MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2009
PAVEL PETŘÍK
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Technologická analýza moderní bioplynové stanice Bakalářská práce
Vedoucí práce: prof. Ing. Bořivoj Groda, DrSc. Brno 2009
Vypracoval: Pavel Petřík
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Technologická analýza moderní bioplynové stanice“ 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 diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně.
dne…………………………………… podpis bakaláře………………………
PODĚKOVÁNÍ
ABSTRAKT První část této práce se zabývá bioplynem, který vzniká anaerobní fermentací živočišných a rostlinných materiálů. Popisuje cestu od jeho vzniku, výroby, až po zpracování a zužitkování. V další části se už práce zaměřuje na zařízení na výrobu bioplynu a pak také na samotné bioplynové stanice. Jejich příklady na Severní Moravě jsou uvedeny v části poslední, se zaměřením na bioplynovou stanici ve Velkých Albrechticích.
Klíčová slova: bioplyn, anaerobní fermentace, bioplynová stanice
ABSTRACT The first part of this work is about biogas, which is producing by anaerobic fermentation of livestock and plant materials. It describes the way from rise and production to processing and utilization. Next part describes the system of producing biogas and also biogas stations. The last part is about their examples situated in North Moravia, focusing on biogas station in Velke Albrechtice.
Keywords: biogas, anaerobic fermentation, biogas station
OBSAH 1
ÚVOD....................................................................................................................... 8
2
BIOPLYN ................................................................................................................. 9 2.1
Vznik bioplynu ................................................................................................. 9
2.1.1 2.2
Plynový výkon ........................................................................................ 14
2.2.2
Výnos plynu ............................................................................................ 14
2.2.3
Stupeň rozkladu ...................................................................................... 15
2.2.4
Doba kontaktu......................................................................................... 15
2.2.5
Vliv chemického složení substrátu na výtěžnost metanu ....................... 16
Odpad z živočišné výroby............................................................................... 17
2.3.1
Kejda....................................................................................................... 17
2.3.2
Chlévský hnůj ......................................................................................... 18
2.3.3
Močůvka ................................................................................................. 18
2.3.4
Jiné odpady ............................................................................................. 18
2.4
Zpracování bioplynu ....................................................................................... 19
2.4.1
Odvodňování........................................................................................... 20
2.4.2
Odsiřování............................................................................................... 20
2.4.3
Čištění ..................................................................................................... 20
2.5
4
Výroba a kvalita plynu.................................................................................... 14
2.2.1
2.3
3
Předpoklady pro vznik bioplynu............................................................. 10
Zužitkování bioplynu ...................................................................................... 21
2.5.1
Spalování ................................................................................................ 21
2.5.2
Vytápění bioplynem................................................................................ 21
2.5.3
Kogenerace ............................................................................................. 22
2.5.4
Trigenerace ............................................................................................. 22
2.5.5
Zásobování rozvodných plynovodních sítí ............................................. 22
ZAŘÍZENÍ NA VÝROBU BIOPLYNU ................................................................ 23 3.1
Rozdělení zařízení podle způsobu plnění ....................................................... 23
3.2
Rozdělení podle podílu vlhkosti materiálu: .................................................... 23
3.3
Schéma zařízení na výrobu bioplynu.............................................................. 23
BIOPLYNOVÁ STANICE .................................................................................... 24 4.1
Malé bioplynové stanice ................................................................................. 24
4.1.1
Technické řešení malých bioplynových stanic ....................................... 25
4.1.2
Horizontální průtočný reaktor (Darmstadt system) ................................ 25
4.1.3
Vertikální reaktory.................................................................................. 26
4.1.4
Umístění reaktoru ................................................................................... 27
4.2 5
Centralizované bioplynové stanice ................................................................. 28
PŘEHLED BIOPLYNOVÝCH STANIC NA SEVERNÍ MORAVĚ ................... 30 5.1
BPS Klokočov................................................................................................. 30
5.2
BPS Pustějov................................................................................................... 30
5.3
BPS Velké Albrechtice ................................................................................... 31
5.3.1
Technologie bioplynové stanice ............................................................. 31
5.3.2
Popis zařízení.......................................................................................... 32
5.3.3
Produkce tuhých odpadních materiálů a nakládání s nimi ..................... 36
5.4
Další BPS........................................................................................................ 36
6
ZÁVĚR ................................................................................................................... 37
7
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 38
1
ÚVOD Se stále se snižujícími zásoby fosilních paliv a následným zdražováním cen
energií z nich vyrobených nás nutí uvažovat o technologiích, která bychom mohli snadno obnovit. Vůbec nejlepší se zdá být využívání odpadů. A právě bioplynové stanice nabízí využití organických odpadů k výrobě energie tepelné i elektrické. Základním procesem k výrobě energie je tvorba bioplynu, ten můžeme získat z mnoha odvětví. A to zejména z potravinářského a zemědělského průmyslu, kde vzniká mnoho organického odpadu. Bioplyn ovšem zákonitě nemusí být vyráběn pouze z těchto odpadů, ale i z rychle rostoucích a snadno obnovitelných plodin, jako je například kukuřice.
8
2
BIOPLYN Bioplyn je starý jako lidstvo samo, v přírodě vzniká vyhníváním organických
látek, to jest bez přístupu vzduchu a ve vlhkém prostředí za pomocí metanových bakterií při teplotě 0°C až 70°C. Takto vzniklý bioplyn obsahuje především metan, dále oxid uhličitý, stopové prvky a humusové látky. Tyto procesy vznikají na mnoha místech: v usazeninách moří, řek a jezer, v močálech, rašeliništích, v neprovětrávaných vrstvách půdy, skládkách, hnojištích, jímkách kejdy, v odpadních vodách, ale i například v bahnitých plochách rýžových polí. Podle výskytu můžeme mluvit o plynu bahenním, kalovém, důlním, skládkovém nebo v zemědělství přímo o bioplynu. První systematické pokusy o jímání a následné spalování bioplynu sahají do 18. století, kdy se o to pokoušel italský vědec Alessandro Volta. O bioplyn se zajímaly další slavní vědci, jako například anglický fyzik Faraday, či Luis Pasteur . Hlavní rozvoj ovšem nastává až v druhé polovině 20. století a to především v Německu. Ale až na přelomu 20. a 21. století můžeme hovořit o výraznějším rozšíření bioplynových stanic, které produkují bioplyn k výrobě elektrické a tepelné energie [2].
2.1 Vznik bioplynu Bioplyn vzniká při látkové výměně metanových bakterií, při níž bakterie rozkládají organickou hmotu. Toto se děje ve čtyřech fázích:
1. Hydrolýza Tato fáze začíná v době, kdy je v prostředí vzdušný kyslík a dostatečná vlhkost přesahující 50% hmotnostního podílu. V této fázi mikroorganizmy ještě nevyžadují prostředí neobsahující kyslík, dochází k rozkladu polymerů na jednodušší organické látky – monomery.
2. Acidogeneze V této fázi dochází k odstranění zbytků vzdušného kyslíku a vytvoření anaerobního prostředí. Tuto přeměnu provádějí fakultativní anaerobní mikroorganizmy schopné aktivace v obou prostředích.
9
3. Acetogeneze Během této fáze převádějí acidogenní kmeny bakterií vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou, vodík a oxid uhličitý.
4. Metanogeneze Nyní metanogenní acetotrofní bakterie rozkládají hlavně kyselinu octovou na metan a oxid uhličitý, hydrogenotrofní bakterie produkují metan z vodíku a oxidu uhličitého. Některé kmeny bakterií provádějí obojí.
Optimální rovnováha v kinetice jednotlivých fází, probíhajících s odlišnou kinetickou rychlostí, je důležitá pro stabilitu procesu anaerobní fermentace organických materiálů. Závěrečná metanogenní fáze probíhá asi pětkrát pomaleji než předcházející tři fáze. Proto se musejí velikost a konstrukce fermentoru a dávkování surového materiálu této rychlost přizpůsobit [1].
