Udržitelné využívání tepla z bioplynových stanic příručka
Autor:
Dominik Rutz
Spoluautoři:
Rita Ramanauskaite, Rainer Janssen
Oponenti:
Ilze Dzene, Claudio Rochas, Stefan Amann, Christof Amann, Jadranka Maras Abramovic, Christopher Gallasch, Laura Bailón Allegue, Jørgen Hinge, Frederico De Filippi
Editor:
Dominik Rutz
Překlad:
Miroslav Kajan ml. a st., Bohuslav Málek, Tomáš Voříšek
ISBN:
není přiděleno
O překladu:
Původním jazykem této příručky je angličtina. Publikace je rovněž dostupná v následujících mutacích: chorvatská, česká, dánská, německá, italská, lotyšská, polská a rumunská
Publikováno:
© 2012 WIP Renewable Energies, Mnichov, Německo
Kontakt:
WIP Renewable Energies, Sylvensteinstr. 2, 81369 Mnichov, Německo
[email protected], Tel.: +49 89 720 12 739 www.wip-munich.de
Webová adresa:
www.biogasheat.org
Autorská práva:
Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být využita v žádné formě ani žádnými prostředky ke komerčním účelům bez předchozího písemného souhlasu od vydavatele. Autoři nezaručují správnost a/nebo úplnost informací a údajů obsažených nebo popsaných v této příručce.
Prohlášení:
Výhradní odpovědnost za obsah této příručky je věcí autorů. Obsah nemusí nutně odrážet stanoviska Evropské unie. Evropská komise ani EACI nejsou zodpovědní za jakékoli kroky, které plynou z informací zde obsažených
1
Poděkování Tato příručka byla zpracována v rámci projektu BiogasHeat (IEE/11/025), podporovaným Evropskou komisí prostřednictvím programu Inteligentní energie pro Evropu (IEE) vedeného Výkonnou agenturou pro konkurenceschopnost a inovaci (EACI). Autoři by tímto rádi poděkovali Evropské komisi za podporu projektu BiogasHeat, jakož i oponentům a partnerům projektu za jejich přínos k vypracování příručky. Za poskytnutí obrazové a schematické přílohy by autoři rádi poděkovali následujícím firmám: AgroEnergien (Burkhard Meiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) a Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon).
2
Projekt BiogasHeat Projekt BiogasHeat řeší problém, jak efektivně využít teplo z bioplynových stanic na evropské, vnitrostátní a projektové úrovni. Snaží se proto o vývoj a testování řady různých osvědčených strategií a opatření pro projektovou realizaci. Konkrétní cíle projektu BiogasHeat jsou: (1) podporovat hospodářské a udržitelné využití tepla ze stávajících a budoucích bioplynových stanic, se kterým se v současnosti plýtvá, (2) zvýšit tuto schopnost speciálně v několika cílových zemích (Rakousko, Chorvatsko, Česká republika, Dánsko, Německo, Itálie, Lotyšsko, Polsko a Rumunsko) skrze specifická opatření, včetně analýzy technických možností, studií proveditelnosti, podnikatelských strategií a terénních šetření; a (3) stimulovat povědomí o této problematice prostřednictvím školení, praktickým zvyšováním dovedností a přenosem dostupných znalostí. Projekt BiogasHeat byl zahájen v dubnu roku 2012 a bude trvat po dobu 3 let. Projekt je podporován z programu Inteligentní energie pro Evropu v Evropské unii (Smlouva č. IEE/11/025). Konsorcium projektu a kontaktní místa: Ekodoma, Lotyšsko (Koordinátor projektu) Ilze Dzene [
[email protected] ] WIP Renewable Energies, Německo Dominik Rutz [
[email protected]] Rita Ramanauskaite [
[email protected]] Energy Institute Hrvoje Požar, Chorvatsko Biljana Kulišić [
[email protected]] Jadranka Maras Abramović [
[email protected]] Energy Efficiency Center SEVEn, Česká republika Tomáš Voříšek [
[email protected]] Sogesca Srl, Itálie Federico De Filippi [
[email protected]] Marco Devetta [
[email protected]] Polish Biogas Association, Polsko Michał Surowiec [
[email protected]] e7 Energie Markt Analyse GmbH, Rakousko Christof Amann [
[email protected]] Stefan Amann [
[email protected]] Danish Technological Institute, Dánsko Laura Bailón Allegue [
[email protected]] Jørgen Hinge [
[email protected]] SC Mangus Sol Srl, Rumunsko Mihai Adamescu [
[email protected]] Euroheat&Power, Belgie Christopher Gallasch [
[email protected]]
3
Obsah Poděkování .......................................................................................................................... 2 Projekt BiogasHeat ............................................................................................................. 3 Předmluva ............................................................................................................................ 6 1
2
Úvod .............................................................................................................................. 7 1.1
Produkce bioplynu ................................................................................................... 7
1.2
Koncepty bioplynových stanic ................................................................................. 9
1.3
Koncepty pro využití bioplynu jako nosiče energie .................................................10
1.4
Problémy s využitím tepla.......................................................................................13
Základy výroby a využití tepla ....................................................................................14 2.1
Spalování bioplynu .................................................................................................14
2.2
Hodnoty a převody jednotek tepla ..........................................................................14
2.3
Kvalita tepla............................................................................................................15
2.4
Množství tepla a poptávka ......................................................................................16
2.5
Dodávka tepla pro fermentory ................................................................................16
2.6
Charakteristika bioplynových spalovacích motorů ..................................................19
2.6.1
Motory typu Otto (plynové zážehové motory) ..................................................20
2.6.2
Motory se vstřikováním – zápalným paprskem (vznětové motory) ...................20
2.7 3
Možnosti využití tepla v bioplynových stanicích ......................................................23 3.1
Vytápění .................................................................................................................24
3.1.1
Dálkové vytápění.............................................................................................24
3.1.2
Stáje ................................................................................................................30
3.1.3
Skleníky ..........................................................................................................31
3.1.4
Akvakultury .....................................................................................................33
3.1.5
Přenos tepla v kontejnerech ............................................................................35
3.1.6
Vyhřívání pro jiné účely ...................................................................................37
3.2
Sušení ....................................................................................................................38
3.2.1
Digestát a kaly.................................................................................................41
3.2.2
Piliny, štěpky a pelety ......................................................................................42
3.2.3
Zemědělské produkty ......................................................................................44
3.3
Chlazení .................................................................................................................45
3.3.1
Přehled chladících zařízení .............................................................................45
3.3.2
Dálkové chlazení .............................................................................................47
3.3.3
Aplikace chlazení ............................................................................................49
3.4 4
Koncepty pro kombinovanou produkci tepla a elektřiny ..........................................22
Dodatečná výroba elektřiny ....................................................................................49
4
3.4.1
CRC systémy ..................................................................................................49
3.4.2
ORC systémy ..................................................................................................51
3.4.3
Kalinův cyklus .................................................................................................54
3.4.4
Stirlingův motor ...............................................................................................55
3.4.5
Plynová turbína pro využití spalin ....................................................................56
Inovativní koncepty efektivního využití bioplynu ......................................................57 4.1
Bioplynovody a satelitní kogenerační jednotky .......................................................57
4.2
Úprava bioplynu a vtláčení biometanu do sítě ........................................................59
4.3
Transport biometanu v kontejnerech ......................................................................61
4.4
Využití biometanu v dopravě ..................................................................................62
4.5
Využití bioplynu pro řízení zátěže a zajištění stability sítě.......................................63
4.6
Biometan a koncept Power-to-Gas ........................................................................64
5
Možnosti využití pro vytápění.....................................................................................66
6
Závěr ............................................................................................................................69
Glosář a zkratky..................................................................................................................70 Převodní jednotky ..............................................................................................................78 Seznam použité literatury ..................................................................................................80
5
Předmluva V Evropě, stejně jako v ostatních částech světa, významně roste výroba a využití bioplynu. Důvodem je rostoucí poptávka po obnovitelných zdrojích energie, jako náhražce fosilních paliv. Většina zemědělských a průmyslových bioplynových stanic v Evropě využívá bioplyn pro výrobu elektrické energie kogenerační jednotky (KGJ, CHP – Combined Heat and Power – kombinovaná výroba tepla a elektřiny). Nicméně v mnoha případech teplo z KGJ není využíváno, ale mařeno. To je způsobeno tím, že většina systémů podpory je zaměřena na výrobu elektřiny a opomíjí efektivní využití tepla. Neefektivní využívání energie je překážkou v současném přístupu k využití potenciálu bioplynových stanic, způsobující mikroekonomické i makroekonomické ztráty a rovněž je v porovnání s jinými systémy důvodem nižší efektivnosti využití energií získaných ze zemědělské půdy. Projekt BiogasHeat řeší otázku jak na evropské, národní i projektové úrovni efektivně využívat teplo z bioplynových stanic (Dzene a kol. 2012). K tomu jsou využity poznatky a přístupy řady osvědčených řešení (best practice), provozních zkušeností a dalších informací. Projekt BiogasHeat (IEE/11/025) je podporován Evropskou komisí prostřednictvím programu Inteligentní energie pro Evropu (IEE – Intelligent Energy for Europe), který je veden Výkonnou agenturou pro konkurenceschopnost a inovaci (EACI). Tato příručka nazvaná “Udržitelné využívání tepla z bioplynových stanic” představuje hlavní výstup projektu BiogasHeat a byla vypracována s cílem poskytnout přehled o různých možnostech pro využití tepla z kogeneračních jednotek spalujících bioplyn. Publikace je určena současným a budoucím provozovatelům bioplynových stanic, stejně tak ale i dalším zúčastněným stranám, které se zabývají problematikou bioplynových stanic, jako jsou tvůrci a zpracovatelé koncepcí rozvoje bioplynových stanic, investoři a studenti. Publikace poskytuje všeobecné informace o teplu vyrobeném v bioplynových stanicích a zaměřuje se na obecná technická řešení pro jeho efektivní využití. Jako doplněk k této příručce byla vytvořena zpráva s názvem „Příklady dobré praxe pro efektivní využití tepla z bioplynových stanic“ (“Good Practice Examples for Efficient Use of Heat from Biogas Plants”) (Ramanauskaite a kol. 2012). Tato zpráva uvádí vybrané koncepty a příklady stávajících bioplynových stanic, které již zbytkové teplo využívají. Informace o ekonomice a nákladech jsou dostupné v jiných zprávách vytvořených v rámci projektu BiogasHeat, a proto nejsou zahrnuty do této příručky. Všechny zprávy jsou dostupné na internetových stránkách projektu (www.biogasheat.org). Pro vypracování této příručky byly použity různé zdroje a reference. Většina materiálů byla nicméně čerpána z německé literatury, protože Německo v současnosti disponuje nejrozvinutějším odvětvím využití bioplynu v Evropě. Autoři se pokusili zobecnit fakta a údaje tak, aby mohla být použita v kontextu celé Evropy. Některá z nich jsou nicméně stále specifická pro daný region nebo zemi. Dále byly použity standardizované jednotky a zkratky, které se na evropské úrovni běžně používají. Podrobnosti o konverzích jednotek jsou uvedeny na konci publikace. V této české verzi jsou desetinná místa čísla uvozená čárkou (např. 12,03 Euro znamená 12 Euro a 3 centy) a oddělovačem tisíců je mezera (např. 1 300 znamená třináct set). Pro cílové země projektu BiogasHeat – Českou republiku, Dánsko, Chorvatsko, Itálii, Lotyšsko, Německo, Polsko, Rakousko a Rumunsko – byla příručka přeložena jednotlivými partnery projektu do jazyka dané země.
6
1 Úvod Počet bioplynových stanic po celém světě v posledních několika letech výrazně vzrostl. Mnohé země za výrazné vládní i veřejné podpory vyvinuly díky desetiletím intenzívního výzkumu a technického rozvoje moderní bioplynové technologie a konkurenceschopné národní bioplynové trhy (Al Seadi a kol. 2008). Dnes tak energie z bioplynu přispívá k cíli národní energetické bezpečnosti a snížení emisí skleníkových plynů. Evropský bioplynový sektor představuje tisíce bioplynových instalací. Země jako Německo, Rakousko, Dánsko, Švédsko, Česká republika, Itálie či Nizozemí se řadí mezi technickou špičku s nejvyšším počtem moderních bioplynových stanic. Cílem většiny stanic je maximalizovat výrobu elektrické energie v kogeneračních jednotkách. V mnoha případech bývá však teplo vyráběné v kogeneračních jednotkách využito pouze částečně a zbytek je neefektivně mařen. Tato neefektivita představuje jeden z hlavních nedostatků v současném energetickém využití bioplynu, jelikož způsobuje nejenom mikro a makroekonomické ztráty ale rovněž snižuje efektivní energetické využití půdy v porovnání s jinými technologiemi. 1.1
Produkce bioplynu
Bioplyn vzniká při anaerobním rozkladu (AD – anaerobic digestion) organické hmoty. Anaerobní rozklad (anaerobní fermentace, anaerobní digesce) je biochemický proces, při kterém různé typy anaerobních mikroorganismů (bakterie) za nepřítomnosti kyslíku štěpí komplexní organickou hmotu (biomasu) na jednodušší sloučeniny a ty dále transformují až na bioplyn. Proces anaerobní fermentace se běžně vyskytuje v přírodním prostředí – mořské sedimenty, trávicí trakt přežvýkavců, bažiny. Také vstupní materiál (substrát) bioplynové stanice je anaerobně rozložen do dvou hlavních výstupních produktů: bioplynu a digestátu (fermentačního zbytku). Ve většině bioplynových stanic se z důvodu stabilizace chodu a optimalizace produkce bioplynu na vstupu využívá směs několika různých typů substrátů. Tento postup bývá označován jako kofermentace (co-digestion). Vhodné vstupní suroviny pro anaerobní fermentaci zahrnují širokou škálu substrátů. Nejčastěji bývá preferován biologicky snadno rozložitelný materiál obsahující tuky, oleje, cukry a škrob. Zatímco celulóza je snadno rozložitelná, lignin, hlavní složka dřevin, je procesem anaerobní fermentace špatně rozložitelný. Typické vstupní suroviny pro bioplynovou stanici mohou být rostlinného i živočišného původu.
Zvířecí exkrementy (hnůj, kejda)
Zemědělské zbytky a vedlejší produkty
Organické odpady z potravinářského a zemědělského průmyslu
Organické odpady z průmyslu pracujícího s biomateriály (např. výroba papíru, léčiv)
Organická část tuhého komunálního odpadu
Odpad z cateringových služeb
Kaly z čistíren odpadních vod
Speciální energetické plodiny (např. kukuřice, cukrová řepa, tráva)
Druh vstupních surovin ovlivňuje celý proces anaerobní fermentace a složení produkovaného bioplynu. Bioplyn obsahuje zejména metan (CH4, 40-80%), oxid uhličitý (CO2, 15-45%) a řádově nižší koncentrace sulfanu (H2S), amoniaku (NH3), dusíku (N2) a případně dalších sloučenin. Kromě toho je bioplyn nasycen vodní parou (H2O). Žádanou komponentou je energeticky bohatý metan, jehož energie může být v kogenerační jednotce transformována na elektrickou energii a teplo. Výtěžnost metanu je proto jednou z jejich nejdůležitějších charakteristik ve vztahu k anaerobní fermentaci. Výtěžnost metanu z jednotlivých surovin je uvedena v Tabulce 1. 7
Složení bioplynu bývá kromě druhu vstupní suroviny ovlivněno i jinými faktory, jako je technologické uspořádání bioplynové stanice, fermentační teplota, doba zdržení a zatížení organickou hmotou.
Tabulka 1: Výtěžnost metanu u jednotlivých vstupních surovin (Data BMU 2012)
Surovina
Olej na smažení a tuky Glycerin Kasein Laktóza Odstředěné sušené mléko
Výtěžnost CH4 [m³/t čerstvé hmoty] 562 421 392 378 363
Surovina
Výtěžnost CH4 [m³/t čerstvé hmoty] 66 64 64 63 61
Odpad z procesu pečení
344
Kukuřičné zrno
324
Jádro obilných zrn Řepkové výlisky Syrovátka, nízký obsah cukru Řepkový šrot Obilný odpad Otruby Starý chléb
320 317 298 274 272 270 254
Odpad ze zpracování obilovin
254
Kukuřičné klasy Pšeničný prach Melasa z produkce řepného cukru Klasy, plevy, kukuřičná jádra Kukuřice (celá plodina) Obilovina (celá plodina) Mix lučních trav Brambory Brambory (zmetek) Měkký tvaroh
242 172
Bramborové slupky Drť z výroby cukru Hobliny z cukrové řepy Luštěniny (celá plodina) Mláto (čerstvé/drcené) Bramborové řízky z výroby škrobu Lékařské a kořenné rostliny (zmetek) Krmná řepa Řezané květiny (zmetek) Krmná řepa Kousky řepy (zpracování cukru) Listy cukrové řepy Syřidlové syrovátky Flotační tuky Řízky z privátních/veřejných zahrad a parků Tráva z údržby vozovek Kyselá syrovátka
166
Zelenina (zmetek)
40
148 106 103 100 92 92 92
38 33 33 32 30 27 26
Laktóza, melasa
91
Zvířecí krev Flotační kal
83 81
Čirok (celá plodina)
80
Súdánská tráva Jílek
80 79
Cukrovka
75
Krmné žito (celá plodina)
72
Mléko
70
Listy krmné řepy Odstředěné čerstvé mléko Obsah bachoru Čerstvé podmáslí Bramborová nať Prasečí vnitřnosti Odpad z rostlinného zpracování Obilný odpad (kromě výroby alkoholu) Kyselá čerstvá syrovátka Obilný odpad (z výroby alkoholu) Bramborový odpad (z výroby alkoholu) Čerstvá sladká syrovátka Syrovátka Bramborové zbytky (výroba alkoholu) Obsah odlučovače Voda z výroby bramborového škrobu
8
61 58 57 55 52 50 46 44 43 43 43 42
22 20 18 18 18 18 17 15 11
Výtěžnost CH4 [m³/t čerstvé hmoty]
Surovina Laktóza, melasa (nízký obsah bílkovin)
69
Slunečnice (celá plodina)
67
Brambory (drcené, střední obsah škrobu)
66
Surovina Odpadní vody (brambor) z výroby škrobu Ostatní odpad ze zpracování škrobu -
Výtěžnost CH4 [m³/t čerstvé hmoty] 11 3 -
Složení bioplynu představuje důležitý rys, který ovlivňuje jeho spalování v kogenerační jednotce, a tím i složení a teplotu spalin. Ovlivněna je tedy kvalita i množství tepla, což je podstatné pro jeho následné využití. Kromě toho je koncept bioplynové stanice charakterizován teplotou ve fermentorech. Ty jsou obvykle vytápěné částí tepla z kogenerační jednotky tak, aby bakteriím umožnily rychlejší rozklad materiálu. Podle teploty suspenze se fermentace dělí na:
Psychrofilní:
méně než 25°C
Mezofilní:
25°C – 45°C
Termofilní:
45°C – 70°C
Některé bioplynové stanice s více fermentory zapojenými v sérii mají často v jednotlivých fermentorech různé teplotní úrovně. Teplota fermentoru má přímý vliv na tepelný koncept bioplynové stanice: čím je teplota ve fermentoru vyšší, tím méně tepla je k dispozici pro jiné účely. Na druhou stranu, výtěžnost bioplynu narůstá s vyšší teplotou až do určitého maxima. Optimální teplota musí být specifikována pro danou instalaci. Výběr teplotní úrovně je ovlivněn vstupními surovinami, konceptem celé stanice, požadovanou dobou zdržení, rychlostí rozkladu a konceptem využití tepla. Nejdůležitějším faktorem pro výběr teplotní úrovně fermentoru bývá zabezpečení stability fermentačního procesu. 1.2
Koncepty bioplynových stanic
Energetický výkon, a tedy i tepelný výkon bioplynové stanice, je ovlivněn celkovým návrhem stanice. Koncepce bioplynové stanice má vliv na různé možnosti využití odpadního tepla z kogenerační jednotky. Jednotlivé koncepce mohou být charakterizovány následujícími aspekty.
Hlavní cíl: Výroba energie (elektřina, teplo), nakládání s odpadními složkami, vtláčení biometanu do rozvodné sítě zemního plynu, skladování energie, řízení zátěže, výroba živin a modernizace
Velikost stanice: Průměrné instalované elektrické výkony stanic v Evropě jsou přibližně v rozmezí od 400 až 500 kW. Velikost se pohybuje od 1 do 2 kW pro užití odpadů z domácností (v mnoha rozvojových zemích) do několika megawattových bioplynových stanic.
