Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Technologické prvky bioplynových stanic Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Martin Fajman, Ph.D.
Martin Kyselka Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Technologické prvky bioplynových stanic vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne………………………………….. podpis………………………………
Chtěl bych touto cestou poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D. za trpělivost, rady a odborné vedení. Mé díky rovněž patří společnosti Ústav pro využití plynu s.r.o. a zejména Ing. Martinu Solaříkovi, a to za poskytnutí potřebných údajů a možnosti exkurze jejich zařízení. V neposlední
řadě
děkuji
svým
rodičům
za
podporu
ve
studiu.
Anotace Na celém světě se zvyšuje poptávka po energiích z obnovitelných zdrojů. Evropa v tomto trendu nezůstává pozadu. Jedním ze zdrojů této energie je i technologie bioplynových stanic. Nabízí nám výrobu elektrické a tepelné energie z obnovitelného zdroje, jakým je biomasa, a to i včetně odpadů, které by jinak nenašly energetického využití. Cílem práce je popsat základní principy biochemické konverze biomasy, technologie bioplynových stanic a možnosti jejich uplatnění. Zaměřil jsem se zejména na provoz bioplynových stanic ve městě. První část práce popisuje tvorbu a výrobu bioplynu. Jsou zde také popsány jednotlivé technologické prvky bioplynových stanic a nařízení ovlivňující jejich provoz. Druhá část práce se zaměřuje na použití bioplynových technologiích ve městech. Použití bioplynové technologie je demonstrováno na funkčním provozu bioplynové stanice Brno-Černovice.
Klíčová slova: anaerobní digesce, bioplyn, bioplynová stanice, kogenerace, trigenerace
Annotation The demand for the energy from renewable sources increases worldwide. Europe is not far behind this trend. One of the sources of energy is also the biogas station technology. It offers us the production of electricity and thermal energy from renewable sources such as biomass, including the waste, where it would not otherwise find the usage for energy. The aim of my work is to describe basic principles of biochemical conversion of biomass, biogas technology, and their significance. I focused mainly on the use of biogas stations in the city. The first part of the text describes the formation and production of biogas. There are also described constituent technological elements of biogas stations and legislation regulations affecting their operations. The second part focuses on the use of biogas technology in cities. The use of biogas technology is demonstrated on the functioning operation in biogas station BrnoČernovice.
Key words: anaerobic digestion, biogas, biogas station, cogeneration, trigeneration
Obsah 1 ÚVOD ........................................................................................................................ 6 2 CÍL PRÁCE ............................................................................................................ 6 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED.................................................................................... 7 3.1 Anaerobní digesce .............................................................................................. 7 3.1.1 Bioplyn........................................................................................................ 8 3.1.2 Materiály pro výrobu bioplynu ................................................................... 9 3.1.3 Kvalita bioplynu ....................................................................................... 11 3.2 Kogenerace: ...................................................................................................... 12 3.3 Trigenerace ....................................................................................................... 12 3.4 Bioplynová stanice ........................................................................................... 13 3.4.1 Základní dělení bioplynových stanic ........................................................ 14 3.4.2 Technologické prvky bioplynové stanice ................................................. 19 3.4.3 Normy pro schválení a provoz BPS .......................................................... 21 3.4.4 Požadavky pro schválení dle nařízení EU 1774/2002 .............................. 22 4 BPS VE MĚSTĚ A VELKOMĚSTĚ ........................................................... 24 4.1 Zařízení a rizika ................................................................................................ 25 4.2 Suroviny............................................................................................................ 26 5 BPS ČERNOVICE ............................................................................................. 26 5.1 Technologie ...................................................................................................... 27 5.2 Technologické prvky stanice ............................................................................ 28 5.3 Budoucnost ....................................................................................................... 31 6 ZÁVĚR ................................................................................................................... 32
1 ÚVOD Celá Evropa zaznamenává vzrůstající zájem o systémy, které nahrazují fosilní paliva. Do těchto zařízení spadají i bioplynové technologie. Bylo by velmi pošetilé si myslet, že bioplyn a jeho zpracování může tyto paliva plně nahradit. Nicméně jde o technologii s obrovským potenciálem, který by bylo škoda nevyužít. V bioplynových stanicích je možné energeticky využít odpad, jehož likvidace, či skladování, by naopak spotřebovávala a vyžadovala jak zdroje energetické, tak finanční. Tato technologie je rovněž velmi variabilní. S technickým rozvojem jsou postupně odstraňovány nedostatky a zvyšovány výnosy bioplynu. Použitím správné technologie je možné využít bioplynovou technologii na venkově i v blízkosti městské zástavby. Jak bude v práci popsáno, právě město je zdrojem rozličných druhů materiálů vhodných pro použití v bioplynové stanici. Některé materiály ani není možné mimo město v použitelném množství vyprodukovat. Jde zejména o obrovské množství smažících tuků, které jsou zároveň zdroje s nejvyšším výnosem bioplynu v komunálních stanicích. V České republice vyrábějí bioplynové stanice ročně již 1406 GWh [1] elektrické energie a podíl na vyrobené elektrické energii v ČR i Evropě neustále stoupá. Veškeré tyto projekty jsou v Evropské unii podporovány a to zejména finančně. Například v České republice je, kromě možnosti čerpání dotací z EU na vybudování stanice, možné být osvobozen od daně z příjmu po dobu 5 ti let od spuštění provozu a i vlastní provoz stanice je podporován povinným odkupem vyrobené elektrické energie. I díky této podpoře se technologie výroby bioplynu stává čím dál, tím více dostupná stále širšímu spektru možných zájemců o její využití [2].
2 CÍL PRÁCE Cílem práce je popsat základní principy biochemické konverze biomasy, technologie bioplynových stanic a možnosti jejich uplatnění. Práce se zabývá zejména komunálními bioplynovými stanicemi a použitím bioplynových stanic ve městě. Tato možnost použití bioplynové technologie je demonstrována na již funkčním provozu, a to bioplynové stanici Brno-Černovice.
6
3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Anaerobní digesce Je proces, při kterém mikroorganismy rozkládají organický materiál bez přístupu vzduchu. Tento proces probíhá přirozeně v přírodě, např. v bažinách, na dně jezer nebo na skládkách komunálního odpadu. Při tomto procesu směsná kultura mikroorganismů postupně v několika stupních rozkládá organickou hmotu. Produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem pro další skupinu. Řízená anaerobní digesce je perspektivní způsob využití biomasy, resp. organického odpadu a energetických plodin. Pro anaerobní digesci se používají další shodné termíny – anaerobní fermentace, metanová fermentace, metanové kvašení a podobně [3,4]. Produktem anaerobní digesce je především bioplyn a dále tzv. digestát, nebo-li zbytek po digesci. Proces můžeme rozdělit do 4 hlavních fází [4,5]: 1.
Hydrolýza: Působením extracelulárních enzymů dochází mimo buňky k hydrolytickému štěpení makromolekulárních látek na jednodušší sloučeniny, především mastné kyseliny a alkoholy, při tomto procesu se uvolňuje rovněž vodík (H2) a oxid uhličitý (CO2).
2.
Acidogeneze: Dochází k rozkladu na organické kyseliny, oxid uhličitý, sirovodík a čpavek
3.
Acetogeneze: dochází k dalšímu rozkladu kyselin a alkoholů za produkce kyseliny octové.
4.