Obr. 1 Fáze anaerobního vyhnívání 2.1.1
Předpoklady pro vznik bioplynu
Vlhké prostředí Metanové bakterie nemohou žít v pevném substrátu, a proto musí být substrát zalit vodou alespoň z 50%.
10
Zabránění přístupu vzduchu Metanové bakterie jsou anaerobními bakteriemi a proto obsahuje-li substrát kyslík, musí ho nejdříve spotřebovat. Zabránění přístupu světla Světlo sice bakterie neničí, ale má na ně brzdící účinek. Stálá teplota Metanové bakterie jsou schopny pracovat v rozmezí od 0°C až do 70°C, některé kmeny až do 90°C, ale při vyšších teplotách umírají. Jako dolní hranice, kdy bakterie ještě pracují se udává teplota 3-4°C. Při teplotách pod bodem mrazu přežívají, ale nejsou schopny pracovat. Rychlost procesu vyhnívání je na teplotě silně závislá. Zásadně platí: čím vyšší je teplota, tím rychleji nastává rozklad a tím vyšší je produkce plynu, tím kratší je doba vyhnívání a tím nižší je obsah metanu v bioplynu. V praxi máme tři typické teplotní oblasti, které jednotlivým bakteriálním kmenům přispívají: •
psychrofilní kmeny-teploty pod 20°C,
•
mezofilní kmeny-teploty od 25°C do 35°C,
•
termofilní kmeny-teploty nad 45°C. Čím vyšší teplota, tím jsou bakterie citlivější na teplotní výkyvy, zejména jsou-li
výkyvy krátkodobé a teplota klesne. V mezofilní oblasti zvládají bakterie denní výkyvy v rozmezí 2-3°C, v termofilní by neměly přesáhnout 1°C.
11
Obr. 2 Specifický výtěžek plynu při termofilním teplotním rozmezí v závislosti na druhu substrátu (slepičí trus, prasečí a hovězí kejda a tuhý hnůj) a době kontaktu
Obr. 3 Vliv teploty na dosažitelné množství plynu ve vztahu k hodnotě dosažené při optimálních teplotních poměrech
12
Obr. 4 Vliv teploty vyhnívacího procesu a doby kontaktu na množství a složení vyrobeného plynu
Hodnota pH Měla by být okolo 7,5. U kejdy a hnoje tento stav většinou nastává samovolně v 2. fázi vyhnívání, u kyselých substrátů jako je syrovátka, siláž a výpalky, bývá třeba přidat vápno, aby se pH zvýšilo. Přísun živin Metanové bakterie nemohou rozkládat tuky, bílkoviny, uhlovodíky (škrob, cukr) a celulózu v čisté formě. Pro svou buněčnou stavbu potřebují rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky, které se hojně vyskytují v kejdě, hnoji, ale také v trávě, v obsahu bachoru přežvýkavců, v kuchyňských odpadech, zbytcích jídla, v mlátě, atd. Pro praxi však literatura doporučuje užití hnoje a kejdy jako základní substrát a ostatní jmenované látky jako přísady.
13
Rovnoměrný přísun substrátu Aby nedošlo k nadměrnému zatížení plnící zóny fermentoru, je třeba zajistit rovnoměrný přísun substrátu, a to v co nejkratších intervalech, např. jednou až dvakrát denně. To platí jak pro základní substrát (kejda, hnůj), tak zvláště pro vysoce koncentrované kofermentátory jako např. tuk. Tímto způsobem se také zabrání nadměrnému poklesu teplot v plnicí zóně. Inhibitory Organické kyseliny, antibiotika, chemoterapeutika a desinfekční prostředky mohou proces vyhnívání brzdit nebo úplně zastavit, zvláště ve velkých koncentracích. K tomu může dojít, pokud jsou najednou ošetřována všechna zvířata nebo jsou desinfikovány stáje. Odplynování substrátu Vysoký rozkladný výkon mohou metanové bakterie vykazovat tehdy, když plyn ze substrátu může průběžně odcházet. Není-li plyn z vyhnívací nádrže odváděn, může v nádrži dojít k razantnímu zvýšení tlaku plynu, a tím i k případným škodám. U řídkých substrátů dokonce dochází k samovolnému vzniku malých plynových bublin. Zemědělské substráty s vyšším obsahem sušiny (přes 5%) by však měly být dodatečně odplynovány. Pro tento účel se osvědčilo substrát několikrát denně promíchat [2].
2.2 Výroba a kvalita plynu 2.2.1
Plynový výkon Plynový výkon je množství plynu běžně vznikající v bioplynové stanici
a většinou se udává denním objemem vyrobeného plynu připadajícím na 1 m3 vyhnívací nádrže nebo jednu dobytčí jednotku (DJ). Obvykle se plynový výkon na stanicích, které zpracovávají hovězí a prasečí kejdu pohybuje okolo 1 m3 /DJ za den. Lze docílit i větší výtěžnosti plynu okolo 1,5 m3 /DJ za den, ale za předpokladu delší doby zdržení a přidání malého množství fytomasy (např. slámy, nasečené trávy a zbytků krmiva). 2.2.2
Výnos plynu Výnos plynu je celkové množství plynu získané ze substrátu během doby
kontaktu. Může být vztažen na jednotku objemu vyhnívací nádrže, dobytčí jednotku
14
nebo na 1 m3 čerstvé kejdy. Musíme však zohlednit rozdíl v obsahu vody, proto je vhodnější udávat množství získané z 1 kg organické sušiny. Výnos plynu se v praxi pohybuje okolo 0,3 m3 / kg organické sušiny. Na výnos má vliv, kromě složení živin v substrátu, také stupeň rozkladu. 2.2.3
Stupeň rozkladu Stupeň rozkladu udává, kolik procent organické sušiny bylo rozloženo během
doby kontaktu. Díky tomu, že metanové bakterie nejsou schopny rozkládat lignin, je úplný rozklad možný jen tehdy, když ho materiál neobsahuje. V praxi by úplný rozklad vyžadoval velmi dlouhou dobu kontaktu, neboť rychlost rozkladu není konstantní, ale po počáteční fázi vzestupu klesá. To znamená, že poslední procenta možného celkového výnosu plynu by bylo možno získat jen s vynaložením velkých materiálových (objem nádrže) i finančních nákladů. To, že se neusiluje o úplný rozklad má ještě jeden důvod. A to skutečnost, že v půdě musí zůstat organická hmota pro tvorbu humusu, která vzniká především z ligninu a celulózy. Literatura uvádí jako stupeň rozkladu hodnoty od 30% do 70%. 2.2.4
Doba kontaktu Doba kontaktu substrátu ve fermentoru má v souvislosti s teplotou vyhnívacího
procesu velký vliv na stupeň rozkladu, plynový výkon a výnos plynu. Krátké doby kontaktu přinášejí vysoký plynový výkon (vztaženo na m3 vyhnívací nádrže a den), neboť dochází především k rozkladu snadno rozložitelných živin. Ty jsou však na druhou stranu spojeny s nízkým výnosem plynu (vztaženo na kg organické sušiny) a nízkým stupněm rozkladu. Při dlouhých dobách kontaktu klesá plynový výkon, zatímco výnos plynu a stupeň rozkladu se zvyšují. Doba kontaktu se vypočítá tak, že objem nádrže se dělí denně dodávaným množstvím substrátu. Při použití kejdy jakožto substrátu by se mělo přibližně počítat s těmito dobami kontaktu: •