Technologie: Suchá / mokrá fermentace, vsázková (batch) / kontinuální fermentace
Obchodní model: Zemědělský / průmyslový / domovní / čištění odpadních vod / zpracování odpadů v bioplynových stanicích
Typ vstupní suroviny: Vyhrazené energetické plodiny, zemědělské odpady a zbytky potravy, potravinářský odpad, průmyslový odpad, kaly
Hlavním cílem bioplynových stanic v Evropě je v současné době výroba energie z obnovitelných zdrojů, a hlavně výroba elektřiny. To je dáno tím, že drtivá část veřejné podpory bioplynových stanic je zaměřena na produkci elektřiny (výkupní cena elektřiny) a 9
efektivní využívání tepla je opomíjeno. Především na tyto stanice se zaměřuje projekt BiogasHeat (Dzene a kol. 2012). Aby se zvýšila energetická účinnost a udržitelnost těchto bioplynových stanic, měla by být hlavním cílem maximalizace celkového využití energie. Proto by měl být přístup a legislativa upraveny tak, aby bylo dosaženo maximální účinnosti využití energie při zajištění ekonomické proveditelnosti projektu. Energetické účinnosti bioplynových stanic může být dosaženo prostřednictvím různých opatření, jako například využitím “odpadního” tepla z kogeneračních jednotek v daném tepelném kontextu, nebo úpravou bioplynu na biometan (na kvalitu zemního plynu s obsahem metanu vyšším než 95%) – který může být vtláčen do sítě zemního plynu. Výhoda tohoto využití spočívá v možnosti spalovat biometan v místě spotřeby tepla Tato technologie je bohužel stále velmi drahá a obvykle zisková pouze u velkých zařízení. Navíc často chybí finanční podpora a vhodná legislativa. Kromě toho musí být bioplynové stanice umístěny blízko sítě zemního plynu. Dalším důležitým rysem bioplynových instalací je jejich schopnost stabilizovat rozvodné sítě skladováním energie a tím přispívat k aktivnímu řízení zátěže v inteligentní elektrické rozvodné síti, jejíž princip bude vysvětlen dále v této příručce. Hlavním cílem bioplynových stanic zpracovávajících odpady je obvykle udržitelné nakládání s odpady (Rutz a kol. 2011; Rutz a kol. 2012). Hlavním zdrojem příjmů těchto obchodních modulů jsou často poplatky za nakládání s odpady a jen v menší míře prodej samotné energie (elektřiny/tepla). Před několika desítkami let byly hlavními cíli v počáteční fázi rozvoje bioplynu v Německu především recyklace a zlepšení hnojivých vlastností odpadů vznikajících zemědělskou činností. Průměrný elektrický instalovaný výkon bioplynové stanice v Německu a většině ostatních evropských států je přibližně 450 kW el. Celkově se však velikost stanic pohybuje v rozmezí od 1-2 kW (fermentor 3-4 m³), kdy se jedná o stanice zpracovávající odpady z domácností, až po technicky sofistikované několika megawattové komplexy. Velikost stanice přímo ovlivňuje množství a využitelnost vyráběného tepla. V bioplynové stanici s kogenerační jednotkou dosahuje energetická účinnost až 90%. Z toho je produkováno kolem 35% elektřiny a 65% tepla. V klimatických podmínkách Evropy obecně platí, že u moderních stanic je teplo nezbytné pro vytápění fermentorů. Technologie ovlivňuje množství potřebného tepla, a to z důvodu rozdílných teplotních úrovní a kvality izolace. Obvykle je průběžné zásobování teplem vyžadováno pro všechny bioplynové stanice (se vsázkovým nebo kontinuálním plněním fermentorů, suchou i mokrou fermentaci). Zásobování teplem je do značné míry ovlivněno okolní sezónní teplotou. Dobrá izolace fermentorů představuje předpoklad pro efektivní a stabilní proces. Typicky je provoz bioplynové stanice integrován do existujících podniků, jako jsou farmy, průmyslové podniky nebo podniky zabývající se zpracováním odpadů. Typ podnikání ovlivňuje hlavní cíle bioplynové stanice, stejně jako potenciální možnosti pro využití tepla. V zemědělských bioplynových stanicích je teplo často používáno pro vytápění stájí, sušení štěpky, vytápění objektů a chlazení mléka. V „odpadářských“ bioplynových stanicích může být teplo použito pro sanitaci, hygienizaci a k čistícím účelům. Typické použití tepla v průmyslových podnicích je ve formě procesního tepla. Takové využití je ale limitováno kvalitou – často jsou požadovány vyšší teploty. Jak již bylo popsáno v kapitole 1.1, typ vstupní suroviny ovlivňuje složení bioplynu a tím i množství a kvalitu vyrobeného tepla. 1.3
Koncepty pro využití bioplynu jako nosiče energie
Bioplyn může být transformován na tepelnou, mechanickou a elektromagnetickou energii (světlo). Také ho lze využít v kontextu chemické sloučeniny. Existuje řada možností jak bioplyn využít, a to od malých aplikací až po technologicky sofistikované projekty.
10
Světlo: v plynových lampách
Teplo: v bioplynových hořácích, kotlích a plynových kamnech
Sušení: v různých typech sušáren, pásových sušárnách, bubnových sušičkách a sorpčních tepelných úložištích
Chlazení: v absorpčních chladících jednotkách
Elektřina: v plynových motorech (zážehových nebo vznětových), palivových článcích, plynových mikroturbínách, Rankinových cyklech (CRC/ORC systémech), Kalinově cyklu, Stirlingových motorech, turbínách turbodmychadla
Doprava: jako biometan ve vozidlech na stlačený zemní plyn (CNG)
Energetické úložiště: ve speciálních vyhrazených skladovacích zařízeních (zkapalněný bioplyn, nízko a vysokotlaké zásobníky bioplynu) nebo jako biometan v rozvodné síti plynu s cílem vybalancování dodávek elektřiny a tepla
Náhrada za zemní plyn: úprava na biometan a následné vtláčení do rozvodné sítě pro zemní plyn
Obrázek 1: Bioplynový hořák v Rakousku (Zdroj: Rutz)
Obrázek 2: Jedna z nejjednodušších aplikací bioplynu: bioplynová pícka na vaření v Mali (Zdroj: Rutz)
Některé jednoduché technologie umožňují využívat bioplyn v plynových píckách na vaření (Obrázek 2) nebo ke svícení v plynových lampách. Takové využití je specifické u „domácích“ bioplynových stanic v rozvojových zemích. Těmito technologiemi se dále v této příručce nezabýváme. Někdy jsou hořáky a kotle (Obrázek 1, Obrázek16) využity k pouhé produkci tepla, jako například k ohřevu fermentorů u bioplynových stanic upravujících bioplyn na biometan, následně dodávaný do rozvodné sítě zemního plynu nebo do čerpacích stanic. Pro tyto stanice mohou být použité takzvané nízkovýhřevné hořáky (LCV - Low Calorific Value) spalující směs odpadních plynů z úpravy bioplynu na biometan a části bioplynu, které tímto způsobem udržují požadovanou teplotu fermentace (Obrázek 4). Takové hořáky jsou schopny spalovat plyny s velice nízkým obsahem metanu (5 – 30 objemových procent). Plynové hořáky a boiler mohou být rovněž využity jako záložní systémy tepla pro stanice s úpravou bioplynu. Hlavní využití bioplynu ve většině evropských stanic však spočívá v kombinované výrobě elektřiny a tepla. Produkovaný bioplyn je ještě před procesem spalování vysušen a často i vyčištěn, neboť většina plynových motorů má maximální limit pro obsahový poměr sulfanu, halogenovaných uhlovodíků a siloxanů. Motor kogenerační jednotky dosahuje účinnosti až 11
90% a z toho produkuje 35% elektřiny a 65% tepla. Ve většině stanic se menší část tepla (20-40%) spotřebuje na vyhřívání fermentorů, větší část (60 - 80%) je pokládána za “odpadní” teplo, které často není dále využito. Tento podíl může být použit na doplňkovou produkci elektřiny například v Stirlingových motorech, ORC či CRC generátorech, nebo pro jiné účely jako sušení či chlazení. Všechny uvedené možnosti budou v této příručce do hloubky probrány. Kogenerační jednotky obvykle obsahují spalovací motory typu Otto (zážehové) či se zapalovacím paprskem (vznětové). Druhý zmiňovaný systém obvykle pro zážeh vyžaduje 25% nafty nebo oleje jako doplňku k bioplynu (motory vznětové dvoupalivové). Plynové zážehové motory používají čistý bioplyn. Více informací ohledně spalovacích motorů lze nalézt v kapitole 2.7. Palivové články (Obrázek 3) a plynové mikro-turbíny rovněž dokážou produkovat teplo i elektřinu. Nicméně se převážně jedná o specializované aplikace a nejsou proto primárně zařazeny v této příručce. Další možností využití bioplynu je ve formě dálkového transportu, kdy se jako palivo využívá biometan. V tomto případě musí být bioplyn čištěn a převeden na kvalitu srovnatelnou s kvalitou zemního plynu. Jak zde již bylo zmíněno dříve, převod bioplynu na vyšší kvalitu zahrnuje pořízení relativně drahé technologie, a současně je tak k dispozici jen velkým stanicím. Přestože je energetická účinnost biometanu ve vozidlech obecně velmi nízká (srovnatelná s klasickými palivy), je tato možnost vzhledem k limitované dostupnosti v alternativních palivech velmi slibná.
Obrázek 3: Palivový článek s tavenými uhličitany (MC C): pro výrobu bioplynu, Leonberg, Německo (Zdroj: Rutz)
Obrázek 4: Hořák na palivo s nízkou výhřevností (LCV) pro vytápění fermentorů Aiterhofen, Německo (Zdroj: Rutz)
Kromě různých technologií pro použití bioplynu se stále důležitějším aspektem stává dobrá skladovatelnost bioplynu či biometanu. Může totiž významně přispět k vyšší stabilitě rozvodové sítě a zároveň být použita jako nástroj řízení zátěže. Neposledním potenciálním užitím bioplynu, který není v této příručce uveden, je vlastnost samotné chemické sloučeniny pro biorafinérie.
12
1.4
Problémy s využitím tepla
Využití tepla z bioplynových stanic čelí řadě nástrah, které vznikají v důsledku charakteristik samotné instalace. Často jsou stanice umístěny v lokalitách, kde tepelná složka jednoduše postrádá možnost užití. V jiném případě nemusí kvalita a množství vyprodukovaného tepla dostačovat jiným průmyslovým odvětvím. Zejména proto by měly být co nejdřív před zahájením provozu stanice určeny cesty, kterými bude teplo ekonomicky i průmyslově efektivně zužitkováno. Následující seznam čítá některé problémy, ke kterým aktuálně v souvislosti s tepelným plýtváním dochází:
Závislost na roční době: Pro vyhřívání fermentorů je v létě potřeba méně tepla. Budovy a další objekty vyžadují teplo pouze v zimě. Důsledkem toho vzniká v létě značný tepelný nadbytek.
Přílišná vzdálenost: Speciálně zemědělské bioplynové stanice jsou často umístěny ve venkovských lokalitách, kde neexistují žádné subjekty (továrny, veřejné budovy), které by teplo dokázaly využít.
Kvalita a kvantita tepla: Instalovaný výkon typické zemědělské bioplynové stanice v Evropě se pohybuje okolo 500 kW th, což je hodnota krajně nevhodná pro následné využívání většími průmyslovými objekty. Některá továrenská zařízení vyžadují pro svůj běh značně vyšší teploty, než je samotná stanice schopná produkovat.
Ekonomické nebezpečí: Ti provozovatelé bioplynových stanic, kteří jsou doslova závislí na externích spotřebitelích tepla, se mohou v případě rychle se měnící poptávky dostat do ekonomických potíží.
Vysoké náklady: Několik možností jak zpracovat nevyužité teplo vyžaduje nestandardní vybavení s vysokými pořizovacími náklady. Jedná se například o instalaci ORC modulů nebo zavádění rozvodných tepelných sítí malého rozsahu („mikrosítí“).
Veřejná podpora: Zavádění nových tepelných sítí je možné pouze tehdy, pokud je poptávka nasycena. To v tomto případě znamená, že existuje dostatek zákazníků, kteří jsou ochotní se připojit. Lokální správa samozřejmě musí konstrukci povolit.
Ceny fosilních paliv: Míra využití tepla z bioplynových stanic by měla být úměrná cenám fosilních paliv a obnovitelných zdrojů energie.
13
2 Základy výroby a využití tepla Teplo je v rámci termodynamiky definováno jako energie, která je přenášená z jednoho systému do druhého tepelnou interakcí. Jedná se o procesní veličinu, nikoli stavovou jako je to v případě teploty nebo objemu. Teplo působí přechod z rovnovážného stavu do jiného rovnovážného stavu. Systém je tedy vyznačen určitými hranicemi. Teplo proudí spontánně vždy ze systému s vyšší teplotou do systému s nižší teplotou. Výraz “teplo” bývá často chápán v kontextu “tepelného toku” nebo “přenosu tepla”. K přenosu tepla dochází vedením, sáláním, prouděním hmoty a chemickými reakcemi. Je potřeba rozlišovat mezi teplem zjevným a teplem latentním. Zjevné teplo je teplo, které způsobuje změnu teploty objektu. Latentní teplo je teplo vyzářené nebo absorbované tělesem nebo termodynamickým systémem bez změny teploty. Typickým příkladem je změna skupenství – fázový přechod ledu (pevné skupenství) do vody (kapalné skupenství). 2.1
Spalování bioplynu
V případě tepla z kogenerační jednotky u bioplynové stanice může být teplo charakterizováno například určitým objemem vody (či jiné látky) o dané teplotě. Takové teplo může být využito různými způsoby za současného odpovídajícího poklesu teploty vody. Spalné teplo (∆ H0) (Rovnice 1) je energie uvolněná ve formě tepla při úplném spálení metanu (z bioplynu nebo biometanu) za přítomnosti kyslíku a standartních podmínek. Chemická rovnice popisuje reakci metanu s kyslíkem za vzniku oxidu uhličitého a vody. Rovnice 1
Pokud je v reakci přítomen čistý metan, pak jeho spálením se uvolní -802,4 kJ/mol tepla. To je ekvivalentní k 35,89 MJ/Nm³ (Hi) nebo 10 kWh. Vzhledem k tomu, že se bioplyn ani biometan neskládají z čistého metanu (bioplyn obsahuje 40-80% metanu, biometan pak zhruba 95%), je výsledná hodnota produkované energie vztažena na objem plynu nižší. Množství tepla uvolněného v průběhu spalování je závislé na chemickém složení paliva a je vyjádřeno spalným teplem a výhřevností daného paliva. Výhřevnost, také označovaná v anglické literatuře jako “lower heating value (LHV), “net inferior heating value” (Hi), “net calorific value” (NCV) nebo “lower calorific value” (LCV), je teplo uvolněné dokonalým spálením daného paliva a není v něm zahrnuto měrné skupenské teplo páry obsažené ve spalinách. Předpokládá se, že její teplo je nevyužité a odchází v plynném stavu se spalinami. Výhřevnost paliva je tedy nižší než jeho spalné teplo, a to o výparné teplo vody. Hodnota výhřevnosti pro bioplyn závisí na obsahu metanu a na kvalitě paliva. Pohybuje se v rozmezí od 21,5 až 23,5 MJ/Nm3, respektive od 5,5 až 6,0 kWh/Nm3. Spalné teplo, anglicky „higher heating value (HHV), také označovaná jako “called superior heating value” (Hs), “gross energy value”, “gross calorific value” (GCV) či “higher calorific value” (HCV), je množství tepla uvolněné dokonalým spálením paliva včetně výparného tepla vody, která se uvolní při kondenzaci na původní teplotu (obvykle 25°C). Hodnota spalného tepla je u zemního plynu v porovnání s jeho výhřevnosti vyšší přibližně o 11%. 2.2
Hodnoty a převody jednotek tepla
Matematický symbol pro teplo je velké Q a standardní jednotka soustavy SI je joul (J). V angloamerické technické literatuře se často používají Britské Tepelné Jednotky (BTU – British Thermal Unit), ekvivalent tuny ropy (toe – ton of oil equivalent) či kalorie. Matematický
14
symbol pro přenos tepla je a standardní jednotkou watt (W) je definován jako joul za sekundu. Watt je nejčastěji používanou jednotkou v bioplynovém odvětví.
1 J = 1 Ws = 1/3 600 Wh
1 Wh = 3 600 Ws = 3 600 J
1 toe = 11 630 kWh = 41,87 GJ
1 BTU = 1 055 J
Celkový instalovaný výkon bioplynové stanice bývá obvykle udáván v kW nebo MW (kilonebo megawatty), kWel pro elektrický instalovaný výkon a kWth pro tepelný instalovaný výkon. Produkovaná energie je udávána v kWh či MWh (kilowatt za hodinu). Skutečný energetický výkon je udáván v kWh/rok (kilowatt hodiny za rok). Počet hodin v roku je 8 760. Pro potřeby standardní bioplynové stanice se užívají předpony kilo (10³), mega (106) a giga (109). Teplo může být měřeno buď kalorimetrem, nebo vypočteno z dalších údajů – objemu, hmotnosti, teploty a tepelné kapacity. Pro využití tepla v energetických systémech jsou obvykle užívány měřiče tepla. Jedná se o zařízení, která měří tepelnou energii přímo ze zdroje (např. z kogenerační jednotky) měřením průtoku teplonosné kapaliny (např. vody) a rozdílem teploty (ΔT) mezi výstupní a vratnou vodou. Důležitým údajem kogenerační jednotky je poměr elektrické energie k užitečné tepelné energii (tzv. power-to-heat ratio) (Směrnice 2004/8/EC). Vysoká hodnota určuje vysoký elektrický výkon. Hodnoty poměru se pro typické kogenerační jednotky pohybují mezi 0,4 a 0,9. Následující údaje mohou být užitečné při výpočtu energie a různých měření v rámci bioplynové stanice:
Energetický obsah 1 kg biometanu: 50 MJ
Energetický obsah 1 Nm³ biometanu: 35,5 MJ neboli 9,97 kWh
Obsah biometanu v 1 Nm³ bioplynu: 0,45-0,75 Nm³
Energetický obsah 1 Nm³ bioplynu: 5-7,5 kWh
Elektrický výkon 1 Nm³ bioplynu: 1,5-3 kWhel
Hustota 1 Nm³ biometanu: 0,72 kg/Nm³
Pro ilustraci energetický ekvivalent 1 m³ bioplynu je přibližně shodný s energetickým obsahem 0,6 l topného oleje. Vztahy a převody mezi jednotlivými jednotkami jsou uvedeny v kapitole “Převodní jednotky” na konci této příručky. 2.3
Kvalita tepla
Kromě množství je pro koncept dalšího využití energie důležitá i její kvalita. Důležitým parametrem, který určuje kvalitu energie, je možnost transformace jednoho druhu energie na jiný. Obecně platí, že elektřina má vyšší kvalitu než teplo, jelikož může být jednoduše přepravována a transformována na jiné druhy energie jako např. na energii mechanickou, tepelnou, elektromagnetickou apod. V termodynamice se často používá výraz exergie. V případě, že je systém v rovnováze s okolním prostředím, exergie je ta část energie systému, která může být převedena (transformována) na jiný druh energie. Netransformovatelný podíl energie za uvedených podmínek se nazývá anergie. Teplo charakterizováno teplotní úrovní a množstvím (kvantitou). Spotřebitel požaduje vždy určité minimální úrovně obou parametrů. Teplota zdroje odpadního tepla musí být vždy vyšší než teplotní pokles za spotřebičem tepla. Obecně platí, že čím vyšší je teplota a množství 15
energie, tím vyšší je kvalita tepla. S vyššími teplotami odpadního tepla přichází vice možností, jak ho využít. Příklady minimálních teplot pro rozličná užití uvádíme dále:
Dodávka teplé vody:
50-80°C
Vytápění budov:
50-80°C
Rankinův cyklus (ORC, CRC):
60-565°C
Sušárna zemědělských produktů:
60-150°C
Výše uvedené příklady představují typické možnosti využití odpadního tepla z bioplynových stanic. Vzhledem k tomu, že teplota spalin v kogeneračních jednotkách se pohybuje okolo 450-520°C, je využití odpadního tepla z bioplynových stanic limitováno. Teploty z chlazení bloku motoru a mazacího oleje jsou ještě nižší (viz kapitola 2.6). Pro odvětví, která pro svůj provoz vyžadují vysoké teploty a velké množství tepla, bývá toto odpadní teplo obvykle nedostatečné. 2.4
Množství tepla a poptávka
Dnes se elektrické výkony zařízení na výrobu bioplynu pohybují od 50 kW el až po 30 MW el. Kapacity typických zemědělských bioplynových stanic s kogenerační jednotkou se v Evropě pohybují okolo 500 kW el, s produkcí 550-600 kW th odpadního tepla, z toho asi 500 kW th může být uvažováno pro komerční využití. Vzhledem k evropským klimatickým podmínkám je k vytápění fermentoru zapotřebí asi 25% vyrobeného tepla (Obrázek 6). Za předpokladu 8 000 provozních hodin za rok by při celkovém tepelném výkonu stanice 500 kW th mohla být roční produkce tepla 4 000 MWhth. Jedním z nejjednodušších a nejčastěji aplikovaných využití odpadního tepla je ohřev vody a vytápění v domácnostech. Následující příklad ukazuje průměrnou čistou spotřebu energie na osobu v Německu (na základě výpočtů Paeger 2012):
Čistá spotřeba energie na vytápění a ohřev vody na osobu v domácnosti: 20,2 kWh/den neboli 7 373 kWh/rok
Čistá spotřeba energie na vytápění na osobu v domácnosti: 17 kWh/den neboli 6 205 kWh/rok
Čistá spotřeba energie na vytápění na osobu v domácnosti (na m² obytného prostoru): 155 kWh/rok/m²
Čistá spotřeba energie na ohřev vody na osobu v domácnosti: 3,2 kWh/den neboli 1 168 kWh/rok
Při spotřebě 7 373 kWh/rok na vytápění a ohřev vody na osobu v domácnosti by bioplynová stanice o výkonu 500 kWth a roční produkci tepla 4 000 MWhth byla schopna zásobit teplem 543 osob. Samozřejmě se jedná o hrubý odhad založený na průměrných údajích. Pro přesný výpočet je potřeba uvažovat rozdílnou spotřebu tepla v průběhu roku. Tato “sezónnost” tepelného využití je tak velkou výzvou vytváření konceptů nakládání s odpadním teplem. 2.5
Dodávka tepla pro fermentory
Jak již bylo popsáno v předchozích kapitolách, fermentory musí být pro zajištění stabilního průběhu fermentačního procesu dostatečně vyhřívány. Obvyklé teploty ve fermentorech se v typických mezofilních stanicích pohybují od 38°C do 44°C, přičemž závisí na vstupních surovinách a celkovém průběhu procesu. Fermentory mohou být vyhřívány různými technologiemi, např. topným potrubím vedoucím podél stěny fermentoru nebo čerpáním digestátu přes výměník tepla. Pro tepelný koncept je potřeba vyhřívání fermentorů velmi podstatná, protože ovlivňuje množství tepla, které bude k dispozici pro jiné účely. Tato potřeba je ovlivněna okolní 16
teplotou, a tedy i klimatickými podmínkami. Kromě toho může být teplo potřebné pro hygienizaci vstupních surovin v čistírnách odpadních vod. Při posuzování tepelné potřeby v rámci bioplynové stanice je důležité si uvědomit, že potřeba v počáteční fázi musí být odlišena od potřeby pro standardní provoz. Počáteční spotřeba tepla (Qpočáteční) je uvedena v Rovnice 2. Z rovnice je jasné, že tato spotřeba bývá ovlivněna specifickou charakteristikou vstupní suroviny (tepelná kapacita c), množstvím vstupní suroviny (m) a teplotním rozdílem vstupní suroviny (∆T). V počáteční fázi bývá určitá část tepla ztracena (absorbována povrchem fermentoru).
