. Způsob, jakým můžeme vybudovat plynovou jímku je v zásadě dvojí. U již zrealizovaných skládek, které potřebujeme odplynit, se provádí vrty. U skládek nově zakládaných, je jímací studna budována průběžně. Důvodů k průběžnému budování je několik. První je ekonomický, průběžné budování jímací studny je lacinější, protože nevyžaduje těžkou vrtnou soupravu, kterou je třeba dopravit na těleso skládky. Druhým důvodem je to, že nové skládky jsou zakládány na pečlivě provedený systém izolace a případné vrtání by izolaci mohlo poškodit.
Obrázek č.9 Na snímku, je patrné pečlivé provedení izolace dna skládky. Vrty se provádějí metodou svislého vývrtu do tělesa skládky. Vrtané otvory jsou o průměru 800 – 1000 mm. Po vyvrtání studny, kterou se vždy pokoušíme udělat až na dno skládky, se do středu otvoru umístí perforovaná pažnice (potrubí o světlosti typ. 160-320mm). Poté je potrubí obsypáváno drenážní vrstvou, tvořenou většinou promývanou směsí kamenů a valounů, tzv. drenážním kačírkem. Ode dna skládky až do výšky cca. 2m pod úroveň rekultivace je svislé potrubí perforováno otvory typ. 12mm velkými. Zmíněné dva metry potrubí jsou již bez perforace a slouží k důkladnému utěsnění vrtu. Pochopitelně v této části vedení již není nasypaný kačírek, nýbrž je 27
provedené utěsnění, nejlépe jílem. V případě plynové jímky budované v průběhu navážení skládky je postup následující: Na dně odizolované vany pro budoucí skládku je umístěna betonová pata studny, je to betonový prefabrikát. K této patě je přišroubována plastová patka, která je stejně jakou v případě vrtu umístěná na konci perforovaného potrubí. Koncentricky s tímto potrubím je umístěna ocelová pažnice o průměru 1000mm a délce 4000mm. Spodní konec pažnice se v této první fázi zakládání plynosběrné studny opírá o betonový prefabrikát, tak aby svou vahou nepoškodila drenážní potrubí pro odvod kondenzátu, případně potrubí pro spodní odtah plynu, je-li aplikováno. Následně je pata spolu se spodním koncem pažnice opět obsypána kačírkem, stejně tak je kačírek nasypán i do pažnice, přičemž je dbáno, aby bylo perforované plynosběrné potrubí koncentricky umístěno ve vrstvě drenážního materiálu. Nyní se začne navážet skládkovaný materiál a důsledně se utužuje nejlépe blízko k hodnotě utužení 800-1000kg/m3. Když se síla naskladňované vrstvy začne blížit k hornímu konci pažnice, tak se nejprve napojí nový díl vnitřní perforované pažnice a poté, se vytáhne pažnice přibližně o 2m vzhůru a celý postup se opakuje až do chvíle, kdy se naskladní povolená výška skládky (Straka 2003). Opět dva metry před ukončením
nahradíme
perforované
potrubí
neperforovaným
a
pochopitelně
neobsypáváme drenážním materiálem, ale utěsňujeme spolu s celou skládkou. Je- li na skládce vyprojektována krycí plastová fólie, tak se plynotěsně svaří s vyústěním vrtu. Nyní jsme ve fázi, kdy z tělesa skládky vede v obou případech svisle vzhůru jímací potrubí, které se doposud provizorně připojovalo k plynoměrnému potrubí. Vrchní konec potrubí, se zakrátí na potřebnou délku (pod úrovní, nebo nad úrovní okolního terénu) a osadí hlavicí, která zredukuje potrubí studny nebo vrtu na průměr typicky DN80. Hlavice vrtu je též vybavena vzorkovacím kohoutem, ze kterého je možné odebírat vzorky plynu a zavírací armaturou, která je přišroubována na zmiňovanou přírubu. Za klapkou je již vrt, nebo studna připojený do sítě plynosběrného potrubí, přičemž platí zásada při navrhování i budování, aby odčerpávaný vrt (studna) byl níž než sběrné potrubí, aby se kondenzát vracel zpět do skládky a neodtékal plynovým potrubím k čerpací stanici, nebo netvořil hydraulický uzávěr pro procházející plyn. Jednotlivé studny (vrty) jsou pospojované do sekcí (většinou podle stáří) a svedeny do centrálního sběrače, který bývá umístěn v bezprostřední blízkosti čerpací stanice a který je vybaven automatickým hydraulickým separátorem. Aby se zamezilo 28
deformaci pažnice, nebo jejímu vytržení z izolace, používá se na některých skládkách systém teleskopických pažnic.
Obrázek č. 10 Detail utěsnění studny svařením svrchní fólie s pažnicí a ochranou trubkou
Obrázek č. 11 Detail utěsnění studny jílem a zapuštěnou ochranou trubkou
29
Obrázek č. 12+13 Některé části rekultivovaného povrchu díky sesedání vykazují nežádoucí sklon. Potrubí je pak potřeba pro dosažení požadovaných spádů dodatečně podepřít.
Obrázek č. 14+15 Systémů propojování sběrných potrubí existuje celá řada a i v rámci jedné skládky najdeme většinou několik variant
30
3.8 Rekultivace skládek
Každá skládka musí být po svém uzavření plně rekultivována. Rekultivace skládky jako proces navrácení celé plochy skládky zpět do kulturní krajiny, nebývá úplně jednoduchý a využitelnost pozemku má svá omezení. Zemědělské rekultivace skládek odpadů, bývají problematické a vyžadují až 60 cm pokrytí ornicí. Úniky bioplynu zase znemožňují lesnickou rekultivaci skládek komunálních odpadů. Výhodné a poměrně dobře realizovatelné jsou účelové rekultivace (parky, sportovní plochy, golfová hřiště, sjezdovky). Skládky z minulých dob mohou představovat časovanou ekologickou bombu, protože zabezpečení některých skládek s nebezpečnými látkami je nedostatečné (např. zasypané, reznoucí kovové sudy s chemikáliemi). Nebezpečné odpady je možno skládkovat ve skládkách hlubinného typu. Horninové prostředí chrání takovou skládku ze všech stran. Je možno k tomu využít opuštěných dolů. Injektáž odpadů do horninového prostředí se ve světě stále více využívá. Odpad však je nenávratně ztracen k dalšímu zpracování. Některé nebezpečné odpady tekuté nebo plynné, se před skládkováním solidifikují (zpevňují). Solidifikace se provádí hydraulickými pojivy (cement) nebo v tuhnoucích taveninách (vitrifikace), nebo pomocí asfaltu (bitumenace) nebo s použitím sádry (odsíření spalin) nebo termoplastů. Rekultivace takovýchto skládek, které obsahují nebezpečné látky, je velice náročná a může vyžadovat speciální zásahy, před, během i po vlastní rekultivaci. Po ukončení navážení TKO se na odpad naveze krycí odpad (inertní materiál), poté se skládka (je li to v projektu) uzavře nepropustnou folií, která se u paty skládky svaří s podkladní fólií. Na takto uzavřenou skládku se umístí vrstva zeminy, která se osází zelení.
Obecný postup rekultivace skladky • přípravná fáze – zpracování projektové dokumentace – zpracování analýzy rizika – zajištění stavebního povolení (územního rozhodnutí) 31
– vypracování a předložení žádosti o podporu o dotační titul • realizační fáze – provedení hrubých terénních úprav – položení izolačních vrstev (pokud je projektována) – položení drenážních vrstev – položení rekultivačních vrstev – biologická rekultivace • následná fáze – příprava dokumentace pro poskytovatele dotace – péče o rekultivovanou skládku – monitoring
Obrázek č. 16+17 Pohled na rekultivované části skládek Michalovice a Ďáblice
32
3.9 Čerpání plynu
Plyn opouštějící skládku unáší ve svém objemu značná množství pevných a kapalných částic. V technologii čerpání i využívání plynu jsou místa, kde toto může působit potíže, případně může být pro technologii destruktivní. Proto je na vstupu plynu do čerpací stanice používán již zmíněný hydraulický separátor, ve kterém dochází k oddělování kondenzátu unášeného plynem, kondenzát je průběžně automaticky odpouštěn do sběrné kondenzátní nádrže a později vracen do tělesa skládky.