Teplota procesu 20 až 25°C – doba kontaktu 60 až 80 dní
•
Teplota procesu 30 až 35°C – doba kontaktu 30 až 35 dní
•
Teplota procesu 45 až 55°C – doba kontaktu 15 až 35 dní [2]
15
2.2.5
Vliv chemického složení substrátu na výtěžnost metanu Biologická rozložitelnost a tím i výtěžnost bioplynu závisí na chemickém
složení substrátu, na obsahu sacharidů, tuků, proteinů, na podílu celulózy, hemicelulóz a ligninu eventuelně dalších inertních složek materiálu a na poměru jednotlivých komponent. Vzhledem k tomu, že poměr těchto komponent v různých druzích suroviny je různý, odlišná je i jejich rozložitelnost a výtěžnost metanu. Polysacharidy jsou součástí veškeré rostlinné biomasy, patří sem škrob, celulóza a hemicelulózy. Teoretická výtěžnost metanu je daná jejich průměrným oxidačním číslem (POXČ), které je pro všechny polysacharidy 0,00. Z toho plyne, že z molekuly sacharidů vzniknou tři molekuly metanu a tři molekuly CO2, tedy teoretický obsah metanu v bioplynu je 50 %. Z polysacharidů je nejlépe rozložitelný škrob, který se poměrně snadno hydrolyzuje amylolytickými enzymy. Celulóza je polymerem glukózy, v biotechnologickém procesu je relativně málo rozložitelná. Pro její hydrolýzu je nutná přítomnost celulolytických enzymů, které jsou produkovány hydrolytickými mikroorganizmy a v přírodě jsou přítomny v zažívacím traktu přežvýkavců. Další skupinou polysacharidů jsou heteropolysacharidy hemicelulózy, které tvoří rozvětvené řetězce s prostorovou strukturou. Hemicelulózy podléhají snáze a rychleji enzymatické hydrolýze než celulóza. Lignin. Vedle biologicky rozložitelných sacharidů a polysacharidů obsahuje rostlinná biomasa i látky jejichž biologická rozložitelnost je velmi nízká až nulová. Mezi tyto látky patří především lignin a též lignany a terpeny. Lignin je organickou součásti nejenom každé rostlinné biomasy, ale materiálů z ní pocházejících, jakou jsou například různé druhy kejdy nebo hnoje a je hlavní součástí biologicky nerozložitelné frakce organických látek v stabilizovaném zbytku po anaerobní fermentaci. Lipidy. Společnou charakteristikou lipidů je přítomnost mastných kyselin s dlouhým alifatickým řetězcem a malým počtem atomů kyslíku v jejich molekulách, což odpovídá nízkému POXČ v rozmezí od ¬-1,63 do ¬-1,70. To je důvod, že tuky mají nejvyšší výtěžnost metanu ze všech skupin substrátů. Podléhají relativně snadno enzymové hydrolýze. Problémem může být technické zvládnutí rozkladu tuků, které díky své hydrofobicitě mohou mít tendenci vyplouvat k hladině, oddělovat se z vodní fáze nebo zvyšovat tvorbu pěny. Proteiny. Proteiny patří mezi dobře biologicky rozložitelné látky, jejich POXČ se pohybuje v rozmezí od –1,2 až – 2. To znamená, že vykazují vysokou výtěžnost metanu. Proteiny jako jediné s výše uvedených substrátových skupin obsahují ve svých 16
molekulách heteroatomy. Kromě uhlíku, vodíku a kyslíku obsahují také síru a hlavně dusík. Dusík při anaerobní fermentaci přechází amoniak, který při vyšších koncentracích může způsobovat inhibici tvorby metanu. Poměr C:N je důležitý pro dobrý průběh anaerobního procesu. Jestli je tento poměr vysoký, dochází k deficitu dusíku. Při nízkém poměru dochází k vysoké produkci amoniaku, který je při vyšších koncentracích toxický pro anaerobní bakterie, zejména metanogeny. Toxicky působí nedisociovaná forma amoniaku, jejíž koncentrace závisí především na pH, s vyšším pH silně vzrůstá. Optimální poměr C:N pro anaerobní fermentaci organické frakce tuhého odpadu se pohybuje okolo 25 až 30, vztaženo na biologicky rozložitelný uhlík, pro anaerobní fermentaci exkrementů hospodářských zvířat nebo jatečních a kafilerních odpadů se za optimální poměr C:N považuje 16 až 19. Za kritický se považuje poměr C:N 12. V technologické praxi se většinou setkáváme s komplexním složením suroviny pro anaerobní fermentaci, v níž jsou zastoupeny v různém poměru (podle původu a zpracování suroviny) všechny výše uvedené skupiny substrátů. Jak již bylo uvedeno, ne všechny organické látky přítomné v surovině se v průběhu procesu rozloží, část jich zůstává jako tzv. nerozložitelný zbytek ve zfermentovaném materiálu. Jaký podíl organických látek zůstane nerozložený závisí i na technologických podmínkách procesu (teplota, doba zdržení, předúprava) [6].
2.3 Odpad z živočišné výroby Nejčastěji využívané odpady z živočišné výroby používané pro výrobu bioplynu jsou kejda, hnůj a močůvka.
2.3.1
Kejda Tekuté statkové hnojivo, částečně zkvašená směs tuhých a tekutých výkalu
hospodářských zvířat, která jsou ustájena bez podestýlky nebo jen na nízké podestýlce na štěrbinových podlahách, roštech a boxech. Její množství a kvalita závisí na druhu a kategorii zvířat, jejich krmení, stáří, užitkovém zaměření, na způsobu odklízení výkalu, na ztrátách při skladování a dalších faktorech. Kejda a hnůj z volného ustájení (tedy kal bez podestýlky, muže být i s podílem dešťové vody) jsou pro zpracování v bioplynových stanicích obzvlášť vhodné, kvůli vysokému obsahu vody je nelze bez dalších přísad kompostovat [2,7]. 17
2.3.2
Chlévský hnůj Tuhé statkové hnojivo vzniklé fermentací chlévské mrvy - směsí tuhých
a tekutých výkalu hospodářských zvířat (zejména skotu) a podestýlky, kterou muže být sláma nebo piliny. Hnůj s malým podílem podestýlky lze snadno zpracovat v bioplynových stanicích vybavených dobrými míchadly. Při velkém množství podestýlky je nutné ředění vodou, močůvkou nebo řídkou kejdou. Také je potřeba nařezat slámu na kousky o délce asi 10 cm, což lze provést již při žních řezačkou na kombajnu, v přepravníku nebo na balíkovacím lisu [2]. 2.3.3
Močůvka Močůvka je tekuté statkové hnojivo, zkvašená moč hospodářských zvířat, v níž
je vysoký obsah dusíku a draslíku. Při anaerobní digesci močůvky bývá problém v přítomnosti antibiotik a ve vysokém pH. [8] 2.3.4
Jiné odpady Velkého významu v poslední době dosáhlo také zpracování organických látek
bohatých na živiny, jde např. o výpalky, tuky, jateční odpad, kuchyňské odpadky a zbytky potravin. Zpracování těchto látek společně s živočišnými odpady se nazývá kofermentace. Odpady, které se do reaktoru dodávají, bývají označovány jako substrát [2].