Rovnice 2
Qpo
te n
Teplo potřebn pro zah jen fermenta n ho procesu [kWh]
c
Tepeln kapacita vstupn suroviny [kWh/t K]
m
Hmotnostn d vkov n vstupn suroviny [t/h]
T t
Změna teploty vstupn suroviny před a po um stěn do fermentoru [K] Čas (v hodin ch)
Qztracen Teplo ztracen (absorbovan ) povrchem fermentoru [kWh]
Po počáteční fázi nastává nepřetržitý provoz. Spotřeba tepla (Qoperační) je všeobecně součtem tepelné ztráty přes stěny fermentoru (Qztracené) a ztráty výstupu z digestátu (Qdigestát). Pro snížení tepelné potřeby je nutná dobrá izolace fermentoru (Obrázek 7). Zdi fermentoru jsou obvykle izolovány tvrdým polystyrenem. Ztráta tepla bývá ovlivněna okolním povrchem, tepelným přenosovým součinitelem a změnou teploty (Vzorec 3 Vzorec 4). Zjednodušené schéma izolované zdi fermentoru a teplotního profilu je znázorněné na Obrázek 5. Podlaha fermentoru by měla být rovněž zaizolována. Krycí fólie fermentoru často nebývají izolovány. Pokud má fermentor střechu z betonu, měla by být rovněž izolována. Celková tepelná ztráta (Qoperační) je sumou všech ztrát z různých částí fermentoru a výstupu z fermentace (Vzorec 4). Pro výpočet izolační ztráty musí být určen tepelný přenosový součinitel (Vzorec 5). Za účelem navýšení tepelného výkonu mohou být instalovány systémy pro rekuperaci tepla, které dokáží využít právě i tepelnou ztrátu z povrchu fermentoru. Dvě nejvíc účinná opatření pro snížení tepelných ztrát představují izolace všech povrchů fermentoru (podlaha, stěny, krytí) a zpětné získávání tepla z digestátu.
17
Vzorec 3 Vzorec 4
Vzorec 5
Qztracen
Tepeln ztr ta přes povrch fermentoru (dělen na zdi, podlahu a dalš kryt ) [kWh]
Qopera n
Tepeln ztr ta přes povrch fermentoru a výstup digest tu [kWh]
Qdigest
Tepeln ztr ta z výstupu digest tu [kWh]
t
A
Tepelný přenos na povrchu fermentoru [m²]
U
Sou initel prostupu tepla[W/m²K]
T
Změna teploty (uvnitř-venku) [K]
t
Čas (v hodin ch)
hi
Sou initel přestupu tepla uvnitř fermentoru (W/m²K)
ha
Sou initel přestupu tepla vně fermentoru (W/m²K)
d1
Tloušťka vrstvy 1
d2
Tloušťka vrstvy 2
k1
Tepeln vodivost prvn vrstvy (W/mK)
k2
Tepeln vodivost druh vrstvy (W/mK)
Obrázek 5: Schematický graf stěny fermentoru s teplotním profilem studené zimy (-18°C) (Zdroj: vlastní data; adaptována z www.u-wert.net)
18
Vzhledem k tomu, že je vytápění fermentorů ovlivněno hned několika faktory (včetně klimatických podmínek), bývá velmi složité přesně vypočítat údaje pro stanovení tepelné potřeby. Pro hrubý odhad potřebného tepla k vytápění fermentorů jsou používána následující pravidla:
V kogenerační jednotce se vyrábí zhruba 35% elektřiny a 65% tepla
Vytápění fermentorů spotřebuje zhruba 25% tepelné kapacity kogenerační jednotky
Poměr elektrické energie k teplu standardní kogenerační jednotky bioplynové stanice (vztah mezi elektrickou a užitečnou tepelnou energií) se pohybuje od 0,4 do 0,9, s průměrnou hodnotou 0,85
Obrázek 6: Tepelné rozvody pro vyhřívání Obrázek 7: Izolace (oranžové panely) fermentorů, fermentorů, Aiterhofen, Německo (Zdroj: Reichenkirchen, Německo (Zdroj: Rutz) Rutz)
2.6
Charakteristika bioplynových spalovacích motorů
Dominantní využití bioplynu v Evropě reprezentuje výroba elektřiny ve spalovacích motorech, rovněž nazývaných motory plynovými. Vzhledem k tomu, že přeměna energie v těchto motorech jde ruku v ruce s produkcí tepla, jsou všechny motory zde popsané jako kogenerační jednotky, ačkoliv teplo nemusí být nutně využito. Existuje několik různých plynových motorů, které jsou typicky řazeny do kategorií Ottova motoru a motoru se zážehovým paprskem (plynových zážehových a dvoupalivových vznětových motorů). Podrobnosti o těchto motorech jsou rozebírány v následujících kapitolách a přehled některých charakteristik je uveden v Tabulka 2. Všechny bioplynové motory musí čelit výzvě proměnné kvality plynu. Kromě toho je obsah metanu relativně nízký, dosažitelná úroveň se pohybuje dokonce pod 45% z celkového objemu plynu, kapacity plynových motorů pak od 10 kW el do 5 MW el. Někteří výrobci nabízejí plynové motory čistě pro bioplynovou instalaci. Jedná se o firmy jako je Schnell, 2G, Rolls-Royce, Kawasaki, MTU, GE Energy (Jenbacher), Caterpillar, Perkins, MWM, Cummins, Wärtsilä, Dresser-Waukesha, Guascor či MAN. V plynovém motoru je energie konvertována na využitelnou a nevyužitelnou energii. Následující údaje ukazují, že celkově může být využito až 90% energie:
10%
ztráty
35%
mechanická energie (elektřina)
55%
užitečné teplo 19
Z celkového vyrobeného tepla mohou být vyvozeny následující kategorie. Největší podíl dostupného tepla plyne z výfukových plynů a z okruhu chlazení motoru.
1-3%
chlazení oleje: 80 - 90°C
3-5%
ztráty sáláním
30-40%
chlazení motoru (chladící kapalina): 80 - 90°C
50-60%
výfukové plyny: 460 - 550°C
Tepelná dostupnost z chlazení motoru a oleje je obvykle konstantní (<100°C). Toto teplo bývá obvykle využito k ohřevu vody pro různé účely. Vzhledem k její relativně nízké teplotě neexistují žádné speciální požadavky na odolnost potrubí. Tepelná dostupnost z výfukových plynů je ovlivněna mírou znečištění na povrchu výměníku. V proudu výfukových plynů lze naměřit teploty až do 550°C. Tak vysoké teploty vyžadují v důsledku tvorby par vysokoodolné potrubí. Proto jsou často využívány tzv. termické oleje, které zůstávají i za takto vysokých teplot kapalné. Na druhou stranu jsou potřeba větší výměníky tepla, protože tepelné oleje mají nižší vodivost. Snížení teploty spalin může vést ke vzniku kondenzátu ve výfukovém systému a následně i ke korozi. Je tedy důležité zohlednit specifikace od výrobce motoru. Jmenovitý elektrický výkon kogenerační jednotky je specifikace definovaná výrobcem jako maximální výkon dosažený využíváním takového zařízení. Tento limit bývá obvykle nastaven níže, aby nedošlo k zbytečnému poškození zařízení. Je nicméně možné, že se stárnutím kogenerační jednotky se maximální výkon bude snižovat. Skutečný elektrický výkon se tak od jmenovitého výkonu výrobce obvykle liší. 2.6.1
Motory typu Otto (plynové zážehové motory)
Motory typu Otto – zážehové motory (Obrázek 8) – jsou specificky navržené pro spalování plynů. Dodržují Ottův princip a obvykle pracují s vysokým tlakem, aby minimalizovaly emise oxidu uhelnatého. Elektrická kapacita motorů typu Otto se obvykle pohybuje mezi 100 kW el a 1 MW el. Zároveň mohou být použity pouze s bioplynem, který má obsah metanu nad 45%. Elektrická účinnost pak dosahuje hodnot mezi 34 a 40% a průměrná životnost 60 000 hodin. Každou generální opravou lze životnost prodloužit o dalších 60 000 hodin. Skutečná životnost záleží na provozních charakteristikách a intervalech údržby. 2.6.2
Motory se vstřikováním – zápalným paprskem (vznětové motory)
Vznětové motory se zápalným paprskem nebo na dvojí palivo- (angl Pilot Injection Engine nebo Dual Fuel Engine) (Obrázek 9) jsou založeny na principech vznětových motorů. Tento typ motoru pracuje také ve vysokotlakých podmínkách. Pro provoz je potřeba dodat určitý podíl zapalovacího oleje (5 až 10% celkového tepelného příkonu), který bývá společně s bioplynem přímo vstřikován do spalovací komory. V některých zemích je vzhledem k zeleným bonusům nutné použít jako vznětný olej bionaftu nebo rostlinný olej. Využití fosilních paliv bývá označováno jako nezpůsobilé (v rámci snah získat zelené bonusy). Typické užití tohoto typu motoru se orientuje na instalované kapacity nad 250 kW el. Elektrická účinnost se pohybuje v rozmezí 30% a 40%, průměrná životnost dosahuje zhruba 35 000 hodin. Po této době bývá levnější variantou motor vyměnit za nový, nežli ho opravovat.
20
Tabulka 2: Vybrané charakteristiky motorů Gas-Otto a Gas-Pilot Injection (převzaty z FNR 2010)
Motory zážehové (Otto)
Motory se zápalným paprském
Instalovaná elektrická kapacita
Může být vyšší než 1 MW, kapacity <100 kW nejsou obvyklé
< 340 kW
Obsah metanu
> 45 %
Rovněž vhodné pro bioplyn s velmi nízkým obsahem CH4
Elektrický výkon
34-42%
30-44%
Životnost
60 000 hodin
35 000 hodin
Doplňkové palivo
žádné
1-5% zapalovacího oleje
Vhodnost
spíše pro větší stanice
spíše pro menší stanice
Výhody
+ navrhnuté speciálně pro plyny
+ nižší investiční náklady
+ dobré hodnoty emise výfukových plynů
+ vyšší el. účinnost než motory zážehové
+ nízké nároky na údržbu
+ nižší nároky na kvalitu plynu
+ celková účinnost je vyšší než u vznětových motorů Nevýhody
- investiční náklady jsou mírně vyšší než u motorů vznětových - vyšší náklady v důsledku obecně nižší produkce těchto motorů - nižší el. účinnost než motory vznětové
Obrázek 8: Zážehový (Ottův) motor , Německo (Zdroj: Rutz)
- vyšší nároky na údržbu - celková účinnost nižší než u motorů zážehových - je nutné doplňkové palivo - vyšší emise výfukových plynů (NOx)
Obrázek 9: Motor s duálním palivem (Gas-Pilot Injection), kapacita 235 kWel s integrovanou turbínou na výfukové plyny mající el. výkon 30 kWel (Zdroj: Schnell Motoren AG)
21
2.7
Koncepty pro kombinovanou produkci tepla a elektřiny
Většina provozovatelů bioplynových stanic se snaží maximalizovat provozní dobu kogeneračních jednotek. Plné zatížení provozu (vice než 8 000 hodin ročně) je možné, ale normálně se jedná o hodnoty nižší. Snaha o navýšení provozní doby kogenerační jednotky má základ v konceptu většiny podpůrných systémů (zelené bonusy). Obvykle poskytují pobídky pro množství vyrobené elektřiny. Pokud by byly navrhnuty vhodné režimy podpory, kogenerační jednotky by mohly pracovat na bázi spojení elektřiny s teplem. V systému, kterému dominuje poptávka po elektřině, může být elektrická energie z kogenerační jednotky užita pro řízení zátěže. V systému, kterému dominuje poptávka po teple, bude teplo z kogenerační jednotky upraveno tak, aby odpovídalo poptávce. Takové systémy nejsou běžné, protože nejsou podporovány pobídkami. Kromě toho se stanice řízené teplem vztahují k několika výzvám včetně sezónního vytápění. Obecným omezením poptávky na výrobu tepla a elektřiny je dobrá, ale limitovaná skladovací kapacita bioplynu. V případě dodávky upraveného bioplynu (biometanu) do rozvodné sítě se tento problém částečně řeší, jelikož rozvodná síť disponuje velkými skladovacími prostory. Stručně řečeno, většina kogeneračních jednotek se snaží maximalizovat produkci elektrické energie. U ostatních kogeneračních jednotek na zemní plyn nebo biometan (např. v domácnostech) většinou přebírá řízení teplo.
22
3 Možnosti využití tepla v bioplynových stanicích Využití odpadního tepla z kogenerační jednotky je klíčovým faktorem pro ekonomické a environmentální přínosy bioplynové stanice. Celý proces však musí být ekonomicky i technicky proveditelný. Není-li toho možné vhodným řešením docílit, měly by být zváženy jiné možnosti, jako je například úprava bioplynu na biometan a jeho následné vtláčení do distribuční sítě. V mnoha případech by z environmentálních důvodů bylo lepší vzdát se plánu na výstavbu bioplynové stanice, pakliže pro využití tepla neexistují žádné přijatelné možnosti. Na druhou stranu, je téměř vždy možné najít nějaké smysluplné řešení, pokud je na to pamatováno již od počátku projektové přípravy. Čím větší volnost je možné mít v základních rámcových podmínkách, např. pokud jde o umístění stanice, potenciální zájemce o vyráběné teplo, právní předpisy, likvidita, tím lepší možnosti se využití tepla nabízejí. Hlavní produktem bioplynové stanice je elektrická energie, která bývá obvykle dodávána přímo do distribuční sítě. Jak ukazuje Obrázek 10, v několika málo případech může být využit i oxid uhličitý (např. na výrobu řas nebo na tzv. Power-to-Gas stanice – blíže jsou rozebrány v kapitole 4.6). Podstatnou výzvou je však udržitelné využívání tepla. To může být obecně přímo použito pro vytápění, ale rovněž pro doplňkovou produkci elektrické energie, chlazení či sušení. Právě tyto možnosti jsou diskutovány v aktuální kapitole.
Obrázek 10:
Zjednodušený diagram využití bioplynu
23
3.1
Vytápění
Přímé využití tepla v různých aplikacích patří mezi nejefektivnější způsoby udržitelného využívání odpadního tepla. Obvykle se tak nahrazují fosilní paliva, a tím dochází ke snížení emisí skleníkových plynů. Nejjednodušší cestu pro využití tepla reprezentuje např. vyhřívání budov a ohřev vody, speciálně pokud se jedná o stanici zemědělskou. Další úvahy vyžadují dobře sestavený tepelný koncept. Produkované teplo ze středně velké zemědělské bioplynové stanice je často mnohem vyšší, než je potřeba. Stanice mohou zároveň být příliš daleko od dalších budov, tudíž přímé vyhřívání není možné a je třeba zvážit jiné možnosti. V neposlední řadě je kvalita i množství produkovaného tepla značně ovlivněna denními či sezónními výkyvy. Pro návrh topných systémů musí být určena detailní charakteristika spotřeby tepla. Jedná se především o následující aspekty:
Celková spotřeba tepla
Roční spotřeba tepla
Spotřeba tepla ve špičce
Sezónní rozdíly ve spotřebě tepla
K určení jednotlivých charakteristik se může v závislosti na velikosti topného systému přistupovat zcela odlišně.
Kontrola faktur z předešlé doby
Měření
Výpočty
Většina bioplynových stanic s konceptem uvažujícím přímé vytápění zahrnuje různě velké systémy dálkového vytápění, jejichž princip je uveden právě v následujících odstavcích. 3.1.1
Dálkové vytápění
Přímé užití v systémech dálkového vytápění (centrálního zásobování teplem, CZT) představuje nejjednodušší cestu zhodnocení odpadního tepla. Rozsah takových systémů se může lišit od velmi malých, které obsluhují jen několik domácností (mikro-CZT) (Obrázek 12), až po komplexní systémy CZT pro celá města. Teplo z bioplynových stanic může být využito v obou případech. Rozsáhlejší systémy dálkového vytápění jsou definovány jako systémy pro distribuci tepla generovaného v centralizované lokaci, jako např. v bioplynové stanici, pro splnění rezidenčních a komerčních požadavků na vytápění, jako je vytápění domácností a ohřev užitkové vody. Ve větších systémech je rovněž možné propojit několik tepelných zdrojů. Teplo je distribuováno ke spotřebitelům prostřednictví sítě potrubí, která je přímo či nepřímo spojená pomocí tepelných výměníků (Obrázek 11, Obrázek 15). Systémy dálkového vytápění se skládají z přívodních a vratných větví, které tak vytvářejí uzavřený topný cyklus. Dopravují teplou vodu nebo páru k zákazníkům a ochlazenou vodu zpět do tepelných zdrojů. Vzhledem k nízkým teplotám tepla vyrobeného v bioplynových stanicích se využívá především teplé vody, nikoli páry. Potrubní linky by měly být velmi dobře izolovány a instalovány pod povrchem země. Zároveň ale existují i systémy vybudované nad zemí. Průměr potrubí je ovlivněn velikostí systému a objemu přepravované vody. Další vybavení zahrnuje výměníky tepla a zařízení pro připojení, systémy pro skladování tepla a kalorimetry. V závislosti na systému získává koncový spotřebitel teplo prostřednictvím výměníku (Obrázek 11). Tak se redukují tepelné ztráty zhruba na 5%/výměník, ale zároveň se jedná o sofistikovanější systém vyžadující větší údržbu.
24
Ačkoli jsou moderní systémy dálkového vytápění velmi efektivní, tepelným ztrátám se nedá vyhnout. Měly by však být udržovány na co nejnižší hranici. Propočty musí zároveň uvažovat kompromis mezi ztrátami a náklady na jejich zamezení. Následující parametry ovlivňují velikost tepelných ztrát v systémech dálkového vytápění:
Délka potrubního systému
Izolace potrubí (Obrázek 13)
Typ půdy
Tloušťka půdního pokryvu nad potrubím (Obrázek 12, Obrázek 14)
Objem, průtok a teplota oběhové vody
Předpokládané teplotní rozdíly v koncovém výměníku
Počet sériově zapojených výměníků
Existují různé způsoby, jak vyjádřit množství ztrát v systému dálkového vytápění (Wiese 2007):
Rozdíl teploty na začátku a na konci systému
Relativní počet či procenta tepelných ztrát
Absolutní počet ztrát v kW
Výrobci tepelných potrubí obvykle na svých produktech udávají procentní hodnotu tepelných ztrát. Nicméně při plánování systémů dálkového vytápění je doporučeno počítat v absolutních číslech. Tento způsob výpočtu pak odráží množství tepelných ztrát při různých tepelných zátěžích. Projekt Ecoheat4cities (www.ecoheat4cities.eu) vyvinul dobrovolnou organizaci pro měření výkonu systémů dálkového vytápění, včetně energetické obnovitelnosti, účinnosti využívání zdrojů (faktor primární energie) a účinnosti/emise CO2. Tím pádem jsou aktéři z celé Evropy schopni sledovat jak dálkové vytápění a chlazení přispívá k dosažení příslušných energetických cílů a usnadnění posouzení, zda jsou tyto systémy konkurenčně schopnou a schůdnou možností v rámci evropského vytápění a chlazení. Typičtí spotřebitelé odpadního tepla z bioplynových stanic jsou průmyslové a komerční subjekty, veřejné subjekty a soukromí spotřebitelé. Mezi entity s vysokou a trvalou potřebou tepla patří např. masny, prádelny, rekreační střediska, nemocnice, plavecké bazény nebo lázně. Méně stabilní bývá pak poptávka hotelů, kantýn, potravinářských skladů, škol a obytných objektů. Instalace systémů dálkového vytápění na odpadní teplo z bioplynové stanice je spojena se značnými náklady. Čím větší je vzdálenost mezi stanicí a spotřebitelem, tím jsou náklady vyšší. Ve většině projektů jsou vzdálenosti udržovány pod hodnotou 4 km. Vzhledem k vysokým nákladům na instalaci a značnému úsilí vynaloženému na nastartování provozu systému se většinou mezi dodavatelem a spotřebitelem jedná o dlouhodobých smlouvách. Celkem existují tři různé koncepty systémů pro dálkové vytápění, konkrétně jde o dodávku tepla pro základní zatížení, úplnou tepelnou dodávku a prodej tepla společnostem, které ho dále distribuují.
25
Obrázek 11:Přípojné zařízení (včetně tepelného výměníku) koncového zákazníka připojené k systému dálkového vytápění, Achental, Německo (Zdroj: Rutz)
Obrázek 12:Instalace tepelného potrubí mezi budovami farmy (Zdroj: Thermaflex Isolierprodukte GmbH)
26
Teplo pro základní zatížení V této koncepci dodává provozovatel bioplynové stanice spotřebiteli pouze dostupný zlomek tepla. Dodavatel tedy neručí za plnou dodávku tepla. Pro spotřebitele je nutné, aby byl vybaven dodatečným kotlem, který může být využit v případě, že stanice zrovna nedodává dostatečné množství tepla. Taková situace nastává zejména ve špičce nebo v momentech, kdy stanice není v provozu (např. při selhání systému, v průběhu údržby apod.). Při dodávce pro základní zatížení je z hlediska provozovatele bioplynové stanice nebezpečí redukováno na minimum. Na druhou stranu neobdrží provozovatel přiměřené ceny za poskytovanou službu. Spotřebitelé tak obecně mají prospěch z nízkých cen tepla, ale musí hradit náklady za instalaci a údržbu dalších kotlů. Úplná dodávka tepla V této koncepci je zákazníkovi dodáváno všechno potřebné teplo. V plné dodávce je zahrnuta i dodávka ve špičce, např. v chladném zimním období či dodávka v případě údržby nebo selhání bioplynové stanice. V Německu se v mnoha smlouvách garantuje dodávka do 15 °C. Za takové situace má provozovatel bioplynové stanice vyšší výdělky, vzhledem k tomu, že musí být u spotřebitele nainstalován nouzový zdroj. V takovém případě je optimální přítomnost připojení k rozvodné síti zemního plynu, protože ten může být rovněž spalován v kogenerační jednotce bioplynové stanice. V rámci této koncepce je situace pro provozovatele značně obtížnější, neboť musí zajistit nepřetržitou dodávku tepla dle smluvního ujednání. Zákazník na druhou stranu musí za tuto službu uhradit vyšší částku. Prodej tepla subjektům, které ho dále distribuují Poslední možnost představuje prodej tepla lokálnímu subjektu, který teplo dále distribuuje nebo poskytuje energetické služby. Takový subjekt se následně zavazuje k úplné dodávce tepla spotřebiteli, a tudíž působí jako určitý prostředník. Subjekty nesou zodpovědnost za provoz vlastních kotlů, které mohou pracovat např. na zemní plyn, fosilní paliva, biopaliva, štěpky, bionaftu nebo rostlinné oleje.