Obrázek č. 18+19 Sběrač s hydraulickým separátorem a zaústění do čerpací stanice V čerpací stanici je na vstupu plynu osazen cyklon a filtr nečistot. Po filtraci je plyn veden do rozvaděče, který čerpaný plyn rozvede k vývěvám. V čerpacích stanicích se používá více paralelně pracujících vývěv, jednak z důvodu nároků na čerpaný objem, ale i z důvodu potřebné duplicity (záskoku) této části technologie. Protože se jedná o primární část technologie pro využívání skládkového plynu, je nutné z důvodu ekonomicko-provozních, ale především z důvodů bezpečnostních, zajistit odsávání plynu i při poruše některé z vývěv. Proto je zapojení armatur koncipováno tak, aby kteroukoliv vývěvu bylo možné bez přerušení čerpání odstavit, odpojit od přívodu plynu a provádět na ní příslušné práce. Každá z vývěv tedy obsahuje dva uzávěry (na vstupu a výstupu), solenoidový ventil automaticky uzavírající okruh vývěvy v případě jejího vypnutí, systém zpětných klapek, které zabraňují stejně jako solenoid tomu, aby přes stojící vývěvu pronikal zpět plyn čerpaný ostatními vývěvami.
33
Důležitým prvkem z hlediska bezpečnosti jsou deflagrační pojistky osazené na vstupu i výstupu každé vývěvy.
Obrázek č. 20+21Pohled do čerpací stanice, kde jsou patrné všechny popisované součásti Základní funkcí deflagrační pojistky je zabránit přenosu deflagrace – výbuchu šířícího se podzvukovou rychlostí – do chráněného prostoru nebo navazující technologie.
Obrázek č. 22 Detail deflagrační pojistky Speciální konstrukce přitom dovoluje, aby plynné médium proudilo bez odporu oběma směry. Pokud dojde ke vznícení zpracovávaného plynu, plamen při průchodu vložkami deflagrační pojistky zhasne a zabrání se tak jeho dalšímu šíření. Dalším volitelným 34
bezpečnostním prvkem jsou snímače teploty. Ty v případě trvajícího hoření zaznamenají zvýšení teploty v místě deflagrace a vyšlou signál, který zastaví další přívod plynného média. Deflagrační pojistky, stejně jako vložky filtrů je nutné po určité době měnit. Důvodem k výměně je zanášení póru pojistek a tím narůstající odpor pro průchod plynu a pokles účinnosti čerpání plynu. Pro čerpání skládkového plynu byly v průběhu vývoje problematiky využívání skládkových plynů v posledních 40 letech vyzkoušeny pravděpodobně všechny do úvahy přicházející typ čerpadel plynu. Testovány byly nízkotlaké i vysokotlaké stroje. Relativně často najdeme v čerpacích stanicích na skládkách Rootsovy vývěvy v provedení
dvoulopatkovém
i
třílopatkovém,
vývěvy
s postraním
kanálem
jednostupňové i vícestupňové a lamelové vývěvy.
Obrázek č. 23 funkční princip Rootsovy vývěvy Čerpací stanice se až nedávné doby koncipovaly jako zařízení s nebezpečím výbuchu. To značně prodražovalo jejich pořizovací cenu z důvodu, že veškeré elektrozařízení muselo být v provedení pro toto prostředí. Nový trend vede k tomu, aby čerpací stanice byly zařazeny jako prostředí běžné. Tohoto se dociluje nucenou výměnou vzduchu, čímž se dosáhne toho, že v žádné provozní situaci, nedosáhne koncentrace plynu nebezpečné úrovně.
Negativum, které tato koncepce přináší je
nebezpečí zamrznutí v zimních měsících, kdy teplota uvnitř čerpací stanice díky intenzivní ventilaci dosahuje stejných teplot, jaké jsou venku. Toto je možné řešit osazením teplovodního radiátoru (sahary) na vstupu čerstvého vzduchu, přičemž jako zdroj teplé vody používáme chladící vodu s kogenerační jednotky.
35
3.10 Úprava plynu Skládkový plyn obecně obsahuje ve svém objemu značné množství vody. Další voda, je pak unášena potrubím vlivem proudění. Plyn zahřátý čerpáním je při opuštění čerpací stanice nasycen ještě větším množstvím vody, jednou z možných úprav je co nejvýraznější vychlazení plynu, čímž dojde ke kondenzaci vodních par obsažených v plynu. Dále se na vhodných místech využívá efektu gravitačního odloučení vody pomocí cyklonu. Zkondenzovaná odloučená voda je svedena do kondenzační nádrže a opět použita k zavlažení skládky.
Obrázek č. 24+25 Chladič plynu s cyklonem a kompresorová jednotka chlazení.
36
3.11 Analýza plynu Analýza plynu patří k nejdůležitějším činnostem, které během procesu využívání skládkového plynu provádíme. Před plným nastoupením procesů metanizace, nám může vypovědět o dějích uvnitř tělesa skládky. Umožní nám vypracovávat reálné prognózy. Před samotným nasazením technologie, přesná analýza plynu napoví, jaké materiály máme použít z hlediska chemické odolnosti (sedla ventilů, kompozice kluzných ložisek, materiál elektrod svíček, atd.), ale určí i strategii výměny olejových náplní, nákupu samotných olejů. Vzhledem k tomu, že skládka se v čase neustále vyvíjí a v jejím tělese mohou začít rozkladné procesy látek, o jejichž přítomnosti nevíme, je vhodné alespoň jednou v roce provádět důkladnou analýzu prostřednictvím specializované laboratoře. Ale i během běžného provozu využívání skládkového plynu je naprosto nezbytná znalost jeho základního složení. Proto neustále sledujeme % obj. obsah metanu, a % obj. obsah kyslíku, průtok a teplota plynu. Tyto hodnoty nás průběžně informují o tom, jak se vyvíjí proces metanizace uvnitř tělesa skládky. Podle množství metanu ve vystupujícím plynu pak upravujeme čerpané množství plynu. Obsah kyslíku nás informuje o netěsnosti hlavic vrtů, nebo svodového potrubí, v horším případě i o tom, že do skládkového tělesa pronikl vzduch. V takovém případě je nutné použít ručního analyzátoru, identifikovat vadnou sekci, v ní potom najít vrt, který vykazuje zvýšený kyslík a vrt uzavřít.
Obrázek č. 26+27 Měření obsahu CH4 a O2 a měření průtoku plynu. Pro měření obsahu kyslíku používáme v drtivé většině případů elektochemické senzory na principu palivového článku. Tento princip, se využívá pro detekci plynů, které oxidují na kovovém katalyzátoru, jako jsou platina nebo zlato. Typické plyny, 37
které lze tímto způsobem měřit jsou oxidy - O2, NO, NO2, CO, CO2 a H2S nebo organické páry alkoholů, aldehydů nebo ketonů.
Celý princip je obdobný funkci
palivového článku, tzn., že kyslík se na rozhraní vrstvy katoda/elektrolyt elektrochemickou cestou přeměňuje na elektrický proud, jehož velikost je úměrná koncentraci kyslíku v měřené směsi plynů. Měřící buňka obsahuje olověnou anodu a zlatou katodu ponořené do elektrolytu na bázi kyseliny octové. K zlaté katody elektrolytu od analyzované směsi se využívá difúzní membrána z PTFE. Proudová smyčka je uzavřena zatěžovacím odporem, který převádí úroveň proudu na úbytek napětí. Termistor zapojený v sérii s rezistorem může provádět kompenzaci vlivu teploty.