Tab. I. Množství odpadu a produkce bioplynu pro vybrané druhy hospodářských zvířat [14]. Druh zvířete
Hmotnost (kg)
Odpad (kg/den) Produkce bioplynu (m3/den)
slepice
1,5
0,2
0,015
brojler
0,8
0,15
0,012
sele
20
1,8
0,04
prase výkrm
50-110
7
0,14
prasnice
160
12
0,2
tele
120
7
0,08
býk výkrm
120-350
22
0,5
býk výkrm
nad 350
42
1
jalovice
120-300
20
0,39
18
jalovice
300-500
38
0,85
dojnice
500-600
50
1,2
Uvedené hodnoty množství odpadu a následné produkce bioplynu nejsou neměnné a závisí na koncentraci sušiny resp. organických látek v odpadu. Což je dáno skutečností, že bioplyn vzniká jenom z organických látek. Voda se do kejdy dostává hlavně při mytí stájí z nedokonale seřízených napájecích systémů a netěsností kanalizačního systému na farmách Obzvláště u reprodukčních chovů, je v důsledku zooveterinárních požadavků spojených s vyšší spotřebou mycí vody, množství kejdy vyšší. Dosahované koncentrace se tak často pohybují v rozmezí 2 až 3 % sušiny v kejdě. Nižší koncentrace sušiny nepříznivě ovlivní ekonomiku bioplynové stanice v několika směrech. Především se zvýší náklady na dovoz kejdy a odvoz anaerobně stabilizovaného produktu, zvýší se náklady na ohřev balastní vody, zvětšuje se potřebný objem reaktoru, je nižší produkce bioplynu z m3 odpadu. Informativní údaje závislosti produkce bioplynu, potřeby BP na ohřev a průměrného disponibilního množství bioplynu v závislosti na vstupní sušině prasečí kejdy jsou uvedeny v tabulce 2. [3]
Tabulka 2: Závislost produkce bioplynu na sušině vstupní suroviny Sušina Produkce BP Potřeba BP pro ohřev průměr Průměrný přebytek BP ( %)
m3/den
zima
léto
rok
m3/den
m3/rok
3
10,8
9,5
6
7,8
3
1095
4
14,4
9,2
5,8
7,5
6,9
2518
5
18
8,9
5,6
7,2
10,7
3905
6
21,6
8,6
5,4
7
14,6
5329
8
28,8
8
5
6,5
22,3
8139
2.4 Zpracování bioplynu Plyn produkovaný ve fermentoru obsahuje při svém výstupu do plynojemu asi 100 % vodní páry a velké množství sirovodíku. Aby se zabránilo korozi potrubí, případně plynojemu, plynového motoru a jiných spotřebičů, musí být v celé soustavě
19
řešeno odstraňování kondenzátu po kondenzaci vodní páry a odsiřování bioplynu. V některých případech se provádí i čistění bioplynu. 2.4.1
Odvodňování K prvnímu velkému odvodnění bioplynu dochází při ochlazení na teplotu okolí v
zásobníku a potrubí. Trubky proto musí být uloženy v prostoru, kde nemůžou zamrznout a musí být se spádem uloženy tak, aby voda mohla odtékat zpět - buď do fermentoru, skladovací nádrže nebo do odlučovače kondenzátu. Odlučovač kondenzátu tvoří barel, z něhož muže kondenzát odtékat pres sifon, aniž by docházelo k úniku bioplynu. Sušení je možné zabezpečit také prostřednictvím tepelného čerpadla. Bioplyn je ve výměníku tepla ochlazen chladícím agregátem a odloučená voda (kondenzát) je z plynu odstraněna. Poté je plyn opět zahřát teplou (kompresní) částí chladícího agregátu. Další možnost je pomocí tuhých sorbentů, jako je silikagel či molekulová síta, nebo prostřednictvím kapalných sorbentů, kterými jsou zejména glykoly [9]. 2.4.2
Odsiřování V dřívějších dobách bylo odsíření prováděno chemicky za použití hydroxidu
železa. Tímto materiálem stlačeným do pelet byly plněny nádrže a přes ně proudil bioplyn. Přitom se tvořil sulfid železitý. Tuto látku lze několikrát regenerovat nafoukáním vzduchu, přičemž se odlučuje elementární síra. Kvůli problémům s odklízením pelet naplněných sírou, vysokým nákladům a náročné údržbě se tato metoda nyní už nepoužívá. Dnes se používá metoda cíleného nafoukání vzduchu do plynojemu. Působením sirných bakterií dochází za přívodu vzduchu k přeměně sulfanu na elementární síru. Síra se usazuje jako nažloutlá vrstva na substrátu a při hnojení vyhnilým substrátem slouží jako výživa rostlin. Vzduch je foukán malým kompresorem, u velkých stanic se zapojí více čerpadel. Množství nafoukaného vzduchu musí být 3-5% objemu bioplynu. Sliz vytvořený ze síry, bakterií, vody a stop substrátu lze snadno z plynojemu nebo z trubek smýt. Tato odsiřovací metoda je velmi jednoduchá, levná a efektivní a přispěla k rozvoji bioplynové techniky. 2.4.3
Čištění Vyrobit z bioplynu čistý metan umožňují keramická molekulární síta. Odfiltruje
se oxid uhličitý, vodní pára a také sulfan. Síta se od usazených látek očistí profouknutím. Tato metoda se v praxi dosud nepoužívá, ale v budoucnu by mohla získat
20
na významu. Ochlazením pomocí chladícího agregátu lze z bioplynu odstranit vodu a škodlivé plyny [9].
2.5 Zužitkování bioplynu Tab. 3 Srovnání bioplynu (60 % metanu) s jinými hořlavými plyny[3].
Z těchto údajů vidíme, že bioplyn má sice menší výhřevnost než zemní plyn, propan a metan, ale dvojnásobnou oproti vodíku. Bioplyn sám o sobě není hořlavý, hoří jen ve směsi se vzduchem v odpovídajícím poměru. Kdybychom se pokusili rozškrtnout zápalku přímo v plynojemu, zápalka by se vůbec nezapálila pro nedostatek kyslíku. Proto oheň i výbuch jsou zde zcela vyloučeny. Nebezpečí muže nastat jen pokud bioplyn uniká spárami a vytvoří se vzduchem zápalnou směs.
2.5.1
Spalování Přímé spalování v hořácích například při vaření nebo v infračervených zářičích
se u nás v současné době již nepoužívá. Toto využití bioplynu se používá například při vaření v rozvojových zemích (Čína, Indie, Nepál). 2.5.2
Vytápění bioplynem K vytápění bioplynem se používají kotle s atmosférickými hořáky do výkonu
přibližně 30 kW nebo dmýchadlové kotle pro větší výkony.
21
2.5.3
Kogenerace Kogenerace je společná výroba elektřiny a tepla. Umožňuje zvýšení účinnosti
využití energie paliv. V těchto případech se bioplyn využívá ke spalování jako palivo pro pohon spalovacích motorů, které pohánějí generátory na výrobu elektrického proudu. Odpadní teplo z chladicích okruhů těchto motorů a výfukové plyny se pomocí výměníků využívají k teplovodnímu vytápění budov nebo ohřev vyžadujících technologických zařízení. Dosahuje se až 95%-ní účinnosti přeměny energie. Asi 1/3 vyprodukované energie bývá ale spotřebována na vlastní provoz bioplynové stanice [10]. 2.5.4
Trigenerace Trigenerace znamená kombinovanou výrobu elektřiny, tepla a chladu,
technologicky se pak jedná o spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou. To je výhodné 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, kogenerační jednotka muže naplno pracovat i přes léto. Vyrobený chlad muže být využit všude tam, kde je zapotřebí klimatizace - v bankách, hotelech, obchodních a administrativních střediscích, nemocnicích, sportovních halách [4]. 2.5.5
Zásobování rozvodných plynovodních sítí Do budoucna se uvažuje rovněž s možností dodávání bioplynu do rozvodných
plynovodních sítí. Vzhledem k malým kapacitám výrobních jednotek, doposud malému rozšíření bioplynových stanic a nerovnoměrnosti produkce si tento způsob využití bioplynu ještě vyžádá podrobné zpracování celého koncepčního řešení. Ve všech zařízeních, ve kterých se skladuje a zužitkovává bioplyn, musí být instalována odpovídající bezpečnostní zařízení (pojistky, hlídače plamene, regulační ventily a podobně). Problematika zužitkování bioplynu není vzhledem ke svému rozsahu, významu a rychle pokračujícímu vývoji v tomto materiálu rozpracována do větší šíře, protože by si zasloužila samostatnou studii.
