Heinz Schulz · Barbara Eder
Bioplyn v praxi Teorie projektování stavba zaøízení pøíklady S pøíspìvky Andrease Kriega a Hanse Mitterleitnera
2004
© ökobuch Verlag, Staufen bei Freiburg 1996, 2001 Pùvodní nìmecký titul Biogas-Praxis vydalo nakladatelství ökobuch Verlag GmbH, Staufen bei Freiburg/Breisgau (ISBN 3-922964-59-1) Originally published in German under the title Biogas-Praxis by ökobuch Verlag GmbH, Staufen bei Freiburg/Breisgau Návody a doporuèení v této knize byly shromádìny s nejlepím vìdomím a v souladu se soudobým stavem techniky. Pro jejich praktické pouití vak ani po autorovi ani po nakladatelství nelze poadovat ádné záruky. Vechna práva na íøení vèetnì prostøednictvím rozhlasu, televize, fotomechanické reprodukce, zvukových nosièù vech druhù, pamìtí zaøízení na zpracování dat a pøetisku vybraných pasáí stejnì jako právo na pøeklad do jiného jazyka jsou vyhrazena.
Heinz Schulz · Barbara Eder: Bioplyn v praxi Teorie projektování stavba zaøízení pøíklady
Tato kniha byla vydána s podporou Státního fondu ivotního prostøedí Èeské republiky
Vekerá práva vyhrazena © Vydalo nakladatelství HEL, ul. 26. dubna 208, 725 27 Ostrava-Plesná
1. èeské vydání 2004 ISBN 80-86167-21-6
OBSAH 1
ZÁKLADY BIOPLYNOVÉ TECHNIKY ..... 7
1.1
Základy vèera a dnes ................................................ 7
1.2
Pro koho pøipadá bioplynová stanice v úvahu? .. 14
2
BIOPLYNOVÝ PROCES ............................. 17
2.1
Vznik bioplynu ....................................................... 17
2.2
Výroba a kvalita plynu .......................................... 21
2.3
Optimalizace procesu ............................................. 24
2.4
3
4
SKLADOVÁNÍ, ZPRACOVÁNÍ A ZUITKOVÁNÍ PLYNU .......................... 65
4.1
Skladování plynu .................................................... 65
4.2
Pøíprava a zpracování plynu ................................. 69
4.3
Zuitkování plynu .................................................. 73
4.4
Výroba proudu z bioplynu ..................................... 75
5
ZABEZPEÈOVACÍ TECHNIKA ................ 84
Druh a sloení substrátu ........................................ 25
6
TECHNOLOGIE VÝROBNÍCH POSTUPÙ ...................................................... 30
VEDLEJÍ ÚÈINKY VÝROBY BIOPLYNU .................................. 87
7
PØÍPRAVA STAVBY, NÁKLADY A HOSPODÁRNOST ................................... 92
3.1
Bioplynové technologie .......................................... 30
3. 2
Konstrukèní typy fermentorù ............................... 35
7.1
Koncepce bioplynové stanice ................................. 94
3.3
Stavební materiály a stavební techniky pro vyhnívací nádre ..................................................... 36
7. 2
Dimenzování bioplynové stanice ........................... 97
7.3
Stavebnì technická pøíprava ................................. 99
3.4
Pøípravné a skladovací nádre, pøímé plnìní fermentoru ............................................................. 47
7.4
Projektování technologie ..................................... 100
3.5
Potrubí, èerpadla, armatury ................................. 48
7.5
Výroba bioplynu náklady a výnosy ................. 103
3.6
Míchadla .................................................................. 52
7.6
Pøíklady výpoètù pro zjitìní výnosù z výroby bioplynu ................................................. 111
3.7
Topná zaøízení a pøíprava tepla pro proces ......... 57
3.8
Kontrolní, mìøicí a ovládací zaøízení .................... 60
8
KOFERMENTACE ORGANICKÝCH ODPADÙ ...................................................... 116
3. 9
Odstraòování tìkých látek ................................... 63
8.1
Potenciál zuitkovatelných odpadù .................... 117
8.2
Kofermentace v zemìdìlství ................................ 118
3
8.3
Aspekty biologického procesu ............................. 121
8.4
Zákony a schvalovací øízení ................................ 123
8.5
Likvidace odpadù ................................................. 126
8.6