Metanogeneze: závěrečný krok anaerobního rozkladu, kdy z kyseliny octové, H2 a CO2 vzniká metan - CH4, tento krok provádějí metanogenní bakterie, což jsou striktně anaerobní organismy, podobné nejstarším organismům na Zemi. Tyto bakterie jsou citlivé především na náhlé změny teplot, vlhkost (alespoň 50%), pH (optimální hodnota pH je 6,5 – 7,5), oxidačního potenciálu a další inhibiční vlivy.
7
Obr. č. 1 Průběh čtyřfázové anaerobní fermentace[6] Z hlediska reakčních teplot rozdělujeme anaerobní procesy, podle optimální teploty pro mikroorganismy na: •
psychrofilní (5-30°C)
•
mezofilní (30-40°C)
•
termofilní (45-60°C)
•
extrémně termofilní (nad 60°C)
Výhodou procesů prováděných za vyšších teplot je hlavně vyšší účinnost hygienizace materiálu. Nejběžnější aplikací jsou zatím procesy mezofilní při teplotě cca 38°C [4].
3.1.1
Bioplyn
Jde o hlavní produkt anaerobní fermentace organické hmoty. Bioplyn je bezbarvý plyn skládající se hlavně z metanu (55-70 %) a oxidu uhličitého (cca 40%). Bioplyn může ovšem obsahovat ještě malá množství N2, H2S, NH3, H2O, etanu a nižších uhlovodíků [4].
8
Tabulka č. 1. Vlastnosti a složení různých bioplynů (Hodnoty je potřeba brát jako informativní, skutečné vlastnosti bioplynu vždy závisí na mnoha faktorech, zejména na fermentovaném materiálu)[4]:
Bioplyn
plyn
(ČOV)
16,9
21,1
24,0
H2 (%)
1
1
-
CO (%)
1
-
-
O2 (%)
3
-
-
N2 (%)
-
-
-
Cl-, F- (mg/m3)
-
-
-
NH3 (mg/m3)
-
-
40
CO2 (%)
46
38
31
CH4 (%)
49
61
69
H2S (mg/m3)
350
1 000
2)
Parametr
1)
(prasečí
ke-
jda)
Výhřevnost
(MJ/m3)
3.1.2
Bioplyn
Skládkový
1)
vztaženo na 15°C, 101 325 Pa.
2)
na vstupu do odsiřovacího zařízení.
2 300
Materiály pro výrobu bioplynu
Pro výrobu bioplynu se v současné době využívají rozličné druhy biomasy. Jedná se jak o části rostlinného, tak živočišného původu. Konkrétněji jsou to z živočišných produktů zejména výkaly. Mezi rostlinné složky pro výrobu bioplynu lze zařadit různé zbytky rostlin i celé rostliny nebo i cíleně pěstovanou biomasu. Dále se mohou využívat kaly z čistíren odpadních vod, široká škála biologicky rozložitelných odpadů, též surovin, které se nazývají vedlejší živočišné produkty.
9
3.1.2.1 Vedlejší živočišné produkty. V komunálních bioplynových stanicích je velmi často nakládáno právě s vedlejšími živočišnými produkty. Vzhledem k tomu, že se těmito stanicemi bude práce nadále zaobírat, je v této kapitole podrobněji rozepsáno, co jsou a z čeho se skládají vedlejší živočišné produkty. Pokud je s nimi totiž v provozu bioplynové stanice nakládáno, zvyšují se hygienické nároky na provoz a je nutné vybavit stanici dalšími technickými prvky pro zpracování tohoto odpadu. Definici vedlejších živočišných odpadů upravuje nařízení Evropského parlamentu a rady EU 1774/2002. Rozumí se jimi celá těla nebo části těl zvířat nebo produkty živočišného původu, které jsou uvedeny v článcích 4, 5 a 6 nařízení a které nejsou určeny k lidské spotřebě. Vedlejší živočišné produkty se dále dělí podle rizikovosti (nebezpečnosti) na materiály 1., 2. a 3. kategorie. Pokud jsou v podmínkách našich bioplynových využívány, jedná se nejčastěji o materiály 2. a 3. kategorie. Mezi materiály 3. kategorie patří níže popsané vedlejší živočišné produkty nebo jakékoli materiály, které tyto vedlejší živočišné produkty obsahují [7]. •
části poražených zvířat, které jsou v souladu s právními předpisy Společenství poživatelné, ale z obchodních důvodů nejsou určeny k lidské spotřebě,
•
části poražených zvířat, které jsou vyřazeny jako nepoživatelné, které ale nevykazují žádné známky onemocnění přenosných na lidi nebo na zvířata a pocházejí z jatečně upravených těl, která jsou v souladu s právními předpisy Společenství poživatelná,
•
kůže, kopyta, paznehty, rohy, prasečí štětiny a peří pocházející ze zvířat poražených na jatkách po veterinární prohlídce, na jejímž základě byla v souladu s právními předpisy Společenství posouzena jako vhodná k porážce k lidské spotřebě,
•
krev získaná z jiných zvířat než z přežvýkavců, která byla poražena na jatkách po veterinární prohlídce, na jejímž základě byla v souladu s právními předpisy Společenství posouzena jako vhodná k porážce k lidské spotřebě,
•
vedlejší živočišné produkty vznikající při výrobě produktů určených k lidské spotřebě, včetně odtučněných kostí a škvarků,
10
•
zmetkové potraviny živočišného původu nebo zmetkové potraviny obsahující produkty živočišného původu s výjimkou kuchyňského odpadu, které z obchodních důvodů, z důvodů závady při výrobě nebo balení nebo jiné závady nepředstavující nebezpečí pro lidi nebo zvířata již nejsou určeny k lidské spotřebě,
•
čerstvé vedlejší produkty z ryb ze závodů vyrábějících rybí produkty k lidské spotřebě,
•
skořápky, vedlejší produkty z líhní a vedlejší produkty z porušených vajec zvířat, která nevykazovala klinické příznaky žádných onemocnění přenosných prostřednictvím vajec na lidi nebo na zvířata,
•
krev, kůže, kopyta, paznehty, peří, vlna, rohy, chlupy a kožešiny pocházející ze zvířat, která nevykazovala klinické příznaky žádných onemocnění přenosných prostřednictvím těchto produktů na lidi nebo na zvířata,
•
a jiný kuchyňský odpad než kuchyňský odpad z dopravních prostředků v mezinárodní přepravě.
3.1.3
Kvalita bioplynu
Kvalita bioplynu je dána poměrem metanu (CH4) a oxidu uhličitého (CO2). Složkou, která z bioplynového procesu využívaná je právě metan. Tudíž, čím větší je obsah metanu ku oxidu uhličitému, tím je bioplyn hodnocen jako kvalitnější. Průměrný obsah metanu v bioplynu je udáván 50-75 %. Jeho obsah ovlivňují [5]: •
Průběh výrobního procesu -
Jednostupňový proces: Veškerý rozklad probíhá v jednom fermentoru a obsahuje značné množství CO2.
-
Vícestupňový proces: S počtem stupňů se zvyšuje podíl metanu v bioplynu. Ve 2. stupni už může být až 80%.
•
Složení substrátu -
Na složení substrátu závisí nejen kvalita, ale i množství vyprodukovaného bioplynu. Např. proteiny a tuky mají za následek vyšší procento metanu v bioplynu. Oproti tomu látek bohatých na sacharidy a bílkoviny (kukuřice, kejda ze skotu) procento metanu v bioplynu klesá. 11
•
Teplota substrátu -
Příliš nízké nebo naopak vysoké teploty mají za následek nižší procento metanu v bioplynu. Při nízkých teplotách přestávají metanogenní bakterie pracovat. Při vysokých teplotách pracují pouze některé kmeny metanogenních bakterií a vývoj metanu není tak velký.