Obrázek č. 27 Galvanometrický senzor kyslíku pracující na principu palivového článku Ampérometrický senzor plynu jsou založeny na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku elektrolytu. Do měřicího obvodu je zapojen zdroj stejnosměrného napětí, tzv. vložené napětí, jehož hodnota musí odpovídat tzv. limitnímu proudu určované složky v měřeném médiu. Velikost limitního proudu je pak funkcí koncentrace měřené složky.
Obrázek č. 28 Ampérometrický senzor plynu 38
Kyslík difunduje přes polopropustnou polymerní membránu do elektrolytu (vodný roztok KCl nebo KBr) a na katodě se redukuje za přispění volných elektronů vzniklé na styku stříbrné anody a elektrolytu. Velikost elektrického proudu je tak přímo úměrná obsahu kyslíku. Pro funkci celého senzoru je nutné na elektrody přiložit napětí tzv. polarizační napětí elektrod, cca 0.8 V. Dalším možným způsobem měření obsahu kyslíku ve směsi plynů jsou polovodičové pevnolátkové elektrochemické senzory (polovodičové senzory oxidačního typu). Tyto senzory typicky tvoří plošky slabého oxidu kovu (ZrO2, SnO2, TiO2 apod.) tyto plošky jsou vyhřívané pomocí elektrického proudu, který prochází topnými elementy, které jsou většinou napařeny přímo na zmiňovaných ploškách. Plošky absorbují molekuly kyslíku, a když je ploška zahřívána, dochází k reakci aktivovaného kyslíku s molekulami kyslíku obsaženého ve směsi skládkového plynu a tím ke změně elektrické vodivosti oxidové vrstvy. Citlivost těchto senzorů je v rozsahu 20-100 ppm. Nejznámější jsou analyzátory se senzory na bázi oxidu zirkoničitého právě pro měření obsahu kyslíku.
Obrázek č. 29 Struktura integrovaného polovodičového pevnolátkového senzoru (vlevo; SnO2-citlivá vrstva, RuO2-topný meandr)
Pro měření spalitelného podílu skládkového plynu používáme katalytické senzory – pelistory, jejichž funkce je založena na principu katalytického spalování, patří k nejstarším a dosud nejčastěji používaným senzorům v přístrojích určených pro měření koncentrace hořlavých plynů. Princip spočívá v měření reakčního tepla při katalyckém spalování hořlavých a výbušných složek ve směsi plynů (metan, butan, propan, CO apod.) na katalyzátoru. Koncentrace plynu je měřena na základě množství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci. Analyzovaný plyn difunduje do měřící komory. Zde dochází ke katalytické reakci, při které se uvolňuje teplo, které zvyšuje teplotu 39
měřícího elementu. Reakcí je zvýšení elektrického odporu, který je už převáděn na změnu protékaného proudu nebo úbytku napětí.
Obrázek č. 30 Blokové schéma termokatalytického senzoru plynů Provedení diskrétních pelistorů je zobrazeno na obrázku 8. Tvoří jej odporové vinutí obvykle z platinového drátku umístěného v žáruvzdorné keramické perličce vytvořené na bázi oxidu hlinitého. Ta je pokryta vrstvičkou katalyzátoru v podobě platiny nebo směsi platiny a paládia. Pelistory jsou málo selektivní a není tedy možné s nimi rozlišit různé hořlavé látky u vícesložkových směsí plynů. Tato vlastnost však u analýzy skládkového plynu není na závadu, protože víme, že podíl ostatních spalitelných složek plynu je zanedbatelný a navíc pro potřeby využívání skládkového plynu jsou v konečném důsledku i tyto plyny využity. V různých částech technologie se tohoto typu senzoru s úspěchem využívá také jako detektoru úniku plynu. Zejména v nepřenosných (stacionárních detektorech) se ke stanovení obsahu metanu používá konstrukčně jiný princip. Nejčastěji se setkáme s nedisperznivním infračerveným spektrometrem – NDIR. Tato metoda využívá poznatku, že některé plyny absorbují určitou vlnovou délku záření, které jimi prochází. Zvolíme-li, správný zdroj záření, tak nám tato metoda umožní měřit složení a obsah určitých plynů ve směsném vzorku s vysokou přesností a selektivitou. Analyzovat tímto způsobem můžeme plyny, které pohlcují světlo příslušné vlnové délky, ležící v rozsahu infračerveného záření, tzn. od 200 do 900 nm. Mezi plyny, které to kritérium splňují, patří například SO2, NO, NH3, CO, CO2, H2O nebo CH4.
40
Obrázek č. 31 Princip NDIR detektoru Princip absorpce infračerveného záření využívá skutečnosti, že každý druh plynu absorbuje jinou vlnovou délku a tak lze i ve směsi několika různých plynů určit přesně složení a množství. V praxi detektor vypadá tak, že se skládá z přesně kalibrované komory, která má stěny potažené světlo-neabsorbující vrstvou (vysoce leštěné pozlacení) a kterou plynule protéká analyzovaný plyn. Na protilehlých stranách komory jsou otvory, přičemž v jednom z nich je umístěn zdroj záření, jehož vlnová délka odpovídá sledovanému plynu a v druhém otvoru je detektor záření této vlnové délky. Protože, známe teplotu, tlak plynu a přesný objem komory a také víme, jak silný signál naměříme na detektoru v případě, že je uvnitř komory 100% metan a jak silný je signál v případě, že se metan v komoře vůbec nevyskytuje. Výstup detektoru bývá napojen na mikropočítač, který umožňuje naprogramovat odchylky v případě nelineárního průběhu a je schopen do výpočtu zahrnout i údaj o teplotě, případně tlaku. Na výstupu potom dostaneme unifikovaný signál (4-20mA). Měření celkového množství a průtoku plynu je další ze základních veličin, které musí během provozování znát. K měření množství lze použít klasický plynoměr, s tím rozdílem, že části přicházející do styku se skládkovým plynem, musí respektovat složení plynu (koroze). Okamžitý průtok je pro seřizování a dohled nad skládkou údaj důležitější. Průtok měříme nejčastěji pomocí clonkového průtokoměru. Princip tohoto měření je založený na snímání tlaku před a za zúženým místem v rovném úseku potrubí. Diference tlaku je úměrná rychlosti proudění a velikosti clonky. Protože toto známe a známe i rozměr potrubí v místě clonky a teplotu, tak není problém spočítat průtok. Tento nepříjemný úkol samozřejmě řeší vestavěný mikropočítač, který nám pak na zobrazovači, ukáže hodnotu v požadovaných jednotkách. Zařízení unifikovaným výstupním signálem pro další zpracování.
41
opět disponuje
3.12 Přeprava plynu na delší vzdálenosti Jsou aplikace, kdy je výhodné využití skládkového plynu přesunout mimo prostor samotné skládky. Typickým příkladem této aplikace je dálkový plynovod, který je vedený mezi objektem skládky a areálem AVIA. Protože skládka v Ďáblicích je produkcí plynu patrně největší v ČR byla by škoda nevyužít vznikající teplo při spalování plynu v kogeneračních jednotkách. Proto byla původní instalace kogeneračních jednotek přesunuta z Ďáblické skládky do areálu AVIA, kde je provedeno napojení chladících okruhů kogeneračních jednotek na výměníkovou stanici AVIA Praha Letňany a teplo je využíváno pro vytápění objektu AVIA a části sídliště Letňany. Trasa plynovodu je dlouhá 1.800 m. Protože vedení vykazuje již značnou tlakovou ztrátu, je pro přepravu potřebného množství plynu použito lamelových kompresorů. V minulosti bylo užíváno kompresorů pístových, přímo poháněných spalovacím motorem, ale tato koncepce, se pro svou složitost neosvědčila. Byl tedy zvolen lamelový kompresor poháněný elektromotorem. Plyn je po komprimaci chlazen, aby se podařilo odloučit co možná největší množství vody a aby teplý plyn nepoškozoval plastové vedení plynovodu. Kompresory mají z důvodu klíčové pozice v řetězci navazující technologie klíčové postavení, proto jeden z kompresorů tvoří 100% zálohu v případě výpadku prvního.