Literatura a prameny ........................................... 127
9
HYGIENIZAÈNÍ ÚÈINKY BIOPLYNOVÝCH STANIC ...................... 129
9.1
Poadavky na hygienizaèní pùsobení bioplynové stanice .................................................................... 130
9.2
Hygienizaèní výkon bioplynového procesu ........ 131
9.3
Výsledky pokusù a zkuenosti z praxe v oblasti hygienizaèního výkonu ......................................... 133
9.4
Shrnutí ................................................................... 134
9.5
Literatura a prameny ........................................... 134
10
TYPICKÉ PØÍKLADY Z PRAXE ............ 136
11
POHLED DO ZAHRANIÈÍ ....................... 148
12
ADRESY....................................................... 153
12.1
Vìda a výzkum ..................................................... 153
12.2
Svazy, spolky, skupiny a poradny ....................... 154
12.3
Sdruení provozovatelù ....................................... 155
12.4
Poradenská pracovitì v evropských zemích ..... 155
12.5
Poradenství v oboru Bioplyn v rozvojových zemích .................................................................. 156
13
LITERATURA ............................................ 157 REJSTØÍK ................................................... 161
4
PØEDMLUVA V posledních letech výraznì stoupá zájem o technologii bioplynu. To se projevuje nejen rostoucím poètem projektovaných a budovaných bioplynových stanic, nýbr i velkým zájmem mnoha zemìdìlcù, obcí, firem, politikù a soukromých osob o vývoj v této oblasti. Také lidé odpovìdní za hospodaøení s energií dnes ji na decentralizovanou výrobu proudu z bioplynu nepohlíejí tak skepticky jako døíve. Pro potravináøský prùmysl a gastronomii, velkokapacitní kuchynì, kantýny a odpadové hospodáøství nabízí bioplynová technologie monost zlikvidovat organické zbytky a odpady, jich stále pøibývá, nenákladnou cestou v zemìdìlských zaøízeních. A jeliko tato technologie je ekologicky výhodná také pro zpracování kejdy a hnoje (napø. se sníí zatíení pachem), oceòují ji stále více i lidé mimo zemìdìlství. Pro samotné zemìdìlce má technologie bioplynu stále vìtí význam z mnoha dùvodù, o nich v dalí èásti jetì pojednáme podrobnìji. Zde nejprve uvádíme dva nejdùleitìjí: vyuitím bioplynu ve vlastním provozu lze nejen uetøit na nákladech za nakupovanou energii, ale v mnoha pøípadech mùe zemìdìlská výroba proudu znamenat i dalí zdroj pøíjmu. Zároveò získávají na významu vedlejí efekty bioplynové techniky; k nim náleí pøedevím zmenení zatíení pachem kejdy a hnoje, sníení ztrát na ivinách, co má za následek úsporu na umìlých hnojivech, sníení íravého úèinku na rostliny pøi vyváení bioplyno-
vé kejdy, lepí homogenita, a tím i lehèí míchání, èerpání a rozdìlování kejdy. V této souvislosti roste potøeba informací o této staré, a pøesto aktuální technologii biologického rozkladu bez pøístupu vzduchu. Na poradách, semináøích a studijních cestách k problematice bioplynu je vdy hojná úèast, literatura s tímto tématem je velmi ádaná a odborníci na projektování a realizaci bioplynových stanic se rozhodnì nenudí. Tuto poptávku vyvolaly následující skuteènosti: n Dne 14. 12. 1990 vstoupil v Nìmecku v platnost zákon o napájení proudem z obnovitelných zdrojù a finanèních náhradách za tento proud. Tím získala na zajímavosti výroba proudu z bioplynu, která znamená lepí vyuití rozkladem vznikajícího plynu pøedevím v létì. Tehdejí výe náhrady 15,4 feniku/kWh (stav v r. 1995) se jeví pro oba partnery zemìdìlce i energetické podniky jako pøimìøená. Dnes jsou k dispozici výkonná, pro bioplyn uzpùsobená zaøízení na výrobu proudu vyuívající odpadní teplo. n
Bioplynem lze pohánìt jak motory pro vývin mechanické síly, tak generátory proudu ve velkém výkonovém rozsahu od nìkolika málo a po nìkolik stovek kW. Naproti tomu pro výkony øádu megawattù (více ne 1000 kW) je v souèasnosti úèelné vyrábìt proud prostøednictvím parních turbogenerátorù vyuívajících spalování døeva, slámy a jiných druhù suché biomasy.