3.2 Kogenerace Jde o proces kombinované výroby elektrické energie a tepla. V kogenerační jednotce vzniká elektrická energie stejným způsobem jako v jiných elektrárnách - roztočením elektrického generátoru a to zpravidla pomocí pístového spalovacího motoru. Motory v kogeneračních jednotkách jsou standardně konstruovány na zemní plyn, mohou však spalovat i jiná kapalná či plynná paliva. Teplo, které se ve spalovacím motoru uvolňuje, je prostřednictvím chlazení motoru, oleje a spalin efektivně využíváno, a díky tomu se účinnost kogeneračních jednotek pohybuje v rozmezí 80-90 % [8].
3.3 Trigenerace Jde o proces kombinované výroby elektřiny, tepla a „chladu“. Pojem „chlad“ je uveden z důvodu naznačení tří produktů v souladu s názvem technologie, je však zřejmé, že chlad nelze generovat, naopak se jedná o cílené odebírání tepla zvolenému médiu. Technologicky se pak tedy jedná o spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou. Tento proces je výhodný zejména z pohledu provozu kogenerační jednotky, protože umožňuje využít teplo i v létě, mimo topnou sezónu, a tím dosáhnout prodloužení ročního chodu jednotky. Právě snížené možnosti využití tepla z kogenerační jednotky v letních měsících vedou často k nasazení menších jednotek, než by bylo jinak vhodné. Pokud tedy dovedeme přeměnit teplo na „chlad“, nic nestojí v cestě tomu, aby kogenerační jednotka mohla pracovat i v letním období. Vyrobený „chlad“ může být využit všude tam, kde je zapotřebí klimatizace - v bankách, hotelech, obchodních a administrativních střediscích, nemocnicích, sportovních halách apod. [9].
12
Obr.č. 2 Schéma zapojení absorpčního chlazení[9]
3.4 Bioplynová stanice Bioplynová stanice (dále BPS) je technologické zařízení, pro zpracování biomasy (materiály nebo odpady organického původu) v reaktorech prostřednictvím řízeného procesu anaerobní digesce. Bioplyn vyrobený v bioplynové stanici je možné spalovat v kotlích. Vzniklým teplem lze vytápět budovy, popř. ohřívat vodu. Hlavním zaměřením BPS je provoz kogeneračních jednotek. V současnosti je v provozu v ČR více než 481 bioplynových elektráren (pro srov. 2008 – cca 20 stanic, 2011-249 stanic). V roce 2010 byl předpoklad, že do roku 2015 by se mohl počet bioplynových stanic zvýšit na cca 400. Tento počet tak byl již překonán [1,10,11]. V bioplynové stanici se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru - fermentoru, kde zůstává po pevně stanovenou dobu. Jak již bylo popsáno v kapitole o anaerobní digesci, optimální teplota procesu je vázána na různé kmeny bakterií. Bioplyn vznikající ve fermentoru je odváděn do zásobníku a upravován pro další 13
využití – spalování, při kterém je výslednou energií buď vzniklé teplo, nebo v případě kogeneračního zařízení teplo i elektřina.
3.4.1
Základní dělení bioplynových stanic
BPS lze členit podle mnoha kritérií. Já jsem zvolil, s ohledem na zadání práce, tato základní dělení- a to podle dávkování substrátu, podle jeho konzistence, dle druhu zpracovávaného substrátu, dle stupňů ve fermentačním procesu a dle výkonu kogeneračních jednotek. Existuje však i řada dalších aspektů, dle kterých lze BPS dělit. BPS podle dávkování substrátu: •
Kontinuální BPS.
•
Semikontinuální BPS.
•
Diskontinuální (vsázkové) BPS.
BPS podle konzistence substrátu •
S technologií mokré fermentace.
•
S technologií suché fermentace.
BPS podle zpracovávaného substrátu •
Zemědělské.
•
Komunální.
•
Průmyslové.
14
BPS podle výkonů kogeneračních jednotek •
S nízkým výkonem (do 225 kW).
•
Se středním výkonem (do 550 kW).
•
S vysokým výkonem (nad 550 kW).
3.4.1.1 Kontinuální BPS Tato technologie se používá výhradně u BPS s mokrou fermentací. Je zde kladen důraz na malý obsah sušiny v materiálu. Limitující hledisko pro obsah sušiny je mez čerpatelnosti materiálu. Dochází k nepřetržitému doplňování substrátu do fermentoru [12].
3.4.1.2 Semikontinuální BPS Použití je opět převážně u BPS s mokrou fermentací. Jde o nejpoužívanější způsob plnění fermentorů. K plnění nedochází nepřetržitě, ale malá část objemu fermentoru je ve zvolených časových intervalech doplňována. Substrát se zdržuje po nějakou dobu ve fermentoru, než je doplněna nová dávka a malá část fermentovaného substrátu reaktor opouští. K plnění dochází obvykle jednou až dvakrát denně [12].
3.4.1.3 Diskontinuální BPS Technologie používaná spolu se suchou fermentací. Rozmezí mezi jednotlivými dávkami odpovídá době držení materiálu ve fermentoru. Nevýhodou je diskontinuální dodávka bioplynu jak z pohledu množství tak kvality, proto bývají reaktory suché fermentace řazeny do baterií s provozním režimem ve vzájemném časovém odstupu, aby došlo k zrovnoměrnění dodávky bioplynu. Jde o organizačně komplikovaný a časově náročný proces [12].
15
3.4.1.4 S technologií mokré fermentace Jde o nejpoužívanější technologii při zpracování biomasy v bioplynových stanicích. Technologie využívá substráty s výsledným obsahem sušiny 5-12% optimální je obsah sušiny 10%. Mokrá anaerobní fermentace probíhá v uzavřených velkoobjemových nádobách (fermentorech/reaktorech). Do fermentorů je přiváděn připravený substrát a to obvykle formou kontinuální, či semikontinuální. Jako substrátů se u zemědělských BPS zpravidla využívá kombinace prasečí kejdy, hovězí kejdy a siláží (travní, kukuřičné apod.). K naočkování a dosažení optimální vlhkosti je využita procesní tekutina. Fermentory jsou vyhřívány na navrženou provozní teplotu (běžně 35°C až 55°C) a míchány. Technologická linka je tvořena čtyřmi základními stavebně-technologickými celky [4].
Obr.č. 3 Blokové schéma technologie mokré fermentace[4]
3.4.1.5 S technologií suché fermentace Při této technologii jsou využity substráty o sušině 30 až 35% (minimálně 20%). Zpravidla jde o aplikace mezofilního anaerobního procesu, rozsah používaných reakčních teplot 32-38°C. Optimální pH se pohybuje mezi 6,5 - 7,5. Při suché fermentaci je většinou využita technologie diskontinuální (vsázková), narůstá však i počet BPS s použitím kontinuální technologie.[4] Kontinuální technologie suché fermentace klade vyšší investiční a provozní náročnost a je využívána zpravidla pro zpracování komunálních a tříděných domovních od16
padů. Reakční objem bývá rozdělen na několik fermentorů. Běžně jsou využívány ležaté fermentory (válcové i komorové) s jedním pomaloběžným míchacím zařízením, uloženým napříč celým fermentorem [4]. Diskontinuální technologie suché fermentace sestává z několika reakčních komor (kovový kontejner nebo zděná komora s plynotěsnými vraty) a meziskladu. Doprava zpracovávaného materiálu do komor (a z nich) je zpravidla prováděna běžnou manipulační technikou. Je možné i využití dopravníků (pásový, šnekový apod.). Anaerobní proces je řízen dávkováním procesní tekutiny. V tomto případě jde o směs tzv. perkolátu (látka s obsahem vhodných kultur anaerobních mikroorganismů) a části fermentačního zbytku z předchozího procesu [4]. Proces je oproti kontinuálnímu rozdělen na několik etap. 1. Vyprázdnění a nové naplnění komory. 2. Startovací reakce. Ta trvá přibližně 3 dny. Dojde ke spotřebování kyslíku bakteriemi a vytvoří se anaerobní prostředí pro vlastní metanogenezi 3. Vlastní reakce a produkce bioplynu. Trvá s pravidla 24- 27 dnů.