22
3
ZAŘÍZENÍ NA VÝROBU BIOPLYNU
3.1 Rozdělení zařízení podle způsobu plnění Diskontinuální - s přerušovaným provozem, cyklické, dávkové a podobně, kdy doba jednoho pracovního cyklu je shodná s dobou zdržení ve fermentoru. Tento na obsluhu náročný způsob se používá především k suché fermentaci tuhých materiálů organického původu. Semikontinuální - kdy je doba mezi jednotlivými dávkami kratší než doba zdržení materiálu ve fermentoru. Tento způsob plnění patří k nejvíce používaným při zpracovávání tekutých materiálů organického původu. Výhodou tohoto postupu je možnost snadné automatizace technologického procesu. Kontinuální - se používá při plnění fermentorů, které zpracovávají organický materiál s velmi malým obsahem sušiny.
3.2 Rozdělení podle podílu vlhkosti materiálu: Technologie na zpracování tuhých materiálů - podíl sušiny 18 až 30 %, ve výjimečných případech i 50 %, Technologie na zpracování tekutých materiálů - Tento technologický postup výroby bioplynu je nejrozšířenějším způsobem, technologická linka má velké množství možných modifikací. K fermentaci se převážně používají válcové fermentory v sestavách s různými doplňkovými technologickými zařízeními, jejichž konfiguraci určují charakteristické fyzikální a chemické vlastnosti zpracovávaného materiálu. Substrát může být s nízkým podílem sušiny 0,5 až 3 % se zápornou energetickou bilancí anebo s vyšším podílem sušiny 3 až 14 % a kladnou energetickou bilancí. [1]
3.3 Schéma zařízení na výrobu bioplynu Strojní linka pro anaerobní fermentaci organických materiálů mlže mít mnoho variant podle toho, jaký materiál a jak je zpracováván před vstupem do hlavní části – fermentoru. Lišit se může i podle uspořádání bioplynové koncovky a hlavně podle uspořádání kalové koncovky včetně způsobu aplikace vyfermentovaných materiálů.
23
Obr. 5 Schéma zařízení na výrobu bioplynu [1]
4
BIOPLYNOVÁ STANICE Bioplynová stanice je zařízení na výrobu bioplynu. Skládá se z homogenizační
jímky, jednoho nebo více reaktoru, plynojemu, uskladňovací nádrže, kogenerační jednotky, tepelného výměníku a rozvodu tepla. Velikost bioplynové stanice závisí na množství zpracovávaného organického materiálu. Bioplynové stanice v zemědělství dělíme na malé a centralizované. [2,3].
4.1 Malé bioplynové stanice Malé zemědělské bioplynové stanice jsou samostatné jednotky, zpracovávající anaerobní stabilizací organický odpad vznikající na farmě. V převážné míře se jedná o kejdu nebo slamnatý hnůj z chovu hospodářských zvířat. Menší část představují organické odpady z domácnosti farmy. Z hlediska ekonomie provozu bioplynové stanice je účelné zpracovávat i jiné vhodné odpady. Praxí prověřené je například zpracování odpadů ze stravovacích zařízení, hlavně tukové odpady. V tomto případě se dosáhne dvojího efektu, zvýší se produkce bioplynu a získá se finanční úhrada za likvidaci odpadů od producenta.
24
Bioplyn vznikající při anaerobní stabilizaci je využíván k produkci elektrické energie a tepla v kogenerační jednotce. Teplo a elektrická energie se využívá na farmě, čímž se snižují provozní náklady farmy. Případný přebytek elektrické energie se prodává do veřejné sítě. Velikost zemědělských bioplynových stanic závisí na velikosti a zaměření farmy. [3]
4.1.1
Technické řešení malých bioplynových stanic U bioplynových stanic je potřeba zajistit jednotlivé technologické prvky
(homogenizační jímka, reaktor, zásobník bioplynu, uskladňovací nádrž, kogenerační jednotka, tepelný výměník, rozvody tepla) zaručující po stránce biologické a bezpečnosti zdárný průběh anaerobní stabilizace. Narozdíl od velkých stanic, které se staví “načisto” se u malých zařízení můžeme setkat s daleko většími variacemi řešení, vyplývajících z konkrétních možností jednotlivých farem. Kejda ze stáje stéká samospádem nebo se čerpá do sběrné - homogenizační jímky. Homogenizační jímka, kovová nebo betonová, je spolu s vhodně dimenzovanou uskladňovací nádrží prakticky vždy běžnou součástí farmy. V některých státech je požadavek akumulovat určité množství kejdy vyprodukované na farmě dané legislativou. Zhomogenizovaný odpad se dávkuje do reaktoru. Nejrozšířenější jsou dva typy reaktorů:
4.1.2
Horizontální průtočný reaktor (Darmstadt system)
Obr. 6 Horizontální reaktor
25
Reaktor je ocelová nebo plastová, tepelně izolovaná válcová nádrž v průměru zpravidla 2 - 3 m, délky dle potřebné kapacity reaktoru). V praxi se vzhledem k možnosti transportu používají reaktory objemů 50 - 100 m3. Často se využívají použité zásobníky na naftu. Nádrž je uložena na betonových podstavcích tak, aby její sklon byl 3 - 5 % . Kejda se čerpá do výše položené části. Promíchávání obsahu reaktoru a pohyb směsi směrem k druhému níže položenému konci, je zabezpečeno lopatkami umístěnými na hřídeli procházející horizontální osou reaktoru. Rychlost míchání je pomalá, 1 - 3 otáčky za minutu. Tomu odpovídá i nízká spotřeba energie na míchání, 700 - 900 watový motor je dostatečný pro míchání 100 m3 kejdy obsahující slámu. Vznikající bioplyn se hromadí v horní části reaktoru, odkud je odváděn do plynojemu. Ve spodní části, v nejnižším bodě reaktoru, je jeden nebo více odkalovacích ventilů. Vytápění je řešeno rozvodem trubek uvnitř reaktoru. Běžné je i umístění ve dvojité stěně reaktoru, nebo je vytápění integrováno s mícháním a je umístěno v duté hřídeli míchadla. Vzhledem k poměrně velkým investičním nákladům, se tento typ reaktoru využívá hlavně k fermentaci "hustších odpadů" jako je drůbeží trus, domovní odpad nebo kejda s vyšším obsahem slámy, kdy se využívá vhodnosti tohoto typu míchacího zařízení. [3]
4.1.3
Vertikální reaktory
Obr. 7 Vertikální reaktor
Vertikální reaktory vycházejí ze standardních, ocelových nebo betonových, uskladňovacích nádrží na kejdu, případně obilí. Přestavění takovéto nádrže na reaktor, 26
vyžaduje zabezpečit její plynotěsnost a tepelnou izolaci. K zabezpečení plynotěsnosti stačí kvalitní betonová konstrukce nádrže a střechy, případně doplněná plynotěsnou fólií. K tepelné izolaci se používají běžné izolační materiály jako je polystyrén, nebo skelná vata. V některých případech jsou nádrže umístěny pod úrovní terénu. Nádrže jsou vyráběny sériově, což se projevuje v nižší ceně za jednotku objemu. Používané objemy se pohybují v rozmezí 250 - 600 m3, i když existují reaktory s objemy až 1200 m3. Hloubka reaktorů bývá 3 - 6 m a průměr 8 - 18 m. Tyto reaktory jsou často používány dvojúčelově, kdy v průběhu roku pracují s různým harmonogramem dávkování. V létě a na podzim jsou naplněny jenom do úrovně zabezpečující minimální dobu zdržení 20 - 30 dnů. Tím se připravuje rezerva k uskladnění několika set m3 kejdy na zimní a jarní období, kdy se nemůže nebo nesmí kejda aplikovat na pole. Při naplněném reaktoru je doba zdržení přes 60 dnů, což zaručuje dostatečnou produkci bioplynu a stabilní chod fermentoru i v zimním období. Přibližně 1/3 bioplynových stanic v Německu používá plynotěsné nádrže na uskladnění stabilizované kejdy a současně jako zásobníky bioplynu.V některých případech nádrže s plynotěsnou membránovou střechou slouží i jako fermentor. Často se používají dvojité membrány, kdy se do membránového meziprostoru ventilátorem vhání vzduch pod tlakem 200 - 300Pa, kterým se nafoukne venkovní membrána sloužící jako střecha a tlak vzduchu působící na vnitřní membránu, oddělující bioplyn, zabezpečuje dostatečný přetlak bioplynu pro další využití. V případě použití jednoduché membrány, se doporučuje udělat nad reaktorem přístřešek [3]. 4.1.4
Umístění reaktoru Umístění reaktoru muže být nadzemní nebo podzemní. Nadzemní umístění má
výhodu, že k vnější tepelné izolaci lze použít nepříliš drahé materiály. Nevýhodou jsou velké tepelné ztráty v zimě, neboť nádrž je plně vystavena povětrnostním vlivům. Podzemní umístění mají výhodu, že nezabírají příliš mnoho místa. Jsou také chráněna před kolísáním venkovní teploty, což snižuje spotřebu energie potřebné pro chod zařízení. Je však nutno plášť izolovat drahými izolačními materiály odolnými proti vlhkosti [2,3].