Obrázek č. 32+33Pohled na lamelové kompresory dálkového plynovodu.
42
3.13 Využití plynu Nejjednodušší, ale také nejméně efektivní metodou využívání skládkového plynu, je jeho prosté pálení v hořáku plynového kotle. Hořák je stejného provedení jako pro zemní plyn, s tím rozdílem, že je seřízen pro spalování chudšího plynu (seřízení průtoků plynu na směšovači, případně změna trysek za trysky s větším průměrem. Rozšířenější
a
podstatně
ekonomicky
výhodnější
metodou
využívání
skládkového plynu je jeho spalování v kogeneračních jednotkách. Kogenerační jednotka je zařízení, které přeměňuje energii obsaženou v metanu na dva druhy energie a sice, energii elektrickou a energii tepelnou. Z pohledu využití získané energie je ještě možné uvažovat o tzv. trigeneraci, což je kombinovaná výroba elektrické energie, tepla a chladu, ale ve své podstatě se opět jedná o kogenerační jednotku, jejíž tepelný výstup je propojen s absorpční chladící jednotkou. Kogenerační jednotka je soustrojí, ve kterém je spřažený mechanický tepelný stroj (pístový spalovací motor, turbína, Stirlingův motor, atd.) a elektrický generátor. Z ekonomických důvodů je nejrozšířenějším používaným tepelným strojem pístový spalovací motor. Pístové motory spalující skládkový plyn jsou koncipovány jako čtyřdobé zážehové motory. Většinou se jedná o motory, jejichž koncepce vychází z více či méně úspěšně upravených vznětových motorů. (LIAZ, CATERPILAR, IVECO, DAGGER) tyto motory zpravidla dosahují úrovně účinnosti do 40%. O něco lépe jsou na tom motory, které jsou od počátku svého návrhu koncipovány jako plynové (Jenbacher, Waukesha, Wartsila), které dosahují účinnosti přes 40%. Vyšší účinnosti se dosahuje jednak mechanickým návrhem samotného stroje, který musí respektovat rychlost a specifika hoření plynného paliva. Dalším způsobem je zlepšení plnění motoru, použití plynových vstřikovačů, příprava směsi, speciální druhy zapalování, odlišné časování ventilů, atd. Toto jsou způsoby, kde se některým výrobcům daří zvyšovat účinnost nad běžné hranice. Elektrické generátory používané v kogeneračních jednotkách jsou dvojího typu. Pro menší kogenerační jednotky se užívá asynchronních strojů, které umožňují výrazně nižší realizační cenu z důvodu, levnějšího generátoru, jednoduššího a levnějšího bloku MaR – generátor není nutné fázovat a nevyžaduje žádnou regulaci napětí a frekvence, případné úspory startéru a startovacích obvodů. Nevýhodou této koncepce je nemožnost
43
řídit a tedy nutnost kompenzovat jalový výkon. Základním nedostatkem asynchronních strojů je ovšem skutečnost, že na to, aby stroj mohl vyrábět elektřinu, potřebuje přítomnost sítě. Jinými slovy asynchronní stroje nelze použít jako ostrovní zdroje elektrické energie. Pro větší stroje se zpravidla výhradně používají synchronní generátory. Koncepce těchto strojů však vyžaduje obvody pro fázování a regulaci napětí a účiníku. Dražší provedení je v tomto případě kompenzováno tím, že účiník stroje je nastaven tak, jak předepíše odběratel, tudíž vyráběná činná složka elektrické energie, bude maximální možná, aniž by docházelo k penalizačním platbám za jalovou složku. Další výhodou je možnost použít takovýto stroj jako ostrovní, nebo jako záložní zdroj elektrické energie. Nejčastějším řešením kogeneračních jednotek je provedení, kdy je na společném rámu v jedné ose naproti sobě umístěn a pomocí vhodné spojky spojen hřídel motoru a generátoru.
Obrázek č. 34 Typické provedení soustrojí pístový spalovací motor – generátor 44
Motory se koncipují jako přeplňované, čímž se dosahuje lepší poměr objem/výkon a vzrůstá i účinnost oproti motorům nepřeplňovaným. Přeplňuje se pomocí spalinového turbodmychadla, přes které většinou prochází palivová směs (skládkový plyn + vzduch). Tato směs se chladí mezichladičem, tak aby bylo do pracovního prostoru pístu možné dodat co největší množství směsi. Teplo uvolňované spalování plynu uvnitř motoru je odváděno prostřednictvím chladícího media (voda) a následně vedeno do chladičů, kde je vychlazeno do ovzduší. V některých případech se daří teplo využívat. V těchto případech je teplo přednostně dodáváno například na vytápění objektů a teprve přebytky tepla jsou vychlazeny. Kogenerační jednotky bývají pro potřeby umístění na skládkách koncipovány jako kompletní jednotky zastavěné do kontejnerů, které obsahují vše potřebné pro chod jednotky.
Obrázek č. 35 Provedení kompletní technologie do normalizovaného kontejneru. Kontejner je zpravidla rozdělen příčkou na dvě části se samostatnými vchody. Větší část – strojovna, obsahuje vlastní kogenerační jednotku, olejové hospodářství, 45
čerpadla chladících okruhů, plynovou řadu. V menším prostoru bývá umístěno MaR, řízení, silový stykač a případně minimální zázemí pro obsluhu a údržbu. Jednotky se koncipují jako stroje bez potřeby obsluhy, veškerý dozor a řízení bývá realizován dálkově, zpravidla prostřednictvím sítě internet. Celá technologie je vybavena množstvím čidel, jejichž údaje jsou přenášeny do řídicího systému, který podle naprogramovaného algoritmu vyvolá regulační zásah, případně při závažnějších událostech omezí výkon, či úplně odstaví technologii. Kontejner je připojený plynovým potrubím z čerpací stanice a pomocí silových vodičů k veřejné rozvodné síti. Kontejner je vybaven bezpečnostními prvky, jako jsou: snímače tlaku chladících medií – okruh chlazení vody a okruh chlazení směsi, snímač teploty uvnitř kontejneru, detektor úniku plynu, detektor kouře.
Obrázek č. 36 Kompletní technologie využití skládkového plynu. Skládka Michalovice.
46
3.14 Stabilizace a stimulace produkce plynu S rozmachem spotřební společnosti po druhé světové válce, došlo k nárůstu ukládané hmoty na skládkách. V tomto období, byla zaznamenána první pozorování samovolného vývinu plynu na skládkách. Opravdový zájem a metodický přístup však využívání skládkového plynu zaznamenalo až v sedmdesátých letech v období celosvětové energetické krize. Těleso skládky, můžeme v podstatě přirovnat k anaerobnímu reaktoru, s konečným množstvím aktivního materiálu (bez možnosti další vsázky). V případě bioplynového reaktoru máme následující možnosti, jak ovlivnit produkci plynu: •
Homogenizace prostředí
•
Vyloučení přístupu inhibitorů
•
Vyloučení přístupu vzduchu
•
Vyloučení přístupu světla
•
Výběr preferovaných metanogenních bakterií
•
Regulace teploty
•
Regulace vlhkosti
Z uvedených faktorů, je patrné, že při praktickém provozu na skládkách, je naprosto zásadní pečlivá práce během budování skládky a navážení odpadů. Prakticky lze tedy později ovlivnit kvalitu procesů uvnitř tělesa skládky pouze: udržováním optimální vlhkosti, hlídáním těsnosti skládky, případným dotěsněním a nepřečerpáváním skládky. Stabilitu skládky a případný rozvoj produkce plynu, je možné dosáhnout pouze splněním výše uvedených podmínek a následným pečlivým a pravidelným analyzováním jednotlivých vrtů (studní) a jejich regulováním lze dosáhnout kvalitativně vyššího stupně homogenity probíhajících procesů napříč využívanou částí skládkového tělesa, který se odrazí ve vyrovnanosti produkce plynu.