3.4.1.6 Bioplynové stanice podle zpracovávaného substrátu Podle toho, jakou biomasu bioplynová stanice (BPS) zpracovává, rozlišujeme tři typy stanic: zemědělské, průmyslové (kofermentační) a komunální. Zemědělská BPS zpracovává vstupy ze zemědělské prvovýroby (statková hnojiva a energetické plodiny). Kofermentační bioplynová stanice v jednom zařízení zužitkovává různé materiály (často rizikové vstupy – kaly z čističek odpadních vod, krev z jatek atd.). Vhodná kombinace materiálů má pak vliv na kvalitu bioplynu. Komunální bioplynová stanice zpracovává komunální bioodpady, včetně odpadů z domácností [10].
17
Zemědělská bioplynová stanice Zemědělské bioplynové stanice jsou v tuzemsku nejhojněji zastoupeny. Vstupy tvoří různé formy exkrementů hospodářských zvířat (kejda, hnůj), plodiny (např. kukuřice) a rostlinné zbytky. Jsou to materiály vznikající přímo ze zemědělské činnosti. Jiné materiály není možné v zemědělských BPS zpracovávat. Jejich výstavba nejčastěji probíhá přímo v areálech zemědělských provozů [10]. Komunální bioplynová stanice Komunální bioplynové stanice zpracovávají komunální bioodpady. Komunální odpad zahrnuje odpad z údržby zeleně, vytříděné bioodpady z domácností a stravovacích provozů (restaurací a jídelen). Jako vedlejší surovinu lze zde použít i materiály využívané v zemědělských BPS. Komunální stanice mají technologicky náročnější průběh zpracování vstupů. Jde hlavně o nutnost hygienizace odpadu (dle nařízení EP a Rady EU č. 1774/2002). Proces anaerobní digesce zde probíhá zpravidla za termofilních teplot [10]. Průmyslová bioplynová stanice Průmyslové bioplynové stanice zpracovávají ve fermentoru výlučně nebo alespoň zčásti rizikové vstupy. Mezi rizikové vstupy patří zejména jateční odpady a kafilerní zbytky, kaly z různých provozů (např. čističek odpadních vod) a podobně. Kladeny jsou tedy větší nároky na technologii a na splnění všech provozních podmínek. Zejména dodržování hygienických pravidel minimalizuje riziko vyplývající ze vstupů. Problematická je především příjmová část technologie a to při zpracovávání kafilerních zbytků. Odpad zapáchá, a tak je nutné, aby byla pachová zátěž okolí minimalizována. K tomu mohou přispět uzavíratelné haly s odtahem a čištěním vzduchu. Rovněž je zde vyžadováno důsledné plnění nařízení EP 1774/2002 [10].
18
3.4.2
Technologické prvky bioplynové stanice
Přípravné a skladovací nádrže Tyto technologické prvky se dělí na [13,14]: 1. Skladovací prostory sloužící ke krátkodobému uskladnění surovin před vstupem do procesu. Často je substrát ihned zpracováván, proto tento prvek často chybí. 2. Přípravné nádrže. Zde se substrát připravuje před vstupem do fermentoru. Probíhá mísení jednotlivých složek a ohřev substrátu. Nádrž je proto vybavena topným zařízení a míchadly. Součástí nádrže je i čerpadlo či dopravník pro přečerpání (dopravu) substrátu do fermentoru. 3. Skladovací nádrže pro skladování vyhnilého substrátu.
Fermentory Jde o hlavní část bioplynové stanice. Zde probíhá proces anaerobní digesce a tvorba bioplynu. Základní dělení fermentorů je na horizontální (válcové) a vertikální (kruhové). Dle umístění potom na podzemní a nadzemní. Každá konstrukce má své výhody a nevýhody. Horizontální fermentory se vyznačují menší spotřebou materiálu. Z toho plyne i menší potřeba ohřevu materiálu a menší tepelné ztráty. Naopak zde neprobíhá tzv. pístové proudění jako u vertikálních fermentorů. Nadzemní fermentory vykazují větší tepelné ztráty než podzemní, a to z důvodu lepší míry tepelné izolace zapuštěním pod povrch, proto u nadzemních reaktorů je vyšší míra potřeby ohřevu (zejména v zimě). Podzemní fermentory jsou však omezeny výškou spodní vody v oblasti. Součástí každého fermentoru je tedy i topné zařízení. Nejčastěji je fermentor vytápěn teplem vyprodukovaným v kogeneračních jednotkách [13,14].
19
Plynojemy Buď leží mimo, ale častěji jsou již součástí fermentoru. Jejich velikost je dána denní produkcí a spotřebou bioplynu. Jde o ocelové nádrže konstruované na daný tlak (do 2 MPa). V případě plynojemů v rámci fermentoru je plynojem vlastní fermentor, jehož strop je vybaven jednou či více vrstvami plyno- a tlako- těsné folie[13,14].
Potrubí a čerpadla Jde o důležitý prvek každé bioplynové stanice. Pomocí potrubí je dopravován jak substrát, tak i samotný bioplyn. Čerpadla slouží k dopravě obou těchto složek. Dle dopravovaného materiálu je využíváno různých druhů čerpadel. Odstředivá čerpadla se využívají pro dopravu materiálů s malým obsahem sušiny (do 8 %). Objemová čerpadla jsou využity pro dopravu tekutých materiálů s vyšším obsahem sušiny.
Míchadla Jsou součástí přípravných nádrží i fermentorů. Dle zvolené technologie se dělí na mechanická, hydraulická a pneumatická. Hydraulického míchání lze využít pouze u tekutých substrátů. Míchání probíhá pomocí čerpadla. U mechanických míchadel spočívá zařízení na hřídeli poháněné vnějším motorem. Dle konstrukce se dělí na lopatková a vrtulová. Pneumatické promíchávání je založeno na pohybu bioplynu vertikálním směrem, tímto směrem je pak promícháván i substrát [13,14].
Zařízení pro využití bioplynu Tato zařízení se volí dle zamýšleného využití bioplynu. Obecně lze využívat bioplyn mnoha způsoby, např.[4]: •
Výroba tepla v teplovodních (horkovodních), resp. parních kotlích.
20
•
Kombinovaná výroba elektřiny a tepla v kogeneračních jednotkách (různé principy včetně možnosti trigenerace).
•
Čištění bioplynu a jeho prodej do plynárenské sítě, resp. provozovatelům jiných energetických systémů (CZT, průmyslové teplárny apod.).
•
3.4.3
Čištění a jeho využití pro pohon dopravní techniky a automobilů apod.