27
4.2 Centralizované bioplynové stanice Centralizované
bioplynové
stanice
v
zemědělství
narozdíl
od
malých
bioplynových stanic zpracovávají odpad z několika samostatných zemědělských farem. Z důvodu srovnatelnosti co do množství zpracovaného odpadu, technologie zpracování, postfermentační úpravy, využití bioplynu apod. je vhodné k centralizovaným stanicím řadit i bioplynové stanice vybudované při velkochovech hospodářských zvířat ve státech střední a východní Evropy. Výhodou centralizovaných bioplynových stanic je :
nižší jednotkové ceny investic
efektivnější využití investic (cisterny, dopravní prostředky atd.)
kvalifikovanější obsluhu bioplynové stanice
vzhledem k větší produkci bioplynu, možnost komplexnějšího uplatnění přebytků tepla, elektrické energie (dodávky do elektrické sítě a sítě centrálního vytápění)
vyrovnanější kvalita anaerobně stabilizovaného odpadu
menší potřeba stavebních pozemků
lepší možnosti získání úvěrů a dotací. I když několik většinou demonstračních centralizovaných bioplynových stanic
bylo od osmdesátých let postaveno ve více státech západní Evropy, největšího rozmachu dosáhli v Dánsku, kde výraznou roli sehrává stát svojí skutečně environmentální politikou. Stát poskytuje dotace na výstavbu nových stanic, dotuje ceny energií získaných z obnovitelných zdrojů a zatěžuje tzv. ekologickou daní fosilní paliva (topné oleje, uhlí). Na základě dánských zkušeností se již další státy začínají intenzivněji zabývat anaerobní stabilizací zemědělských odpadů v centralizovaných bioplynových stanicích. [3]
Zápach bioplynových stanic Tak, jak se rychle šíří používání anaerobní fermentace se rychle šíří i negativní informace o zápachu bioplynových stanic, šířícím se v jejich okolí. Nelze tvrdit, že tyto informace se nezakládají na pravdě, jsou ale pouze potvrzením buď chyb projektu anebo chybného řízení celého procesu. Více než třicetiletá praxe provozu BPS zemědělského typu jasně prokazuje, že BPS není a nesmí být v žádném případě zdrojem jakéhokoliv postřehnutelného zápachu ve svém okolí.
28
Není-li tomu tak, je třeba příčiny hledat buď ve špatném provozním režimu, nízké úrovni péče o čistotu provozu anebo v projekční závadě vzniklé buď nevhodným skladováním vstupních surovin nebo přetížením reaktoru anebo v jeho nedostatečné kapacitě (což je v podstatě totéž). V principu jde o stále tentýž efekt. Přetížený reaktor není schopen plně dokončit rozkladné procesy a výsledný produkt (zbytková suspenze či tuhý zbytek) zapáchá. Při anaerobním rozkladu, který je dostatečně hluboký jsou ze vstupních surovin úplně zlikvidováni i všichni nositelé zápachu ať již jde o sloučeniny síry, dusíku anebo o mastné kyseliny. Pro obecnou strategii odstraňování zápachu BPS jsou klíčové dva hlavní technologické uzly:
Skladování vstupních surovin musí být realizováno (tam, kde je to nutné) v plynotěsně uzavřených nádržích z nichž je vzdušina odsávána nejlépe na biooxidační filtr, kde jsou veškeré sloučeniny působící jako zdroj zápachu plně odbourány.
Vlastní reaktor a skladovací nádrže na zreagovanou suspenzi mohou být zdrojem zápachu tam, kde dochází k nedostatečnému odbourání biomasy (přetížený reaktor, příliš krátké retenční časy) a výstupní produkt podléhá dále při skladování kombinaci anaerobně aerobních rozkladných procesů. Je-li z úsporných důvodů reaktor navržen jako příliš malý, není schopen zpracovat veškeré rozložitelné látky a tím není ani dosaženo úplného zneškodnění zápachu v produktu. Technologický proces se tím připravuje i o významově sice malou část bioplynu nicméně horším faktorem je trvající zápach. Například při zpracování vepřové kejdy je retenční doba reaktorů v trvání 25 – 30 dnů zcela vyhovující pro úplnou likvidaci zápachu. Zkrácení retenční doby na 12 – 15 dnů již ale není schopno na stejném substrátu docílit úplného odstranění nositelů zápachu. [5]
29
5
PŘEHLED BIOPLYNOVÝCH STANIC NA SEVERNÍ MORAVĚ
5.1 BPS Klokočov Bioplynová stanice Klokočov je situována v oploceném areálu, který se nachází na západním okraji obce Klokočov. Areál původně sloužil jako středisko Státního statku, poté jako skladové prostory a odstavné plochy zemědělské techniky. Výstavba této bioplynové stanice začala v červnu 2005 a do zkušebního provozu byla uvedena v červnu 2006. Vstupními surovinami měla být především hovězí kejda, slamnatý hnůj, travní hmota, potravinářské odpady, ale i vedlejší živočišné produkty, řepné řízky, výpalky z lihovarnické výroby a kaly z biologického čištění. Instalovaný elektrický výkon na této bioplynové stanici je 986 kW a tepelný výkon 1276 kW. S těmito výkony měla stanice vyrobit 23 664 kWh/den elektrické energie a 30 624 kWh/den energie tepelné. Dále stanice disponuje dvěma fermentory o průměru 19,7m. V prosinci roku 2006 ovšem končí zkušební provoz a bioplynová stanice, především kvůli stížnostem místních obyvatel na zápach, ukončuje svůj provoz.