n
n
n
n
n
Byly vyvinuty zpùsoby, jak postavit bioplynové stanice levnìjí, z funkèního hlediska bezpeènìjí, a tím i hospodárnìjí ne dosud. Zde je tøeba uvést pøedevím zásobníkové bioplynové stanice s fóliovým víkem, ale také vylepená prùtoková a kombinovaná zaøízení. Také u pøísluných pomocných agregátù (míchadla, topné systémy, èerpadla, øezaèky) nastal a trvá pokrok ve vývoji. Byly získány i rozsáhlé praktické zkuenosti s bioplynovými stanicemi. Díky tomu dnes ji existují odborníci, kteøí zemìdìlcùm mohou pøi plánování a realizaci zaøízení poskytnout pomoc. Od roku 1992 se stále èastìji praktikuje kofermentace, tedy zuitkování organických zbytkù z nezemìdìlských provozù spolu s kejdou a hnojem, co je pro zemìdìlce, potravináøský prùmysl i komunální hospodáøství velmi zajímavá záleitost. Dává nové podnìty pouití bioplynové technologie a zlepuje hospodárnost provozu zaøízení. Vedlejí efekty výroby bioplynu, je zlepují vlastnosti kejdy (zmíníme je dále), je dnes mono lépe posoudit, èásteènì dokonce kvantifikovat a pøedevím vyuít. Anaerobní (bez pøístupu vzduchu) zpracování kejdy v bioplynových stanicích pøedstavuje praktickou monost, jak zabránit emisím metanu a èpavku bìhem zpracování a skladování kejdy
5
a hnoje. Zemìdìlci provozující bioplynové stanice aktivnì pøispívají k ochranì ivotního prostøedí a k vytváøení image moderního zemìdìlství. Brát v potaz kolobìhy ivin má dnes vìtí význam ne pøed nìkolika lety, zvlátì se zøetelem k dusíku (N2). V bioplynových stanicích lze ztrátám dusíku z kejdy a hnoje témìø úplnì zabránit. Tím více je vak tøeba sledovat, aby velké ztráty dusíku nevznikaly pøi vyváení obsahu stanic na pole. Co dosud chybìlo, je prakticky orientovaná informaèní publikace, která srozumitelnou formou podá vìdecké poznatky i praktické zkuenosti a pøitom zohlední nové vývojové trendy v bioplynové technice v Nìmecku. Tato kniha pøedstavuje pokus tuto mezeru zaplnit. Autor dìkuje spoluautorùm, nakladatelství a vem, kteøí ke vzniku knihy pøispìli. Freising-Weihenstephan, prosinec 1996 Heinz Schulz n
Pøedmluva ke 2. vydání Aèkoli od prvního vydání knihy uplynuly teprve ètyøi roky, mnohé se zmìnilo. Dr. Heinz Schulz, který se neúnavnì angaoval nejen pro íøení vyuití bioplynu, ale i pro vechny obnovitelné zdroje energie, zaèátkem roku 1998 zemøel. Vzhledem k významným zmìnám v oboru bioplynu jsme my spoluautoøi pokládali za nutné vydat knihu v aktualizované podobì. Aèkoli jsme se snaili zachovat styl a ducha pùvodního textu dr. Schulze, najdete v knize èetné zmìny. Mnoho detailù, i kdy technicky zajímavých, jsme
6
vyòali, nebo nemìly velké uplatnìní. Namísto toho uvádíme nové poznatky z oblasti vìdy a výzkumu, techniky a práva. Pøíklady zaøízení byly aktualizovány a rozíøeny podle soudobého stavu techniky. V rovinì národní i evropské se politický rámec podmínek pro uívání a íøení bioplynových stanic velmi zmìnil: zvlátní význam mìl zejména zákon o obnovitelných zdrojích energie spolkové vlády, který vstoupil v platnost v r. 2000 a který pøinesl patrnì nejvìtí zmìnu v podpoøe obnovitelných zdrojù energie. Koneènì se zde reaguje na fakt, e klesá zásoba fosilních paliv, e jejich pouíváním se otepluje nae atmosféra, a e je proto nezbytnì nutné podporovat alternativní zdroje. Také liberalizace evropského trhu s elektøinou se projevila na íøení bioplynové techniky. Patrnì kadý, kdo se døíve cítil být vydán na milost svému dodavateli proudu, uvítal zruení jeho monopolního postavení. Na druhé stranì jen málokdo pøedvídal, e klesající ceny elektrické energie dramaticky ovlivní i hospodárnost bioplynových stanic. Poté co opadla vlna útoku na kosubstráty (se vemi jejich klady a zápory), nabývá u po nìkolik let na významu kofermentace narùstajících surovin, napøíklad kukuøice. V oblasti bioplynu se jako stále aktuální téma jeví hygiena a kofermentace. K zajitìní právního rámce bylo vydáno naøízení o bioodpadu. Ukázalo se vak, e pro bioplynové stanice ho lze uít jen v omezené míøe. Mnoho otázek zde tak nadále zùstává otevøených.
V Nìmecku je v souèasné dobì provozováno okolo 800 zemìdìlských bioplynových stanic, co nás staví na první místo v Evropì. Bioplynová technika zde zdomácnìla. Poèet výrobcù a projektantù se od prvního vydání této knihy témìø zdvojnásobil. Doufáme, e nynìjím pøepracováním jsme knize zajistili aktuálnost na nìkolik dalích let, a dìkujeme vem, kdo nás podporovali. Bernried, prosinec 2000 Barbara Eder
