Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva
Výroba a využití bioplynu
Bakalářská práce
Brno 2009
Vojtěch Koiš
zadání
Prohlašuji, že jsem Bakalářskou práci na téma Výroba a využití bioplynu zpracoval sám a uvedl jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje Bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně, zpřístupněna studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací.
Autor bakalářské práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně dne……………………….
Podpis studenta
Poděkování
Dovoluji
si
tímto
poděkovat
vedoucímu
mé
bakalářské
práce
Doc. Dr. Ing. Jaroslavu Hrázskému za odborné vedení, metodickou pomoc a cenné rady, které mi poskytl při zpracování této práce.
Abstrakt Koiš V.: Výroba a využití bioplynu
Účelem předkládané Bakalářské práce je uceleně seznámit s oborem v energetice obnovitelných zdrojů. A to výrobou bioplynu. Podrobně je pojednáno o principu vzniku, technologii, strojním zařízení a využití bioplynu všemi známými způsoby. Výrobou tepla, elektrické energie a v neposlední řadě také zásobování rozvodné sítě, v které do dnešních dnů proudí bohužel pouze zemní plyn.
Klíčová slova: Bioplyn, výroba bioplynu. anaerobní vyhnívání
Abstract Koiš V.: Production and utilization of biogas
The aim of this thesis is to make a comprehensive introduction to the field of renewable resources in power engineering, mainly into the field of the production of biogas. This thesis, in detail, deals with the principle of creation, technology, machinery and utilization of biogas by all known means – production of energy, electric power and last but not least also supplying of distribution network, in which, unfortunately until this day, flows natural gas.
Keywords: Biogas, production of biogas, anaerobic digestion
1.Úvod.....................................................................................................................................8 2. Cíl práce..............................................................................................................................9 3. Metodika práce .................................................................................................................10 3.1 Princip vzniku bioplynu..............................................................................................10 3.1.1 Hydrolýza.............................................................................................................10 3.1.2 Acidogeneze (Okyselení)....................................................................................10 3.1.3 Acetogeneze.........................................................................................................11 3.1.4 Metanogeneze ......................................................................................................11 3.2 Vlastnosti a parametry bioplynu .................................................................................12 3.2.1 Průběh vyhnívacího procesu................................................................................12 3.2.2 Skladba živin v substrátu .....................................................................................12 3.2.3 Teplota substrátu..................................................................................................12 3.3 Zdroje pro výrobu bioplynu........................................................................................16 3.3.1 Biomasa ...............................................................................................................16 3.3.2 Biologické a organické látky ...............................................................................17 3.3.3 Využití biopreparátů v provozech bioplynových stanic ......................................20 3.4 Technologie výroby bioplynu.....................................................................................22 3.4.1 Dávková metoda ..................................................................................................23 3.4.2 Metoda střídání nádrží .........................................................................................23 3.4.3 Průtoková metoda ................................................................................................23 3.4.4 Metoda se zásobníkem.........................................................................................24 3.4.5 Průtoková metoda se zásobníkem........................................................................24 3.4.6 Jednostupňový a vícestupňový proces .................................................................25 3.4.7 Technologie výroby bioplynu z tekutých materiálů ............................................26 3.4.8 Technologie výroby bioplynu z tuhých materiálů ...............................................26 3.5 Strojní zařízení pro výrobu bioplynu ..........................................................................27 3.5.1 Přípravné nádrže ..................................................................................................27 3.5.2 Skladovací nádrže ................................................................................................27 3.5.3 Fermentory...........................................................................................................28 Horizontální konstrukční typ ........................................................................................28 Vertikální konstrukční typ ............................................................................................28 3.5.4 Plynojem ..............................................................................................................29 3.5.4 Čerpadla ...............................................................................................................29 3.5.5 Míchadla ..............................................................................................................29 3.5.6 Potrubí..................................................................................................................30 3.5.7 Topná zařízení pro bioplynový proces.................................................................31 3.5.8 Bioplynová koncovka ..........................................................................................31 3.6 Využití bioplynu .........................................................................................................32 3.6.1 Čištění bioplynu ...................................................................................................33 3.6.2 Kogenerace tepla a elektrické energie .................................................................34 3.6.3 Spalování bioplynu ..............................................................................................35 3.6.4 Zásobování plynovodní sítě .................................................................................35 4. Diskuze .............................................................................................................................36 5. Závěr .................................................................................................................................37 6. Souhrn...............................................................................................................................38 7. Summary...........................................................................................................................38 8. Použitá literatura ...............................................................................................................39
Seznam tabulek .................................................................................................................40 Seznam grafů ....................................................................................................................40 9. Přílohy...............................................................................................................................41
1.Úvod Bioplyn je starý jako Země sama. Přesto lidé začali využívat jeho potenciálu, ať už k výrobě tepla či elektrické energie, z historického hlediska teprve v nedávné době. Místo hledání cesty k uspokojování našich životních potřeb v obnovitelných zdrojích, bylo a dosud je těženo obrovské množství fosilních paliv, aby se zajistil dostatek energií jak pro domácnosti, tak pro průmysl. Tato cesta, jak čas ukázal, není již dnes příliš optimistická. Hluboko pod našimi příbytky probíhá těžba černého uhlí. Ta se nás zdánlivě nedotýká, avšak našim zrakům nemůže uniknout těžba uhlí hnědého. Ta má za následek jednak nucené stěhování lidí z jejich rodných příbytků a co je horší, totální destrukci krajiny, která získávala svůj ráz miliony let. V posledních letech se více jak kdy jindy ukazuje, že tento trend nemůže pokračovat stejným tempem jako doposud. Drancování krajiny těžbou je totiž v konečném důsledku dopadem jen minimálním. Mnohem více, bohužel pro některé zanedbatelně, škodí zejména emise, vytvářené právě při dobývání a obzvlášť spalování fosilních paliv. Emise škodí nejenom Zemi, planetě na které žijeme, ale především lidské populaci. Spalování dřeva a uhlí bylo odedávna spojeno s lidskou potřebou tepelného komfortu v jeho obydlí. Avšak zavedením průmyslové výroby v dnešním rozsahu
se
dostalo do úplně jiných mezí. Tisíce a tisíce tun skleníkových plynů a mikročástic jsou vypouštěny do ovzduší bez ostychu a lidé příliš nepřemýšlí nad tím, jaké důsledky toto jednání má a bude mít. Již dnes je zřejmé, že se rostliny, živočichové, lidé a všechny živé organismy na této planetě nemohou vyrovnat s tímto trendem bez následků. Otázkou je, jak rozsáhlé tyto následky budou. Potěšujícím faktem je, že některé národy na světě shledali situaci taktéž nepříliš uspokojivou a začali trend produkce jedů progresivně řešit. Jedná se zejména o využití obnovitelných zdrojů ve výrobě energií a tepla. Ať se jedná o biomasu či právě bioplyn, je toto jednání obrovským krokem vpřed! Tyto otázky a problémy, které jsem se pokusil nastínit, jsou pro mne natolik závažné, že jsem se rozhodl tuto práci věnovat právě problematice bioplynu i přesto, že se téměř neslučuje s mým studijním oborem.
8
2. Cíl práce Proces výroby a využití bioplynu je velmi obsáhlý. Proto je mým cílem do jisté míry seznámit s touto problematikou a osvětlit jeho důležitá úskalí.
9
3. Metodika práce 3.1 Princip vzniku bioplynu Biologický rozklad organických látek je složitý vícestupňový proces, na jehož konci působením metanogenních a hydrogenotrofních mikroorganizmů vzniká bioplyn, který se v ideálním případě skládá ze dvou plynných složek, metanu(CH4) a oxidu uhličitého(CO2). Průběh tohoto procesu ovlivňuje řada dalších procesních a materiálových parametrů, například složení materiálu, podíl vlhkosti, teplota prostředí, hodnota pH neboli kyselost materiálu, anaerobní (bezkyslíkaté) prostředí, absence inhibičních biochemických látek atd.