Obrázek 13:Izolované potrubí pro dálkové vytápění, Německo (Zdroj: Rutz)
Obrázek 14: Výstavba systému dálkového vytápění, Německo (Zdroj: Rutz)
27
Obrázek 15: Spirálový výměník tepla, Obrázek16: Bioplynový kotel s kapacitou 1 500 kW, Dánsko (Zdroj: Dánsko (Zdroj: Rutz) Rutz)
Plánování systému lokálního zásobování teplem Pro plánování sítě lokálního zásobování teplem je důležité vzít v úvahu, že se do takového procesu obvykle zapojuje několik stran. Jedná se o provozovatele bioplynové stanice, odběratele tepla, vlastníky pozemků v rámci přepravní trasy, místní úřady, teplárenské společnosti, projektanty, stavební firmy a obyvatele v dotčené lokalitě. S jejich účastí by se mělo počítat již v začátcích přípravy koncepce využití tepla. Aby byl plánovaný záměr realizovatelný, musí být technicky a ekonomicky proveditelný. K tomu je potřeba získat data o stávající spotřebě tepla potenciálních zákazníků. To znamená, že musí být známy roční odběrové diagramy tepla včetně špičkových spotřeb (Schröder 2007). Zároveň je důležité zohlednit i předpokládaný budoucí vývoj spotřeby tepla (plánované rekonstrukce budov apod.). Nejjednodušší cestou jak určit výši spotřeby, je využití údajů minulých faktur za teplo u jednotlivých spotřebitelů tepla. Bývá doporučováno získat takto údaje za několika posledních let. Taková metoda je vhodná zejména v případě malého počtu spotřebitelů a poptávky, která je výrazně nižší než tepelná kapacita bioplynové stanice. Další metodou pro určení spotřeby tepla je měření. Jedná se o měření hodinové, denní a měsíční. U větších zařízení jsou někdy samotné tepelné systémy automaticky monitorovány, takže je získání dát značně jednodušší. Podrobná měření v případech pokrytí veškeré spotřeby tepla v průběhu roku představují nutnost zejména za úplné dodávky tepla nebo v případě, že potřeba tepla je přibližně stejná jako tepelná kapacita bioplynové stanice. Za pomoci naměřených údajů je možné stanovit diagram průměrných potřeb a diagram doby trvání tepelného výkonu. Diagram potřeby tepla (heat load curve) ukazuje skutečnou spotřebu tepla obvykle v průběhu roku (8 760 hodin). Poskytuje tak informace ohledně celkové dodávky tepla, zatížení ve špičkách a další časové charakteristiky zatížení . Diagram trvání tepelného výkonu (heat load duration curve) je podobný diagramu potřeby tepla, ale odlišuje se v tom, že údaje jsou uvedeny v sestupném pořadí dle velikosti, nikoli chronologicky. Obrázek 17 ukazuje příklad takové křivky pro střední velikost topné soustavy. Rovněž je v něm znázorněná základní dodávka tepla z bioplynové stanice o tepelném výkonu 600 kW th a době provozu 7 200 hodin. Z diagramu vyplývá, že dodávka ve špičkách musí být doplnována dalším zdrojem. Pokud by kompletní dodávka tepla měla být v tomto 28
případě zajištěna z bioplynové stanice, musela by taková stanice mít tepelný výkon okolo 1 800 kW th.
Obrázek 17: Příklad diagramu doby trvání tepelného výkonu, včetně znázornění dodávky tepla z BPS o výkonu KJ 600 kW
Obrázek 18: Příklady křivek průměrných potřeb tepla během roku, pro BPS výkonu 600 kWth , střední Evropa
29
Následně mohou být provedeny konkrétní výpočty spotřeby tepla. V případě budov výpočty zahrnují údaje o rozloze vytápěných obytných prostorů, charakteru izolace, počtu osob používajících teplou vodu a o místních klimatických podmínkách. Kromě dat ohledně spotřeby musí být samozřejmě co nejlépe naplánována samotná dodávka tepla z kogenerační jednotky. Zde jsou důležité technické údaje od samotného výrobce, obzvláště pak hodnota celkového tepelného výkonu. Skutečnost však ukazuje, že hodnota tohoto parametru je obvykle o 3% nižší, než bývá výrobcem deklarováno (Gaderer a kol. 2007). Dále je nezbytné počítat s teplem pro ohřev fermentorů v průběhu roku. Na Obrázek 18 je uveden příklad sezónní dodávky tepla z kogenerační jednotky. Tento příklad je průkazný zejména vzhledem k zvážení velkých rozdílů ve spotřebě tepla v létě a zimě. Produkce tepla, stejně jako jeho potřeba, je značně ovlivněna místními klimatickými podmínkami. Nejdůležitějším údajem jsou tak nejnižší teploty v lokalitě, protože ovlivňují množství a dobu dodávky tepla ve špičce a současně maximální výkon instalovaného tepelného systému. Klimatická data zprostředkovávají veřejné meteorologické instituce. Za pomoci těchto údajů a dat spojených s konkrétními připojenými objekty (typ budovy a její tvar, úroveň izolace, velikost okenních ploch, účel budovy) je možné stanovit velmi přesnou hodnotu potřeby tepla v závislosti na ročním období. V případě potřeby mohou být do soustavy zařazeny akumulátory tepla (buffer tanks). Ty se používají pro vyrovnání denních či krátkodobých výkyvů ve spotřebě tepla. Dle Gaderera a kol. (2007) v Německu umožňuje bioplynová stanice s výkonem 150 kW el a akumulátorem tepla zásobovat teplem 20 jednotlivých rodinných domků, při kapacitě 500 kW el je to až 57 domků. Druhým typem akumulačních systémů jsou sezónní skladovací systémy, které umožňují ukládat odpadní teplo vyrobené v létě na zimní měsíce. V tomto případě Gaderer a kol. (2007) ukázal, že kapacita 150 kW el postačí pro zásobování 48 rodinných domů (135 domů pak v případě kapacity 500 kW el). Sezónní skladovací systémy jsou většinou konstruovány jako tepelný vrt, který uchová tepelnou energii přímo v půdě. Teplo je pak přenášeno prostřednictvím průtočného potrubí nebo U-smyček. 3.1.2
Stáje
Vepříny a drůbežárny jsou v provozu celý rok, zimní měsíce nevyjímaje. Aby byla zachována celoroční produkce (případně zvýšená), jsou stáje často a obzvláště v zimě vytápěné. Propojení bioplynové stanice a těchto provozů umožňuje využití produkovaných odpadů pro výrobu bioplynu a následné využití odpadního tepla z KJ pro temperaci stájí. Tato synergie může být ve velké míře využita pro velkochovy. Je však využitelná i pro menší chovy zvířat, vzhledem k tomu, že v těchto případech se chovají zvířata ve větších prostorech. Chov prasat Vyhřívání prostoru pro chov prasat může značně přispět ke zlepšení celkových podmínek a tím i k vyšší produktivitě celé farmy. Prasata vyžadují teplé a suché stáje, které je chrání před chladnými zimami. Následující teploty jsou pro jednotlivé věkové kategorie prasete považovány za optimální:
1. týden: 32°C
2. – 4. týden: 28°C
4. – 8. týden: 22-27°C
Výkrm: 20°C
Vyšší teploty vyžadují zejména malá prasata (selata). Na trhu existují různé typy vyhřívacích systémů, jako jsou zónové ohřívače nebo topné podložky. Spotřeba tepla na jedno prase je zhruba 16 kWh za měsíc v klimatických podmínkách jižního Německa (Schulz a kol. 2007).
30
Chov drůbeže Chov drůbeže zahrnuje chov domestikovaných ptáků jako například kuřata, krůty, kachny a husy za účelem produkce masa nebo vajíček. Kuřata patří mezi nejpočetnější drůbež. Pro jejich chov existuje řada možností, nejvhodnější je však chov v krytých systémech. Kuřata na maso (tzv. brojleři) jsou chována na podlaze velkých stájí. Takové objekty jsou vybaveny krmnými, ventilačními a tepelnými systémy. Typická teplota stájí pro chov brojlerů je uvedena v Tabulka 3. Je rozdíl mezi centrálním vyhřívacím systémem pro stáj, který vytápí celou stáj, a tepelným zářičem, který pokrývá pouze část objektu (plochy pod zářičem, obvykle napájen elektřinou). Tabulka 3: Optimální teploty stájí pro chov kuřat (Berk 2008)
3.1.3
Věk (dny)
Centrální vyhřívací systém pro stáj [°C]
Zářič [°C]
1-2
36-34
32-31
3-4
32-31
30
5-7
30-29
29-28
8-14
29-27
28-26
15-21
26-25
25
22-28
24-23
24
29-35
22-20
22-20
36-42
21-19
21-19
>43
20-18
20-18
Skleníky
Skleníky (Obrázek 19) často potřebují velké množství energie pro vytvoření těch nejlepších podmínek k pěstování rostlin. Náklady na vytápění patří obvykle mezi nejvyšší provozní náklady. Teploty okolo 20-25°C jsou požadovány i v chladných ročních obdobích. Proto představuje využití odpadního tepla z bioplynových stanic dobrou a levnou volbu. Předpokladem samozřejmě je, že skleník se nachází v blízkosti stanice. Vzhledem k tomu, že ohřívače vzduchu mají pro použití ve sklenících několik nevýhod, je nejvhodnějším vytápěcím systémem pro skleníky cirkulační vodní ohřev (Obrázek 20), neboť může být přesně nastaven a vnitřní cirkulace vzduchu ve skleníku potlačena. Důležitým faktorem pro určení, zda je konkrétní skleník vhodný pro vytápění odpadním teplem, bývá tepelná potřeba. Gabloffsky (2007) uvádí, že roční potřeba tepla pro skleník v Německu vytápěný na teplotu 20°C je zhruba 600 kWh/m². Izolace skleníků se stále vyvíjejí, ale bývají značně limitovány faktem, že je třeba, aby krytím pronikal i dostatek světla. Pro výpočet spotřeby tepla může být využita Rovnice 6 (BDEW 2009):
31
Rovnice 6
Spotřeba tepla [W] A
Povrch průhledn ho krytu [m2] (pro plochu podlahy [m²] x 1.4)
u’
Sou initel prostupu tepla [W/m2 K]
ti
Vnitřn teplota sklen ku [°C]
ta
Minim ln venkovn teplota v lokalitě [°C]
Součinitel prostupu tepla u’ udává požadavky na množství tepla pro různé typy skleníků a pohybuje se v mezích od 4,6 pro skleníky s dvojitým krytím a smíšeným vytápěcím systémem do 10 pro jednoduché skleníky s fólií a nadzemním tepelným potrubím. Je potřeba vzít v úvahu, že největší potřeba tepla pro skleníky nastává v zimě, v období pozdního podzimu a časně na jaře. Zároveň však množství odpadního tepla produkovaného bioplynovou stanicí je v takových ročních obdobích nižší, protože nastává potřeba k vytápění fermentorů. Nabízí se možnost využívat zásobníky tepla, ale většinou se jedná o velmi drahou záležitost. Pro přesné plánování tepelné spotřeby skleníku je skutečně nezbytné provést detailní analýzu potřeb. V neposlední řadě by mělo být zváženo i využití CO2 z výfukových plynů kogenerační jednotky k podpoře růstu rostlin ve skleníku.
Obrázek 19: Aklimatizované skleníky v Německu (Zdroj: Rutz)
32
Obrázek 20: Radiátor tepelného systému pro skleník, Německo (Zdroj: Rutz)
3.1.4
Akvakultury
Pro provoz integrovaných akvakulturních systémů existuje mnoho příležitostí. Například v rámci Zavlažovacích systémů a Integrovaného chovu ryb (IFFI) existuje projekt, kde byla mezi vodní zdroj a zavlažované pole umístěna rybí farma, která poli zprostředkovává potřebné živiny. Cílem koncepce Aquaponic je vytvořit udržitelnou eko-technologii pro integrování a zkombinování akvakultury a zahradnictví s minimalizací emisí a optimalizací opakovaně použitelných vodních toků. Akronym Aquaponic sestává ze slova akvakultura a hydroponie. Existují však i další koncepty. V případě propojení bioplynových stanic a akvakultur může dokonce dojít k řešení výhravýhra. V některých systémech bývá jako digestát použito hnojivo pro akvakulturu. V jiných systémech je zase jako vstupní surovina pro fermentaci použit akvakulturní odpad. V posledních několika letech byl v Evropě vyvinut nový koncept – využití odpadního tepla bioplynových stanic pro vyhřívání akvakultur. Mořské ryby a korýši či jiné vodní organismy jsou obecně stále vzácnější. Bývají proto čím dál častěji uměle pěstovány se značným dopadem na životní prostředí. Vyhřívané akvakultury jsou v Evropě díky vysokým energetickým nárokům stále vzácností. Využití odpadního tepla z bioplynových stanic nabízí nové šance pro farmáře jak produkovat další vysoce kvalitní výrobky. Akvakultury mohou být novým a zajímavým zdrojem příjmů, který zároveň umožňuje kultivaci tropických druhů v evropských klimatických podmínkách. Několik projektů ve střední Evropě, které byly nedávno připraveny, vypadá velmi slibně. Zároveň jsou ale takové projekty spojeny s velkým rizikem a předpokladem je velký zájem provozovatele o akvakulturu. Pro plánování tohoto typu projektů jsou velmi důležité následující faktory:
Připojení k několika vedením vody či odpadních vod
Znalosti provozovatele akvakultury
Znalosti trhu s rybami
Dostupnost (místního) trhu
33
Cena a množství produktů
Právní rámcové podmínky
Investiční náklady
Dostupnost a vhodnost technologií
Vyhřívané akvakultury mohou existovat ve formě klasické pozemní líhně, ale stále více bývají implementovány tzv. systémy uzavřených akvakultur. Systémy existují pro sladkovodní i mořské druhy ryb a korýšů různých klimatických pásů. Systémy akvakultur v Evropě jsou nejčastěji umístěny v halách, speciálně pokud je třeba u tropických druhů udržovat korektní tepelné podmínky. Systém se skládá z několika rybníčků, které bývají vyrobeny z betonu nebo syntetických materiálů. Pro řešení cirkulace vody existují různé přístupy – čištění v rámci centrálního systému nebo pro každou vodní jednotku odděleně. Pro kultivaci různých druhů musí být vytvořeny ideální podmínky růstu. Takové podmínky jsou ovlivněny následujícími parametry: krmení, kvalita vody, hygienické podmínky, teplota vody, větrání, počet ryb v jednotce objemu. Nejzásadnějším parametrem je však čistota prostoru a hygienické podmínky. Musí být nastaveny tak, aby se zabránilo různým onemocněním či patogenům, a tím se vyhnout potřebě medicínských aplikací. Vzhledem k mikroorganickým filtračním systémům nemohou být v rámci nádrží aplikována žádná antibiotika, která by měla obecně špatný vliv, a mohla by takové organismy dokonce zničit. V rámci zajištění kontinuálního průběhu může být několik výše zmíněných parametrů snadno monitorováno. Další klíčový parametr představuje spotřeba energie, kde asi jedna třetina energie dodané je spotřebována na elektřinu a zbylé dvě třetiny na teplo (Schulz a kol. 2007). Teplo je potřebné na výhřev vody a na celoroční klimatizaci hal. Teploty pro výhřev rybníků se liší v závislosti na druhu ryb a korýšů. Ideální teploty se pohybují mezi 20°C a 32°C. Například sumeček africký (Clarias gariepinus) je v rámci projektu v Německu (Landgenossenschaft Pröttlin) chován za teploty 27°C. Jiný německý projekt (www.garnelenhof.de) zajišťuje chov bílých tygřích krevet (Peneauus vanamei) za optimální teploty o hodnotě 30°C. Tabulka 4 ukazuje ideální teploty vody pro různé druhy ryb a korýšů. Příklady technologických výrobců, kteří se v oblasti kombinace bioplyn-akvakultura pohybují, zahrnují firmy PAL Anlagenbau GmbH (www.pal-anlagenbau.de), F & M Anlagenbau GbR (www.f-m-aqua.de), a International Fish Farming Technology (http://p113585.typo3server.info). Požadovaný prostor pro systém uzavřených akvakultur závisí na chovaných druzích, ale obecně se pohybuje mezi 6 a 10 m² na tunu roční produkce (Schulz a kol. 2007). Často se pro instalaci těchto systémů dají využít staré zemědělské haly. Pro typickou stanici o produkci 100 t/rok je vyžadován jeden pracovník na plný úvazek. Tento by měl mít kvalitní znalosti o akvakulturách a celkovém procesu. Typické pořizovací náklady systému uzavřených akvakultur se pohybují okolo hodnoty jednoho milionu eur, ale samozřejmě se zásadně odvíjí od velikosti, chovaných druhů, atp. Kromě potřeby tepla pro ohřev vody a aklimatizaci hal se dalším využitím stává následné zpracování, například proces porážky. Teplá voda je zde nutná pro čištění zařízení a zajištění hygienických podmínek. V neposlední řadě může být teplo využito pro chlazení. Tabulka 4: Potřebné teploty vody pro různé typy ryb a korýšů
Název druhu
Vědecké označení
Úhoř říční
Anguilla anguilla
Sumeček africký
Clarias gariepinus
Sladkovodní krevetky
Macrobrachium
34
Teplota [°C]
Typ
23-25
Sladkovodní ryba
27
Sladkovodní ryba
26-32
Sladkovodní korýš
rosenbergii Tygří kreveta černá
Penaeus monodon
24-34
Mořský korýš
Tygří kreveta bílá
Peneauus vanamei
30
Mořský korýš
Candát
Sander lucioperca
22-25
Sladkovodní ryba
Kambala
Scophthalmus maximus
16-20
Mořská ryba
Sumec velký
Silurus glanis
24
Sladkovodní ryba
Tilápie
Tilapia sp.
24-26
Sladkovodní ryba
3.1.5
Přenos tepla v kontejnerech
V některých případech nemusí být možné instalovat systémy dálkového vytápění, ať už kvůli příliš velkým vzdálenostem nebo kvůli právním či jiným rámcovým podmínkám. V takové situaci je možné uvažovat právě o konceptu přenosu tepla v kontejnerech. Je potřeba vzít v úvahu, že v současné době není tato možnost široce uplatňována. Jen několik výrobců aktuálně nabízí takovéto systémy pro tepelné skladování. Myšlenkou je ukládat odpadní teplo z bioplynové stanice v mobilních kontejnerech. Obvykle se jedná o standardizované neizolované kontejnery (6.10 m x 2.44 m). Kontejnery nemusí být izolovány, protože energie je chemicky uložena a není třeba vysokých teplot jako u jiných systémů. Jakmile je kontejner nabit, může být převezen kamiony ke spotřebiteli. Přepravní vzdálenosti se pohybují od 1 do 30 km, pokud uvažujeme bioplynovou stanici o kapacitě 500 kW el (Gaderer 2007). Dle Kralemanna (2007) by vzdálenost přepravy neměla přesahovat 20 km, protože maximální provozní zatížení se pohybuje okolo 4 000 hodin. Hlavním úkolem je efektivně ukládat teplo uvnitř kontejneru. Pro tuto činnost existují dvě zásadní technologie:
Latentní systémy pro skladování tepla
Termodynamické systémy pro skladování tepla
V latentních systémech pro skladování tepla z bioplynových stanic může jako látka s fázovou změnou (phase change material, PCM) sloužit rozpuštěný octan sodný (trihydrát), který je považován za bezpečnou sůl. Rozpuštěný octan sodný má teplotu 58°C. Pro proces nabíjení by měl existovat alespoň desetistupňový rozdíl, protože 68°C je potřebných pro zdroj tepla v systémech s rozpuštěným octanem sodným. Nízká teplota tání umožnuje využívat systém pro aplikace, které vyžadují teplotu okolo 48°C. Šíře aplikovatelnosti je tedy limitována. Zhruba 6 m vysoký kontejner o kapacitě 26 t má tepelnou kapacitu okolo 2,5 MWh, což je ekvivalentní hodnotou ke zhruba 250 l topného oleje (Schulz a kol. 2007). Výkon se při teplotách 70/90°C pohybuje okolo 250 kW a čas nabíjení je zhruba 10 hodin. Vybíjecí výkon je při teplotách 48/38°C roven 125 kW a vybíjecí čas se blíží 20 hodinám. Dalším vhodnou PCM sloučeninou je rozpuštěný hydroxid barnatý (oktahydrát) s bodem tání na 78°C. Vzhledem k jeho nebezpečným vlastnostem existují zvláštní požadavky na bezpečnost. Hospodárné skladovací systémy žádají vysoké vnitřní tepelné toky, které jsou závislé především na tepelné vodivosti skladujícího materiálu. Nekovové materiály se obvykle vyznačují nízkou tepelnou vodivostí, zejména v pevném skupenství působí jako tepelný izolant. Navýšení efektivní tepelné vodivosti ve skladovacím zařízení má zásadní význam pro vývoj hospodárných skladovacích systémů (DLR 2012). 35
Mezi poskytovatele technologie v současné době patří společnosti LaTherm (www.latherm.de) (Obrázek 23) či Transheat (www.transheat.de) . Transheat nabízí kontejner (Obrázek 22, Obrázek 21), ve kterém je teplo přenášeno tepelným výměníkem na topný olej. Olej je napumpován do nádrže, kde se smísí s octanem sodným, čímž přesune a uchová teplo tavením soli.