5.2 BPS Pustějov Bioplynová stanice Pustějov je technologické zařízení pro zpracování odpadních materiálů a surovin zemědělské výroby, rostlinné hmoty, masokostní moučky a odpadů z výroby buničiny. Součástí BPS je linka hygienizace na úpravu a zpracování kuchyňských odpadů a jiného biologicky rozložitelného materiálu. Produktem procesu anaerobní fermentace je bioplyn vhodný pro spalování v kogenerační jednotce. Výstupem z kogenerační jednotky je elektrická energie a teplo, jehož část se spotřebuje pro ohřev fermentoru a hygienizaci, zbytek se využije v areálu zemědělské farmy a k vytápění objektů v obci Pustějov. Elektřina je vyvedena a prodána rozvodnému závodu. Vyřešena je rovněž možnost využití kogenerace jako záložního zdroje energie pro areál farmy v případě výpadku veřejné sítě. Vyfermentovaný anaerobně stabilizovaný materiál je shromažďován ve skladovací nádrži. Z nádrže je kal separován, přičemž tuhá složka je odvážena a tekutá část je skladována v již existujících lagunách. Odstředěná voda je dále využívána pro zřeďování vstupní suroviny. Odseparovaný kal a zbylá odstředěná voda je využívána k přímé aplikaci pro zhodnocení zemědělské půdy. Zahájení výstavby BPS se datuje k listopadu 2006 a od května 2007, kdy skončil zkušební provoz, stanice funguje na plný výkon. Vstupními surovinami je hovězí
30
a vepřová kejda, travní nebo kukuřičná siláž, masokostní moučka, odpadní produkty z výroby celulózy a kuchyňské odpady. Instalovaný elektrický výkon je 600 kW, tepelný výkon činí 736 kW, což při produkci bioplynu Q = 6 528 m3/den dělá 14 400 kWh elektrické energie za den a 17 664 kWh energie tepelné za den. BPS disponuje dvěmi nádrži o průměru 16,3m
Obr. 8 Fermentory na BPS Pustějov
5.3 BPS Velké Albrechtice Bioplynová stanice je postavena v areálu plemenné farmy Velké Albrechtice. Systém řízení BPS je navržen jako poloautomatický. Část BPS, která je tvořena příjmem organických odpadů, homogenizační jímka a vlastní kombinovaný reaktor jsou nové stavby. Obslužná budova, strojovna kogeneračních jednotek a plynojemu včetně elektrické rozvodny a velínu jsou umístěny v původním rekonstruovaném objektu. Skladovací jímky anaerobně stabilizované kejdy jsou původní. Příjmové jímky jsou dvě, rozdělené dle typu naváženého organického odpadu.
5.3.1
Technologie bioplynové stanice Technická koncepce vychází z osvědčené technologie mokré fermentace
v oblasti mezofilního procesu se sklady s dohníváním o objemu cca 2x5000 m3 s integrovanými plynojemy o objemu cca 2x1500 m3, přečerpávací jímkou vyfermentovaného materiálu o objemu cca 327 m3, vstupní jímkou surovin před pasterizací o objemu cca 20 m3, budovou pro kogeneraci, budovou pro pasterizaci, stáčecími místy. Zařízení původní BPS je zachováno a využívá se nadále jako první stupeň fermentace.
31
Bioplynová stanice zpracovává biologické obnovitelné zdroje energie cestou mokré anaerobní kofermentace. Čerstvá prasečí kejda přitéká do původní homogenizační jímky. Zde je kejda promíchána s ostatními vstupními surovinami a dále čerpána do fermentorů a skladů s dohníváním. Kromě prasečí kejdy je dále využita fytomasa, masokostní moučka, kal z výroby buničiny, cukrovarnické řízky a podestýlka. Tyto dovážené suroviny budou dle potřeby dezintegrovány a některé dále pasterizovány k tomu určenou technologií. Výsledná sušina zpracovávané vsázky bude 11 - 12 %. U mokré fermentace je nosný materiál prasečí kejda, která je přiváděna do homogenizační jímky, kde se s ostatními vstupními surovinami promíchává. Hmota po anaerobní fermentaci je průběžně z bioreaktorů čerpána potrubím zpět do nově vybudovaných skladovacích nádrží. Po naplnění těchto skladovacích nádrží je přebývající hmota čerpána buď do autocisterny a převážena do dalších nadzemních skladovacích nádrží, nebo se výstupní substrát aplikuje na ornou půdu. Tekutá část je aplikována běžnou technikou na pole a luční porosty.
Skladba a množství vstupních surovin: -kejda 100-120 x 103 kg/den; -kal z výroby buničiny (Paskov) 20 x 103 kg/den; (alternativně vedlejší živočišné produkty III. kategorie a biologicky rozložitelná organické hmoty) -masokostní moučka 8 x 103 kg/den; -cukrovarnické řízky 5 x 103 kg/den; -siláž, senáž 42 x 103 kg/den; -podestýlka 5 x 103 kg/den; -lihovarnické výpalky 8 x 103 kg/den v org. suš. 5.3.2
Popis zařízení
Vstupní jímka Vstupní jímka slouží pro příjem dovážených surovin před pasterizací. Přivážená surovina musí být před vstupem do fermentace rozdružena na malé částečky, čímž docílíme toho, že fermentorem projde větší množství biomasy, a tím stoupne vývin bioplynu ve fermentoru. Z dopravních prostředků je dovezená surovina určená k hygienizaci vyskladněna do vstupní nádrže a odtud šnekovými dopravníky dopravována dále k dezintegraci.
32
Dezintegrátor je zařízení se speciálními sekacími noži, které vedlejší živočišné produkty rozsekají na části menší než 12 mm. Po dokončení procesu je kašovitá hmota přečerpána do technologie
pasterizace o užitečném objemu 4 m3. Množství
zpracovaného substrátu je cca 20 x 103 kg/den.
Pasterizace Organické odpady, jako jsou biologicky rozložitelné odpady (BRO) a vedlejší živočišné produkty používané pro kofermentaci, mohou obsahovat původce chorob ohrožujících zvířata i člověka. Použití takových substrátů logicky zvyšuje nebezpečí nákazy. V zájmu ochrany zdraví lidí, zvířat i rostlin, by měla být přijata opatření, která možnost infekce nebo dokonce šíření nákazy potlačí na minimum. Tepelně zpracované rozmělněné suroviny pak po dobu dvou hodin postupně procházejí pasterizací a zahřívají se na stanovenou teplotu 70 °C, další hodinu pak musí setrvat na této teplotě. Při tomto procesu jsou zničeny škodlivé mikroorganismy a zárodky chorob.
Čerpání substrátu Substrát je přiváděn do homogenizační jímky a odtud je dále dopravován do fermentorů a skladů s dohníváním. Součástí jímky je zařízení pro míchání substrátu. U mokré fermentace je základní vstupní surovinou prasečí kejda, která je dopravována do homogenizační jímky potrubím. Zde se promíchává s ostatními vstupními surovinami. Odtud již tento substrát dopraví čerpadlo do fermentorů a skladů s dohníváním. Hmota po anaerobní fermentaci je průběžně z bioreaktorů čerpána potrubím buď do skladů s dohníváním nebo přímo do nově vybudovaných skladovacích nádrží.
Fermentory Rozklad organické hmoty (anaerobní digesce) na metan a stabilizovaný výstupní substrát probíhá ve fermentorech a nádržích s dohníváním. Jedná se o kruhové nádrže o objemu cca 2x5000 m3 s vestavěnými membránovými plynojemy na střechách o objemu cca 2x1500 m3. Rozmělněná biomasa je do reaktoru pravidelně doplňována a odváděna. Zdržení organické hmoty se pohybuje v rozmezí 25 – 40 dnů v závislosti na druhu vstupního substrátu. Údaje o složení bioplynu, kyselosti v nádrži s dohníváním (pH), teplotách a 33
obsahu celkové sušiny i organické sušiny jsou sledovány zvláště podle druhů doplňující fytomasy a biomasy Anaerobní nádrž s dohníváním s mícháním fermentovaného substrátu míchadly slouží k anaerobní digesci tekutých odpadů zemědělské, živočišné a potravinové výroby za účelem výroby a následného využití bioplynu. Čerstvý substrát je přiveden do fermentačního prostoru, kde se pomocí topné vody ze zdroje tepla ohřívá na pracovní teplotu a začíná intenzivní vývoj bioplynu. Jakmile výška hladiny dosáhne požadované úrovně, dojde k odvedení části již vyhnilého substrátu mimo fermentor a k současnému nahrazení tohoto množství čerstvým substrátem, načerpaným opět do fermentačního prostoru.
Konstrukční řešení fermentoru Vyhnívací nádrže jsou konstruované jako vertikální kruhové nádrže o objemu cca 2x5000 m3. Oproti horizontálnímu provedení mají tu přednost, že zde lze dosáhnout lepšího poměru mezi povrchem a objemem, čímž se sníží tepelné ztráty. Nádrže s dohníváním jsou umístěny nad zemí. Výhodou tohoto umístění je, že pro vnější tepelnou izolaci lze použít nepříliš drahé materiály. Nevýhodou jsou větší tepelné ztráty v zimě, neboť nádrže jsou vystaveny povětrnostním vlivům. Nádrže jsou zaizolovány přírodním izolantem a zakryty krycím pláštěm. Vnitřní obsah je vyhříván topnými hady po obvodu pláště, což vyhovuje bakteriím.