Anaerobní fermentace je biochemickým procesem, sestávajícím z celé řady posloupných fyzikálních, fyzikálně-chemických a biologických procesů. Vytváření bioplynu je konečnou fází biochemické konverze organických látek v anaerobních podmínkách na bioplyn a zbytkový fermentovaný materiál. Proces probíhá při teplotách od 0°C do 70°C a na rozdíl od jiných procesů nevzniká při anaerobní fermentaci teplo, ale vyvíjí se hořlavý plyn-metan. Současně s ním se vytváří oxid uhličitý a voda. (Dundálková, Kamarád, Maranda, Mareček, 2008 ) 3.1.1 Hydrolýza V této fázi přeměňují přítomné anaerobní bakterie, nikoli ještě metanové bakterie, makromolekulární organické látky (bílkoviny, uhlovodíky, tuk, celulózu) pomocí enzymů na nízkomolekulární sloučeniny, jako jsou jednoduché cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny a voda. Vlhkost prostředí musí přesahovat 50% hmotnostního podílu. 3.1.2 Acidogeneze (Okyselení) Při
této fázi dochází k odstranění zbytků vzdušného kyslíku a vytvoření
anaerobního prostředí. Tuto přeměnu provádí fakultativní anaerobní mikroorganizmy schopné aktivace v obou prostředích. Výslednými látkami tohoto stupně rozkladu jsou organické kyseliny, oxid uhličitý, sirovodík a čpavek. (Michal, 2005)
10
3.1.3 Acetogeneze Během této fáze převádějí acidogenní kmeny bakterií vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou, vodík a oxid uhličitý. 3.1.4 Metanogeneze V průběhu této fáze acetotrofní bakterie rozkládají hlavně kyselinu octovou na metan a oxid uhličitý. Hydrogenotrofní bakterie produkují metan z vodíku a oxidu uhličitého. Některé kmeny bakterií provádí 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 tři předcházející fáze. Proto se musí velikost, konstrukce fermentoru a dávkování substrátu této rychlosti přizpůsobit. (Michal, 2005)
Hydrolýza
fakultativně anaerobní bakterie
Jednoduché cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny
Acidogeneze
Kyselinotvorné (acidofilní) bakterie
Organické kyseliny, oxid uhličitý, vodík
Acetogeneze
Octotvorné bakterie
Kyselina octová, oxid uhličitý, vodík
Metanogeneze
Metanové bakterie
Metan, oxid uhličitý, voda
Obr. 1 Jednotlivé fáze procesu vzniku bioplynu (Schulz, Eder, 2004)
11
3.2 Vlastnosti a parametry bioplynu
Kvalita bioplynu je určována především poměrem hořlavého metanu a „neužitečného“ oxidu uhličitého. Oxid uhličitý bioplyn zřeďuje. Proto je z ekonomického hlediska skladování žádoucí nejvyšší obsah metanu a nejnižší obsah oxidu uhličitého. Po metanu a oxidu uhličitém je nejdůležitější součástí bioplynu sirovodík. Tento plyn je velmi agresivní ke kovovým součástem technologického zařízení bioplynové stanice. Proto je nutné jej odstraňovat odsířením. V bioplynu se dále nachází stopové množství amoniaku, molekulárního dusíku, vodíku a kyslíku-jejich podíl činí 6 až 8%. (Schulz, Eder, 2004)
Obsah metanu v cílovém produktu a tím i jeho kvalitu ovlivňují zejména tato kritéria: 3.2.1 Průběh vyhnívacího procesu Nejdůležitějším hlediskem je, zda vyhnívací proces probíhá v jednostupňové či dvoustupňové technologii-jednom či dvou fermentorech. Výsledný produkt
z obou
technologií se totiž velmi zásadně liší. Plyn z prvního stupně obsahuje velký podíl oxidu uhličitého, zatímco plyn vznikající v druhém stupni obsahuje velký podíl metanu, který může činit i více než 80%. 3.2.2 Skladba živin v substrátu Složení a kvalita výsledného bioplynu závisí především na množství a složení dodávaného substrátu. Látky, které jsou bohaté na bílkoviny a uhlovodíky jsou substrátem pro méně kvalitní plyn. Naproti tomu látky obsahující tuky a proteiny jsou substrátem pro plyn kvalitnější. 3.2.3 Teplota substrátu Pro ekonomickou rentabilitu bioplynové stanice je obsah metanu velmi důležitým faktorem. Zkušenosti z praxe ukázali, že při teplé a horké fermentaci je obsah metanu nižší než při fermentaci za nižších teplot. (Schulz, Eder, 2004)
12
700 Slepičí Prasečí
600 [l/kg os ] 500 400
Hovězí
300 Tuhý hnůj
200 100 0
10
20 30 40 Doba kontaktu
50 60 [dnů ]
70
Graf 1 Specifický výtěžek plynu při termofilním teplotním rozmezí v závislosti na druhu substrátu (slepičí trus, prasečí a hovězí kejda a tuhý hnůj) a době kontaktu (Schulz, Eder, 2004)
130 100 Termofilní bakteriální kmeny
50
0
10
20
30
Mezofilní bakteriální kmeny
40
Teplota ve vyhnívací nádrži
50
60
[°C ]
Graf 2 Vliv teploty na dosažitelné množství plynu ve vztahu k hodnotě dosažené při optimálních teplotních poměrech (Schulz, Eder, 2004)
13
Graf 3 Vliv teploty vyhnívacího procesu a doby kontaktu na množství a složení vyrobeného plynu (Schulz, Eder, 2004)
14
Tab.1 Vybrané fyzikální vlastnosti metanu (Pastorek, Kára, Jevič, 2004) 1 Průměr molekuly
4.10-10 m
2 Molární hmotnost 3 Relativní molekulová hmmotnost
16,043 g.mol-1 16,043
4 Reálný molární objem
22,3518 m3.kmol-1
5 Hustota plynu (-161,52°C, tlak 101,352 kPa)
1,819 kg.m-3
6 Hustota plynu (15°C, tlak 101,352 kPa) 7 Kritický tlak 8 Kritická teplota
0,7049 kg.m-3 45,96 bar 190,53 K
9 Kritický měrný objem 10 Trojný bod Teplota Tlak
0,0061 m3.kg-1 90,68 K 0,117 bar
Skupenské teplo tání 11 Bod varu
58,720 kJ.kg-1 -161,52 ºC
12 Skupenské teplo varu (-161,52°C, tlak 101,352 kPa)
510,20 kJ.kg-1
13 Množství plynu v 1m3 kapaliny (15°C, 1 bar) 14 Výhřevnost (ref. Teplota spal. 15°C, tlak 101,325 kPa
630 m3
Objemová
34,016 MJ.m-3
Molární hmotnost
802,69 kJ.mol-1
15 Spalné teplo (ref. Teplota spal. 15°C, tlak 101,325 kPa) Objemové
37,782 MJ.m-3
Molární hmotnost
891,56 kJ.mol-1
16 Měrná tepelná kapacita cp ideálního plynu
2,195 kJ.kg-1.K-1
17 Měrná tepelná kapacita cv ideálního plynu
1,686 kJ.kg-1.K-1
18 Poměr cp:cv ideálního plynu (15°C, tlak 101,325 kPa)
1,301
19 Mez výbušnosti směsi s kyslíkem
555 ºC
20 Minimální zápalná energie (vzduch + 8,5 CH4)
0,28 mJ
21 Koncentrace s největším nebezpečím vznícení
8,2 % obj.