Obrázek 21: Schéma latentního systému pro skladování tepla (TransHeat GmbH)
Obrázek 22: Železniční vagon se zásobníkem latentního tepla (Zdroj: TransHeat GmbH)
Obrázek 23: Přívěs s kontejnerem zásobníkem latentního tepla (Zdroj: LaTherm GmbH)
V termodynamických skladovacích systémech (sorpčních tepelných skladištích) jsou užity tzv. zeolity. Zeolit je mikroporézní, hlinito-silikátový minerál, běžně používaný jako komerční adsorbent. Vzhledem ke své porézní struktuře mají zeolity velmi rozsáhlý povrch. Jeden gram zeolitových pelet má plochu až 1,000 m² (Fraunhofer 2012). Když procházejí vodní páry materiálem ze zeolitu, je pára adsorbována a teplo uvolněno. Tyto systémy tak nejsou vhodné jen pro skladování tepla, ale zároveň pro účely sušení. 36
Dle Fraunhofera (2012) může systém uložit třikrát až čtyřikrát více tepla než by bylo možné uložit ve vodě. Systém tak vyžaduje kontejnery s pouhým čtvrtinovým objemem než je objem vodní nádrže. Další výhodou je fakt, že teplo zde může být skladováno po delší dobu. Energetické ztráty nastávají v momentě nabíjení a vybíjení kontejneru, nikoli však v procesu samotného skladování. Takový systém však ještě není komerčně dostupný. Výzkumníci z Fraunhoferova Institutu v Německu aktuálně vyvíjejí aplikaci pro demonstraci na úložišti s objemem 750 l. Obecně musí být vzato na vědomí, že pro trvalou dodávku tepla musí být zkonstruován sofistikovaný logistický systém. To znamená dostatek úložných kontejnerů a co nejkratší časy nabíjení a vybíjení. Minimální počet potřebných kontejnerů lze vypočíst z následujícího vzorce (Schulz a kol. 2007): Vzorec 7
N
Minim ln celkový po et kontejnerů
nL
Minim ln po et kontejnerů v m stě nab jen
nC
Minim ln po et kontejnerů u spotřebitele Celkový potřebný tepelný výkon [kW] Nab jec výkon jednoho kontejneru [kW] Vyb jec výkon jednoho kontejneru [kW]
Dále je důležité, aby byla zajištěna dobrá dopravní dostupnost, která umožní transportovat 26 t kontejnery. Proto není špatné zvážit zapojení externí logistické firmy. Jak již bylo zmíněno výše, systémy pro přepravu tepla v kontejnerech v současnosti ještě nezaujímají příliš podstatnou pozici. Pro zahájení nových projektů musí být zváženy minimálně následující faktory:
Aplikace technologie se doporučuje, pouze pokud neexistují jiné možnosti přímého vytápění
Maximální přepravní vzdálenosti do 30 km
Obecné riziko vzhledem k nedostatku zkušeností s těmito systémy
Minimální potřebný výkon zdroje tepla pro nabíjení výkon 250 kW
Minimální potřebný vybíjecí výkon v místě spotřeby tepla 125 kW
V závislosti na systému jsou nabízeny pouze nízké tepelné úrovně (např. 48 nebo 78°C)
Dopravní dostupnost a místo pro kontejnery
Konflikty s okolními obyvateli vzhledem k zvýšené dopravě
Počet nabíjecích cyklů je teoreticky neomezený, ale neexistují o tom žádné dlouhodobé zkušenosti
3.1.6
Vyhřívání pro jiné účely
Existuje celá řada dalších možností, kde lze přímé či nepřímé vyhřívání odpadním teplem využít:
Výroba léčiv: ohřev pro sušení a extrakční procesy z bylin 37
Prádelny: horká voda pro praní textilií
Mlékárenský průmysl: ohřev a chlazení mléčných výrobků
Produkce řas: ohřev a chlazení reaktorů
Potravinářský průmysl: horká voda a pára pro zpracování, čištění a hygienizaci
Odpadové hospodářství: hygienizace odpadních surovin
3.2
Sušení
Kromě přímého využití pro různé účely může být odpadní teplo z bioplynových stanic aplikováno jako prostředek sušení materiálu. Z hlediska bioplynové stanice patří mezi nejdůležitější materiály digestát, čistírenské kaly, tuhá biomasa (dřevní štěpka, piliny) a zemědělské produkty. Proces sušení je všeobecně ovlivněn následujícími faktory:
Teplota
Množství tepla
Vlhkost vzduchu
Vlhkost materiálu a obsah vody
Doba zpracování
Rychlost větrání
Typ materiálu
Zvolená teplota závisí na tom, jaký materiál bude sušen a pro jaký účel bude dále používán. Dřevinné materiály mohou být sušeny za vyšších teplot, potravinářské produkty za nižších a semenný materiál za co nejnižších. Kromě teploty je důležitým faktorem vlhkost okolního vzduchu. S navyšující se teplotou může být obsah par ve vzduchu vyšší. Vzduch je nasycen vodou v případě 100% relativní vlhkosti. Pro odhad a plánování procesu sušení jsou často užívány h-x diagramy (Obrázek 24). Ukazují absolutní obsah vody ve vlhkém vzduchu (x), relativní vlhkost (%), teplotu (°C), a entalpii (h). Za pomoci těchto diagramů lze určit maximální množství vody, které okolní vzduch vysaje ze sušeného materiálu. V příkladu (převzato z Kirchmeyr & Anzengruber 2008) na Obrázek 24, je ukázáno, kolik další vody (páry) může vzduch pojmout při teplotě 20°C a 10% relativní vlhkosti. Jedná se zhruba o 0,0094 kg vody na kg vzduchu (0,005 kg/kg mínus 0,0144 kg/kg). Pro získání přesnějších čísel musí být použity speciální výpočty. Diagram rovněž ukazuje, že u sušicích procesů se s narůstající teplotou významnost počáteční vlhkosti vzduchu snižuje.
38
Obrázek 24: h-x diagram (1 013 mbar) (Zdroj: Grundfos 2012)
Tabulka 5: Obsah vody ve vzduchu za různých teplot (Kirchmeyr & Anzengruber 2008)
Teplota v °C
Maximální zadržování vody ve vzduchu za 35% relativní vlhkosti [g/kg]
Maximální zadržování vody ve vzduchu za 100% relativní vlhkosti [g/kg]
Další absorpce vody ve vzduchu [g/kg]
20
5,0
14,4
9,4
30
9,1
36,1
16,4
40
15,9
45,4
26,9
50
39,6
113,1
73,5
Obsah vody a vlhkost biomasy (dřeviny, byliny) jsou dvě nejdůležitější veličinypro charakterizaci vlhkosti v materiálu. Vypočítají se dle následujících vzorců (Vzorec 8 až Vzorec 12).
39
Vzorec 8 Vzorec 9
Vzorec 10
Vzorec 11
Vzorec 12
mw
Množstv vody v materi lu [kg]
mm
Množstv vlhk ho materi lu[kg]
md
Množstv such ho materi lu [kg]
w
Obsah vody [%]
u
Vlhkost materi lu [%]
Huw
Výhřevnost [MJ/kg] materi lu s obsahem vody w
Hua
Výhřevnost [MJ/kg] such ho materi lu v bezvod m stavu
2.44
Energie při odpařen [MJ/kg] vody za teploty 25°C
Obsah vody w a vlhkost materiálu u jsou ve vzájemném vztahu a mohou být snadno převedeny (Vzorec 11). 50% obsah vody je ekvivalentní k 100% vlhkosti materiálu. Vlhkost tak může dosahovat hodnot nad 100%. Typický obsah vody v čerstvé dřevině se pohybuje okolo 45-60%. Dalším důležitým faktorem procesu sušení je potřebný čas na vysušení materiálu a rovněž závislost na sezónnost dostupnosti vstupního materiálu. Sezónnost některých materiálů a maximální teploty vhodné pro sušení jsou uvedeny v Tabulka 6. Tabulka 6: Sezónnost a maximální teploty pro sušení různých materiálů
Materiál Štěpky a piliny z lesů Štěpky a piliny z krajinné údržby Štěpky z rychle rostoucích sadů Obiloviny Léčivé a kořenné rostliny Digestát a kaly
40
Období pro sušení
Maximální teploty pro sušení [°C]
Zima
55-150
Celý rok
55-150
Zima
55-150
Červenec – Srpen
30-65
Červen – Říjen
25-50
Celý rok
55-95
Všeobecně existuje mnoho technologií pro sušení. Vhodné technologie pro relativně nízké teploty odpadního tepla z bioplynových stanic zahrnují pásové a komorové sušičky (Tabulka 7). Tabulka 7: Technologie pro sušení a jejich základní charakteristiky
Typ sušičky
Materiály k sušení
Charakteristika
Komorová sušička
Obilí, kukuřice, semena a ostatní sypké hmoty
Horký vzduch prostupuje materiálem v horizontálních či vertikálních kontejnerech (silech, nákladních autech…). Jedná se o nejjednodušší sušičku. S materiálem není aktivně pohybováno. Jde o velmi levnou a vhodnou metodu pro nízkokapacitní stanice: pro pěstování obilí s rozlohou do 100 ha či zdroje tepla o výkonu do 500 kW th.
Pásová sušička
Digestát (separovaný), dřevní štěpky, obilí, kukuřice, kukuřičná siláž
Horký vzduch prostupuje materiálem, který je zvolna posouván na páse. Vzhledem k vyšším pořizovacím nákladům je tato technologie všeobecně vhodná pro zdroje tepla o výkonu nad 500 kW th.
Žlabová sušička
Olejniny, byliny, trávy, pelety, granuláty, dřevní štěpka
Horký vzduch proudí dvojitým dnem (mřížovitým) skrz materiál. Pádlovitá zařízení současně materiál promíchávají.
Bubnová sušička
Sypký materiál z prostředí zemědělství a údržby krajiny
Materiál prostupuje horizontálním bubnem. K řádnému chodu jsou potřebné teploty okolo 1 000°C, proto tento typ není vhodný pro bioplynové stanice.
3.2.1
Digestát a kaly
Digestát představuje zbytek po procesu anaerobní fermentace a kaly z čistíren odpadních vod. V závislosti na jejich složení a charakteristikách mohou být tyto využity bez dalších úprav např. jako hnojivo. Skladování, přeprava a aplikace digestátu vede ke značným nákladům (ve srovnání s využitím jako hnojiva). V případě digestátu se náklady značně navyšují v zemích s intenzivní živočišnou produkcí (Dánsko, Německo, Itálie, Francie), kde existují striktní regulace v rámci omezení množství živin na jednotku zemědělské půdy (Al Seadi a kol. 2013). Tyto regulace vyžadují přepravovat a redistribuovat živiny do méně intenzivně využívaných zemědělských oblastí. Z důvodů snížení nákladů na přepravu je vhodné digestát upravovat. Prvním krokem v systému zpracování digestátu je separace pevné a kapalné složky. Tato separace probíhá většinou mechanicky (vřetenové lisy, dekantační odstředivky). Suchá část digestátu může být dále vysoušena nebo kompostována. Sušení digestátu mohou zajišťovat solární sušičky ve sklenících nebo právě odpadní teplo z bioplynových stanic. Tyto dva systémy se dají kombinovat (hybridní sušení). Na pásové sušičce (Obrázek 25) je digestát neustále přepravován skrz vysoušecí komoru na perforovaném pásu. V těchto komorách prostupuje materiálem horký vzduch a vysušuje ho. Sušený materiál může být využit v zahradnických oblastech buď přímo nebo v peletizované formě. Rovněž může být využit ve školkách speciálních pěstebních systémů např. pro pěstování hub. Lokální situace na trzích přímo ovlivňuje prodejnost kompostu či sušeného digestátu. Zároveň musí být zváženy standardy pro kvalitu a související právní předpisy. 41
Typickou bariérou prodeje výše zmíněných produktů může být vysoká koncentrace těžkých kovů. Tento stav následně ovlivňuje, zda jsou produkty užity na hnojení zemědělské půdy či pouze v parcích a zahradách. Takové místní rámcové podmínky přímo ovlivňují zisky provozovatele stanice. Dle příslušných předpisů je často další úprava čistírenských kalů nezbytnou podmínkou pro jejich užití. Jedná se o přímou aplikaci jako hnojiva (které je však taky s ohledem na nečistoty často regulováno) nebo sušení s následným spalováním. Metody sušení jsou prakticky stejné jako v případě digestátu. Sušené kaly mohou být spalovány ve spalovnách. Obecně platí, že potřeba tepla na vysoušení digestátu nebo kalů je v průběhu roku víceméně neměnná. Pokud jsou systémy dostatečně rozsáhlé, materiál může být vysoušen v závislosti na dostupném teplu. Tato metoda představuje efektivní způsob jak využít velké množství odpadního tepla. Užití tepla pro vysoušení digestátu a následnou peletizaci se aktuálně zvažuje v rámci několika záměrů stavby bioplynových stanic. Pelety z digestátu mohou být užity pro výrobu elektrické energie ve větších spalovacích zařízeních. Tento proces odporuje principu uzavřeného cyklu živin a náhradě umělých hnojiv organickými. Tento přístup proto není autory doporučován.
Obrázek 25: Pásová sušička pro sušení digestátu (Zdroj: STELA Laxhuber GmbH)
3.2.2
Piliny, štěpky a pelety
Poptávka po palivech z pevné biomasy a speciálně dřevní biomasy neustále roste. Právě vytěžené (čerstvé) dřevo obsahuje vysoký poměr vody (50-65%). Tato voda je fyzikálně i chemicky vázána přímo ve dřevě. V závislosti na konečném využití musí dřevo vyhovovat určitým standardům, co se maximálního obsahu vody týče. Zejména u menších spalovacích jednotek musí být dřevo z následujících důvodů dostatečně suché (Rutz a kol. 2006; Hiegl a kol. 2011):
42
Čím vyšší je obsah vody, tím méně energeticky účinné je spalování, protože část energie se “ztrácí” při jejím odpařování. Výhřevnost je vyšší, pokud je dřevo suché.
Skladovatelnost dřeva je lepší, pokud má obsah vody nižší než 25%, protože se tím zhoršují podmínky pro růst mikroorganismů (plísně a bakterie)
Růst těchto mikroorganismů vede k úbytku dřevní hmoty, a tudíž ke snížení energetického obsahu.
Uvolněné výtrusy hub (ve štěpce) mohou vést ke zdravotním rizikům.
Další zpracování některých produktů vyžaduje minimální vlhkost. Například piliny z čerstvého dřeva musí být před peletizací vysušeny.
Logistické výhody pro dálkovou dopravu (snížení objemu a váhy).
Závislost výhřevnosti dřeva na obsahu vody je znázorněna na Obrázek 26. Čím vyšší je obsah vody, tím nižší je výhřevnost.
Obrázek 26: Výhřevnost dřeva ve vztahu k obsahu vody (Zdroj: FNR 2012)
Sušení dřeva lze provádět různými postupy. Nejjednodušší variantou je venkovní uložení dřeva po dobu 1-3 let, v závislosti na tloušťce a druhu dřeva). Vzhledem ke zvýšené poptávce po dřevu a novým produkčním postupům (rychle rostoucí dřeviny) se čas stává limitujícím faktorem a dlouhodobé skladování zvyšuje náklady. Proto se stává umělé sušení stále důležitějším a užívanějším postupem. Kulatinu lze získat v lesích, speciálních dřevních plantážích nebo v rámci údržby krajiny (např. nálety). Obsah vody v kulatině by měl být snížen pod 20%. Evropské standardy klasifikují kulatinu do 4 kategorií podle vlhkosti (M20, M30, M40, M65), kde jednotlivá čísla udávají maximální obsah vody. Dřevo z lesů a plantáží je obvykle těženo v zimě, kdy je obsah vody v dřevní hmotě nejnižší, půda je zmrzlá, a nedochází tak k jejímu poškození při těžbě. Poptávka odpadního tepla pro sušení dřeva je proto obvykle vyšší v zimě. Na druhou stranu produkce odpadního tepla z bioplynových stanic je v zimě nižší. Nabízí se tak alternativa uskladnit v zimě vytěžené dřevo do doby, kdy je dostatek odpadního tepla, tj. v létě. Dřevo z údržby krajiny bývá těženo po celý rok. Kulatina je běžně sušena v komorových sušárnách (charge drier), do kterých je vháněn horký vzduch. Dřevní štěpka je získávána ze stejných zdrojů jako klasické dřevo. Obsah vody v dřevní štěpce by měl být redukován na úroveň pod 20%. Evropské standardy klasifikují dřevní štěpku do 5 úrovní dle obsahu vody (M20, M30, M40, M55, M65). Vzhledem k malé velikosti částic je dřevní štěpka při vysoké vlhkosti ohrožená nežádoucím růstem mikroorganismů. Rozvoj mikroorganismů vede k růstu teploty uskladněné štěpky a může dojít k samovznícení a požáru skladu. Dřevní štěpka bývá typicky vysoušena v komorových sušičkách – kontejnerech (Obrázek 27, Obrázek 28) nebo skladovacích zařízeních provětrávaných horkým vzduchem. Rovněž je možné použití sušiček žlabových.
43
Obrázek 27: Kontejner a teplovzdušné rozvody pro sušení dřevní štěpky u bioplynové stanice v Mnichově, Německo (Zdroj: Rutz)
Obrázek 28: Kontejner na sušení dřevěné štěpky v Mnichově, Německo (Zdroj: Rutz)
Pelety jsou získávány lisováním pilin do malých a standardizovaných pelet, které jsou vhodné pro spalování v kotlích, a to od domácích až po průmyslové. Vzhledem k jejich vysoké energetické hustotě a homogenitě, lze s peletami snadno obchodovat a používat je v kotlích s automatickým dávkováním paliva. Piliny by měly být vysušeny do obsahu vody pod 10%. Evropské standardy klasifikují pelety do tří skupin právě podle obsahu vody (W10, W20, W30). Odpadní teplo z bioplynových stanic by mohlo být použito pro sušení pelet, jelikož poptávka je v tomto případě prakticky celoroční. 3.2.3
Zemědělské produkty
Ve snaze zlepšit skladovatelnost mnoha zemědělských produktů (obilovin, trávy, koření, léčivých rostlin a koření, sena), musí být tyto upraveny sušením, aby byly splněny požadavky na obsah vody v produktu. Obsah vody v takových produktech bývá ovlivněn dobou sklizně a klimatickými podmínkami během sklizně, rovněž pak také klimatickými podmínkami lokality, kde jsou pěstovány, a následným použitím produktu. V několika případech bývá nutné umělé sušení po sklizni, a to dává možnost využití odpadního tepla z bioplynových stanic. Spotřeba tepla pro vysoušení takovýchto produktů je sezónní a obvykle nastává zejména v letním období. Právě v létě je obvykle z bioplynové stanice největší přebytek odpadního tepla. V zemědělství se sušení nejčastěji používá u obilovin, obzvláště když je v období sklizně deštivé počasí. Maximální obsah vlhkosti pro kvalitní skladování obilovin je 14.5%. V případě nedostatečné kapacity sušiček je obilí před sušením skladováno při teplotě 7 °C. Pro zachování obsahu živin a klíčivosti semen, by teploty při sušení neměly být vyšší, než je uvedeno v Tabulkae 8. Maximální teploty sušení klesají s narůstající vlhkostí. Pro sušení obilovin se obvykle používají žlabové sušičky.
44
Tabulkae 8:
Maximální teploty (v °C) pro sušení obilovin (Strehler 1993, Karalus 2007)
Vlhkost [%]
Pšenice [°C]
Oves, ječmen [°C]
osivo, pivovarnický ječmen [°C]
16
55
65
49
18
49
59
43
20
43
53
38
22
37
47
34
24
35
40
30
Ještě citlivější na teplotu než obiloviny jsou léčivé rostliny, koření a léčivé rostliny, které jsou obvykle sušeny na pásových sušičkách. Tyto produkty bývají vysoušeny pod 9% vlhkosti. Příkladem těchto rostlin je například máta peprná, heřmánek, kopr, petržel, pažitka nebo saturejka. 3.3
Chlazení
Odpadní teplo z bioplynových stanic může být rovněž využíváno pro chlazení. V současné době existují dva hlavní druhy chladících zařízení. Jedná se o absorpční a kompresorové chlazení. 3.3.1
Přehled chladících zařízení
Komprese par chladiva (kompresorové chlazení) je nejpoužívanější technologií pro klimatizaci a chlazení v chladničkách jak v domácnostech, tak v průmyslovém využití. Jádrem tohoto systému je elektřinou napájený kompresor. Na rozdíl od kompresorového chlazení používajícího elektrickou energii bývá u absorpčních chladících zařízení (absorpčního chlazení) používáno jako hlavní zdroj energie pro chlazení teplo. Absorpční chlazení je alternativou ke kompresorovému chlazení v případech, kdy je zdroj elektřiny nedostupný, nespolehlivý nebo drahý, hluk kompresoru je nežádoucí, nebo v případě možnosti využít odpadní teplo z bioplynové stanice. Obecně absorpční chlazení má oproti kompresorovému následující výhody (Skagestad & Mildenstein):
Nižší požadavky na elektřinu
Nižší hluk a vibrace při provozu
Schopnost využívat a transformovat teplo na chlazení
Používaná chladiva neohrožují ozónovou vrstvu. Oba typy chlazení používají chladivo obvykle s velmi nízkým bodem varu (často méně než −18°C). V obou případech je teplo odebíráno ze systému odpařováním chladiva, čímž se systém ochlazuje. Hlavní rozdíl mezi oběma typy je ve způsobu jak se chladivo mění z plynné fáze zpět na kapalnou tak, aby cyklus mohl znovu pokračovat. Při kompresním chlazení se transformuje plyn zpět na kapalinu zvyšováním tlaku použitím kompresoru (napájeného elektřinou). Při absorpčním chlazení využívá k přeměně plynné fáze chladiva na kapalinu absorpci chladiva v jiné kapalině a k následné desorpci je použito teplo. Další rozdíl je v používaném chladivu. Kompresní chladící zařízení používají neúplně halogenované chlorfluorouhlovodíky (HCFCs) nebo fluorované uhlovodíky (HFCs), zatímco absorpční chladící zařízení obvykle používají čpavek nebo bromid lithný (LiBr).
45
Absorpční chladící zařízení mohou být dělena na přímo a nepřímo vytápěná a dále na jednostupňová, dvoustupňová a třístupňová absorpční chlazení. Pro využívání odpadního tepla z bioplynových stanic se dají využít pouze nepřímo vytápěné absorpční chladící zařízení, ačkoliv teoreticky je možné dodávat potřebné teplo přímým spalováním bioplynu. Absorpční a kompresní chladící zařízení mohou být navzájem kombinována (hybridní nebo kaskádové chlazení). Rozdělení absorpčních chladících zařízení dle počtu stupňů je založeno na počtu vypuzovačů (teplotních úrovní zdroje tepla). Jednostupňové absorpční chladiče mají pouze jednu teplotní úroveň pracovní kapaliny (slabý roztok). Dvoustupňové absorpční chladiče pracují s dvoustupňuovou desorpcí par z chladiva. Proto mají dvoustupňová absorpční chladící zařízení dva kondenzátory a dva vypuzovače. K tepelnému přenosu dochází v porovnání s jednostupňovými jednotkami za vyšších teplot. Dvoustupňová zařízení jsou samozřejmě energeticky efektivnější, ale i dražší (New Buildings Institute 1998). Třístupňové absorpční chladící zařízení jsou prozatím ve fázi vývoje a představují další krok v rozvoji absorpčního chlazení (New Buildings Institute 1998). Využití absorpčního chlazení závisí na teplotě odpadního tepla, použitém chladivu a absorbátoru, stejně jako na požadované teplotě pro chlazení. Absorpční jednotky s chladivem LiBr/H2O jsou schopné chladit pod 6 °C a při použití kombinace NH3/H2O od 0 °C až k -60 °C. Pro porovnání chladících zařízení je zaveden tzv. chladicí faktor (EER - Energy Eficient Ratio), který je podobný topnému faktoru (COP - Coefficient of Performance) u tepelných čerpadel. Jedná se o poměr výkonu chladícího zařízení ( ) k výkonu tepelného zdroje ( ). Výkon čerpadla je pro bilanci zanedbatelný (PP). EER u současných chladicích systémů bývá obvykle nižší než 1. Typická hodnota pro komerční chladící jednotky se pohybuje v mezích od 0,65 do 0,8 pro jednostupňová zařízení a od 0,9 do 1,2 pro zařízení dvoustupňová (Skagestad & Mildenstein n.d.).