47
4 MATERIÁL A METODIKA 4.1 Pozorované skládky Pro účely této práce, byly v dlouhodobějším časovém horizontu (1997 – 2010) sledovány následující skládky TKO: Skládka odpadu
Michalovice u Mladé Boleslavi
Provoz skládky
od r. 1991
Plocha skládky
4,5 ha (II. etapa) stále ve výstavbě
Množství odpadu
cca 800 000 tun (II. etapa)
Počet jímacích studní
23
Svodný systém
PE 90 - 110 na dně skládky (II. etapa), v odpadu (I. etapa)
Čerpací stanice
2 x 430 m3/ hod, Dpc = 8 kPa
Délka plynovodu
8m
Pochodeň
VTP Bio 600
Využití bioplynu
Plyn je využíván kogenerační jednotkou o výkonu 140 kW
Průměrné hodnoty
čerpání plynu 80-90m2 při průměrném obsahu 54% CH4
Skládka odpadu
Dolní Chabry
Provoz skládky
1985 - 1993
Plocha
22 ha
Množství odpadu skládky ca 3 mil. m3 Počet jímacích studní
72
Svodný systém
PE 90 - 300 v rekultivační vrstvě
Čerpací stanice
V = 1500 m3/ hod, Dpc = 40 kPa 2ks dmychadel
Délka plynovodu
1800 m Využití bioplynu: Bioplyn je transportován
plynovodem PEHD 225x12,8 do areálu ďáblické skládky, mísí se s bioplynem ďáblické skládky, je komprimován a společně transportován plynovodem PEHD 225x12,8 do závodu DAEWOO AVIA a.s. Letňany, kde je spalován v kogeneračních jednotkách. Průměrné hodnoty
čerpání plynu 380m2/hod při 40% obsahu CH4
48
Skládka odpadu
Ďáblice
Provoz skládky
od r. 1993
Plocha skládky
ve výstavbě
Množství odpadu
cca 2,2 mil. tun
Počet jímacích studní
117+ další etapa
Svodný systém
PE 90 - 225 systém na povrchu skládky PE 63 na dně skládky
Čerpací stanice
V = 2300 m3/ hod, Dpc = 90 kPa 5 dmychadel
Pochodeň
VTP Bio 600
Délka plynovodu
3400 m
Využití bioplynu:
Mísí se s bioplynem ze skládky Chabry, je komprimován lamelovými kompresory společně transportován plynovodem PEHD 225x12,8 do závodu DAEWOO AVIA a.s. Letňany, kde je spalován v kogeneračních jednotkách. Přímo na skládce instalovány dvě kogenerační jednotky 310 kW a 350 kW. Pro napájení čerpacích stanic Chabry a Ďáblice, kompresoru plynovodu a zásobování areálu skládky teplem a elektrickou energií.
Průměrné hodnoty
čerpání plynu 1200m2,při průměrný obsah CH4 46%
4.2 Použité přístroje •
Ke sledování dodávaných elektrických výkonů byly pravidelně prováděny odečty úředně ověřených elektroměrů.
•
Množství plynu bylo měřeno instalovanými clonkovými průtokoměry INMAT
•
Kvalita plynu byla měřena: a) Vestavěnými analyzátory – Crow, Rosemount, CiTiCel, GasMaster, WITT b) Přenosnými přístroji – RBR, AIR LF
•
Data zaznamenávána pomocí datalogeru PAFAL DL 8
•
PC (notebook) pro komunikaci s přístroji
49
4.3 Metodika měření Měření číslo 1: Vliv čerpaného množství na kvalitu plynu Experiment prováděný na skládce TKO Michalovice v průběhu let 2008-2009. Souběžně s kogenerační jednotkou byl plyn pálen ve vysokoteplotní pochodni, čímž se zvyšovalo množství čerpaného plynu. Ze získaných hodnot byl sestaven graf, který přehledně demonstruje naměřené výsledky. Postup měření: 1. Odběr plynu v prvních 10 (1-10) hodinách odpovídal dlouhodobému průměru 80-90 m3/hod. 2. Odběr byl zvýšen na dobu dalších 24 (11-34)hodin na 120 m3/hod. 3. Odběr byl opět zvýšen na dalších 24 (35-58)hodin na 250 m3/hod. 4. Odběr byl opět zvýšen na dalších 24 (59-82)hodin na 350 m3/hod. Během těchto fází měření byla zaznamenána koncentrace metanu a kyslíku. Sběr dat byl prováděn pomocí datalogeru PAFAL DL 8, který byl naprogramován, tak aby každou hodinu uložil zprůměrované hodnoty, naměřené během této hodiny. Měření číslo 2: Navrácení skládky do původních hodnot Experiment měl za cíl ověřit, za jak dlouho po ukončení měření číslo 1, dojde k navrácení hodnot koncentrace metanu a kyslíku do dlouhodobého normálu. Postup měření: 1. Odběr byl ihned po ukončení měření č. 1 obnoven na normálovou hodnotu 8090 m3/hod 2. Každou hodinu se shromažďovala dat způsobem jako v 1. Měření 3. Měření bylo ukončeno, když koncentrace kyslíku klesla pod 0,2% a zároveň koncentrace metanu dosáhla poprvé alespoň 54%. Sběr dat byl opět prováděn pomocí datalogeru PAFAL DL 8, který byl naprogramován, tak aby každou hodinu uložil zprůměrované hodnoty, naměřené během této hodiny.
50
Měření číslo 3: Nalezení optimálního čerpaného množství a jeho ověření v čase Na zbývajících dvou pozorovaných skládkách se plyn dlouhodobě využívá při nižším obsahu metanu. Experiment byl navržen tak, aby se ověřilo, při jakém čerpaném množství plynu poklesne obsah metanu na 45-46%. Postup měření: 1. Odběr bude týdně zvyšován o 30m3/hod 2. Při ustáleném obsahu metanu 45-46 % bude množství odebíraného plynu zafixováno. 3. Čerpání bude pokračovat 2 týdny
Měření číslo 4: Porovnání vlivu obsahu metanu ve skládkovém plynu na provozní stav kogenerační jednotky Výsledky měření číslo 3. Přímo vyzývají k provedení srovnání provozních vlivů na kogenerační jednotu při různých obsazích metanu ve vstupním plynu. Postup měření: 1. Kogenerační jednotka bude při pravidelném servisu naplněna novou olejovou náplní. Budou osazeny nové zapalovací svíčky a ventily budou seřízeny při teplotě motoru 25°C na vzdálenost mezi dříkem ventilu a vahadlem 0,25mm. Bude změřena vzdálenost od horní roviny hlavy ke konci ventilu a tato bude zaznamenána. 2. Po 500 hodinách provozu s obsahem metanu 54 – 56 % bude vizuálně zhodnocen stav svíček a přeměřeno zaklepávání ventilů, bude sledován tlak turbodmychadla a teploty spalin na jednotlivých válcích. 3. Identický postup bude opakován s plynem, u kterého bude obsah metanu 4546%. Pomůcky: spárové měrky, měrka výšky dříku.