22 Teoretické množství spal. Vzduchu (vzduch:reálný plyn) 9,563 m3.m-3: 17,233 kg.kg-1 23 Stechiometrické spalování směsi s kyslíkem (20°C, tlak 101,325 kPa) Teplota plamene 2 810 ºC Maximální spalovací rychlost 3,9 m.s-1 24 Stechiometrické spalování směsi se vzduchem (20°C, tlak 101,325 kPa) Teplota plamene 1,957 ºC 0,4 m.s-1
Maximální spalovací rychlost 25 Wobbeho číslo ideálního plynu (0°C, tlak 101,325 kPa)
53,781 MJ.m-3
26 Wobbeho číslo reálného plynu (0°C, tlak 101,325 kPa)
53,4568 MJ.m-3
15
3.3 Zdroje pro výrobu bioplynu 3.3.1 Biomasa V současnosti leží v ČR ladem asi 0,5mil. ha půdy a očekává se, že z hlediska produkce potravin nebude možné dlouhodobě využívat více než 1 mil. ha (z celkové rozlohy více než 3 mil. ha orné půdy). Z hlediska udržitelného rozvoje je však nezbytné s touto půdou nadále dobře hospodařit. Jednou z významných možností je pěstování energetických plodin, přičemž pro naplnění cíle roku 2010 by postačilo využít asi polovinu uvedené výměry, tj. asi 250 tis. ha. V horizontu 30 let lze využít až 1,5 mil. ha., tj. asi 35% výměry zemědělské půdy v ČR, v souladu s osevními postupy.
V souladu s možností pěstování a poptávkou po biomase z různých oblastí ČR je pro vyprodukovanou biomasu zvolen optimální koeficient využití. Koeficient určuje, jaká část zemědělské produkce bude energeticky využita. Byly stanoveny čtyři koeficienty, které jsou obdobou potenciálu. (Kolektiv autorů, 2006)
Tab. 2 Druhy potenciálu energetických plodin (Kolektiv autorů, 2006)
Druh potenciálu
Produkce biomasy (tis. tun)
Energie (TJ)
Ekonomický (r.2004) Dostupný
2738 9037
41000 136000
Využitelný
13693
205000
Technický
18348
275000
Teoretický
27385
411000
Produkovanou biomasu lze z hlediska jejího získávání rozdělit na dvě základní skupiny – odpadní a záměrně pěstovanou.
a) Biomasou záměrně pěstovanou v produkci bioplynu jsou: -
energetické plodiny (šťovík, tritikale, čirok, chrastice rákosovitá, křídlatka apod.)
-
olejniny (řepka olejná)
-
cukrovka, brambory, obilí
16
b) Biomasou odpadní jsou : -
rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny (sláma, kukuřice a obiloviny, řepková sláma, zbytky z lučních areálů a nedopasky, zbytky po likvidaci náletových dřevin a odpady ze sadů a vinic) (Michal, 2005)
3.3.2 Biologické a organické látky V zásadě lze všechny organické látky alespoň zčásti rozložit jak anaerobní, tak aerobní cestou. Principiálně však platí: pevné, členité materiály jako klestí z ořezu stromů a keřů jsou zvláště vhodné pro aerobní zpracování, tzn. pro zkompostování, zatímco kapalný, mokrý materiál jako kejda, zbytky jídla, tuky atd. se výborně hodí pro anaerobní zpracování, tzn. pro zkvašení (fermentaci).
Rozhodujícím faktorem pro volbu metody (zkvašení nebo zkompostování) je především obsah sušiny v materiálu. Zhruba lze říci, že pro bioplynovou technologii je optimální obsah sušiny 5 až 15%. Při obsahu organické sušiny menším než 5% by proces sice ještě probíhal, avšak zařízením by bylo nutno bez užitku prohánět velké množství vody, což by bylo nehospodárné. 15% organické sušiny je horní přípustná hodnota, při níž lze substrát ještě čerpat, mísit a promíchávat. Naproti tomu pro kompostování leží optimální obsah sušiny mezi 40 až 60%.
Dále je důležitý poměr uhlíku a dusíku (poměr C : N), který by měl činit 20 : 1 až 40 : 1. V zásadě
mají odpady pocházející ze zemědělského chovu zvířat optimální
předpoklady jak pro anaerobní, tak pro aerobní zpracování, neboť vykazují vyrovnanou skladbu živin. (Schulz, Eder, 2004) Pro zemědělství je také důležité, že většina zpracovávaných materiálů se produkuje přímo v tomto odvětví. Výhodný aspekt je ten, že při výrobě bioplynu lze rovněž využívat kofermentaci, kdy se se substrátem z živočišné výroby současně zpracovávají i materiály
17
jiné. V zemědělství přicházejí jako kofermenty v úvahu zbytky rostlinné výroby, odpady z jejich zpracování a rostliny pěstované jako kofermenty, tedy obnovitelné zdroje surovin, jejichž pěstování je výhodné, jak bylo již uvedeno na plochách nevyužívaných k zemědělství, ale rovněž pěstovat materiály vhodné ke kofermentaci na ladem ležící zemědělské půdě. Využívání kofermentů je zajímavé rovněž pro likvidaci kaliferních a jatečních odpadů (i masokostní moučky) , protože pokusy naznačují, že dochází k likvidaci nebezpečných prionů . (Michal, 2005)
Tab.3 Aerobní a anaerobní zpracování biologického odpadu (Schulz, Eder, 2004)
Kompostování (aerobní proces)
Kvašení (anaerobní proces)
Zvětšující se vlhkost Zelený odpad Bioodpad (venkovský) Bioodpad (městský) Organický průmyslový odpad Kuchyňské odpadky Zbytky jídla Odpad z restauračních provozů Jateční odpad Zvětšující se členitost
18
Jak již naznačuje tab.3, biologické a organické odpady lze rozdělit do několika skupin.
-
odpady z živočišné výroby (exkrementy z chovů hospodářských zvířat, zbytky krmiv, odpady z mléčnic a přidružených zpracovatelských kapacit)
-
biologicky rozložitelné komunální odpady (separovaný sběrový papír, kuchyňské odpady, organické zbytky z údržby zeleně apod.)
-
organické odpady z průmyslových a potravinářských výrob (odpady z provozů na zpracování a skladování produktů rostlinné výroby, jateční a mlékárenské odpady, odpady z lihovarů a konzerváren, vinařských a dřevařských provozoven)
-
lesní odpady (dřevní hmota z probírek, kůra, větve, pařezy, kořeny po těžbě dřeva, palivové dřevo, klestí, odřezky apod.) (Michal, 2005)
Tab. 4 Orientační hodnoty denní produkce bioplynu (DJ=dobytčí jednotka) (Michal, 2005)
Druh zvířat nebo materiálu
Denní produkce bioplynu
Kejda skotu
1,11 m3/DJ
Kejda prasat
0,88 m3/DJ
Koňský hnůj
1,45 m3/DJ
Drůbeží trus
3,75 m3/DJ
Silážní kukuřice
240 m3/t
Corn-Cob-Mix (CCM)
500 m3/t
Žitný šrot
525 m3/t
Siláž z celých rostlin obilovin
500 m3/t
19
3.3.3 Využití biopreparátů v provozech bioplynových stanic Intenzifikační trendy, které sledují jak zvýšení samotné produkce v provozovaných biotechnologiích, tak – zcela přirozeně – i žádoucí navýšení z nich plynoucích zisků, se zaměřují čím dál tím více na možnosti systémového využívání mikrobiotechnologických postupů.