Normy pro schválení a provoz BPS
Jako každá stavba i BPS podléhá při schvalování výstavby a provozu legislativním normám. U BPS je zvýšený dohled nad dodržováním těchto norem a to zejména z důvodu, že se jedná o provoz, kde je nakládáno s potenciálně nebezpečným dopadem ohrožujícím hygienu a životní prostředí. Výstavba BPS byla na popud EU velmi podporována, jako výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů. To je i hlavním účelem provozu BPS. Konkrétně byla státní podpora obsažena v zákoně č. 180/2005 Sb. Bohužel po problémech s výkupem elektrické energie ze solárních elektráren, bylo nutné zpřísnit zákony o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Od 1. 1. 2013 vstoupil do platnosti zákon č.165/2012 Sb. O podporovaných zdrojích energie. Tento zákon ruší zákon předchozí, stanovuje podmínky podpory a výkupu energie z obnovitelných zdrojů a zavádí i změny v jiných zákonech (např. 185/2001 o odpadech a dalších). Výstavba BPS podléhá především těmto předpisům [15]: •
Využití odpadů ve smyslu těchto legislativních požadavků •
Zákon č. 185/2001 Sb., o odpadech.
•
Zákon č. 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší, ve znění pozdějších předpisů.
•
Vyhláška č.383/2001 Sb., o nakládání s odpady, ve znění vyhlášky č. 41/2005 Sb.
•
Vyhlášky č 381/2001 Sb., kterou se stanoví katalog odpadů, ve znění vyhlášky č. 503/2004 Sb.
•
Vyhláška č. 356/2002 Sb., kterou se stanoví seznam znečišťujících látek, obecné emisní limity, způsob předávání zpráv a informací, zjišťování množství vypouštěných znečišťujících látek, tmavosti kouře, přípustné míry zápachu a stanovení intenzity pachů, podmínky autorizace osob, 21
požadavky na vedení provozní evidence zdrojů znečišťování ovzduší a podmínky jejich uplatňování, ve znění vyhlášek č.363/2006 Sb. a č. 570/2006 Sb. •
Nařízení Evropského parlamentu a Rady EU č. 1774/2002, kterým se stanoví hygienická pravidla týkající se živočišných produktů.
•
Získání využitelných materiálů (kapalné hnojivo, stabilizovaný substrát) •
Vyhláška 474/2000 Sb., o stanovení požadavku na hnojiva ve znění vyhlášky 401/2004 Sb.
•
Posouzení vlivu na životní prostředí. Tento posudek je vyžadován u většiny BPS v rámci oznamovacího řízení. •
3.4.4
Dle zákona č. 100/2001 Sb., dle platného znění (EIA).
Požadavky pro schválení dle nařízení EU 1774/2002
Toto nařízení je stěžejní pro provoz každé BPS a to zejména pro BPS komunálního typu. Schválení vydává příslušný krajský úřad ŽP [15]. 1. Prostory •
Vybavení pro závody na výrobu bioplynu musí obsahovat: -
Pasterizační jednotku, která musí být vybavena: zařízením na sledování teploty (v reálném čase), záznamovému zařízení k zaznamenávání výsledků tohoto měření, vhodným zabezpečovacím zařízením bránícím nedostatečnému ohřevu.
-
Vybavením k čištění a dezinfekci dopravních prostředků a přepravních nádob při výjezdu z tohoto závodu.
-
Každý závod na výrobu bioplynu musí mít vlastní laboratoř, nebo musí využívat laboratoře mimo závod. Tato laboratoř musí být vybavena přístroji pro příslušná vyšetření a schválena příslušným orgánem.
2. Hygienické požadavky •
V závodech na výrobu bioplynu a v kompostárnách mohou být použity pouze následující živočišné produkty: Materiály 2. kategorie zpracované v závodě 2. kategorie 22
Hnůj a obsah trávícího traktu Materiály 3. kategorie Všechny tyto živočišné produkty musí být ošetřeny co nejdří-
-
ve po dodání. Do doby ošetření musejí být správně skladovány. -
Nádoby,
kontejnery
a
dopravní
prostředky
využívané
k dopravě materiálu musejí být očištěny ve vyhrazeném prostoru. Tento prostor musí být konstruován tak, aby se zabránilo kontaminaci ošetřených produktů. -
Musí být přijata systematická opatření proti ptákům, hlodavcům, hmyzu a jiným škůdcům. K tomuto účelu musí být používán doložený program hubení škůdců. Pro všechny části provozu musí být doloženy čistící postupy.
-
K čištění musí být k dispozici vhodné vybavení a čistící prostředky. -
Hygienický dohled musí zahrnovat pravidelné kontroly prostředí a vybavení. Rozvrh a výsledky kontroly musí být doložitelné a uschovávány po dobu min. 2 let.
-
Zařízení a vybavení musí být udržováno v dobrém stavu, měřící zařízení musí být pravidelně kalibrováno.
-
Se zbytky rozkladu musí být manipulováno a nakládáno tak, aby nedocházelo ke zpětné rekontaminaci.
3. Technologické normy •
Materiály 3. kategorie, používané jako suroviny v závodě na výrobu bioplynu, vybaveném pasterizační jednotkou, musejí podléhat následujícím minimálním požadavkům: -
Max. velikost částic před vstupem do kompostovací jednotky 12mm.
-
Min. teplota všech materiálů v jednotce- 70 °C.
-
Min. doba ošetření v jednotce bez přerušení- 60 min.
23
4. Zbytky rozkladu a kompost •
Vzorky zbytků rozkladu a kompostu odebrané během skladování nebo při vyskladnění v závodě na výrobu bioplynu nebo kompostárně musí odpovídat normám: -
Salmonela: v 25 g: n=5, c=0, M=0.
-
Enterobactericeae v 1kg: n=5, m=2, M=300. n – počet vzorků, které mají být vyšetřeny, m- prahová hodnota počtu bakterií (výsledek je považován za uspokojívý, pokud počet bakterií ve všech vzorcích nepřevýší m), M- nejvyšší hodnota počtu bakterií (výsledek je považován za neuspokojivý, pokud hodnota nabývá M nebo více jak M), c- počet vzorků, u kterých může být hodnota mezi m a M (výsledek je považován za uspokojivý, pokud mají ostatní vzorky hodnotu rovnu m nebo nižší jak m).
4 BPS VE MĚSTĚ A VELKOMĚSTĚ Klasické bioplynové stanice vznikají především na venkově a to v rámci zemědělských podniků. Zde je množství materiálu pro zpracování v BPS. Zemědělský podnik může pěstovat plodiny pro použití v BPS nebo využít odpady z výrobní činnosti (výkaly, hnůj, sláma…). Ve městech se s využitím bioplynové technologie setkáváme již v menší míře (a to hlavně v ČR). Provoz BPS ve městech sebou přináší řadu problémů a omezení. Již prvním problémem je zásobení BPS surovinami pro výrobu substrátu. Důležitý aspekt je rovněž blízká zástavba. Zde vzniká nejčastější problém a to je pochopitelná obava obyvatelstva ze zápachu z BPS. S těmito aspekty je třeba nutné při plánování BPS ve městě počítat. Zejména volbou vhodné technologie a zpracovávaného odpadu se dá těmto problémům úplně vyhnout.