ý ř EER
Vzorec 13
chladic faktor Výkon chlad c ho zař zen [kW] Př kon tepeln ho zdroje [kW]
PP
Př kon erpadla [kW]
Schéma absorpčního systému amoniak-voda je uvedeno na Obrázek 29. V tomto procesu slouží amoniak (NH3) jako chladivo a voda (H2O) jako transportní prostředek (absorbent). Ve výparníku vytváří chladivo (čistý amoniak v kapalném skupenství) chladící efekt. Amoniak absorbuje teplo z prostoru výparníku, a tím se odpařuje a zároveň ochlazuje prostor výparníku. Páry amoniaku z výparníku jsou následně převáděny do absorbéru, kde je slabý roztok amoniaku a vody. Voda, užitá jako transportní prostředek, je nenasycená amoniakem a má proto volnou kapacitu k absorpci dalších par amoniaku. Absorpce je spojena s uvolňováním tepla (absorpční teplo). Zvyšováním teploty se snižuje množství par amoniaku, které mohou být absorbovány vodou. Proto je absorbér chlazen chladící vodou. Koncentrovaný roztok amoniaku je z absorbéru dopravován pod vysokým tlakem čerpadlem do vypuzovače (generátor), který je vytápěn odpadním teplem z bioplynové stanice. Ve vytápěném vypuzovači dochází k odpařování amoniaku z vodního roztoku. Páry amoniaku odchází do kondenzátoru a voda (absorbent) se přes chladič a škrtící ventil vrací do absorbéru. Vzhledem k vysoké afinitě vody k amoniaku obsahují odcházející páry amoniaku z vypuzovače zbytky vody. Proto je za vypuzovačem zařazen separátor, který je svou 46
konstrukcí podobný destilační koloně. Čisté páry amoniaku vstupují do kondenzátoru s vysokým tlakem a přechází do kapalné fáze. Uvolněné teplo (kondenzační teplo) je odváděno z kondenzátoru chladící vodou. Kapalný amoniak postupuje přes škrtící ventil, kde dochází k rychlému poklesu tlaku a teploty. Chladivo s nízkou teplotou pak znovu odnímá teplo z prostoru výparníku a cyklus je uzavřen.
Obrázek 29: Průběh práce typického amonného/vodního absorpčního chladiče
3.3.2
Dálkové chlazení
Dálkové (centrální) chlazení je principiálně podobné dálkovému vytápění, jenom místo tepla je distribuována ochlazená voda. Ačkoli se poptávka po chlazení neustále zvyšuje, nebývá dálkové chlazení vzhledem k vyšším požadavkům na chladicí systémy a vyšším venkovím teplotám v souvislosti se změnou klimatu tak rozšířené jako dálkové vytápění. Několik evropských měst nicméně zavedlo systém lokálního chlazení jako cestu ke snížení emisí skleníkových plynů (Obrázek 30).
47
Obrázek 30: Roční úspora CO2 ve vybraných evropských městech díky centrálnímu chlazení (Zdroj: Euroheat & Power)
Zdroje chlazení mohou zprostředkovávat oba výše uvedené typy zařízení (absorpční nebo kompresorové chlazení), ale i jiné zdroje, jako je například přírodní chlazení, získáváním chladu z hlubokých jezer, řek, aquifér či oceánů. Různé chladicí systémy se samozřejmě mezi sebou mohou kombinovat. Zásadní výhodu využívání odpadního tepla z bioplynových stanic pro provoz chladicích systémů představuje vysoká sezónní dostupnost tepla z letních měsíců, kombinovaná s vysokou poptávkou po chlazení ve stejné době. V závislosti na dohodě se spotřebiteli může být chlazená voda poskytována jak v základním režimu, tak ve špičkovém režimu. Vzhledem k vyšším pořizovacím nákladům absorpčních chladících zařízení mohou být pro zajištění dodávek chladu ve špičkách použity kompresorové chladící jednotky. Konstrukce systému pro centrální chlazení bývá určena následujícími klíčovými faktory:
Rozdíl teplot mezi přívodem chladu a zpátečkou
Tlak v síti a rozdíl tlaků v potrubích mezi přívodem chladu a zpátečkou.
Úspěšnost realizace systému pro centrální vytápění či chlazení silně závisí na schopnosti systému získat vysoké teplotní rozdíly (ΔT) mezi přivaděčem a zpátečkou (Skagestad & Mildenstein). Hodnota ΔT je u chlazení typicky omezena na 8-11°C. Systémy obvykle upravují teplotu distribuované chlazené vody vzhledem k teplotě okolního prostředí. Systémy pro dálkové chlazení je možné rozdělit do tří skupin dle dodávkových teplot:
Systémy konvenční teploty chlazené vody: 4°C do 7°C
Systémy ledové vody: +1°C
Systémy s ledovou tříští: -1°C
Vzhledem k nízkému teplotnímu gradientu mezi potrubní sítí a okolní zeminou, není potrubí nutné nějak izolovat. Podzemní potrubí v distribuční síti jsou obvykle umístěna do hloubky 48
okolo 60 cm. V teplých klimatických podmínkách či v případě nadzemního potrubí je však izolace nutná. Maximální přípustné rychlosti toku se řídí tlakovými ztrátami v potrubí a možnými systémovými poruchami způsobenými přechodovými jevy. Obecně se nedoporučuje používat vyšší rychlosti toku média než 2.5 – 3.0 m/s, pokud není celý potrubní systém speciálně navržen a zabezpečen pro rychlosti vyšší. 3.3.3
Aplikace chlazení
Pro rozsáhlejší systémy centrálního chlazení bývá množství odpadního tepla z bioplynových stanic většinou nedostatečné. Chlazená voda z odpadního tepla nicméně může být do stávajících systémů integrována. Specializované centralizované chladicí systémy (nebo také mikro-chladící systémy) mohou být vybudovány v menším měřítku a užívat odpadní teplo z bioplynové stanice tak, že budou obsluhovat jen jednoho nebo několik spotřebitelů. Výhodou zůstává, že největší dostupnost odpadního tepla bývá v letním období, kdy je rovněž vysoká poptávka po chlazení. Pořád je však využití odpadního tepla pro chlazení málo rozšířené. Příklady chlazení za pomoci odpadního tepla z bioplynových stanic čítají:
Klimatizace veřejných a soukromých budov
Klimatizace skladů potravin: obilovin, zeleniny, ovoce, masa
Klimatizace stájí: chovy prasat
Klimatizace serverových místností pro zpracování dat
Rybí průmysl: chlazení skladovacích hal a výroba ledu
Mlékárenský průmysl: chlazení mléka na farmách, chlazení mléka a mléčných výrobků v průmyslovém měřítku
Malý průmysl: chlazení nástrojů pro zpracování polymerů
Speciální aplikací pro proces chlazení je výroba ledu. Skladování ledu tak může dočasně vyvažovat poptávku a dodávku tepla. Podobně jako tomu je u přepravy tepla v kontejnerech, může být i led snadno transportován ke spotřebitelům, a tak redukovat potřebu potrubní sítě v rámci centrálního chlazení. Při využití odpadního tepla z bioplynových stanic to však není příliš obvyklé. 3.4
Dodatečná výroba elektřiny
Jak již bylo popsáno v předešlých kapitolách, elektřina představuje velmi kvalitní typ energie, protože může být jednoduše převedena do jiných energetických forem. Odpadní teplo z bioplynových stanic s teplotami pohybujícími se od 80°C do 550°C je mnohem méně hodnotné (je složité ho převést do jiných energetických forem). Existují však technologická řešení pro převod odpadního tepla na doplňkovou elektrickou energii v termodynamických cyklech, a tedy zisk vyšších příjmů z cen vyrobené elektřiny. Obecně řečeno, termodynamický cyklus (neboli tepelný oběh) se skládá ze série termodynamických procesů, které převádějí teplo a práci změnou tlaku, teploty a dalších stavových veličin. 3.4.1
CRC systémy
Teplo může být převedeno na mechanickou energii a následně na energii elektrickou prostřednictvím Rankinova cyklu (rovněž také Clausiův-Rankinův cyklus, CRC). V uzavřené smyčce je obvykle voda ohřívána, přeměněna na páru, ta pak prochází turbínou, která rozpohybuje generátor na výrobu elektřiny. Tento cyklus se používá ve většině tradičních i 49
moderních systémů výroby elektrické energie, včetně elektráren na biomasu, solárních, uhelných a jaderných elektráren.
Obrázek 31:Schéma Rankinova cyklu (Zdroj: Anglická Wikipedie, uživatel Andrew.Ainsworth)
Existují celkem čtyři fáze Rankinova cyklu. Tyto fáze jsou na Obrázek 31 označeny příslušnými čísly:
1-2: Pracovní kapalina je čerpána napájecím čerpadlem z oblasti nízkého tlaku do kotle (parního generátoru). Protože se jedná o kapalné medium, je spotřeba energie na čerpání malá.
2-3: Kapalina vstupuje do kotle pod vysokým tlakem, kde je ohřívána za stálého tlaku odpadním teplem z bioplynové stanice a mění se zde na suchou nasycenou páru.
3-4: Suchá nasycená pára je přivedena do parní turbíny, kde expanduje, pohání turbínu a vyrábí elektrickou energii. Při expanzi klesá teplota a tlak páry, může docházet k částečné kondenzaci.
4-1: Vlhká pára vstupuje do kondenzátoru, kde kondenzuje za konstantní teploty a přeměňuje se na nasycenou kapalinu.
Cyklus je uzavřen a znovu začíná stadium 1-2
Účinnost procesu se vypočte pomocí Vzorec 14.
50
Vzorec 14
ηterm Termodynamick ú innost procesu Přivedený výkon ve formě tepla do syst mu P
Spotřebovaný mechanický výkon
3.4.2
ORC systémy
Organický Rankinův cyklus (ORC) představuje speciální formu Rankinova cyklu (Obrázek 32, Obrázek 33), který místo vody a páry využívá organickou kapalinu (Obrázek 34). To umožňuje využívat tepelné zdroje s nižší teplotou, jako je například právě odpadní teplo z bioplynové stanice s teplotami v rozmezí 70–90°C. Děje se tak díky nižšímu bodu varu používaných organických kapalin v porovnání s vodou, jež má bod varu při 100°C. Mimo tohoto rozdílu je princip ORC systému stejný jako u Rankinova cyklu s vodou. Pracovní kapalina je čerpána do kotle, kde se vypaří, expanduje v turbíně a nakonec znovu zkondenzuje. Výběr správné pracovní kapaliny je u nízkoteplotního Rankinova cyklu klíčovým faktorem. Důležitým parametrem je účinnost přenosu tepla, protože ten ovlivňuje termodynamickou charakteristiku kapaliny a tím i provozní podmínky procesu. Nejčastěji užívanými pracovními kapalinami jsou chladiva a uhlovodíky. Používané kapaliny jsou charakterizovány níže uvedenými parametry, některé používané komerčně jsou uvedeny v Tabulka 9 a některé z nich mohou být vzájemně míchány s cílem zvýšit účinnost systému.
Izentropická křivka nasycených par
Teplota varu a tuhnutí
Maximální tolerovaná teplota
Latentní teplo a hustota
Potenciál narušení ozónové vrstvy (ODP) a potenciál globálního oteplování (GWP)
Korozivita, hořlavost a toxicita
Dostupnost a cena
Odhaduje se, že z odpadního tepla kogenerační jednotky o výkonu 1 MW el může být vyrobeno až 7-10% dodatečné elektrické energie (70-100 kW el) (FNR 2010). Celková elektrická účinnost bioplynové stanice se tak může navýšit až k hodnotě 45%. Odpadní teplo z ORC procesu může být teoreticky dále využito pro vytápění, nicméně častěji bývá vypouštěno do okolí. Obrázek 35 ukazuje příklad ORC modulu pro standardní bioplynovou stanici. V tomto konkrétním případě může jedna jednotka generovat až 125 kW elektřiny z tepelného zdroje o výkonu 980 kW th. Minimální teplota je 121°C. Větší část pochází z rekuperace tepla výfukových plynů a menší část z předehřevu chladící vody motoru.
51
Tabulka 9: Charakteristiky vybraných kapalin z hlediska termodynamických procesů
Teplota varu
Kritický bod
Kritický bod
[°C]
[MPa]
Voda
374,00
22,06
100,00
-
Amoniak (NH3)
132,30
11,33
-33,30
477,00
n-Butan C4H10
152,20
3,80
-0,40
-
n-Pentan C5H12
196,80
3,37
36,20
-
C6H6
289,20
4,90
80,00
327,00
C7H8
5645,00
4,10
110,60
-
R134a (HFC-134a)
101,20
4,06
-25,00
177,00
C8H10
343,20
3,50
138,00
-
R12
112,00
4,13
-29,80
177,00
HFC-245fa
157,70
3,64
15,40
247,00
HFC-245ca
178,60
3,86
25,20
R11 (CFC-11)
198,00
4,41
23,20
147,00
HFE-245fa
171,00
3,73
-273,00
-
HFC-236fa
130,80
3,18
-1,00
-
R123
183,90
3,70
28,00
-
CFC-114
145,90
3,26
3,70
-
R113
214,30
3,41
47,40
177,00
n-PerfluoroPentan C5F12
147,60
2,05
29,40
-
Kapalina
52
[°C]
Teplota rozkladu [°C]
(při tlaku 1 atm.)
Obrázek 32: ORC systém (R245fa) na bioplynové stanici Dublovice, Česká republika (Zdroj: GE Energy)
Obrázek 33: ORC systém (R245fa) (kontejner vpředu) a bioplynové motory (kontejner vzadu), na skládce, Warrington, Velká Británie (Zdroj: Verdesis Services UK Limited)
Obrázek 34: Schéma 125 kW “Clean Cycle” ORC modulu od GE Energy (Převzato od GE Energy)
53
Obrázek 35: “Clean cycle” ORC modulu od GE Energy (Zdroj: GE Energy)
3.4.3
Kalinův cyklus
Alternativu k ORC procesům, co se výroby elektrické energie z odpadního tepla bioplynových stanic týče, představuje tzv. Kalinův cyklus. V současné době se však aplikace Kalinova cyklu v rámci bioplynových stanic příliš nevyskytují. Na rozdíl od výše zmíněných ORC procesů využívá Kalinův cyklus kapalnou směs vody a amoniaku. Jelikož mají tyto dvě látky různé body varu, k odpařování dochází ve škále teplot podobných destilaci. Proto může být ze zdroje získáno větší množství tepla než za přítomnosti pouze jedné pracovní kapaliny. Při zvolení optimálního poměru mezi složkami roztoku se může bod varu výsledné směsi nastavit tak, aby vyhovoval vstupní hodnotě tepla. Voda a amoniak patří mezi nejčastěji používanou kombinaci, nikoli však jedinou. Mezi výhody Kalinova procesu oproti ORC procesu patří:
Amoniak a voda jsou levnější než organické kapaliny použité v ORC procesu.
Je možná adaptace na různé teplotní úrovně.
Energetická účinnost je vyšší než u ORC jednotek.
Mezi nevýhody Kalinova cyklu oproti ORC patří:
54
Malá zkušenost s aplikací Kalinova cyklu na teplo z bioplynových stanic.
Amoniak má relativně vysoký korozivní potenciál což vede ke zvýšenému opotřebování zařízení a je potřeba speciálních materiálů.
Celkové investiční náklady jsou vyšší než u ORC modulu.
Amoniak je jedovatý a zapáchá, proto je potřeba zamezit jeho úniku do okolního prostředí.
Amoniak je hořlavý a výbušný.
3.4.4
Stirlingův motor
Stirlingův motor je tepelný motor pracující na bázi cyklické komprese a expanze vzduchu nebo jiného plynu v různých teplotních úrovních za pomoci externího zdroje tepla, jako je například právě odpadní teplo z bioplynových stanic. Stirlingův motor konvertuje teplo na mechanickou práci, a tak může generátor produkovat elektřinu. Základním principem práce motoru je cyklus, ve kterém se stlačuje studený plyn, následně ohřívá, rozpíná a zase ochlazuje. Systém je tak uzavřený a žádný plyn není do cyklu přidáván ani odebírán. Proto bývá Stirlingův motor označován jako spalovací motor s vnějším spalováním. Teplo je přenášeno přes tepelný výměník, který ohřívá plyn v motoru. Existují různé druhy Stirlingova motoru, jako je například alfa typ s dvěma písty či modifikace beta a gama doplněné dalším pístem (tzv. přeháněčem, který přesunuje pracovní plyn z teplého prostoru do studeného a naopak). Princip práce Stirlingova motoru je zobrazen na Obrázek 36, kde jsou znázorněné 4 fáze motoru typu alfa. Takový motor obsahuje dva písty v separátních válcích, jeden teplý a jeden studený. Teplý válec je umístěn uvnitř výměníku tepla s vysokou teplotou a studený ve výměníku s nízkou teplotou. Tento typ motoru má vysoký poměr výkonu k objemu, ale má technické nedostatky s životností těsnění na straně teplého pístu. Píst bývá v praxi zakryt izolační hlavicí, nicméně děje se tak na úkor prostoru. (Wikipedie)
1. Nejvíce pracovního plynu je v teplém válci v kontaktu se stěnami. Plyn se zahřívá a jeho roztahování pohání teplý píst ke dnu válce. Expanze pokračuje ve studeném válci, který je o 90° „pozadu“ za teplým pístem v cyklu klikového mechanismu a odebírá energii horkému plynu. 2. Plyn má největší objem. Píst teplého válce začíná přesunovat plyn do studeného válce, kde se ochladí a tlak klesne.
3. Skoro všechen plyn je ve studeném válci a dále se ochlazuje. Studený píst hnaný klikovým mechanismem (nebo jiným párovým pístem na tom samém hřídeli) stlačuje pracovní plyn.
4. Plyn dosáhl minimálního objemu. Bude se v teplém válci ohřívat a expandovat. Přitom bude pohánět teplý píst při pracovního zdvihu.
Obrázek 36: Základní princip alfa typu Stirlingova motoru (Zdroj: Wheeler R. (Zephyris), Wikipedie 2007)
Obecně platí, že Stirlingovy motory mají mnohem nižší účinnost než motory s vnitřním spalováním, a bývají proto využívány jen ve specializovaných aplikacích. Použití takového motoru pro zpracování odpadního tepla z bioplynových stanic je vzhledem k nízkým teplotám velmi omezené, jelikož Stirlingův motor pracuje optimálně při vyšších teplotách (nad 900°C).
55
V současné době jsou Stirlingovy motory komerčně dostupné pouze s malými výkony (okolo 40 kW el.), pořizovací ceny jsou navíc stále velmi vysoké. Mezi další problémy patří koroze a zanášení výměníku tepla výfukovými plyny, které obsahují oxid siřičitý (SO2). 3.4.5
Plynová turbína pro využití spalin
Další možností ke zvýšení celkového elektrického výkonu bioplynové stanice je instalace plynové turbíny do spalinové cesty kogenerační jednotky. Snahou je v tomto případě eliminovat korozivní poškození turbíny. V současné době však nabízí kvalitní turbíny využívající spaliny jenom několik výrobců. Obrázek 9 zobrazuje motor s duálním palivem a instalovanou turbínou. Turbína je integrována do spalinové větve dvoupalivové kogenerační jednotky dodávané firmou SCHNELL. Disponibilní tepelná energie se prostřednictvím této turbíny a s ní spojeného rychlootáčkového turbogenerátoru přeměňuje na energii elektrickou. Díky použitému invertoru je pak možné z turbíny získat až 30 kW elektrické energie navíc. Dle firmy SCHNELL se energetická účinnost zvýší v porovnání s konvenčními kogeneračními jednotky s instalovaným motorem typu Otto až o 20%.
Obrázek 37: Dvojpalivový motor (typ Gas-Pilot Obrázek 38: Turbína z předchozího obrázku Injection), kapacita 235 kWel, integrovaná (Zdroj: Schnell Motoren AG) turbína na výfukové plyny, kapacita 30 kWel (Zdroj: Schnell Motoren AG)
56
4 Inovativní koncepty efektivního využití bioplynu Jak již bylo uvedeno v předchozích kapitolách, existuje několik možností pro využití bioplynu. V současnosti je nejrozšířenější spalování bioplynu v kogeneračních jednotkách spojené s výrobou elektrické energie a tepla. Kogenerační jednotky jsou v naprosté většině případů umístěny přímo u bioplynové stanice. Posun výroby energie od fosilních zdrojů k většímu využívání obnovitelných zdrojů energie vede k hledání, výzkumu a aplikací energeticky efektivnějších konceptů pro využití bioplynu. I když tyto koncepty nejsou přímo předmětem obsahu této příručky, která se soustředí na využívání odpadního tepla z bioplynových stanic, je o nich stručně pojednáno, aby byla prezentována celá škála možností využití bioplynu. V závislosti na stavu budoucích energetických systémů může bioplyn hrát nové a dokonce ještě významnější role. Využívání bioplynu s cílem maximalizovat výrobu elektrické energie v kogeneračních jednotkách k výrobě může postupně klesat a naopak nové způsoby využití bioplynu budou nabývat na významu. 4.1
Bioplynovody a satelitní kogenerační jednotky
Jedním z přístupů, který efektivně využívá energetický obsah bioplynu, je přepravit ho pomocí plynových potrubí (mikrosítě bioplynu) do takzvaných satelitních kogeneračních jednotek, které jsou blízko odběrateli tepla (Obrázek 40, Obrázek 39). Počet projektů s takovými systémy (s jednou nebo více KJ jednotkami) se zvyšuje. Tyto projekty se většinou realizují u výroben bioplynu, které nemají většího odběratele přímo na místě. Aby bylo možné plně využívat teplo, přepravuje se bioplyn samostatným potrubím k zákazníkům. Tento systém je dobrou alternativou k malým oblastním vytápěcím systémům, kde se zákazníkům dodává potrubím horká voda. V Tabulka 10 je obecné srovnání bioplynových a teplovodních potrubí. Výběr vhodného systému je ovlivněn mnoha lokálními faktory a obsahuje technická, ekonomická a právní hlediska. Všeobecně lze říci, že bioplynová potrubí a sítě dávají lepší výsledky než lokální rozvody tepla, a to přímo úměrně k velikosti sítě. Rozvody tepla jsou omezeny jen na okolí satelitní kogenerační jednotky, takže energetické ztráty jsou mnohem menší. Předpokladem k přepravě bioplynu potrubím k satelitním KJ je dobře vysušený plyn. Pokud je plyn příliš mokrý, sráží se voda v potrubí a způsobuje korozi a ucpávání. Kvůli korozi je třeba plyn také odsířit.