Pro mikrobiotechnologické procesy jsou bazálně důležitou biokatalytickou veličinou specifické biopreparáty, mezi kterými čelné místo zaujímají v reálné praxi delší čas zavedené přípravky bio-algeenové řady. Jejich výrobce se v programovém vývoji cíleně zaměřil na systematické asanační a bezreziduální stimulaci biodegradačních dějů. Zejména pak při působení na odpady a organické elementy vznikající v procesech výroby a při zpracování živočišných a rostlinných produktů. Jejich účinnek je koncipován na využití bohatého spektra známých příznivých vlastností bioalginátů. Jsou to vlastně koncentráty vybraných rostlinných gelů a přírodních polysacharidů složených z polyuronových kyselin získávaných právě z uvedené mořské řasy sklízené z čistých vod pobřeží Islandu. Tyto polyuronové kyseliny jsou vlastně aktivními polyelektrolyty s vysokou iontověvýměnnou kapacitou, tedy 5.000-20.000 m/val. Dokážou proto rychle absorbovat rozmanité substance uvolněné rozkladem organické hmoty, zvláště pak substance v plynné formě. Absorbují substance uvolněné biologickým rozkladem organické hmoty, zvláště pak jejich plynné formy, ale i celou řadu toxických prvků a komponent, včetně radioaktivních.
Bioalgináty jsou hydrolyzáty hnědé mořské řasy Ascophyllum nodosum získávané v čistých pobřežních vodách v okolí Islandu. Navazují na úspěšné uplatnění řas a řasových přípravků v potravinářství a humánní i veterinární medicíně a nabízejí nejenom vlastní účast na tradiční sféře sanace a zhodnocování odpadních biologických materiálů, ale i specifické konzervace uvolňovaných živin. Bioalgináty disponují navíc i desodorační i detoxikační schopností, která se uplatňuje v půdním profilu nebo ve sládkovaných vrstvách odpadních materiálů
20
biologického původu, kde svým vlivem na specifickou biologii dekompozitorů účinně potlačují emise plynných katabolitů z rozkladných dějů. Bio-Algeen WKL na principu silné aktivace bakterielního rozkladu organických látek podporuje – jako vysoce účinné pomnožovací médium – rychlý a masivní reprodukční proces zejména u metanogenních mikrobiontů. První řasy se údajně na Zemi objevily někdy před 3,2 miliardami let a podle dedukcí odborníků prý tehdy byly pouze jednobuněčné. Do vyspělejších, mnohobuněčných forem se vyvinuly až asi o 1,8 miliardy let později. Biologové dodnes popsali zatím na 50 000 druhů řas - od těch miniaturních a jednobuněčných velikosti kolem 10 mikronů až po obrovské mnohobuněčné chaluhy dorůstající do výšky až šedesáti metrů. Drobné řasy tvoří plankton, jímž se živí většina mořských
jednobuněčné
živočichů.
Mnohobuněčným se daří zejména v pobřežních pásmech moří. Schopnost bioalginátů významně podporovat specifické mikrobiální kooperátory žijící v navazujícím prostředí, schopné potlačovat úniky fugativních plynných katabolitů, jejichž chemickou podstatu de facto efektivně konzervují, se stává v reálné současnosti mimořádně potřebnou. Tento fakt extrémní potřebnosti desodorace dokládáme odkazem na fenomén IPPC (integrované prevence před znečisťováním), prosazovaný Evropskou unií, který
si
v
blízké
budoucnosti
doslova
vynutí
aplikaci
zmiňovaných
mikrobiotechnologických systémů. (Dundálková, Kamarád, Maranda, Mareček, 2008 )
21
3.4 Technologie výroby bioplynu Velký počet různých řešení bioplynových zařízení lze zredukovat na několik typických technologických postupů, které jsou znázorněny na obrázku 5. V zásadě lze postupy rozlišovat dle způsobu plnění (dávkový nebo průtokový způsob), dále dle toho, jestli je způsob jednostupňový, či vícestupňový, a konečně dle konzistence substrátu (pevný nebo kapalný). (Schulz, Eder, 2004)
Bioplynové technologie Suché kvašení
Perkolace (vyluhování cezenin)
Mokré kvašení
Kontinuální (spojité plnění)
Diskontinuální (nespojité plnění)
Průtokový způsob
Dávkový způsob
Průtokový způsob začínající zásobníkem
Metoda střídání zásobníků
Průtokový způsob končící zásobníkem
Zásobníkový způsob
Obr.2 Schematický přehled bioplynových technologií (Schulz, Eder, 2004)
22
3.4.1 Dávková metoda U této metody se fermentor naplní najednou. Dávka pak vyhnívá do konce doby kontaktu aniž by se přidával či odnímal další substrát. Produkce plynu po naplnění pomalu roste, dosahuje maxima a poté klesá. Na konci cyklu tzn. po skončení doby kontaktu se fermentor najednou vyprázdní. Přitom se menší množství vyhnilého kalu (cca 5 až 10%) ponechá v nádrži, aby se nová dávka naočkovala „zapracovanými“ bakteriemi. Aby bylo možno dávkový fermentor naplňovat a vyprazdňovat najednou, je zapotřebí mít vedle fermentoru k dispozici také přípravnou a skladovací nádrž. A to stejné velikosti jako je samotný fermentor, což tento postup přirozeně prodražuje.
3.4.2 Metoda střídání nádrží Tato metoda hrála významnou roli již v prvním zařízení na výrobu bioplynu. Pracuje se dvěma vyhnívacími nádržemi. Z přípravné nádrže, která pojme substrát získaný za 1 až 2 dny se prázdná vyhnívací nádrž pomalu, ale rovnoměrně plní, zatímco v druhé probíhá vyhnívací proces. Když je první nádrž naplněna, obsah druhé nádrže se najednou přesune do skladovací nádrže a následně se tato druhá nádrž začne plnit z přípravné nádrže. Mezitím se vyhnilý kal ze skladovací nádrže vyváží na vhodné plochy, takže se tato nádrž průběžně zcela nebo postupně vyprazdňuje. Její kapacita by proto zpravidla měla být větší než kapacita jedné vyhnívací nádrže. Tento postup se vyznačuje velmi rovnoměrnou výrobou plynu a dobrým hygienizačním účinkem, neboť během celé doby vyhnívání není doplňován čerstvý substrát. Nevýhodou jsou stejně jako u dávkové metody vysoké pořizovací náklady a oproti systému s jedním fermentorem vyšší tepelné ztráty.
3.4.3 Průtoková metoda Většina bioplynových stanic ve světě pracuje průtokovým způsobem. A to buď v čisté formě nebo v kombinaci se zásobníkovým způsobem. Tato metoda se oproti jiným vyznačuje tím, že vyhnívací nádrž je stále zaplněna a vyprazdňuje se pouze sporadicky kvůli opravám nebo odstranění usazenin.
23
Z malé přípravné nádrže je čerstvý substrát-většinou jednou až dvakrát dennědodáván do vyhnívací nádrže, přičemž zároveň a automaticky odchází odpovídající množství vyhnilého substrátu přepadem do skladovací nádrže. Výhodou této metody je rovnoměrná výroba plynu, dobré vytížení vyhnívacího prostoru, a tím také cenově příznivá, kompaktní konstrukce s nízkými tepelnými ztrátami. Kromě toho lze proces plnění automatizovat, například plovákovým spínačem na plnícím čerpadle. Nevýhodou oproti dávkovému systému a systému se střídáním nádrží je především to, že v závislosti na míchací technice a typu nádrže může dojít ke smíchání čerstvého substrátu s vyhnilým materiálem, čímž se znehodnotí hygienizační efekt.