24
4.1 Zařízení a rizika Výhodou v tomto směru je již stávající provoz jiného zařízení. S tímto se nejčastěji setkáváme při čistírnách odpadních vod (dále ČOV). Kde byly vzniklé kaly problematicky odváženy a možnost využití byla nízká. Již při konstrukci ČOV bylo počítáno se zvýšeným množstvím zápachu. A to jak její konstrukcí, tak zejména situováním objektu dále od obydlených částí. Tudíž odpadá problém s BPS jako zdrojem zápachu. Rovněž přísun substrátu je konstantní a lze s touto frekvencí počítat při zpracování projektu BPS. Podobně jsou na tom i kompostárny. Zde již dochází ke zpracování biologického odpadu. A musely projít schvalovacím procesem včetně pachových studií. Nespornou výhodou je, že biologický odpad, který mohl sloužit „pouze“ na výrobu kompostu, je nyní možné využít hned k několika účelům, pokud ho použijeme v BPS. Tento odpad vytvoří bioplyn, ten je zpracováván kogeneračními jednotkami na výrobu elektrické energie. Odpadní teplo z tohoto procesu může být využito k vytápění, nebo pomocí tepelných výměníků naopak k chlazení. Teprve až vzniklý digestát je použit jako základ pro kompost, či jako hnojivo. Oproti původnímu jednostupňovému využití tak vzniká proces, který je ekologický a rovněž finančně zajímavější. Dalším možným použitím bioplynové technologie je na skládkách komunálního odpadu. Dnes se již od svozu komunálního odpadu na skládky upouští, a to vzhledem k ohrožení životního prostředí. Vyvstává zde však problém, jak dále nakládat s uzavřenými skládkami. Tyto skládky jsou plné skládkového plynu bohatého na metan. Tento plyn musí být jímán v jímacích studních a buďto upouštěn, nebo dále zpracován. Zpracovat je ho možné na výrobu elektrické energie v kogeneračních jednotkách. Zde však vzniká problém s nestálostí složení skládkového plynu a zejména s klesajícím obsahem metanu, který je palivem pro kogenerační jednotku. Na řadu tak přichází výroba bioplynu z biomasy. Tento plyn je pak přimícháván do skládkového a zvyšuje tím podíl metanu. Tím se stává použitelný pro kogenerační jednotky. V tomto případě jde již však o klasický příklad použití bioplynové technologie, a to jak se všemi klady, tak i zápory. Mezi tyto zápory patří výše zmíněná možnost ohrožení obyvatel zápachem. Pokud totiž skládka nebyla v dostatečné vzdálenosti od obydlených částí, či je již dlouhodobě uzavřena a výstavba se až nyní přiblížila k pozemkům bývalé skládky, je nutné znovu řešit
25
pachové studie a další náležitosti ke schválení provozu BPS. Volbou vhodné technologie a surovin pro zpracování lze těmito řízeními projít bez větších problémů.
4.2 Suroviny Oproti zemědělským družstvům by se mohlo zdát, že ve městech není dostatek suroviny pro zpracování v BPS. Opak je pravdou. V městské zástavbě jde právě o produkty lidské činnosti, které je možné v BPS zpracovávat a to i v BPS „klasického“ typu. Z těchto materiálů je velmi diskutabilní odpad z jatek. Ten je největším nositelem zápachu a zejména v městských BPS jej rozhodně není možné doporučit pro zpracování. Ostatní produkty, jde zejména o vedlejší produkty a odpady z výroby potravin, restaurací a jídelen, z prodejen typu fast- food apod., jsou naopak velmi vhodné pro zpracování v městských BPS. Mezi největší výhody tohoto odpadu patří zejména: Jejich dostupnost, nízké náklady na dopravu (krátká vzdálenost), vysoká produkce, a rovněž je jejich nespornou výhodou fakt, že tyto produkty jsou zdrojem minimálního, nebo žádného zápachu. Hlavní nevýhodou je nutnost odlišného zpracování tohoto odpadu, na nějž jsou kladeny vyšší hygienické požadavky (EU 1774/2002).
5 BPS ČERNOVICE Bioplynová stanice Brno Černovice celým názvem Pilotní Bioplynová stanice Brno Černovice byla postavena roku 2004 a od roku 2006 je v plném provozu. Stanice je majetkem Ústavu pro využití plynu Brno s.r.o. Investice do stavby činila 10 mil. Kč z toho 1 mil. 450 tis. poskytla Evropská unie. Další nemalou částku činily kogenerační jednotky. Z tohoto umístění ve městě, navíc na bývalé skládce komunálního odpadu, vychází její konstrukce a technologie. Tuto stanici jsem měl možnost navštívit. Po stanici jsem byl proveden pod odborným výkladem a dozorem Ing. Martina Solaříka.
26
5.1 Technologie BPS Černovice byla postavena na pozemku bývalé skládky komunálního odpadu Brno- Černovice. Skládka ukončila činnost roku 1994. Z nahromaděného odpadu se uvolňuje množství skládkového plynu bohatého na metan. Po 10 letech od ukončení skládkové činnosti, však obsah metanu ve skládkovém plynu klesá. Obsah metanu v tomto plynu však nedovoluje využití plynu v kogeneračních jednotkách. Proto bylo přistoupeno k návrhu a realizaci stavby pilotní bioplynové stanice, jejímž účelem je tento skládkový plyn obohatit o metan, a následně využít v kogeneraci na výrobu elektrické energie. Obohacení o metan probíhá právě pomocí bioplynové technologie. Bioplyn totiž obsahuje 60- 70% metanu. Výsledná směs obsahuje 30- 37 % metanu (v současné době cca 33 %) [16]. Produkce metanu ze skládkového plynu je 80 m3 h-1. Plyn je jímán v 15 jímacích studních [16]. Samotná bioplynová stanice je založena na technologii anaerobní digesce a zpracuje asi 770 t organického odpadu za rok. Odpad tvoří převážně zbytky z jídelen a restaurací a to i včetně smažících olejů a tuků. Použití tohoto odpadu však vyžaduje přísnější opatření (EU 1774/2002). Odpad naváží firma Eko-Bio, která provozuje i kompostárnu. Denní dovoz odpadu činí 1-1,5 tuny. Odpad je okamžitě zpracováván. Jako živná půda pro bakterie jsou do odpadu přimíchávány obilné pluchy.
Obr.č. 4 Obilné pluchy
27
Bioplyn z procesu je kontinuálně odčerpáván. Před vstupem do kondenzační jednotky se mísí se skládkovým plynem, a tak ho obohacuje o metan. Ze vzniklé směsi je pak odstraněna vlhkost a sirné produkty. Tento očištěný plyn putuje do kogenerační jednotky. V BPS Černovice se nacházejí 2 jednotky každá o výkonu 135 kW. Bohužel množství produkovaného plynu neumožňuje provoz obou jednotek současně.
5.2 Technologické prvky stanice Zařízení pro zpracování odpadu Zařízení pro zpracování odpadu se nachází v klimatizované hale. Hala je chlazena (pomocí tepelných výměníků), či v zimě vytápěna pomocí zbytkového tepla z bioplynového procesu. Navezený odpad je ručně přemístěn na drtící zařízení, které odpad dle normy rozdrtí na částice menší jak 12x12 mm. Odpad putuje do pasterizační nádrže kde je držen za teploty 70°C po dobu 12- 16 hodin (minimálně 3- 5 h), tím dojde k hygienizaci odpadu a ten může být následně použitý pro další zpracování. Toto zařízení je jištěno bojlerem pro případný výpadek v ohřevu nádrže. Nádrž je ohřívána pomocí zbytkového tepla z bioplynového procesu.
Obr.č. 5 Pasterizační nádrž
Obr.č. 6 Drtič odpadu
28
V případě sypkých homogenních materiálu (pluchy), tuků a smažícího oleje je tento postup vynechán. Tyto materiály jsou sypány (nalévány) do odděleného zařízení, po průchodu sítem je šnekový dopravník dopravuje přímo do přípravné nádrže.