51
Měření číslo 5: Opakování měření číslo 4 s upraveným směšováním KJ Po zvážení výsledků předchozího měření bylo soustrojí KJ dodatečně vybaveno novými prvky automatického směšování. Zařízení využívá stávajícího směšovače ovládaného servomotorem, ale nově využívá signálu z lambda-sondy umístěné ve výfukovém potrubí těsně za turbodmychadlem a signálů z analyzátoru v čerpací stanici. Přenášen je jak údaj o obsahu metanu, tak i o obsahu kyslíku. Údaje o plnícím tlaku a teplotě válců je v novém algoritmu také využito, stejně jako údaje o poloze klapky a aktuálním výkonu. Postup měření: 1. Kogenerační jednotka bude při pravidelném servisu naplněna novou olejovou náplní. Budou osazeny nové zapalovací svíčky a ventily budou seřízeny při teplotě motoru 25°C na vzdálenost mezi dříkem ventilu a vahadlem 0,25mm. Bude změřena vzdálenost od horní roviny hlavy ke konci ventilu a tato bude zaznamenána. 2. Po 500 hodinách provozu s obsahem metanu 54 – 56 % bude vizuálně zhodnocen stav svíček a přeměřeno zaklepávání ventilů, bude sledován tlak turbodmychadla a teploty spalin na jednotlivých válcích. 3. Identický postup bude opakován s plynem, u kterého bude obsah metanu 45-46%. Pomůcky: spárové měrky, měrka výšky dříku.
52
5 MODELOVÝ VÝPOČET PRODUKCE Model tvorby skládkového plynu (LFG) je provedený na již uzavřené skládce TKO. Na skládku tedy již není ukládán žádný materiál, nejsou přidávány žádné vrty a do tělesa skládky není nijak jinak zasahováno. Skládka je aktivně odplyněná 68 vrty. K výpočtu produkce skládkového plynu byl použit model podle výpočtového typu Palos Verdes, USA (Pacey 1974) s kinetickými vztahy pro reakce prvého řádu. Takto pojatý model, hodnotí biodegradabilní podíl TKO po rozdělení do 3 základních skupin na: - snadno rozložitelné (použit poločas rozkladu I rok) - středně rozložitelné (použit poločas rozkladu 5 let) - obtížně rozložitelné (použit poločas rozkladu 8 let) Pro každou skupinu odpadů ještě model zahrnuje různé ‘indukční“ periody () tj. čas pro přípravu a rozběh metanogenních reakcí. Množství produkovaného plynu, je tedy ve třech dílčích křivkách poskytováno podle integrálního vztahu:
(pro t- ) kde:
= produkce plynu [m3/h] = specifická produkční rychlost korigovaná [m3/m3h] = dílčí (časový) inkrement biologicky rozložitelného odpadu vyjádřený jako m3 ve zhutněném stavu
k = rychlostní konstanta {rok] k = ln 2/t0,5 t = doba od zavezení odpadu [rok] = indukční perioda [rok] t0,5 = reakční poločas
53
Program výpočtu zahrnuje i rozklad, který v odpadu probíhá již při zaplňování skládky, což je dobře patrné na průbězích dílčích křivek pro “lehce rozložitelný“ podíl odpadu. Následující graf znázorňuje prognózu produkce plynu. Graf byl vytvořen v roce 1998 jako součást realizační dokumentace odplynění skládky. K výpočtu bylo použito programu ÚVP, a.s., který byl odvozen podle výpočtového typu Palos Verdes (Pacey 1974) Modelový graf znázorňuje předpokládaný vývin plynu při následujících parametrech: Výhřevnost plynu Q = 22 MJ/m3, což odpovídá obsahu metanu 61,37% obj.
3000 2500 2000
lehce středně
1500
obtížně součet
1000
skutečnost 500 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
Obrázek č. 37 Graf znázorňující produkci SP dle rozdělení BRKO
Na ose X je vynesený rok skládkování, v 7,5 roce došlo k uzavření skládky. Od toho okamžiku má produkce plynu výrazně sestupnou tendenci. V období, kdy dochází k rozkladu všech třech biodegradovatelných složek odpadu, má skládka obrovskou produkční schopnost. Bohužel toto období trvá cca prvních 10 let, toto období, se navíc překrývá s obdobím skládkování, takže plyny z lehce rozložitelné frakce se podaří prakticky zachytit a využít pouze v malém procentu. Světle modrá křivka znázorňuje skutečné 54
čerpané množství, bohužel toto množství bylo monitorováno až od 15. roku, existence skládky. Jak je patrné skutečnost, poměrně dobře kopíruje prognózu. Problémem však je to, že prognóza počítá s daleko vyšší kvalitou plynu, než která je ve skutečnosti čerpána. Model je postavený na produkci plynu s obsahem 62 % metanu v plynu, realita je však taková, že zejména v posledních letech je objemové množství metanu pod hranicí 40% obj. což představuje energetický využití z 65%, oproti modelovému výpočtu. Takže pokud by se hodnoty skutečného čerpání přepočítaly na obsaženou energii, vypadal by graf následovně.
3000 2500 2000
lehce středně
1500
obtížně součet
1000
skutečnost Q 500 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41
Obrázek č. 38 Graf znázorňující přepočítanou skutečnost vztaženou k výhřevnosti
Oranžová křivka znázorňuje skutečný zisk energie (výhřevnosti) v čerpaném plynu, oproti předpokladu (fialová křivka). Což je 35% propad.
55
6 SHRNUTÍ VÝSLEDKŮ Měření číslo 1: Měření probíhalo celkem 82 hodin a byl jím potvrzen předpoklad, že při vzrůstajícím čerpaném množství, klesá obsah metanu ve směsi skládkového plynu, naopak obsah kyslíku stoupá. Z grafu je patrná dynamika změn. 400
20 O2 CH4
1 1 5 9 131721252933374145495357616569737781
m3/hod
0,05
0,0025
Obrázek č. 39 Graf znázorňující výsledky měření č. 1 Měření odhalilo závislosti těchto změn. Postup byl několikrát zopakován, aby se předešlo chybám. Pokaždé výsledek odpovídal zjištěným hodnotám
Měření číslo 2: Doba, za kterou se parametry plynu normalizovaly na obvyklé hodnoty, byla překvapivě krátká. Již za 16 hodin se parametry skládky obnovily.
56
128 64 32 16 8
O2
4
CH4
2
m3/hod
1 0,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0,25 0,125 0,0625
Obrázek č. 40 Graf znázorňující výsledky měření č. 2
Společné závěry pro měření číslo 1 a 2: Při nárůstu čerpaného množství se poměrně prudce zvedl obsah kyslíku, vzhledem k průběhu této změny a hlavně vzhledem k rychlosti s jakou se obsah kyslíku vrátil do normálu v průběhu měření číslo 2, bude pravděpodobné, že k přisávání kyslíku došlo v těch partiích skládky, které nevstupují do procesu metanizace. Konkrétně si myslím, že k přisátí mohlo dojít z povrchu skládkového tělesa kolem pažnice jímací studny. Pro ověření pufrovací schopnosti skládky, by bylo vhodné tento experiment dovést do krajnějších hodnot. Z důvodu obavy z trvalejšího poškození skládky, jsem se k tomuto kroku neodvážil.