3.4.4 Metoda se zásobníkem U zásobníkové metody jsou fermentor a skladovací nádrž spojeny do jedné nádrže. Při vyvážení vyhnilé kejdy se zásobník tedy vyprázdní až na malý zbytek, který je nutný k naočkování další nádrže. Poté se kombinovaná vyhnívací a skladovací nádrž pomalu plní z přípravné nádrže nebo stálým přítokem kejdy přes přirozený přepad. Výhodou zásobníkového zařízení jsou především nízké náklady. Krom toho je provoz těchto typů zařízení jednoduchý a přehledný. U zásobníkových zařízení s fóliovým poklopem je nezbytné zajistit ochranu před povětrnostními vlivy.
3.4.5 Průtoková metoda se zásobníkem Tato metoda reprezentuje současný nejvyšší vývojový stupeň bioplynové technologie. Vznikla tak, že k průtokovému fermentoru byly připojeny dříve otevřené skladovací nádrže na vyhnilou kejdu dodatečně opatřené fóliovým poklopem nebo pevným krytem, a to s cílem zabránit ztrátám na dusíku
způsobeným aerobními rozkladnými
procesy a získat dodatečný bioplyn. Praxe ukázala, že při dnešních obvyklých dobách skladování, což je zhruba 7 měsíců, pochází 20 až 40% celkového výnosu plynu ze skladovací nádrže. Tato nádrž není zpravidla ani izolovaná, ani ohřívaná nebo promíchávaná, takže náklady na dodatečný zisk plynu jsou relativně malé. (Schulz, Eder, 2004)
24
Obr.3 Bioplynové technologie (Schulz, Eder, 2004)
3.4.6 Jednostupňový a vícestupňový proces Vyhnívání substrátu a výrobu bioplynu lze z hlediska techniky výrobního procesu provádět jednostupňově nebo vícestupňově. Při jednostupňovém procesu probíhají čtyři fáze vyhnívání v jednom vyhnívacím prostoru a to u plně promíchávaných zařízení (typy vybavené kotlem s míchadlem) souběžně ve stejném čase i prostoru a u zařízení ve směru toku nepromýchávaných (s takzvaným pístovým prouděním) naproti tomu v různých prostorech jedna za druhou. U vícestupňového procesu se provádí pokusy různé fáze
25
vyhnívacího procesu prostorově oddělit. A to buď použitím vyššího počtu vyhnívacích nádrží, nebo oddělením ve vyhnívacím prostoru. Jak bylo již dříve uvedeno, z hlediska kvality výsledného plynu je vhodnější vícestupňový proces, protože ten obsahuje vyšší procentické zastoupení metanu. (Schulz, Eder, 2004)
3.4.7 Technologie výroby bioplynu z tekutých materiálů Tento technologický postup výroby bioplynu je nejrozšířenějším způsobem a jak již bylo uvedeno dříve, 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. V literatuře lze vyhledat i postupy pro výpočty základních parametrů fermentorů na tekutý materiál. (Michal, 2005)
3.4.8 Technologie výroby bioplynu z tuhých materiálů Opakovaně byli prováděny pokusy vyvinout postup vhodný pro nerozmělněný a nezkapalněný tuhý hnůj nebo jiné pevné substráty, například trávu. V praxi dosud stále vznikají problémy, především kvůli obtížné zpracovatelnosti hnoje (neskladnosti) při dopravě do fermentoru a průchodu fermentorem. Četné pokusy týkající se této problematiky byli prováděny ve Švýcarsku. (Schulz, Eder, 2004)
26
3.5 Strojní zařízení pro výrobu bioplynu
3.5.1 Přípravné nádrže Jen málokdy se podaří vyhnívací nádrž kontinuálně plnit kejdou přirizeným přepadem přímo ze stáje. Kejda většinou odtéká do přípravné nádrže, odkud je zpravidla jednou až dvakrát denně přečerpávána do fermentoru. Přípravná nádrž tím přejímá funkci vyrovnávací nádrže. Lze ji však také využít pro přimísení, rozmělňování a zkapalňování kofermentů nebo tuhého hnoje. Přípravná nádrž má mít takový objem, aby byla schopna pojmout množství substrátu nejméně za 1 až 2 dny. Musí být ovšem proti úniku substrátu důkladně utěsněna. Plynotěsné provedení zpravidla není nutné, protože přístup vzduchu příznivě působí na započetí první, kyselé fáze procesu rozkladu. Přípravné nádrže jsou většinou zapuštěny do země a sestaveny ze skruží nebo při větších objemech zhotoveny na místě z litého betonu, respektive vyzděny betonových tvárnic.
3.5.2 Skladovací nádrže Zvané často také koncový sklad. Slouží k jímání vyhnilé kejdy z průtokových zařízení. Velikost nádrže má být dimenzována tak, aby v době vegetačního klidu, kdy rostliny nepřijímají živiny, zde kejda mohla být skladována. V závislosti na klimatu a kultuře jde o období 6 až 7 měsíců. U většiny nových bioplynových stanic je skladovací nádrž kryta pevným stropem nebo fóliovým poklopem, aby se zabránilo ztrátám na dusíku a bylo možno jímat plyn vznikající dokvašováním. Pro snížení vysokých technických nákladů spojených s plněním fermentoru z přípravné nádrže substráty nezpůsobilými k čerpání byli vyvinuty nové postupy:
Vyplavovací šachta: tuhé hmoty jako hnůj, travní seč a kukuřičná siláž se plní do šachty spojené po straně nebo shora s fermentorem a pomocí čerpadla se zaplavují vyhnilou kejdou.
27
Podávací šneky: v tomto případě jsou tuhé látky kontinuálně dodávány do fermentoru prostřednictvím jednoho nebo několika šneků.
Hydraulické dopravníky protlačují tuhé látky do fermentoru uzavřeným potrubím.
3.5.3 Fermentory Fermentor lze obecně charakterizovat jako velkou nádrž, do které je dopravován substrát a probíhá zde samotný vyhnívací proces. Z hlediska konstrukce je lze rozdělit na dva typy.
Horizontální konstrukční typ Tento typ fermentoru má oproti vertikálnímu typu výhodu v možnosti místění mechanického míchadla. Tím lze dosáhnout dobrého promíchání napříč směrem průtoku, aniž dochází k přílišnému promíchání ve směru podélném. Protože délka horizontální nádrže je zpravidla oproti její výšce několikanásobná, automaticky zde vzniká tzv. pístové proudění. Tento pojem označuje jev, kdy jedna dávka kejdy je posunována rourou jako píst, takže se čerstvý substrát z plnící zóny nesmíchává s vyhnilým materiálem na druhé m konci nádrže, což podporuje hygienizační efekt. Nevýhodou je potřeba velkého prostoru na umístění nádrže, nadměrná velikost povrchu nádrže v poměru k jejímu objemu (velké tepelné ztráty) a nemožnost očkování čerstvého substrátu bakteriální flórou vyhnilého kalu.
Vertikální konstrukční typ Vyhnívací nádrže konstruovány jako vertikální bývají ze statických důvodů vyrobeny z betonu a mají kruhový průřez. Oproti horizontálnímu provedení mají tu přednost, že lze dosáhnout lepšího poměru mezi povrchem a objemem, čímž se sníží materiálové náklady a tepelné ztráty. Nevýhodou je především to, že zde nemůže docházet k pístovému proudění.