Přípravná (homogenizační) nádrž. Přípravná nádrž je ohřívána na 60 °C. Zde se veškerý odpad smíchává (homogenizuje). Vyhřívání opět zabezpečuje odpadní teplo z procesu. Míchání probíhá pomocí mechanického šnekového míchadla na spodu nádrže. Samotný šnekový mechanismus nezabezpečoval dostatečné promíchání směsi. Proto byl přidán ještě míchač vrtulový do horní části nádrže. Výsledný substrát je následně přečerpán do fermentoru
Obr.č. 7 Homogenizační nádrž
Obr.č. 8 Vrtulový míchač
Fermentor. Fementor na BPS Černovice je horizontálního typu. Inspirací pro konstrukci fermentoru byla BPS v Rakouském Passau. Obsah fermentoru je 70 m3, z toho je zaplněno substrátem 30m3 . Doba zdržení substrátu ve fermentoru je cca 20 dní. Pro optimalizaci procesu je fermentor vybaven středovým lopatkovým míchadlem. Míchání probíhá vždy po 4 minutách po dobu 1, 5 minuty. Rovněž musí být fermentor vyhříván. To je zabezpečeno dvěma vyhřívacími okruhy. Ani v zimě neklesne teplota
29
pod 44 °C. Každý den rovněž probíhá měření pH. Optimální hodnota pH ve fermentoru je držena na hodnotě 8. Odvod bioplynu z fermentoru je řešen pomocí spádu potrubí a čerpáním pod mírným podtlakem. K promíchání se skládkovým plynem dochází samovolně při jejich styku v potrubí. Plyn je následně zbaven kondenzátu a sirných sloučenin. Poté je možné ho použít v kogeneračních jednotkách
Obr.č. 9 Fermentor
Obr.č. 10 Motor míchacích lopatek
Kogenerační jednotky. Kogenerační jednotka Tedom CENTO T 300 má výkon 135 kW. Spotřeba plynu je 111 m3 h-1.
Obr.č. 11 Kontejner pro kogenerační jednotky Obr.č. 12 Kogenerační jednotka Skladovací nádrž na digestát. 26.5. 2011 byl digestát schválen Ústředním kontrolním a zkušebním ústavem zemědělským jako zemědělské hnojivo. Platnost testace je do 31.12. 2015. Schválením 30
vznikla potřeba skladování digestátu před odvozem. Objem nádrže činní 45 m3. Uvedena do provozu byla roku 2012.
5.3 Budoucnost BPS Černovice byla zamýšlena hlavně jako testovací stanice, na níž je možné ověřit možnosti přimíchávání bioplynu do skládkového plynu a taktéž otestovat, zda zamýšlený odpad bude vhodný a zpracovatelný pro bioplynový proces. Navíce velmi podstatnou roli hraje ubývající plyn ze skládky. Kombinace těchto důvodů a zejména ubývající skládkový plyn způsobují, že bioplynová stanice nevyužívá plně svůj potenciál. Z tohoto důvodu je podána žádost o rozšíření současné bioplynové stanice. Výhodou projektu je mimo jiné kombinace nízkého zápachu ze zpracovávaného odpadu, vzdálenost nejbližší zástavby (min. 1000 m) a převládajícího směru větru. Navíce současná stavba BPS otestovala zamýšlenou technologii. Projekt stanice s využitím anaerobní technologie s konečnou roční kapacitou zpracované biomasy 30 000 t bude realizována postupně ve třech samostatných výrobních řadách na kapacitu zpracované biomasy, každá z nich o kapacitě10 000 t/rok. Každá řada má homogenizační nádrž cca 120 m3 a ležatý válcový reaktor cca 900 m3. Společná zařízení pro všechny 3 řady jsou: plynojem a úprava bioplynu, provozní hala 16,5 x 36,3 x7,56m, v níž je umístěno řezací zařízení pro rostlinné odpady, naskladňování sypkých hmot, pasterizační zařízení, šnekové podavače, nádrže na fugát a tekuté odpady, box na oplachování transportních nádob, skladovací a odkládací prostory, místnost MaR, energocentrum. Na ploše stavby v rozsahu cca 150 m2 bude dále umístěna plocha pro separaci fugátu z digestátu a jejich úpravu pro převoz do skladu digestátu nebo stabilizaci části digestátu, plocha pro doplnění kogeneračních jednotek a plocha pro možné umístění 2 ks bioreaktorů po 2 000m3, z nichž jeden bude upraven jako dohnívací článek fugátu s vestavěným plynojemem a druhý jako skladovací nádrž stabilizovaného fugátu s možností uskladnění cca 4 měsíční výroby fugátu vzhledem k termínovým časovým možnostem odběru fugátu pro zemědělské účely [16].
31
Na projekt je podána žádost o znovu vydání územního rozhodnutí a také probíhají jednání o smluvním zajištění dodávek substrátů a materiálů pro digesci a výběr investičního partnera. Předpokládané parametry BPS: -Množství zpracované biomasy: 30 000 t/rok, - objem vyprodukovaného bioplynu: 4 625 000 m3/rok, - vyrobená elektrická energie: 9000 MWh/rok, - vyprodukovaná tepelná energie: 12 600 MWh/rok, - vyprodukovaný digestát: 2 580 t/rok. Průběh procesu se již otestoval a ověřil na stávající BPS. Nyní je třeba úměrně zvýšení produkce zvětšit i parametry výrobního zařízení. Do projektu bude nadále zapojeno i stávající zařízení a to i s čerpáním plynu ze skládky až do jeho úplného vyčerpání. Jednotky Tedom by měly být nahrazeny dvěma jednotkami Jenbacher o výkonu 625 kW [16]. Dalším problémem, který je nutné řešit je odvoz a zpracování digestátu. Při zamýšleném objemu odpadu bude produkce digestátu okolo 2500 tun ročně. S použitím digestátu pro zemědělské účely se pojí nutnost plnění norem, jež umožňují hnojit 2x ročně. To vznáší potřebu na vznik skladovacích prostor pro digestát. I s tímto počítá nový projekt. Kde jsou zamýšlené postfermentory a větší jímky na digestát.
6 ZÁVĚR Jak pro ostatní BPS, tak i pro BPS komunální platí jasná pravidla a postupy. Proto, aby byl zajištěn co nejvyšší výnos energie z bioplynu, je nutné, aby provozovatel stanice zajišťoval optimální podmínky pro tvorbu metanu v bioplynu. Produkci bioplynu a v něm obsaženém metanu ovlivní zejména druh surovin. V samotném zpracování je to potom teplota a udržování hladiny pH. U teploty je nutné kromě udržování její stálé hodnoty, dle zvolené technologie a surovin, také optimální rozložení topných těles v okolí nádrže, aby proces probíhal za optimálních podmínek v celém obsahu nádrže. U komunální BPS však hrají roli i další nařízení a požadavky. Jsou to zejména zvýšené požadavky v oblasti hygieny a to jak celého provozu, tak i při nakládání se samotným odpadem (surovinami).