Měření číslo 3: 1. Týden čerpáno 120m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 51,4% O2 – 0,2% 2. Týden čerpáno 150m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 49,1% O2 – 0,1% 3. Týden čerpáno 180m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 47,8% O2 – 0,2% 4. Týden čerpáno 210m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 39,4% O2 – 0,4% 5. Týden čerpáno 190m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 42,7% O2 – 0,6% 6. Týden čerpáno 170m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 46,3% O2 – 0,4% 57
7. Týden čerpáno 170m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 45,8% O2 – 0,3% 8. Týden čerpáno 170m3/hod – na konci týdne naměřeno CH4 - 46,7% O2 – 0,2%
Měření bylo po metodické stránce poněkud upraveno. Experiment byl opakován ještě v lednu a únoru 2010, ale nemohl být dokončen, díky problémům způsobeným zamrzáním vody v plynovodu ke KJ. Po snížení čerpaného množství problémy ustaly, takže od dalších experimentů bylo upuštěno. Nicméně částečné výsledky napovídají, že v chladném období experiment probíhal podobně, s tím rozdílem, že naměřené hodnoty obsahu metanu byly v průměru o 3,6% nižší. Úvaha o pronikání kyslíku do čerpaného plynu, vyslovená pro měření č. 1 a 2, je průběhem měření č. 3 v podstatě potvrzená. Díky pozvolnému nárůstu čerpaného množství byl ponechán čas tomu, aby se uvnitř tělesa skládky upravily tlakověprodukční poměry skládkového plynu a nedošlo tak, jako v prvním měření, vlivem strmějšího nárůstu odebíraného množství k přisátí kyslíku ve směsi vzduchu z povrchu tělesa skládky.
Měření číslo 4: Na motoru v případě provozu na 55% obsah metanu nebylo potřeba během proběhu stanoveného servisního intervalu dělat žádnou údržbu. Svíčky na konci experimentu nevykazovaly žádné chyby v zapalování a jejich povrch, byl stejnoměrně vypálený. Ventily ve třech případech, vykazovaly zaklepání o 0,5 – 0,15 mm. PrintScreen obrazovky řídicího systému, uvedený na konci tohoto měření, vypovídá o vyrovnaných teplotách na válcích a tlaku přeplňování 0,623 bar. Na motoru v případě provozu na 45% obsah metanu bylo potřeba během proběhu stanoveného servisního intervalu dělat údržbu zhruba na 300 hodinách. Svíčky vykazovaly chyby v pravidelnosti zapalování a jejich povrch, nebyl stejnoměrně vypálený, u jedné z nich došlo k erozi elektrody v takovém rozsahu, že musela být očištěna a pomocí měrky znovu seřízena.
58
Ventily v 1 případě, vykazovaly zaklepání o kritickou hodnotu 0,25 mm. Ve čtyřech dalších případech, bylo zjištěno zaklepání 0,5 – 0,15 mm. PrintScreen obrazovky řídicího systému, uvedený na konci tohoto měření, vypovídá o značných teplotních diferencích, zejména na 6. válci, který vykazoval nepravidelné zápaly. Tlaku přeplňování poklesl na 0,581 bar. Data získaná tímto měření mají posloužit jako vodítko při rozhodování, zda je vhodné osadit v budoucnu na skládku ještě jednu kogenerační jednotku. Směr tohoto rozhodování bude naznačen v diskuzi a závěru této práce.
Obrázek č.41 Monitor běhu KJ při 55% obsahu CH4. Skládka Michalovice.
59
Obrázek č. 42 Monitor běhu KJ při 45% obsahu CH4. Skládka Michalovice.
60
Měření číslo 4: Na motoru v případě provozu na 55% obsah metanu s automatikou směšování nebylo potřeba během proběhu stanoveného servisního intervalu dělat žádnou údržbu. Svíčky na konci experimentu nevykazovaly žádné chyby v zapalování a jejich povrch, byl stejnoměrně vypálený. Ventily vykazovaly zaklepání pouze v jednom případě o 0,1 mm. PrintScreen obrazovky řídicího systému na kterém je nově vidět hodnota automatického nastavení směšovače, uvedený na konci tohoto měření, vypovídá o vyrovnaných teplotách na válcích a tlaku přeplňování 0,617 bar. Na motoru v případě provozu na 45% obsah metanu bylo potřeba během proběhu stanoveného servisního intervalu dělat údržbu zhruba na 480 hodinách. Svíčky opět vykazovaly chyby v pravidelnosti zapalování, i když jejich povrch, byl stejnoměrně vypálený, u žádné z nich nedošlo k erozi elektrod. Přesto u všech svíček byly elektrody očištěny a pomocí měrky znovu seřízeny. Ventily ve 4 případech, vykazovaly zaklepání o hodnotu blížící se 0,2 mm. PrintScreen obrazovky řídicího systému, uvedený na konci tohoto měření, vypovídá o úspěšnosti experimentu, teplotní diference se udržely v obvyklém rozsahu. Tradičně problematický 6. Válec (nejvzdálenější na sacím potrubí) vykazoval překvapivě vyrovnanou teplotu. Tlaku přeplňování mírně stoupl na hodnotu 0,628 bar, což by mohl nasvědčovat žádoucí objemové stabilitě spalin. Výsledky obou předcházejících měření nasvědčují tomu, že zapojení více faktorů do systému regulace, bylo správným krokem, protože změna poměru směšování je podstatně výraznější a chod motoru kultivovanější.
61
Obrázek č. 43 Monitor běhu KJ při 55% obsahu CH4. Skládka Michalovice s novým systémem regulace poměru směsi.
62
Obrázek č. 44 Monitor běhu KJ při 45% obsahu CH4. Skládka Michalovice s novým systémem regulace poměru směsi.
63
Shrnutí výsledků modelového výpočtu: Modelový výpočet porovnáním se skutečnou produkcí plynu, prokázal, že zvolená modelová metoda je velmi přesná, co se týče objemu produkce plynu. Prohlásit metodu za méně přesnou, co se týče prognózy množství energie ve vyprodukovaném plynu, by nebylo objektivní. Aby bylo takové prohlášení relevantní, musely by být splněny následující podmínky: •
Všechny plynové vrty připojeny
•
Tlakové poměry na jednotlivých vrtech zregulovány
•
Zajistit těsnost celého systému
•
Odstranit následky dlouhodobého přečerpávání
Protože při praktickém využívání patrně nelze výše uvedeného dosáhnou, tak není možné modelový výpočet označit za nepřesný. Navíc s odchylkou 35% od modelového výpočtu se již dá velmi slušně plánovat využívání skládkového plynu.