28
3.5.4 Plynojem U kontinuálně plněných fermentorů má za úkol plyn shromažďovat a oddělovat od pěny a kapalných částí. Měl by mít výšku minimálně 80cm. Nahoře by měl být uzavřen nejlépe skleněnou nebo plexisklovou tabulkou, aby bylo možno nahlížet dovnitř. Takto lze vizuálně kontrolovat fungování míchadla a včas rozpoznat vytváření kalového stropu. Protože substrát v této fázi obsahuje ještě sirovodík, užívá se pro stavbu fermentoru, pokud není z betonu, ušlechtilá ocel, aby se zamezilo nebezpečí koroze. V praxi se též osvědčil způsob jímání plynu pod dvojitou fóliovou střechu fermentoru nebo do externího fóliového pytle. Při použití těchto způsobů se jedná o skladování plynu nízkotlaké. Při použití ocelových zásobníků či ocelových lahví na uložení bioplynu se jedná o způsob středo a vysokotlaký. 3.5.4 Čerpadla Čerpadla jsou nutná k překonání výškových rozdílů mezi jednotlivými nádržemi. Z hlediska tekutosti substrátu je dělíme na dva typy:
Odstředivá (rotační) čerpadla se velmi často užívají při zpracování kejdy tzn., že substrát je kapalný a řídký o obsahu sušiny menším než 8%. Jsou konstrukčně jednoduchá a robustní. Pro tato čerpadla je typická velmi silná závislost čerpacího výkonu na tlaku média, respektive na dopravní výšce. Maximální dosažitelná výše tlaku leží mezi 4 a 20 bary.
Objemová (plunžrová) čerpadla se používají především pro dopravu kejdy s vysokým obsahem sušiny. Jsou samonasávací a podstatně stabilnější vůči změnám tlaku než čerpadla rotační, což znamená, že výkon čerpadla je mnohem méně závislý na dopravní výšce. Čerpadla tohoto typu mohou po změně směru otáčení čerpat i v protisměru.
3.5.5 Míchadla Jsou zařízení umístěná uvnitř fermentoru a jak již název naznačuje mají za úkol několikrát denně promíchávat substrát, aby bylo dosaženo následujících efektů:
Smíchání čerstvého substrátu s již vyhnívajícím substrátem, aby se čerstvý substrát naočkoval aktivními bakteriemi.
29
Rozdělení tepla, aby se ve fermentoru udržovala co nejrovnoměrnější teplotní úroveň.
Zabránění vzniku plovoucího příkrovu a usazenin nebo jejich odstranění.
Zlepšení látkové výměny bakterií vypuzením bublin bioplynu a přívodem čerstvých živin. I když míchadlo nepracuje, dochází ve vyhnívací nádrži k určitému promíchávání
působením termického konvekčního proudění a stoupajících plynových bublin. Pasivní promíchávání je ale dostačující jen u velmi řídkých, homogenních kapalných substrátů. Promíchávání je možno provádět mechanicky – zařízením zavedeným do fermentoru, hydraulicky – odděleně instalovanými čerpadly nebo využitím vlastního tlaku vyráběného plynu a pneumaticky – vtlačováním bioplynu.
3.5.6 Potrubí Potrubí v sytému bioplynové stanice můžeme rozlišit na plnící, tím je tlakem čerpadla dopravován substrát např. z přípravné nádrže do fermentoru nebo ze skladovací nádrže do cisternového vozu. A přepadové potrubí, z něhož materiál odchází samovolně vlivem přirozeného spádu např. z fermentoru do skladovací nádrže.
Tlakové plnící potrubí by mělo mít průměr minimálně 100 mm, raději 125mm a u delších tras 150mm, aby nedocházelo k ucpávání potrubí a tím ztrátám na tlaku. Většinou bývá vyrobeno z ocelových rour. V případě použití plastových musíme zohlednit zatížení tlakem a zvolit odpovídající typ.
Přepadové potrubí by mělo mít podstatně větší průměr než potrubí plnící. Minimální hodnota je 200mm pro průtok řídkého kapalného substrátu, jako je prasečí kejda, zatímco pro průtok husté kapalné hovězí kejdy by potrubí mělo mít průměr 300mm. Substrát obsahující tuhý hnůj, trávu nebo jiné vláknité materiály může vyžadovat průměr ještě větší. Pro tyto případy se téměř výhradně používají PVC kanalizační roury. V litinových rourách se totiž tvoří usazeniny daleko rychleji než na hladkých stěnách PVC rour.
30
3.5.7 Topná zařízení pro bioplynový proces V našich zeměpisných šířkách a klimatických podmínkách je nutno bioplynové stanice uměle vytápět, aby se udržela odpovídající teplotní úroveň ve fermentoru. Substrát je zpravidla zahříván cirkulací teplé vody nebo přes výměník tepla.
Externí výměníky tedy výměníky mimo fermentor jsou kejda a horká voda čerpány teplonosnými
zařízeními
proti
sobě.
Tento
princip
protiproudu
je
z termodynamického hlediska velmi efektivní. V praxi se osvědčil zejména výměník s dvojitými trubkami a spirálový výměník.
Podlahové vytápění: vnitřní výhřevné plochy, tj. plochy instalované ve fermentoru nebo na něm, pracují na jiném principu. V tomto případě se přečerpává jen horká voda, nikoli však kejda. Plastové výhřevné trubky jsou uloženy v podlaze fermentoru. Stejně jako u podlahového topení v obytných domech jsou trubky stejné délky uloženy ve více kruzích a napojeny paralelně na jeden společný rozdělovač pro přítok a jeden pro odtok topného média, aby byl zachován malý průtokový odpor.
Stěnové vytápění provádí se taktéž pomocí plastových trubek. Používají se dva způsoby. V prvním případě se trubky zalijí do stěny nádrže. Ta musí být logicky vyrobena z litého betonu. V druhém případě se trubky namontují v určitých vzdálenostech na stěnu nádrže. Důležité je, aby trubky byly neustále omývány substrátem a nedocházelo tak ke vzniku mrtvých zón, ve kterých nedochází k výměně tepla. (Schulz, Eder, 2004)
3.5.8 Bioplynová koncovka Jde o soubor technologických zařízení, který zahrnuje: potrubí pro přepravu bioplynu, soubor bezpečnostních zařízení pro zabránění vzniku požáru, výbuchu či úniku bioplynu, dmychadla, již zmíněný plynojem, regulační a kontrolní prvky a zařízení na úpravu a čištění bioplynu. (Schulz, Eder, 2004)
31
3.6 Využití bioplynu Bioplyn je velice hodnotný nositel energie, to znamená, že může být mnohostranně a velmi účinně využit, především pro výrobu proudu, vaření a vytápění. Výhřevnost leží v závislosti na obsahu metanu mezi 5,5 a 7 kWh/m3. S hustotou 1,2 kg/m3 je bioplyn o něco lehčí než vzduch. Tato skutečnost je důležitá, neboť se proudící bioplyn nemůže hromadit u podlahy a v prohlubních jak je tomu u „těžkého“ propanu. Naopak se při stoupání velmi rychle mísí se vzduchem, čímž se snižuje nebezpečí hoření nebo výbuchu. Důležitým faktem je, že bioplyn hoří či vybuchuje stejně jako hořlavé plyny teprve ve směsi se vzduchem v mezích zápalné koncentrace. To znamená v odpovídajícím poměru plynu a vzduchu. Kdybychom se pokoušeli škrtnout zápalku přímo v plynojemu, zápalka by pro nedostatek kyslíku ihned zhasla, respektive by se vůbec nezapálila. Takže oheň nebo výbuch jsou v tomto případě vyloučeny. (Schulz, Eder, 2004)
Tab. 5 Spalovací parametry bioplynu (složení: 60% metan, 38% oxid uhličitý, 2% stopové plyny) ve srovnání s jinými hořlavými plyny (Schulz, Eder, 2004) Bioplyn
Zemní plyn
6
10
26
10
3
kg/m
1,2
0,7
2,01
0,72
0,09
°C
0,9 700
0,54 650
1,51 470
0,55 650
0,07 585
m/s
0,25
0,39
0,42
0,47
0,43
%
6 až 12
5 až 15
m3/m3
5,7
9,5
Plyn Výhřevnost Hustota Hustota v poměru k hustotě vzduchu Zapalovcí teplota Max. rychlost postupu plamene ve vzduchu Rozsah zápalné koncentrace plynu ve vzduchu Teoretická spotřeba vzduchu
kWh/m3 3
32
Propan Metan Vodík
2 až 10 5 až 15 4 až 80 23,9
9,5
2,4
3.6.1 Čištění bioplynu
Před samotným zpracováním bioplynu, tedy kýženém konečném efektu celé technologie, je jej třeba v několika krocích zbavit nežádoucích příměsí, které vznikají samovolně při vyhnívání ve fermentoru a jsou nedílnou součástí celého procesu.