32
Podmínky pro provoz bioplynové stanice jsem demonstroval na BPS Černovice. Jde o komunální bioplynovou stanici zpracovávající zejména odpady z jídelen a restaurací. Tyto odpady jsou ve městech velmi hojně zastoupeny, navíce zejména tuky ze smažení, jsou dobrým substrátem pro bioplynovou stanici. Projekt BPS Černovice není obyčejnou BPS. Jde o netradiční projekt, u kterého je vzniklý bioplyn přidáván k metanu z bývalé skládky TKO-Brno Černovice. Plyn ze skládky totiž neobsahuje dostatečné množství metanu, aby mohl být sám o sobě využit v kogeneračních jednotkách. Teprve po přimíchání bioplynu je vzniklá směs dostatečně bohatá na metan (30- 33 %), aby mohla být zpracována v kogeneračních jednotkách. Stanice byla však navrhována na jiné parametry, než za kterých dnes musí pracovat. Jde zejména o množství skládkového plynu, které je menší než se předpokládalo. Proto je dnes stanice pouze na ¼ projektovaného výkonu. Z tohoto důvodu nejsou v provozu obě kogenerační jednotky Tedom. Pokud je v provozu pouze jedna kogenerační jednotka, tak množství vyrobené elektrické energie rovněž nedosahuje předpokládaných hodnot [16]. Byl zde rovněž problém z odvozem digestátu. Ten je již dnes vyřešen odvozem firmou Eko-Bio na kompostování. Digestát jako hnojivo je také zatím zkušebně odebírán firmou Agro Brno- Tuřany, a.s. Digestát- hnojivo však není odebíráno v dostatečném množství. Navíc je Ústav pro využití plynu Brno, s.r.o. nucen platit za odvoz digestátuhnojiva. Současné nastavení stanice neumožňuje jeho dlouhodobější skladování ve větším množství. Řešením těchto problémů jsou: •
Rozšíření kapacity současné BPS. Toto rozšíření musí pokrýt ztráty způsobené poklesem množství skládkového plynu.
•
Zbudování dohnívacích nádrží (postfermentorů), nebo alespoň jímek na digestát. Tyto jímky musí být schopny pojmout minimálně 4 měsíční produkci digestátu tj. doba mezi možností využití na hnojení v zemědělství.
•
Nalezení dalších, nejlépe, platících odběratelů majících zájem o digestát jako hnojivo, či základ ke kompostování.
První dvě řešení zahrnuje nový projekt. V současné době je podána žádost o změnu územního rozhodnutí a ihned na ni bude navazovat žádost o stavební povolení na 1. etapu projektu. Tento nový projekt počítá i se stávající stanicí. Tudíž bude stále zpraco33
váván i skládkový plyn. Jeho neustálý úbytek bude postupně kompenzován větší produkcí bioplynu z BPS. Neustále stoupá potřeba energií, jako je teplo a elektřina. Rovněž roste jejich cena a velkou roli hraje také neustále připomínaná ekologie. Všechny tyto aspekty znamenají, že po technologiích bioplynových stanic bude stále rostoucí poptávka. Náskok v použití těchto technologií mají v zemích jako je Německo, Rakousko či Švýcarsko, kde je technologie zpracování biomasy, a to včetně BPS, na velmi vysoké úrovni. Rozdíly se však postupně stírají. Největší „brzdou“ v rozvoji této technologie byla obava z použití vedlejších živočišných produktů. Pokud nejsou dodrženy technologické postupy, nebo projekt BPS není na zpracování této technologie dostatečně dimenzován, jsou tyto produkty zdrojem značného zápachu. Nejčastěji však za těmito problém stojí špatná provozní kázeň zaměstnanců BPS či jejich nedůsledná kontrola. V současné době, zejména po problémech s rozmachem solárních elektráren a výkupem elektrické energie z nich, spojenými s rostoucími cenami energií, vzrostl požadavek na stát v důsledné kontrole výkupu elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Částečně se tak omezuje rozmach BPS. Uvedením zákona č.165/2012 sb. v platnost byly jasně stanoveny mantinely pro provoz BPS a výkup elektrické energie z nich. Rovněž potřebné zákony o odpadech a o nakládání s nimi, o životním prostředí a hygienické normy už Česká legislativa obsahuje. Rychlé rozšíření bioplynových technologií zapříčinilo, že se již staly téměř běžnou součástí našeho života. Je-li nějaké odvětví výroby energií zvýhodněno, je jistě správná jeho kontrola. Pokud tedy spojíme důsledné dodržování zákona, norem a doporučení s informovaností veřejnosti, odstraníme tím největší „brzdy“ výstavby a rozvoje bioplynových technologií.
34
Seznam použité literatury:
1. CZBA [online].Česká bioplynová asociace, 2013 [cit. 2013-04-04]. Česká bioplynová asociace. Dostupné z WWW:
. 2. BELADA, B. Aktuální informace z činnosti AK ČR: Možnosti diverzifikace výroby. Farmtec : výběr. 2010, 3, s. 2-4. 3. WIKIPEDIE [online]. 10. 1. 2011 [cit. 2011-04-29]. Anaerobní digesce. Dostupné z WWW:
. 4. BIOPROFIT [online]. 2007 [cit. 2011-03-29]. Anaerobní technologie. Dostupné z WWW: . 5. PROF.ING.DOHÁNYOS,CSC, Michal. CZBA [online]. 2009 [cit. 2011-0329]. Teoretické základy anaerobní fermentace. Dostupné z WWW: . 6. SLEJŠKA, Antonín. Wikipedia [online]. 2005 [cit. 2011-03-29]. Model anaerobní digesce. Dostupné z WWW: . 7. MARADA, Petr, KOTOVICOVÁ, Jana: Bioplynové stanice jako zařízení na zpracování vedlejších živočišných produktů. Biom.cz [online]. 2010-09-15 [cit. 2011-03-29]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. 8. TEDOM [online]. 2010 [cit. 2011-03-29]. Princip kogenerace. Dostupné z WWW: . 9. TEDOM [online]. 2010 [cit. 2011-04-29]. Trigenerace. Dostupné z WWW: . 10. NALEZENO: SLOVNIČEK [online]. 2008 [cit. 2011-04-11]. Bioplynová stanice. Dostupné z WWW: . 11. BIOM [online]. Praha 4 : České sdružení pro biomasu, 2009 [cit. 2011-0411]. Biom.cz. Dostupné z WWW: .
35
12. MUŽÍK, Oldřich, KÁRA, Jaroslav: Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR. Biom.cz [online]. 2009-03-04 [cit. 2011-04-12]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655. 13. VÍTKOVICE, Machinery Group. Bioplynové stanice: Firemní brožura. Ruská 30 Ostrava-Vítkovice: Vítkovice power engineering a.s., 2011. 4 s. 14. ENVITEC , Biogas AG. Bioplynové stanice šité na míru: Firemní brožura. 2010. Industriering 10 a Lohne: EnviTec Biogas AG, 2010. 20 s. 15. BIOM [online]. Praha 4 : České sdružení pro biomasu, 2009, 18.4. [cit. 2011-04-18]. Fyto-legislativa. Dostupné z WWW: . 16. Ústav využití plynu s.r.o. firemní materiály 17. CZ BIOM- České sdružení pro biomasu. Desatero Bioplynových stanic. Těšnov 17 Praha: Ministerstvo zemědělství, 2007. 24 s. ISBN 978-80-7084618-6. 18. BIOM: Odborný časopis. 1/2010. Praha 4 : CZ Biom, 2010. 8 s. ISSN 18012655.
36
Seznam obrázků: Obr.č. 1 Průběh čtyřfázové anaerobní fermentace ........................................................... 8 Obr.č. 2 Schéma zapojení absorpčního chlazení ............................................................ 13 Obr.č. 3 Blokové schéma technologie mokré fermentace ............................................... 16 Obr.č. 4 Obilné pluchy .................................................................................................... 27 Obr.č. 5 Pasterizační nádrž, Obr.č. 6 Drtič odpadu ...................................................... 28 Obr.č. 7 Homogenizační nádrž, Obr.č. 8 Vrtulový míchač ............................................ 29 Obr.č. 9 Fermentor, Obr.č. 10 Motor míchacích lopatek ............................................... 30 Obr.č. 11 Kontejner pro kogenerační jednotky, Obr.č. 12 Kogenerační jednotka ......... 30
37