64
7 DISKUZE V této práci jsem se pokusil představit technologie a způsoby, tak jak existují na většině skládek v ČR. Rád bych se ale na tomto místě zmínil o existujících alternativách. V kapitole o skládkování a v kapitole o rekultivaci se zmiňuji o technologiích, které by část odpadů vyvážených na skládky, mohli nahradit. Jednou s takových technologií je metoda plazmového zplyňování a zeskelnění (SPGV). Systém SPGV přeměňuje všechny organické materiály, včetně biomasy a odpadních produktů, na čistou energii, s čistou nulovou bilancí emisí CO2 a žádnými emisemi škodlivin použitím svého unikátního a patentovaného procesu Integrovaného plazmového zplyňování a kombinovaného cyklu (IPGCC). Technologie SPGV firmy Solena je založena na použití extrémně vysokých teplot horké plazmy k molekulární disociaci a zplynění organických nebo uhlovodíkových surovin na syntézní plynné palivo ("SynGas") a zeskelnění anorganických materiálů na inertní nevylouhovatelnou strusku. Tuto technologii se v ČR pokouší prosadit společnost SOLENA, problémem je prozatím cena, která je velmi vysoká, zejména při porovnání se skládkováním. (Firemní prospekt SOLENA CZECH) V kapitole o využívání plynu neuvádím další způsoby, které nejsou v ČR typické, ale přesto je možné jich využít. Je to například zušlechťování skládkových plynů na kvalitu náhrady za zemní plyn, je to však metoda nákladná a pro ekonomicky výhodnou výrobu zušlechtěného plynu je nutná skládka s výkonem alespoň 5.900m3. (Waste Management of America – citace podle Straky 2006) V textu zmiňuji jako vhodný zdroj mechanické energie pro kogenerační jednotku, pístový spalovací motor, spalinová turbína, atd. Pístový spalovací motor, má ze všech uvedených druhů přeměny energie nejmenší účinnost, přesto je nejpoužívanějším a důvodem k tomuto je jeho nízká cena, díky jednoduchosti a masové výrobě. Řada výrobců má technologie dovedené do podoby vhodné pro využití na skládkách. Spousta dalších neustává ve vývoji, ale nové technologie jsou drahé a je to právě ekonomická stránka projektu, co stále na skládkách drží v převaze pístové spalovací motory. Problematika těsnění, drenáží, a odplynění, jsou technologicky i materiálově naprosto zvládnuté technologie, to co bohužel selhává je lidský faktor. Při budování i následné údržbě, dochází velmi často k fatálním chybám. Mezi nejčastější patří přetržení 65
perforované pažnice uvnitř jímky, vychýlení (sesunutí) jímky při naskladňování odpadů, přejíždění svodového potrubí při údržbě rekultivovaných ploch. Při většině těchto prohřešků nejsou bohužel jejich autoři vidět, takže je řeší tak, že například přetržená pažnice se dál zasypává, jako kdyby k přetržení nedošlo. Na přejeté a poškozené svody se přijde, až při hledání, kudy je přisáván kyslík. Domnívám se, že toto je právě další z důvodů proč modelový výpočet produkce plynu počítá s kvalitativně lepším plynem, než v reálu čerpáme. Výsledky navržených měření není důvod zpochybňovat, všechna měření, byla v různých modifikacích, prováděna několikrát opakovaně. Výsledky měření číslo 1 a 2 potvrdila i obsluha dalších skládek, která má stejné zkušenosti v situacích, kdy dojde k přečerpání skládky a s následným návratem do normálu. Měření číslo 3,4 a 5 pak pouze potvrdila proveditelnost záměru přidat na skládku ještě jednu kogenerační jednotku. Vlastní praktické zkušenosti s obsluhou skládky a konzultace s obsluhou z jiných skládek stejně jako odborná literatura (Straka 2006) podnítily naplánování dalšího měření, které se bohužel neuskutečnilo. Byl plánován nákup meteorologické stanice s výstupem dat, tato data jsem měl v úmyslu časově synchronizovat s daty s analyzátorů a průtokoměru. Předpokládal jsem, že se objeví závislosti, kterých bude možné využít pro řízení výkonu čerpací stanice a kogenerační jednotky.
66
8 ZÁVĚR Co se týče technologie používané na skládkách, lze konstatovat, že je využíváno maximum technologií a poznatků, jaké umožňuje nasadit ekonomika provozu. Jímací zařízení podle provedení nevykazují u žádného typu výrazná pozitiva, nebo negativa. Jako agregáty podtlaku se jako nejefektivnější varianta jeví použití vývěv s postraním kanálem. Důvodem je nízká cena, nízký odběr elektřiny a vysoká spolehlivost. Nevýhodou, je dosahovaní poněkud menších výstupních tlaků. Favoritem pro čerpání plynu při větším tlaku a průtoku, je jednoznačně lamelový kompresor. Klesající produkce skládkové plynu v čase, nahrává koncepci umisťování kogeneračních jednotek do mobilních kontejnerů. Ideální je koncepce více motorů o menším výkonu, které po čase můžeme například přesunout na jinou skládku. Po několikáté v této práci opakuji, že naprosto zásadní pro spolehlivý provoz je pečlivá příprava a realizace systémů skládky a následné pravidelné seřizování a analýza jednotlivých studní. Na jednotlivých článcích technologie je do budoucna stále co zlepšovat, tento fakt vytváří prostor pro výrobce, investory a provozovatele. Přínos technologie pro využívání skládkového plynu vidím hlavně v tom, že skládkový plyn je alternativním palivem, které šetří neobnovitelné zdroje energie. Faktickým procesem spálení metanu, který by se jinak uvolňoval do atmosféry a působil jako skleníkový plyn, vytvoříme kysličník uhličitý, který je mezi skleníkové plyny také zařazen, ale jeho účinek na skleníkový efekt je menší. Některé názory na skládky a skládkový plyn jsou poněkud ostřeji vyhraněné: „Skládky nejsou zařízení pro výrobu bioplynu. V tomto ohledu jsou totiž mimořádně neefektivní. Velký podíl organické hmoty zůstává i po desítkách let nerozložen, část z vyprodukovaného metanu je ve vrchních vrstvách přeměněna metanotrofními organismy na oxid uhličitý a pokud skládka skládkový plyn shromažďuje, tak obvykle více než 50% vyprodukovaného skládkového plynu uniká do prostředí.“ (SLEJŠKA 2004)
67
„Produkce skládkového plynu je dysfunkce, na kterou se zaměřuje Skládková směrnice (1999/31/EC),
která
stanovuje
postupné
snižování
skládkování
biologicky
rozložitelných odpadu. Považovat skládkový plyn za žádaný produkt je s ohledem na jeho negativní působení na životní prostředí velmi těžko obhajitelné.“ (SLEJŠKA 2004) Každá sebelepší technologie má své ponuré počátky, toto platí i o skládkách TKO, posun od divokých a neřízených skládek k současnému stavu, vnímám jako velký kus cesty. Pokud nějaká „dysfunkce“, které nejsme v současné době schopni zabránit, přináší alespoň minimalizaci negativních dopadů na životní prostředí a je při tom schopná ekonomický zaujmout podnikatelské subjekty, tak určitě stojí za využití. Nejenom pro ekonomický přínos těmto subjektů, ale hlavě pro přínos technologiím a postupům, které jsou sekundárním produktem využívání skládkového plynu.
68
9 PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY 1. Groda B., 1997: Technika pro zpracování odpadů, MZLU, Brno, 168 s. 2. Groda B., 1997: Technika pro zpracování odpadů II, MZLU, Brno, 168 s. 3. Straka F., 2003: Bioplyn, příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů. Říčany: GAS, s.r.o., 517 s. I. Vydání 4. Straka F., 2006: Bioplyn, příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů. Praha: GAS, s.r.o., 706 s. II. Vydání 5. Straka F., Jakubův J., 1999: Model tvorby skládkového plynu pro skládky TKO Praha: ÚVP, a.s. 11 s. 6. SCHULT, H. – EDER, B., 2004: Bioplyn v praxi. Ostrava–Plesná: HEL, 168 s. 7. Projektová dokumentace KJ, kompresorů a čerpacích stanic 8. Provozní řády skládek Michalovice, Dolní Chabry a Ďáblice 9. Pastorek, Z., Kára, J., Jevič, P.: Biomasa – obnovitelný zdroj energie. Praha: FCC Public, 2004. 288 s. 10. Bufka, A.: Obnovitelné zdroje energie a energeticky využívané odpady v roce 2003. Praha: MPO 2004. 14 s. Internetové zdroje 11. Komunální odpad, Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta, Ústav pro životní prostředí dostupné na: http://komunalniodpad.eu 12. Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2008: Obnovitelné zdroje energie, Dostupné na: http://dowload.mpo.cz 13. EUROSTAT Dostupné na: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/ 14. Eduard Lambein, Prezentace Bioplyn Dostupné na: http://www.scienceshop.cz/UserFiles/File/Holasova/Prezentace_BIOPLYN_1.pdf 15. Institut perspektivních technologických studií (Seville) Dostupné na: http://ceho.vuv.cz/CeHO/CeHO/Technologie/BREF_Spalovani_odpadu_final.pdf 16. SOLENA CZ, Plazmové spalování odpadů Dostupné na: http://www.solena.cz
69