Odloučení vodní páry: bioplyn vycházející z fermentoru je zhruba ze 100% nasycen vodní párou. Při intenzivním míchání může také docházet ke tvorbě aerosolů, tedy velmi jemně rozptýlených kapek kapaliny ze substrátu, které jsou pak přítomny v odčerpávaném plynu. Ty se usazují
a způsobují zarůstání trubek a jiných
vnitřních prostor. K velkému odvodnění bioplynu dochází při ochlazení na teplotu okolí v zásobníku a potrubí. Trubky proto musí být uloženy v nezámrzném prostoru nebo být dobře izolovány. Kromě toho nesmějí také vytvářet sifony, tedy snížená místa. Naopak musí být ve spádu uloženy tak, aby kondenzovaná voda mohla odtékat zpět do fementoru, skladovací nádrže nebo do zásobníku, respektive do odlučovače kondenzátu.
Odsíření bioplynu je vedle vysušení nejdůležitějším opatřením ke snížení koroze komponentů bioplynové stanice. Dnes se silně prosadila metoda biotechnického odsíření cíleným nafoukáním venkovního vzduchu do plynojemu fermentoru. Působením sirných bakterií (sulfobakter oxydans) dochází za přístupu vzduchu k přeměně sirovodíku na elementární síru, jakož i na kyselinu sírovou a vodu. Přitom se síra jako nažloutlá vrstva usazuje na kejdě a při hnojení vyhnilým substrátem slouží jako výživa rostlin.
Čištění bioplynu je prováděno za pomoci keramických molekulárních sít, která umožňují z bioplynu vyrobit čistý metan, a to odfiltrováním oxidu uhličitého, zbylé vodní páry a sirovodíku. Síta se od usazených látek čistí profouknutím. Dalším stupněm čištění bioplynu je jeho ochlazení pomocí chladícího agregátu. Tento krok odstraní z cílového produktu zejména škodlivé plyny, které se zde vyskytují ve větším či stopovém množství a při dalším zpracování poškozují zařízení bioplynových motorů, ve kterých bioplyn prochází spalováním. (Schulz, Eder, 2004)
33
3.6.2 Kogenerace tepla a elektrické energie
Kogenerace, neboli společná výroba tepla a elektřiny, představuje velmi zajímavou aplikaci moderních technologií na dlouho známé principy. Název se u nás začal používat na počátku devadesátých let jako počeštění mezinárodně srozumitelného termínu „cogeneration“. (www.tzb-info.cz) V tomto případě se bioplyn využívá jako palivo pro pohon spalovacích motorů, které pohánějí generátory na výrobu elektrické energie. Odpadní teplo z chladících okruhů těchto zařízení a výfukové plyny se pomocí výměníků
tepla využívají k teplovodnímu
vytápění budov nebo ohřev potřebný pro technologická zařízení bioplynové stanice.
Generátory: k výrobě elektrického proudu z bioplynu se ve valné většině případů používá asynchronní generátor. Toto zařízení je trojfázový motor s kotvou nakrátko, který je připojen na veřejnou síť. Je-li poháněn otáčkami, které jsou vyšší než otáčky dosahované v motorovém režimu, vyrábí elektrický proud. Zároveň ze sítě malé množství „jalového“ proudu odebírá pro magnetické buzení.
Tab. 6 Výkupní ceny pro spalování bioplynu dle rozhodnutí ERÚ č. 8/2008 ze dne 18.11.2008 (www.eru.cz)
Druh obnovitelného zdroje Spalování biolynu v BS kategorie AF11) Spalování biolynu v BS kategorie AF21) 1)
Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě v Kč/MWh 4120 3550
Vyhláška č. 482/2005 Sb., kterou se stanoví druhy, způsoby využití a parametry biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy, ve znění pozdějších předpisů.
34
3.6.3 Spalování bioplynu
Přímé spalování tedy čistě termické zužitkování bioplynu v hořáku, při vaření či spalování v infračervených zářičích se dnes již v ČR nepraktikuje. Spalování bioplynu se uplatnilo především v rozvojových zemích jako je Čína, Indie nebo Nepál.
Vytápění bioplynem: pro tento způsob se užívají kotle buď s atmosférickými hořáky pro malý výkon od 10 do 30 kW nebo kotle s dmýchadlovými hořáky pro výkon větší. Všechna tato technologická zařízení jsou ovšem náročná na bezpečnost, podobně jako zařízení na spalování zemního plynu. Proto musí být vybaveny bezpečnostními pojistkami jako např. jsou: jištění zapalování nebo hlídač plamene. (Schulz, Eder, 2004)
3.6.4 Zásobování plynovodní sítě V budoucnu se uvažuje také s možností dodávání bioplynu do plynovodních sítí. Ovšem vzhledem k tomu, že legislativa České republiky není ještě stále na tento krok plně připravena a státní program na podporu bioplynových stanic není pro případné investory v tomto oboru příliš optimistický, do dnešních dnů se tak nestalo. Je tak i díky malému rozšíření bioplynových stanic na území ČR a jejich nerovnoměrnosti produkce bioplynu. Pokud bychom měli do našich obydlí skutečně dostávat bioplyn na místo plynu zemního, vyžádalo by si toto řešení podrobné koncepční zpracování. (Michal, 2005)
35
4. Diskuze Česká energetika a průmysl jsou prozatím z velké části závislé na produkci a spalování fosilní paliv-černého a hnědého uhlí. Již dnes je ale jasné, že tento stav není v dlouhodobější budoucnosti udržitelný, jak z hlediska omezených zásob těchto zdrojů, tak v ohledu produkce emisí a škodlivin, které neprospívají žádnému živému organismu na Zemi. Samozřejmě i paliva z obnovitelných zdrojů jako jsou bioplyn nebo biomasa tvoří emise, ale jejich množství je daleko nižší. Jedná se převážně o vodní páru a oxid uhličitý. Ovšem oxid uhličitý, který bez problémů zpracují při fotosyntéze zelené rostliny, nikoliv oxid uhličitý, který tvoří skleníkový efekt. Celá bioplynová technologie a instalovaná zařízení jsou na našem území prozatím v plenkách. Ano, produkce energie z obnovitelných zdrojů bude rok od roku stoupat. Ovšem smutné je, že se tak děje a bude dít jen proto, že musíme plnit nařízení Evropské unie. Přitom se plnění těchto závazků pomocí bioplynu jeví v České republice jako nejlogičtější a nejlepší možnost. Mám na mysli aspekt přímé návaznosti na zemědělství. Toto řešení je výhodné jednak z důvodu zužitkování exkrementů hospodářských zvířat, ale také zbytků zemědělské produkce z osevních ploch. Všechny tyto složky vytvoří substrát, který již za několik dní ve fermentoru bude produkovat bioplyn. Tím ovšem pozitiva nekončí. Při průchodu fermentorem se totiž na substrátu díky bakteriím docílí tzv. hygienizačního efektu a po ukončení procesu mají zemědělci k dispozici substrát, který je daleko vhodnější k hnojení osevních ploch. Zejména proto, že není tak agresivní jako substrát čerstvý. Rozvoj a realizace bioplynových stanic v České republice bude bezesporu záležet zejména na legislativní úpravě tzn. ekonomické státní podpoře této technologie jak ve fázi stavební realizace, tak v samotných výkupních cenách energie získané tímto způsobem.