57
Obrázek 39: Začátek bioplynového potrubí do satelitní kogenerační jednotky v Třeboni, Česká republika (Zdroj: D. Rutz)
Obrázek 40: Bioplynové potrubí k satelitním kogeneračním jednotkám (vlevo), malý vytápěcí systém (vpravo)
58
Tabulka 10: Porovnání různých charakteristik bioplynových a teplovodních vedení
Charakteristika
Bioplynové potrubí
Teplovodní potrubí
Umístění kogeneračních jednotek (KJ)
Většinou jedna KJ v místě výrobny bioplynu (pro vytápění fermentorů) a několik satelitních KJ na konci bioplynového potrubí
Jedna nebo několik KJ, centralizovaných u výrobny bioplynu
Přepravovaná látka
Bioplyn
Horká voda
Kompresor/čerpadlo
Plynový kompresor
Vodní oběhové čerpadlo
Počet potrubí
Je potřeba jen jedno potrubí
Pro uzavřený okruh je potřeba přívodní a zpětné potrubí
Potrubí
Plynová potrubí: odolná vůči korozi, ocelové nebo plastové potrubí s ochranou proti korozi
Izolované oblastní teplovodní potrubí: většinou z plastů
Ztráty
Nízké ztráty plynu
Tepelné ztráty závisí na izolaci, ale všeobecně jsou energetické ztráty vyšší než u plynu
Předúpravy
Sušení plynu, odsíření (<10 ppm), natlakování
Ohřev vody
Právní podmínky
Často není právní situace zatím jasná a neexistuje klasifikace bioplynových potrubí. Vyšší požadavky na bezpečnost.
Většinou již schválený systém
Náklady
Náklady na plynové kompresory jsou mnohem vyšší než na cirkulační vodní čerpadla
U teplovodního potrubí jsou obvykle vyšší náklady na montáž
Vyspělost řešení
Existuje jen několik příkladů v některých zemích
Malé místní vytápěcí systémy jsou velmi rozšířené
Všeobecná vhodnost
Vhodnější pro delší vzdálenosti
Vhodnější pro kratší vzdálenosti
4.2
Úprava bioplynu a vtláčení biometanu do sítě
Další možností pro efektivní využití bioplynu je úprava (upgrading) na kvalitu biometanu a následné vtláčení do sítě zemního plynu. V procesu úpravy se bioplyn nejprve zbaví nečistot, jakými jsou sulfan, voda, dusík, amoniak, siloxany, drobné částice a kyslík. Odstranění těchto látek a dosažení potřebné úrovně čistoty závisí na druhém kroku, ve kterém se odstraní CO2 a podíl metanu se zvýší z 45-70% CH4 na >95% CH4. Tím se zvýší energetická hustota. Základem celého procesu je technologie úpravy bioplynu, kterou lze rozdělit do čtyř typů. 59
Adsorpční technologie: adsorpce pomocí technologie střídání tlaků (pressure swing adsorption, PSA)
Absorpční technologie: vodní vypírka, fyzikální vypírka organickými rozpouštědly, chemická vypírka
Permeační technologie: membránová separace
Kryogenní rektifikace-vymrazování CO2
vysokotlaká
membránová
separace,
nízkotlaká
Nejčastěji používanou metodou je vodní vypírka, při které je stlačený plyn veden do protiproudé kolony zkrápěné vodou, kde jsou oxid uhličitý a ostatní nežádoucí složky surového bioplynu absorbovány do prací vody. Po úpravě je biometan před vtlačením do sítě zemního plynu ještě kondicionován – upraven na přesné požadované složení a výhřevnost, odorizován a stlačen. V posledních letech se počet zařízení na rafinaci bioplynu postupně zvyšuje. V Německu je v současné době v provozu kolem 100 zařízení na úpravu bioplynu, další se nachází v jiných zemích, například Švédsku, Švýcarsku a Rakousku. Hlavní výhodou je, že když se biometan zavede do sítě zemního plynu, lze ho snadno skladovat a využívat na kterémkoliv místě s plynovou přípojkou. Tím lze využít veškerou jeho energii, neboť bioplyn lze využívat například u odběratelů tepla. Hlavní nevýhody zařízení na úpravu bioplynu lze shrnout do následujících bodů:
Vyšší investiční náklady na celý proces úpravy
V současné době kvůli vysokým nákladům vhodné jen pro větší bioplynové stanice
Proces úpravy vyžaduje energii
V mnoha zemích není vhodná infrastruktura
Koncept využití odpadů pro výrobu bioplynu a následnou úpravu na biometan se také nazývá Waste-to-Biomethane (WtB), a v 5 evropských městech ho podporuje projekt UrbanBiogas (výroba biometanu z městského odpadu, vtláčení do sítě a přeprava v městských oblastech) (Rutz et al. 2011, Rutz et al. 2012). V mnoha evropských regionech je odpadové hospodářství stále velkým problémem, a jen málo závodů využívá organický odpad pro výrobu biometanu.
60
Obrázek 41: Technologie Pressure Swing Absorption (PSA), Aiterhofen, Německo (Zdroj: Rutz)
4.3
Obrázek 42: Technologie vodní vypírky společnosti Swedish Biogas International, Lidköping, Švédsko (Zdroj: Rutz)
Transport biometanu v kontejnerech
V místech bez sítě zemního plynu nebo bez přístupu k vedení zemního plynu může být biometan skladován v kontejnerech a poté dopraven na místo spotřeby. V takovém případě se biometan stlačí a plní do nádob ve formě Bio-CNG (Compressed Natural Gas – Stlačený zemní plyn) nebo CBG (Compressed Biomethane Gas – stlačený biometan), viz Obrázek 43. Tento přístup je častý ve Švédsku, kde je jen velmi malá hustota distribučních sítí zemního plynu. Nádoby s Bio-CNG se dopravují do čerpacích stanic, jelikož většina biometanu ve Švédsku se používá pro dopravu. Biometan lze též zkapalnit jeho ochlazením na -162 ºC. Toho lze docílit použitím tekutého dusíku. Kapalný biometan se nazývá Bio-LNG (Liquefied Natural Gas – zkapalněný zemní plyn) nebo CBG (Liquid Biomethane Gas – zkapalněný biometan) a skladuje se v chlazených nádobách, které se dodávají zákazníkům. Hlavní výhodou zkapalněného biometanu je vyšší hustota energie (cca 5x vyšší než u Bio-CNG), což zvyšuje efektivitu transportu na velké vzdálenosti. Na samotný proces zkapalnění je však potřeba velké množství energie. Proces se v současné době používá pouze ve zkušebních centrech (viz Obrázek 44). Je možné, že se v budoucnosti uplatní ve specializovaných případech, například v lodní nebo letecké dopravě. Hlavními nevýhodami jsou vysoké náklady, vysoké energetické ztráty a bezpečnostní rizika.
61
Obrázek 43: Nádoby na transport CBG u bioplynové stanice v Borasu, Švédsko (Zdroj: Rutz)
Obrázek 44: Bioplynová stanice společnosti Swedish Biogas International produkující LBG, Lidköping, Švédsko (Zdroj: Rutz)
4.4
Využití biometanu v dopravě
Na biometan se stále častěji nahlíží jako na možné alternativní palivo v dopravě. V mnoha zemích již existuje velmi kvalitní infrastruktura pro použití CNG v dopravě, včetně sítí čerpacích stanic. Jakmile je biometan vtlačen do distribuční sítě zemního plynu, lze ho používat pro dopravu za použití existující infrastruktury pro CNG vozy (Rutz & Janssen 2008). Čerpací stanice nabízející čistý CBG jsou zatím vzácné, většinou se nabízí směs CNG a CBG. V některých případech je možné koupit čistý CBG, někdy i přímo na bioplynové stanici. V Evropě ve využití CBG vedou Švédsko a Švýcarsko. Zásadní překážkou využívání CBG (a CNG) je uložení biometanu ve vozidle a omezený dojezd na jednu nádrž. Často se používají kombinované systémy na metan a benzín či etanol. Mnoho osobních i nákladních vozidel je přestavěna – nádrž na stlačený plyn byla dodatečně instalována v zavazadlovém prostoru a k původnímu benzínovému systému byly přidány rozvody pro plyn (Al Seadi et al. 2008). Zvyšuje se i počet vozidel jezdících čistě na biometan. Tyto jsou optimalizované pro vyšší účinnost a lepší umístění nádrží na plyn bez omezení zavazadlového prostoru. Bioplyn se skladuje při tlaku 200 – 250 barů v tlakových nádobách vyrobených z oceli nebo slitin hliníku (ibid.).
62
Obrázek 45: Čerpací stanice biometanu společnosti Svensk Biogas Obrázek 46: CBG nádrž nákladního v Linköpingu, Švédsko (Zdroj: Rutz) automobilu, Švédsko (Zdroj: Rutz)
4.5
Využití bioplynu pro řízení zátěže a zajištění stability sítě
Klíčovou výzvou pro budoucí energetické systémy (hlavně budoucí systémy elektrické energie) je integrace mnoha různých drobných, decentralizovaných zdrojů energie do celkového energetického systému. Se zvyšujícím se objemem energie z větrných a solárních elektráren v síti je třeba nalézt nové, inteligentní řídicí systémy, které udrží stabilitu energetického systému. Při stabilizaci budoucí elektrické sítě budou mít velkou roli systémy pro skladování energie, stejně jako systémy, které dokáží rychle reagovat na měnící se zátěž. Inteligentním elektrickým sítím s automatickou interakcí a komunikací systémů nabídky a poptávky elektrické energie se též říká smart grids (chytré sítě). Zemní plyn, bioplyn a biometan jsou energetické nosiče, které lze snadno skladovat v zařízeních různé velikosti – od malých nádrží, které jsou součástí každé bioplynové stanice, až po velké skladovací prostory, jakým je například samotná síť zemního plynu. Energetické zdroje vyrábějící elektřinu z plynu (turbíny, motory) lze navíc velmi rychle zapnout a vypnout. Tyto systémy jsou proto velmi vhodné pro stabilizaci sítě a kompenzaci zátěže. Elektřina ze zdrojů využívající kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (KVET) spalujících bioplyn nebo biometan může přispět ke stabilizaci sítě. V praxi by to znamenalo, že provozovatel bioplynového závodu by nastavil provoz KGJ podle potřeb sítě. To je možné jednoduchým zapínáním a odstavením kogenerační jednotky. K tomu by provozovatel bioplynového závodu potřeboval signál od provozovatele distribuční soustavy nebo prodejce elektřiny. Pomocí takových signálů by provoz KGJ mohl být řízen automaticky. Cílem provozovatelů bioplynových stanic je však většinou maximalizace produkce elektrické energie, zvlášť v případě, že mají příjem za každou kWh prodanou do sítě. Pokud by se provozovatel bioplynové stanice měl účastnit stabilizace elektrické sítě, pak by se kogenerační jednotky mohly pravidelně odstavovat. Za tuto službu a za ušlý zisk z prodeje elektřiny by však musel provozovatel dostat kompenzaci. Dále by bylo třeba provozovatele kompenzovat za investice do dodatečných kapacit pro skladování bioplynu. Kromě dodatečné skladovací kapacity bioplynu může provozovatel bioplynové stanice také řídit fermentační proces dávkováním surovin do fermentoru. Vzhledem k tomu, že proces 63
anaerobní digesce a potřebuje určitý čas na adekvátní odezvu v produkci bioplynu, potřeboval by provozovatel vědět informace o potřebné výrobě elektrické energie předem. Několik výzkumných a předváděcích projektů již implementovalo podobná inteligentní řešení a potvrdilo jejich použitelnost (E-Energy, AlpEnergy). 4.6
Biometan a koncept Power-to-Gas
V konceptu Power-to-Gas (energie do plynu) (Obrázek 47) se přebytečná energie převádí na syntetický metan. Se zvyšujícím se počtem větrných a solárních/fotovoltaických elektráren vzniká přebytečná energie v průběhu roku a dne stále častěji. To se stává v případech, kdy se vyrobí více energie z obnovitelných zdrojů, než lze spotřebovat nebo přepravovat přes síť. Jednou z možností, jak vyřešit tento problém a udržet stabilitu sítě, je tyto větrné a solární elektrárny odstavovat. Další možností je využít nadbytečnou energii k výrobě syntetického metanu. Pomocí nadbytečné energie se elektrolýzou rozštěpí voda na kyslík a vodík. Vodík se spolu s CO2 (získaného například ze zařízení na úpravu bioplynu) přemění na metan pomocí Sabatierova efektu (viz Rovnice 15 ). Tento metan lze dodávat do sítě zemního plynu, kde funguje jako jeho náhrada.
Rovnice 15
Tento proces lze kombinovat buďto se zařízením na úpravu bioplynu, které dodá přímo CO2, nebo s běžnou výrobnou bioplynu, který také obsahuje velké množství CO2. Skladovací kapacita sítě zemního plynu, do které se čerpá syntetický metan, je velmi velká. Systém Power-to-Gas je alternativou k hydroenergetickým skladovacím systémům v místech, kde nelze vybudovat hydroenergetickou infrastrukturu. Je také alternativou k jiným skladovacím systémům, například bateriím, setrvačníkům, stlačenému vzduchu atd. Nutným předpokladem pro tento systém je dostupnost vody a zdroje CO2. Vyrobený kyslík je vedlejším produktem, který lze též využít k prodeji. Podle údajů Worldwatch Institute (2012) jednou z hlavních nevýhod tohoto přístupu jsou značné energetické ztráty. Konverze energie na metan má účinnost pouze cca 60%. Pokud se metan později použije v elektrárně k výrobě energie, klesne účinnost na 36%. Hydroenergetická úložiště s čerpadly mají naopak účinnost 70-80%. Z ekologického hlediska je ale jistě lepší využít tuto technologii, než zcela „ztratit“ elektrickou energii odstavením větrných a solárních elektráren. V Německu, které má velké kapacity větrných elektráren na severu a velkou poptávku po energii na jihu, by systémy Gas-to-Power mohly být jedním z opatření ke stabilizaci energetické sítě. V současné době se buduje několik výzkumných a předváděcích zařízení, které jsou uvedeny v následujícím seznamu (Dena 2012).
64
Enertrag-Hybridkraftwerk, Prenzlau
E.ON-Pilotanlage, Falkenhagen
SolarFuel-Alpha-Anlage, Stuttgart
250-kW-Power-to-Gas-Pilotanlage, Stuttgart
Audi-e-gas-Anlage, Werlte
Demonstrations- und Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow
Obrázek 47: Koncept Power-to-Gas
65
5 Možnosti využití pro vytápění Jak je dokumentováno v této příručce, pro efektivní využití bioplynu existuje mnoho možností. Cílem všech je maximalizovat využití energie z konverze bioplynu. Pro provozovatele bioplynové stanice je hlavním cílem maximalizovat tržby z výroby bioplynu a zároveň dodržovat zákonné požadavky. Tato kapitola proto poskytuje přímé rady pro provozovatele bioplynové stanice, jak zvolit nejlepší možnosti využití tepla pro různé rámcové podmínky. Nejúčinnějším a nejziskovějším způsobem využití bioplynu je výroba elektřiny a tepla v účinné a moderní kogenerační jednotce s výrobou tepla (KVET) a využití vyrobeného tepla přímo v areálu bioplynové stanice. Teplo lze použít pro různé účely. V praxi však málokdy nastává situace, kdy lze zároveň maximalizovat jak výrobu elektrické energie, tak i poptávku a nabídku tepla. Obecně velmi dobrou alternativou k současné maximalizaci výroby elektřiny a tepla je dodávka upraveného bioplynu do sítě zemního plynu. Tím lze biometan využívat v satelitních kogeneračních jednotkách v místech s vysokou poptávkou po teplu i elektřině. Zde jsou problémem velmi vysoké investiční náklady zařízení na úpravu bioplynu, a proto je řešení vhodné pro velká zařízení. V prvotní plánovací fázi projektů na využití odpadního tepla z bioplynových stanic je potřeba ještě před zahájením podrobného rozpracovávání projektu si položit následující čtyři klíčové otázky
Je možné teplo z kogenerační jednotky využít přímo na místě (např. vyhřívání fermentoru, vytápění vlastních domů a stájí, chlazení a sušení zemědělských produktů, sušení odpadního kalu, hygienizace, atd.)? Kolik tepla lze využít pro vlastní potřebu?
Nachází se v okolí stanice potenciální externí odběratel tepla? Jak spolehlivá je poptávka po teplu? Jak daleko je zákazník od bioplynové stanice? Je poptávka nepřetržitá nebo sezónní? Jaké smlouvy a na jakou dobu lze se zákazníkem uzavřít?
Pokud nelze žádného zákazníka pro teplo najít, lze nějakého „vytvořit“ v blízkosti výrobny bioplynu (např. sušárna, skleníky, aquakultura)?
Pokud nelze žádného zákazníka pro teplo najít, vyplatilo by se vybudovat zařízení na úpravu bioplynu? Je závod dostatečně velký? Jak daleko se nachází síť zemního plynu? Existuje v zákoně podpora výroby biometanu?
Kromě těchto otázek poskytuje následující kontrolní seznam přehled dalších důležitých aspektů, které je třeba vzít v úvahu při podrobném plánování: Jaký je hlavní cíl bioplynové stanice?
Současná situace stanice (existující nebo plánovaná)
Maximalizace výroby elektřiny a tepla (a výnosy ze sazby za prodej elektřiny do sítě)
Maximalizace výroby tepla
Zapojení se do řízení zátěže se zvýšenými skladovacími prostory plynu a výkony kogeneračních jednotek
Jaké jsou legislativní možnosti a omezení?
66
Příslušné zákony týkající se výroby obnovitelné energie z bioplynu
Specifické legislativní aspekty týkající se využití tepla, účinnosti, velikosti zařízení atd. (např. požadavek 60% využití tepla v Německu)
Specifické legislativní aspekty týkající se dodatečných kapacit pro skladování plynu
Specifické legislativní aspekty týkající se přispívání ke stabilitě energetické sítě
Specifické legislativní aspekty týkající se klasifikace a ochrany území (například chráněné oblasti)
Specifické legislativní aspekty týkající se bezpečnosti
Schvalovací procesy
Jaká jsou omezení na místě?
Dostupné místo pro další zařízení
Majetkové vztahy s dotčenými osobami (například potrubí procházející pozemky různých majitelů)
Klasifikace a ochrany oblastí (například chráněné oblasti)
Které technologické aspekty je třeba zvážit?
Dodatečné skladovací kapacity pro bioplyn
Dodatečná kapacita kogeneračních jednotek pro špičky v odběru elektřiny
Dodatečné plynové hořáky pro špičky v odběru tepla
Životnost zařízení
Požadavky na údržbu
Vyspělost a spolehlivost technologie
Technický monitoring
Které finanční aspekty se projektu týkají?
Cena elektřiny
Cena vytápění a chlazení
Cena za další služby, např. sušení
Cena za produkty aquakultury
Investiční náklady na potřebné vybavení a instalace
Náklady na kapitál (úroková sazba)
Poměr vlastních aktiv a úvěrů
Náklady na potřebná zařízení
Náklady na výměnu zařízení
Náklady na provoz a údržbu
Náklady na dodatečné pracovní síly
Dostupné dotace z veřejných zdrojů
67
Jaké jsou kapacity provozovatele?
Znalosti a kvalifikace provozovatele
Kvalifikované pracovní síly
Potřebné přesčasové práce
Které smluvní vztahy s (obchodními) partnery jsou relevantní k projektu?
68
Smlouvy na dodávku elektřiny
Smlouvy na dodávku tepla
Trvání smluv
Zaručená/nezaručená dodávka
Spolehlivost výrobců
Existující zkušenosti s obchodními partnery
Vztahy se sousedy
Partneři ze soukromého nebo veřejného sektoru
Investoři
6 Závěr Na závěr lze říci, že nejčastější koncepty využití tepla u zemědělských bioplynových stanic v dnešní době představují přímé využití tepla pro vlastní potřebu (vytápění domů, stájí) a sušení biomasy v zemědělských zařízeních. V těchto případech dostupné teplo často přesahuje poptávku (v létě), takže je pořád velká část tepla mařena. U některých zařízení se teplo využívá k sušení obilovin a zásobování blízkého okolí teplem. Využívání tepla pro klimatizaci skleníků, pro chlazení a pro aquakulturu je zatím jen okrajové. Nejčastějším konceptem využití tepla u bioplynových stanic zpracovávajících biodpad je využití pro vlastní potřeby, například hygienu a sanitaci. Některé stanice také dodávají teplo do lokálních systémů vytápění. Některé stanice navíc využívají teplo k sušení digestátu. To samé platí pro čistírny odpadních vod, které čistírenský kal používají pro výrobu bioplynu. Zvláštním případem je Švédsko, kde nejčastějším případem je úprava bioplynu na biometan a následná distribuce do čerpacích stanic biometanu. V Německu se zvyšuje množství budovaných stanic na výrobu biometanu a jeho vtláčení do sítě zemního plynu. Z přibližného počtu 7500 existujících bioplynových stanic je v současné době v provozu kolem 100 stanic s úpravou bioplynu na biometan. Vláda plánuje tento počet značně zvýšit. Omezená dostupnost zdrojů, konkurence ve využívání půdy a zvýšená konkurence ve využívání odpadních materiálů: To jsou všechno faktory, které vyvíjí tlak na bioplynové stanice. Bude proto stále důležitější maximalizovat využitelnou energii získanou z bioplynu. To znamená aplikovat kvalitní a efektivní koncepty pro využití tepla z bioplynových stanic spojených s kogeneračními jednotkami. Bez kvalitního konceptu pro využití tepla hrozí budoucím bioplynovým stanicím, že přestanou být rentabilní a ekologicky výhodné. Cíl maximalizace výroby energie platí i pro zařízení na úpravu bioplynu. Zvláštní roli hraje využití biometanu v dopravě. V současné době je doprava silně závislá na pohonných hmotách na bázi uhlíku. Použití bezuhlíkatých paliv (vodík, elektrická energie) hraje v současné době jen malou roli v dopravě. I když je biometan také uhlíkatým palivem, mohl by v budoucnosti významně přispět do palivového mixu v dopravě. Toto je důležité, neboť alternativy uhlíkatých paliv jsou velmi omezené. Tím by mohla být akceptována všeobecně nižší účinnost spalovacích motorů vozidel.