Obr. 9 Fermentory na BPS Velké Albrechtice
34
Plynojem Vnitřní plynojem slouží k vytvoření zásobního objemu bioplynu pro přívod do kogeneračních jednotek. Pomocí podtlakového ventilátoru je z vaku čerpán bioplyn a ke kogeneračním jednotkám dodáván o stabilním provozním tlaku plynu. Plynojem u kontinuálně plněných nádrží má za úkol plyn shromažďovat a oddělovat od pěny a kapalných částí. Plynojemy jsou součástí nádrží s dohníváním a jsou umístěny na jejích střechách. Jedná se o membránové (vakové) plynojemy o objemu cca 2x1500 m3.
Přečerpávací jímka vyhnilého substrátu Jímka je umístěna za stávajícími fermentory a slouží pro přečerpání vyhnilého substrátu buď do skladů s dohníváním nebo přímo do skladovacích nádrží. Jedná se o ocelovou kruhovou nádrž s plechovým zakrytím o objemu cca 327 m3. Součástí jímky je zařízení pro dopravu substrátu a jeho míchání. Jímka je řešena jako nadzemní. Rozvod bioplynu Průmyslový plynovod pro bioplyn je navržen v blízkosti BPS jako nadzemní, úsek mezi BPS a strojovnou kogeneračních jednotek je veden pod terénem. Nadzemní část plynovodu je uložena na ocelových podpěrných konstrukcích. Plynové potrubí je ocelové, svařované z bezešvých trubek. Vnější plynovod propojuje fermentační zařízení se zvyšovací stanicí tlaku plynu (dmychadlovou stanicí), odkud je veden k místu spotřeby – kogenerační jednotky. Plynová část skladů s dohníváním, ventilátory (dmýchadla) i kogenerační jednotky jsou vybaveny příslušným zabezpečovacím zařízením a armaturami pro uzavírání, odvzdušňování, odvodňování apod. Hlavní odvodnění plynovodu se předpokládá v nejnižších místech uvnitř objektů a také na trase podzemního vedení plynovodu ve venkovním prostoru.
Kogenerační jednotky Vyprodukovaný
bioplyn
z plynojemu
je
dmychadly
dopravován
do kogeneračních jednotek. Šest původních jednotek je umístěno do nově postavené budovy. Dvě nové jednotky jsou umístěny v kontejnerech. Elektrická energie je dodávána do sítě, teplo pak pro technologii bioplynové stanice a provozních budov. Provoz je řízen automatikou v závislosti na množství vyprodukovaného bioplynu. 35
Jmenovitý elektrický výkon kogeneračních jednotek je cca 1974 kWel a maximální tepelný výkon jednotek 1950 kWtep. Při hodinové produkci bioplynu cca 800 m3 a obsahu metanu 60-65 %, vychází denní výroba elektrické energie na cca 30 000 kWh a 53 000 GJ tepla za rok.
Obr. 10 Kontejnerové kogenerační jednotky 5.3.3
Produkce tuhých odpadních materiálů a nakládání s nimi Z mokré fermentace je jako cenný materiál pro hnojení zemědělských pozemků
získáno cca 180 x 103 kg/den vyfermentovaného substrátu. Materiál po anaerobní fermentaci je využit jako hnojivý substrát s vysokým obsahem humusu a s určitým obsahem základních živin pro zemědělské půdy. Nejedná se o odpad, ale druhotnou surovinu pro zemědělskou rostlinnou výrobu. Tento materiál je skladován v zásobnících. Odtud je postupně odvážen k využití na pozemky, v souladu s rozvozovým plánem (zákon o vodách) a s plánem zavedení zásad správné zemědělské praxe (zákon o ochraně ovzduší).
5.4 Další BPS V této kapitole uvádím pouze základní popis dalších BPS na Severní Moravě. BPS Bohuňovice celkový instalovaný výkon instalovaná technologie
500 kW 2 KJ o výkonu 2x250 kW 1x fermentor 1885 m3 1x dofermentor-2280 m3 1x koncový sklad-4823 m3
36
BPS Tošanovice 530 kW 2 KJ o výkonu 2x265 kW 1x fermentor-2280 m3 1x dofermentor-2280 m3
6
ZÁVĚR Ve své práci jsem se zajímal o výrobu bioplynu ze zemědělských zbytků a jeho
následné zpracování v bioplynových stanicích. První část je teoreticky zaměřena na bioplyn, a to na jeho vznik, řízenou výrobu, kvalitu, zpracování, zužitkování a samozřejmě také na suroviny, respektive živočišné odpady, z kterých se bioplyn vytváří. V následující části popisuji zařízení na výrobu bioplynu z hlediska způsobu plnění a vlhkosti vstupního materiálu. Ve třetí části popisuji samotné bioplynové stanice podle jejich velikosti, také se zaměřuji na konstrukční typy fermentorů a snažím se nastínit možné důvody zápachu bioplynových stanic. V poslední části nabízím přehled bioplynových stanic na Severní Moravě, zaměřený především na BPS ve Velkých Albrechticích.
V České republice sice v posledních letech dochází ke stavění nových zařízení na výrobu bioplynu, ovšem oproti vyspělým zemím, jako například Německo, Rakousko či Dánsko, jsme stále pozadu. Mimo jiné za to může i špatné podvědomí obyvatel, kterým vadí především zápach. To ovšem může být způsobeno špatně zvolenou technologií či používáním nevhodných vstupních materiálů. Další důvod, proč se v našich končinách nestaví více bioplynových stanic, jsou finance a dlouhodobá investiční návratnost. Při využití dotací a garantované výkupní ceně elektrické energie se ovšem bioplynové stanice jeví jako dobrý podnikatelský záměr a je na každém zemědělci, aby si spočítal a uvědomil co je pro něj nejvýhodnější.
Bioplyn má, dle mého názoru, velkou budoucnost díky jeho relativně snadné výrobě a především vysokému procentu zužitkování v kogeneračních jednotkách. Věřím, že se v budoucnu tyto technologie stanou nepostradatelné k výrobě elektrické a i tepelné energie.
37
7
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
Literární zdroje [1]
PASTOREK, KÁRA, JEVIČ: Biomasa - obnovitelný zdroj energie, FCC Public s.r.o., Praha, 2004, 276 s.
[2]
SCHULZ, EDER: Bioplyn v praxi, 1. české vydání, HEL, Ostrava, 2004, 168 s.
Internetové odkazy [3]
KAJAN M.: Bioplyn z odpadu živočišné výroby [online]. [citace 2009-04-10]. URL:
.
[4]
MURÁR V.: Trigenerace [online]. [citace 2009-04-12] URL.
[5]
STRAKA F., KUNČAROVÁ M., LACEK P.: Optimalizace vsázek pro bioplynové stanice při použití biomasy, živočišných odpadů nebo dalších možných vedlejších živočišných produktů [online]. [citace 2009-04-29] URL: <www.mze.cz/attachments/Optimalizace_vsazek.doc>
[6]
DOHÁNYOS M.: Zvyšování efektivity fermentace - nejnovější poznatky ve výzkumu a praxi [online]. [citace 2009-04-16] URL:
[7]
Wikipedie, otevřená encyklopedie: Kejda [online]. [citace 2009-05-01]. URL:
[8]
Wikipedie, otevřená encyklopedie: Močůvka [online]. [citace 2009-05-01]. URL:
[9]
Wikipedie, otevřená encyklopedie: Sušení bioplynu [online]. [citace 2009-0501]. URL:
[10]
Wikipedie, otevřená encyklopedie: Kogenerace. [online]. [ citace 2009-05-01]. URL:
38