36
5. Závěr Představitelé České republiky se zavázali legislativě Evropské unie, že produkce elektrické energie z obnovitelných zdrojů vzroste v roce 2010 na 8%. Je otázkou, zda tato hodnota je reálně dosažitelná. Mimo výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů přišlo také další, neméně důležité a logické nařízení, které se týká ukládání biologicky rozložitelných odpadů. Ty tvoří zásadní část komunálního odpadu, který je ukládán na skládky. Tento fakt je negativní především proto, že se zmíněný odpad na skládkách rozkládá v anaerobních podmínkách, což zapříčiňuje vznik tzv. skládkového plynu. Tento plyn obsahuje velké množství metanu, který přispívá ke skleníkovému efektu mnohonásobně více než hlavní skleníkový plyn oxid uhličitý. Ten vzniká při rozkladu aerobním. Po zvážení všech těchto skutečností se technologie pro výrobu bioplynu v České republice jeví jako favorit v problematice získávání energie z obnovitelných zdrojů. Doufejme, že se naši zákonodárci rozhodnou jít zmíněnou cestou a desetitisíce českých domácností budou zásobeny obnovitelnou energií z bioplynu. Tak jak je tomu již dnes v Německu.
37
6. Souhrn Bioplynové stanice a samotná bioplynová technologie mohou být konečným stupněm zpracování odpadových látek z potravinářského průmyslu a zemědělství. Také odpadové hospodářství nachází v tomto odvětví strategického partnera, který je schopen biologicky rozložitelný odpad bez problémů zpracovat. Tím nedochází k jeho přirozenému rozkladu na skládkách a tvorbě skleníkových plynů. Při zvážení těchto a dalších skutečností uvedených v této práci je s podivem, že podpora diskutované bioplynové technologie je ze strany zákonodárců prozatím minimální, což přispívá k dalšímu znečišťování životního prostředí.
7. Summary Biogas stations and the biogas technology itself may be the final stage of processing waste materials from food industry and agriculture. Waste economy also finds a strategic partner in this field who is able to process such waste without any problem. Therefore, it does not come to natural decomposition at dumping grounds and then production of greenhouse gas. Considering these and other facts mentioned in this thesis, it is quite surprising that the support of the above discussed biogas technology issue has so far been marginal from the side of lawmakers which contributes to the further polluting of the environment.
38
8. Použitá literatura
Dundálková, P., Kamarád, L., Marada, P., Mareček, J., 2008: Příručka pro uplatnění a ověření možnosti využití masokostní moučky a kejdy v režimu výroby bioplynu s aplikací biopreparátů. 36 s.
Kolektiv autorů, 2006: Energetické plodiny. Profi Press. ISBN 80-86726-13-4. 127 s.
Kouda, J. a kol., 2008: Bioplynové stanice s mokrým procesem. Informační centrum ČKAIT. ISBN 978-80-87093-33-7. 124 s.
Michal, P., 2005: Bioplyn-energie ze zemědělství. 22 s.
Murtinger, K., Beranovský, J., 2006: Energie z biomasy. ERA. ISBN 80-7366-071-7. 94 s.
Pastorek, Z., Krása, J., Jevič, P., 2004: Biomasa-obnovitelný zdroj energie. FCC Public. ISBN 80-86534-06-5. 286 s.
Schulz, H., Eder, B., 2004: Bioplyn v praxi. HEL Ostrava-Plesná. ISBN 80-86167-21-6. 168 s.
www.biom.cz www.eru.cz www.tzb-info.cz www.czso.cz Zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů energie: www.mpo.cz/dokument6697.html www.wikipedia.com www.stag.utb.cz/apps/stag/dipfile/index.php?download_this_unauthorized=2851
39
Seznam tabulek Tabulka č.1: Vybrané fyzikální vlastnosti metanu….……………………………………15 Tabulka č.2: Druhy potenciálu energetických plodin.……………………………………16 Tabulka č.3: Aerobní a anaerobní zpracování biologického odpadu..……………………18 Tabulka č.4: Orientační hodnoty denní produkce bioplynu………………………………19 Tabulka č.5: Spalovací parametry bioplynu………………………………………………32 Tabulka č.6: Výstupní ceny pro spalování bioplynu dle rozhodnutí ERÚ č. 8/2008..……34
Seznam grafů Graf č.1: Specifický výtěžek plynu při termofilním teplotním rozmezí v závislosti na druhu substrátu.……………………………………………………………………….……13 Graf č.2: Vliv teploty na dosažitelné množství plynu ve vztahu k hodnotě dosažené při optimálních teplotních poměrech.…………………………………………………….……13 Graf č.3: Vliv teploty vyhnívacího procesu a doby kontaktu na množství a složení vyrobeného plynu.…………………………………………………………………….……14
40
9. Přílohy
Příloha č.1: Parametry vybraných bioplynových stanic v ČR
41
Příloha č.2: Kogenerační jednotka pro bioplynovou stanici
Příloha č.3: Rostlinný substrát pro bioplynovou stanici
42
Příloha č.4: Technologické zařízení bioplynové stanice
Příloha č.5: Plynojem pro bioplynovou stanici v Třeboni
43
Příloha č.6: Hnojení zpracovaným substrátem
Příloha č.7: Řez horizontálním fermentorem
44
Příloha č.8: Schéma technologie bioplynové stanice
Příloha č.9: Kroky pro podporu bioplynové technologie •
Odstranit legislativní bariéry a podpořit výrobu, čištění a využití bioplynu a organických
hnojivářských
substrátů
z
biodegradabilních
komunálních,
zemědělských i průmyslových odpadů i záměrně k tomuto účelu produkovaných organických materiálů. •
Zjednodušit podmínky pro uvedení do provozu malých bioplynových stanic do výkonu 1 MWe a pro provoz bioplynových stanic ekvivalentního výkonu, vyrábí-li pouze teplo, případně bioplyn pro jiné účely (distribuce v tlakových nádobách, pohonná hmota v dopravě apod.).
•
Vyjmout zařízení na výrobu elektrické energie z bioplynu ze zařízení považovaných za energetický zdroj ve smyslu energetického zákona a souvisejících právních norem, pokud výroba energie nepřevyšuje její spotřebu v místě výroby (ostrovní provoz podniku).
45
•
Osvobodit od daně z příjmu při provozování bioplynové stanice po dobu alespoň 10 let.
•
Při realizaci stavby bioplynové stanice upustit od poplatku za vynětí stavební parcely ze zemědělského půdního fondu.
•
V prováděcí vyhlášce k zákonu o hnojivech specifikovat anaerobně fermentovaný substrát jako hnojivo organického původu.
•
Analyzovat možnosti využití čištěného bioplynu pro distribuci a zásobování v nízkotlakých, příp. středotlakých rozvodech obdobně jako zemním plynem, resp. v tlakových nádobách a navrhnout program podpory takového řešení.
•
Analyzovat možnosti využití čištěného bioplynu jako pohonné hmoty pro dopravu (např. pro veřejnou dopravu) a navrhnout program podpory takového řešení jako varianty stávajících nebo zamýšlených programů plynofikace dopravy.
•
Metodicky podpořit výuku v oblasti využívání obnovitelných zdrojů, včetně využívání bioplynu zařazenou v rámcových vzdělávacích programech, základní informace pro základní a střední školy, podrobnější informace by měly být poskytnuty především na zemědělských školách a některých průmyslových školách. (Kozel, 2006)
46