69
Glosář a zkratky V glosáři a přehledu zkratek jsou popsány a definovány různé běžné i specifické výrazy, termíny a slova používaná v této příručce. Hlavním cílem přehledu je usnadnit překlad příručky do národních jazyků. Mnohé z výrazů byly převzaty z encyklopedie Wikipedia. Absorpce: proces, v němž atomy, molekuly nebo ionty vstupují do masy objemnější látky (plyn, kapalina, pevný materiál). Tento proces se liší od adsorpce, poněvadž molekuly podstupující absorpci jsou pojmuty objemem, ne povrchem (jako je tomu u adsorpce). AD: viz Anaerobní digesce Adsorpce: přilnavost atomů, iontů nebo molekul plynu, kapaliny nebo rozpuštěné pevné látky k pevnému povrchu Amoniak (čpavek): Plynná sloučenina vodíku a dusíku, NH3, se silně čpícím zápachem a palčivou chutí. Anaerobní digesce: Nazýváno také vyhnívání nebo fermentace: mikrobiální proces rozkladu organické látky v bezkyslíkatém prostředí, na kterém se podílí široké konsorcium mikroorganizmů. Anaerobní digesce (AD) má dva hlavní koncové produkty: bioplyn (plyn sestávající ze směsi metanu, oxidu uhličitého a dalších plynů a stopových prvků) a digestát (fermentační zbytek). Proces AD je běžný v mnoha přirozených prostředích a využívá se dnes k výrobě bioplynu ve vzduchotěsných reakčních nádržích, které se obvykle nazývají fermentory. Aquakultura: Aquakultura, rovněž známá jako aquafarmaření, je chov vodních organizmů, jako jsou ryby, korýši, měkkýši a vodní rostliny. Aquakultura zahrnuje kultivaci sladkovodních a mořských populací za kontrolovaných podmínek a liší se od komerčního rybolovu, což je odchyt volně žijících ryb. Aquakultura může fungovat v přirozených nebo umělých vodních nádržích, případně v uzavřených umělých systémech. Aquaponický: uměle vytvořené slovo obsahující výrazy aquakultura (ryby) a hydroponický (rostliny). Bio-CNG: viz Stlačený biometan BiogasHeat: Projekt (Rozvoj trvale udržitelných tepelných trhů pro bioplynové stanice v Evropě) financovaný v rámci programu Evropské komise Inteligentní energie pro Evropu, v rámci kterého byla zpracována i táto příručka. Bioplyn: Plyn vznikající anaerobní fermentací organických látek, sestávající především z metanu a oxidu uhličitého, obsahující dále minoritní složky jako jsou sulfan, voda, a další sloučeniny. Bio-LNG: viz Zkapalněný zemní plyn Biometan: Bioplyn upravený na kvalitu zemního plynu s obsahem CH4 >95% CBG: viz Stlačený biometan Centralizované chlazení: Centralizované chlazení je systém umožňující rozvod chlazené vody, případně směsí vody a ledu z centrálního zařízení za účelem bytového a komerčního chlazení, např. klimatizace. Centralizované vytápění: Centralizované vytápění je systém pro přenos tepla (pomocí horké vody nebo páry) vytvářeného centrálně za účelem uspokojení požadavků bytového a komerčního vytápění, např. vytápění prostor či ohřev vody.
70
CH4: viz Metan CHP (combined heat and power): český ekvivalent KVET (kombinovaná výroba elektřiny a tepla): Společná výroba elektřiny a tepla (synonymum kogenerace): Současná výroba elektřiny a využitelné tepelné energie z jednoho zdroje. Odpadní teplo z průmyslových procesů může být využito k pohánění elektrického generátoru (bottoming cycle). Naopak zbytkové teplo z elektrárenského zařízení může být použito pro průmyslové procesy nebo za účelem vytápění prostorů či ohřevu vody (topping cycle). Citelná energie: viz termín „citelné (zjevné) teplo“ Citelné (zjevné) teplo: Citelné teplo je teplo vyměňované termodynamickým systémem, jehož jediným účinkem je změna teploty. Clausiův-Rankinův cyklus (CRC): Termodynamický uzavřený cyklus, v němž zpravidla voda ohřívaná, odpařovaná, dopravována na turbínu, kde dochází k adiabatické expanzi páry a následně nastává kondenzace páry. Uvolněná energie slouží k pohonu turbíny a generátoru výroby elektřiny. CNG: Stlačený zemní plyn CO2: viz oxid uhličitý Kondenzační kotel: Kondenzační kotle slouží k ohřevu vody a mají vysokou účinnost (běžně přes 90 %), které je dosaženo využitím odpadního tepla spalin k předehřívání studené vody vstupující do kotle. Mohou spalovat plyn, topný olej nebo biopaliva. Kondenzační kotle využívají skupenské teplo vodní páry odcházejících ve spalinách její kondenzací COP: viz Topný faktor CRC: viz Rankinův-Clausiův cyklus DH (district heating): Centralizované zásobování teplem (CZT) DHC: Centralizované vytápění a chlazení DHW (domestic hot water: teplá užitková voda (TUV), nově pouze „teplá voda (TV) Dodávka teplé vody pro domácnosti Diagram doby trvání tepelného výkonu: Graf podobný časovému diagramu potřeb, ale odlišuje se v tom, že údaje o potřebě tepla jsou uvedeny v sestupném pořadí dle velikosti, nikoli chronologicky. Diagram potřeby tepla: Diagram potřeb tepla je graf, který znázorňuje skutečnou spotřebu tepla nebo elektřiny v průběhu času, obvykle jednoho roku (8 760 hodin). Poskytuje tak informace ohledně celkové dodávky tepla, zatížení ve špičkách a další charakteristiky zatížení vzhledem k časovému průběhu. Digestát: Upravený/zfermentovaný zbytek po procesu AD (syn. AD zbytky, digestovaná biomasa, anaerobně fermentovaná biomasa, fermentační zbytek) Digesce (fermentace): viz Anaerobní digesce Drůbež: Kategorie domestikovaného ptactva, chovaného člověkem za účelem sběru vajec či chovu pro maso, event. peří. Dvoupalivový motor: viz Plynový vznětový motor se zápalným paprskem EER: viz Chladicí faktor Elektrolýza: Elektrolýza je metoda využívající stejnosměrný elektrický proud (DC) k průběhu chemické reakce, k níž by jinak spontánně nedošlo. Elektrolýzou lze například rozložit vodu na jednotlivé prvky vodík a kyslík. Poskytovatel energetických služeb (ESCo, ESCO): poskytovatel energetických služeb je komerční podnik poskytující širokou škálu komplexních energetických řešení včetně návrhu 71
a realizace projektů na úsporu energie, akumulace energie, outsourcingu energetické infrastruktury, výroby elektřiny, dodávek energie a managementu rizik. Ekvivalent barelu ropy (boe): Množství energie obsažené v jednom barelu surové ropy, tj. přibližně 6,1 GJ, tedy 1 700 kWh. „Barel ropy“ je jednotka objemu kapalin shodná s 42 U.S. galony (35 imperiálních galonů nebo 159 litrů). Přibližně 7,2 barelů je ekvivalentem jedné metrické tuny ropy. Entalpie: Entalpie je měřítko celkové energie termodynamického systému. Entropie: Entropie je měřítko rovnoměrnosti, s jakou je energie distribuována v systému. Ve fyzikálním systému poskytuje entropie měřítko pro množství energie, která nemůže být využita ke konání práce. ESCo: viz Poskytovatel energetických služeb Exergie: V termodynamice značí exergie systému maximální užitečnou práci, která může být využita během procesu, který uvede systém do rovnováhy se zásobníkem tepla. Je-li zásobníkem okolí, představuje exergie schopnost systému zapříčinit změnu, jakmile dosáhne rovnováhy se svým okolím. Exergie je energie, která je k dispozici pro využití. Poté co systém a okolní prostředí dosáhnou rovnováhy, má exergie nulovou hodnotu. Určení exergie bylo prvním cílem termodynamiky. Feed-in: Dodávka elektřiny do elektrické sítě. Obdoba dodávky biometanu do sítě zemního plynu. Fermentor: (někdy nazýván také bioreaktor) uzavřená nádrž, zpravidla tvaru vertikálního či horizontálního válce, případně garážový fermentor (pro suchou fermentaci), kde může probíhat proces anaerobní fermentace. osilní palivo: Fosilní paliva se tvořila milióny let přírodními procesy, jako je například anaerobní rozklad uhynulých organizmů. Generátor: Zařízení na přeměnu mechanické energie na elektrickou. Generátor v absorpčních chladících jednotkách je zařízení, ve kterém se za pomoci dodávky tepla odděluje chladící médium od transportního. GWP: viz termín „potenciál globálního oteplování“ H2: viz termín „vodík“ H2O: viz termín „voda“ H2S: viz termín „sulfan“ h-x diagram: Mollierův h-x diagram umožňuje definovat měnící se charakteristiky vlhkého vzduchu při jeho zahřátí, ochlazení, zvlhčení a vysoušení. Hořák na nizkovýhřevný plyn: Hořák, který se používá ke spalování plynu s nízkou výhřevností (menší než 8,5 MJ/Nm3). Hydroxid barnatý: chemická sloučenina se vzorcem Ba(OH)2. Sloučenina, známá rovněž jako baryt, je jednou z hlavních sloučenin baria. Běžnou komerčně využívanou formou je bílý granulovaný monohydrát. Hygienizace: Hygienizace je způsob tepelné a/nebo tlakové předúpravy vstupní suroviny (odpadů) prováděné za účelem snížení výskytu patogenních mikroorganismů ve vstupní surovině. Chlazení: Chlazení je přenos tepelné energie tepelným zářením, vedením tepla nebo prouděním, čímž dochází ke změně teploty cílového systému z vyšších teplot na teploty nižší. ibid. (tamtéž): je výraz používaný při citaci nebo uvedení odkazu na poslední citovaný zdroj.
72
Instalovaný výkon: Instalovaný výkon je celkový elektrický nebo tepelný výkon zařízení na výrobu energie. Joule (J): Metrická jednotka energie, která je definována jako práce kterou koná síla 1 Newtonu působící po dráze jednoho metru. 1 joul (J) = 0,239 kalorie; 1 kalorie (cal) = 4,187 J Kalinův proces: Kalinův proces nebo cyklus je termodynamický proces pro přeměnu tepelné energie na využitelnou mechanickou energii. Jako pracovní kapalinu využívá roztok 2 kapalin s různými body varu. Kapacita: Maximální výkon, který je stroj nebo systém schopen vydat nebo bezpečně přenést (maximální momentální výkon zdroje za specifických podmínek). Kapacita energetických zdrojů se zpravidla vyjadřuje v kilowattech nebo megawattech. Kilowatt (kW): Jednotka elektrického nebo tepelného výkonu, rovnající se 1 000 W. Kilowatthodina (kWh): Nejčastěji používaná jednotka energie. Znamená jeden kilowatt elektřiny nebo tepla dodaného za jednu hodinu. Koeficient energetické účinnosti (EER): poměr výkonu a spotřebované elektřiny specifického zdroje, u chlazení též chladicíc faktor Kogenerace: viz Společná výroba elektřiny a tepla (KVET) Křivka doby trvání odběru: Křivka doby trvání odběru se podobá odběrové křivce, avšak údaje o odběru jsou spíš než chronologicky seřazeny v sestupném pořadí. kWel: Elektrický výkon (kapacita) kWh: viz termín „kilowatthodina“ kWth: Tepelný výkon Kyslík: Při standardní teplotě a tlaku jde o dva spojené atomy chemického prvku, které vytváří bezbarvý, dvouatomární plyn bez chuti a zápachu s chemickým vzorcem O2. Kyslík je důležitou součástí atmosféry a je nezbytně nutný pro zachování pozemského života. LBG: Zkapalněný biometan LNG: viz termín „zkapalněný zemní plyn“ LPG: viz termín „zkapalněný propan“ m³: Metr krychlový představuje objem 1x1x1 m. Jeden metr krychlový přibližně odpovídá 1 tuně vody. Materiál s látkovou přeměnou (PCM): Materiál s látkovou přeměnou je materiál s vysokým skupenským teplem tání, který je při tání a tuhnutí za určité teploty schopen uchovat a uvolnit velké množství energie. K absorpci či uvolnění tepla dochází při změně skupenství materiálu z tuhého na kapalné a naopak. Mezofilní proces: Proces anaerobní fermentace při teplotě 25°C až 45°C. Metan: CH4 je hořlavý, výbušný a bezbarvý plyn bez zápachu a chuti, který je málo rozpustný ve vodě a rozpustný v alkoholu a éteru; teplota varu je -161,6ºC a teplota tání 182,5ºC. Vzniká v močálech a bažinách z rozkládající se organické hmoty a představuje hlavní nebezpečí exploze v podzemí. Metan je hlavní složkou (až 97%) zemního plynu, používá se jako surovina v petrochemii a jako palivo. Ve směsi se vzduchem tvoří vysoce třaskavou směs a je významný skleníkový plyn. Minisíť (nebo mikrosíť): Integrovaný lokální systém pro výrobu, přenos a distribuci elektřiny nebo tepla pro zásobení několika zákazníků. mol: Mol je jednotka SI používaná v chemii pro vyjádření množství chemické látky, definovaná jako množství látky obsahující tolik elementárních entit (např. atomů, molekul, iontů a elektronů), kolik je atomů v 12 g čistého uhlíku. To odpovídá hodnotě 6,02214179(30)×1023 elementárních entit látky. 73
Motor se zážehovým paprskem: plynový motor používající malý podíl kapalného paliva, jehož vstřikováním se palivová směs vzněcuje jako u vznětových motorů NH3: viz termín „amoniak“ Nm³: V zemích, kde se používá metrická soustava jednotek SI, se výraz „normální metr krychlový“ (Nm3) velmi často používá pro označení objemu plynu za určité normalizované či standardní podmínky. Přitom neexistuje všeobecně akceptovaný soubor normalizovaných či standardních podmínek. V Německu představuje jednotka Nm³ objem plynu za následujících normálních podmínek: 1,01325 bar, vlhkost 0% (suchý plyn), 0°C (DIN) nebo 15°C (ISO). O2: viz termín „kyslík“ Obsah vody: Poměr hmotnosti vody obsažené v materiálu (biomase) a vlastní hmotnosti vlhkého materiálu. Octan sodný: Chemická sloučenina se vzorcem CH3COONa, často zkracovaná jako NaOAc nebo také označovaná jako ethanoát sodný, je sodná sůl kyseliny octové. Tato bezbarvá sůl má široké spektrum použití. ODP: viz termín „potenciál poškozování ozonové vrstvy“ Odpadářské bioplynové stanice: Bioplynové stanice používající jako vstupní surovinu průmyslový či komunální organický odpad. Odpadní teplo: Teplo z jakéhokoliv procesu, např. z kogenerační jednotky, které se uvolňuje do atmosféry a není dále využito. Odpadní teplo se také může označovat termínem „přebytečné teplo“, jelikož teplo jako druh energie nemůže podle zákona o zachování energie zmizet. ORC: Organický Rankinův cyklus Organický Rankinův cyklus: Proces ORC je pojmenován pro použití organické vysoko molekulární kapaliny se změnou skupenství kapalina-pára, které nastává při teplotě nižší, než při změně vody v páru. Použití takovéto kapaliny umožňuje využití odpadního tepla Rankinova cyklu ze zdrojů s nižší teplotou, např. bioplynových stanic. Ottův plynový motor: Motor, který byl speciálně navržen pro využití plynů jako paliva. Funguje na základě Ottova principu. Ottův motor je historický předchůdce všech zážehovým motorů. Oxid uhličitý: CO2 je přirozeně se vyskytující chemická sloučenina složená z dvou atomů kyslíku s kovalentními vazbami k jednomu atomu uhlíku. Za standartní teploty a tlaku se vyskytuje v plynné formě. Jako stopový plyn v koncentraci 0,039 % objemových se vyskytuje se v atmosféře Země. Palivový článek: Zařízení, které přímo přeměňuje energii paliva na elektřinu a teplo, aniž by docházelo ke spalování. Pára: Pára je technický výraz pro vodní páru čili plynnou fázi vody. Plynová mikroturbína: Malá spalovací turbína s výkonem 25 až 500 kW. Mikroturbíny se skládají z kompresoru, spalovacího zařízení, turbíny, alternátoru, rekuperátoru a generátoru. V porovnání s dalšími technologiemi na výrobu elektřiny v malém měřítku mikroturbíny nabízejí několik výhod, včetně malého počtu pohybujících se součástí, kompaktní velikosti, nízké hmotnosti, větší účinnosti, nižších emisí, nižších nákladů na elektřinu, a možnost k využití spalin. Plynové turbíny využívající výfukové plyny: plynové turbíny, které využívají část výfukových plynů pro dodatečnou výrobu elektřiny. Plynové motory se zápalným paprskem: Plynové motory s pilotním vstřikem (nazývané také dvoupalivové motory) jsou založeny na principu dieselového motoru.
74
Plynová turbína (synonym spalovací turbína): Turbína, která přeměňuje energii horkých stlačených plynů (vznikajících hořením paliva ve stlačeném vzduchu) na mechanickou energii. Standardně používaným palivem je zemní plyn nebo topný olej. Potenciál globálního oteplování: GWP (Global warming potential) je relativní míra, označující kolik tepla zachytí skleníkový plyn v atmosféře. Porovnává množství tepla zachycené v určité hmotnosti zkoumaného plynu s množstvím tepla zachyceným stejnou hmotností oxidu uhličitého. GWP se počítá za specifický časový interval - běžně za 20, 100 nebo 500 let. GWP je vyjádřen jako násobek oxidu uhličitého, jehož potenciál globálního oteplování je standardizován na hodnotu 1. Např. GWP metanu za dobu 20 let je 72, což znamená, že pokud by byla do atmosféry vypuštěna stejná hmotnost metanu a oxidu uhličitého, metan zachytí v příštích 20 letech 72krát více tepla než oxid uhličitý. Potenciál poškozování ozonové vrstvy (ODP): ODP (Ozone Depletion Potential) chemické sloučeniny je veličina popisující míru schopností dané látky odbourávat ozón za stratosférických podmínek. Vyjadřuje se relativním způsobem, přičemž jako základ pro porovnání byl vzat freon CFC-11 (trichlorofluormetan), nebo R-11 jehož hodnota ODP byla položena rovna jedné. Hodnoty ODP u ostatních freonů a halonů se pak vyjadřují jako násobky ODP freonu CFC-11. Např. chlorodifluormetan (R-22) má hodnotu ODP 0,055. CFC 11 nebo R-11 se vyznačuje maximálním potenciálem pro poškození ozonové vrstvy mezi chlorouhlovodíky přítomnosti tří atomů chlóru v molekule. ODP se často používá ve spojitosti s potenciálem globálního oteplování (GWP), jako míra škodlivosti sloučeniny pro životní prostředí. GWP představuje potenciál dané látky, jakým přispívá ke globálnímu oteplování. Přebytečné teplo: viz termín „odpadní teplo“ PCM (Phase change material): viz termín „materiál s látkovou přeměnou“ Proces Power-to-Gas (proces přeměny energie na plyn): Proces pro výrobu syntetického metanu využitím elektrolýzy vody. Pressure Swing Adsorption (adsorpce se střídáním tlaků): Způsob úpravy bioplynu na kvalitu biometanu. PSA: viz termín „Pressure Swing Adsorption“ (adsorpce se střídáním tlaků) Psychrofilní proces: Proces anaerobní fermentace při teplotě pod 25°C. r.: viz výraz "rok" Rankinovy cykly: viz termín „Clausius-Rankinův cyklus" Rok: Kalendářní rok označuje dobu jednoho oběhu Země kolem Slunce. Kalendářní rok v Gregoriánském (i Juliánském) kalendáři má buď 365 (běžný rok) nebo 366 (přestupný rok) dní. Roční fond provozních hodin u zařízení bioplynové stanice je brán jako 8 760 hodin. Ropný ekvivalent: Tuna ropného ekvivalentu (toe) je jednotkou energie: udává množství energie uvolněné při spálení jedné tuny surové ropy, cca 42 GJ/kg. Satelitní kogenerační jednotka (KJ): Kogenerační jednotka na výrobu tepla a elektřiny, která není umístěna v areálu bioplynové stanice, ale na jiném místě. S bioplynovou stanicí je propojena potrubím na bioplyn. SI: Mezinárodní soustava jednotek (zkratka SI pochází z francouzštiny: Système international d'unités) je moderní forma metrické soustavy a představuje soustavu jednotek měření sestavenou na základě sedmi základních jednotek a použití číslovky 10. Skupenské (latentní) teplo: Skupenské teplo je teplo uvolňované nebo absorbované tělesem či termodynamickým systémem během procesu bez změny teploty. Typickým příkladem je změna skupenství, tj. přechod fází, např. tání ledu nebo var vody. Na rozdíl od skupenského tepla vytváří citelná energie nebo teplo procesy, které mají za následek změnu teploty systému. 75
Skleníkový plyn: Plyny, které zachycují sluneční teplo v zemské atmosféře, přičemž vzniká skleníkový efekt. Dvěma hlavními skleníkovými plyny jsou vodní výpary a oxid uhličitý. Mezi další skleníkové plyny patří metan, ozón, freony a oxid dusný. Smart grid (Inteligentní síť): Inteligentní síť je elektrická síť, která používá informační a jiné technologie k co nejefektivnějšímu přizpůsobení nabídky a poptávky. Inteligentní sítě jsou měřítkem pro zlepšování účinnosti energií a s nárůstem využívání obnovitelných energií budou nabývat na významu i při stabilizaci sítě. kaly: Tekuté nebo tuhé kaly z čistírny odpadních vod, které, které vznikají při čištění odpadních vod. Stlačený biometan: stlačený biometan (CBG – Compressed biomethane gas) se získává stlačením biometanu. Poněvadž má stejné vlastnosti jako stlačený zemní plyn, přejděte k heslu „Stlačený zemní plyn“. Stlačený zemní plyn: CNG – Compressed natural gas, se získává stlačením zemního plynu na méně než 1 % objemu, který zabírá při standardním atmosférickém tlaku. Je uchováván a distribuován v kontejnerech a nádržích pod tlakem 200–248 bar (2 900–3 600 psi). Stirlingův motor: Stirlingův motor je tepelný motor fungující na bázi cyklického stlačování a expanze vzduchu či jiného plynu, pracovního média, při různých úrovních teplot tak, aby došlo k přeměně tepelné energie na mechanickou práci. Sulfan (sirovodík): H2S je bezbarvý, velmi jedovatý hořlavý plyn charakterizovaný zápachem zkažených vajec. Často vzniká bakteriálním rozkladem organické látky při absenci kyslíku (anaerobní fermentace). Syntetický metan: Metan vyrobený procesem Power-to-Gas. Technologické teplo: Teplo používané v různých vnitřních či vnějších procesech (např. ohřev fermentorů). Teplo: Teplo je energie přenášená z jednoho systému do druhého pomocí tepelné interakce. Na rozdíl od práce je teplo vždy doprovázeno přenosem entropie. Proudění tepla z místa o vyšší teplotě do místa s nižší teplotou nastává samovolně. Tento proud energie je možno využít a pomocí tepelného motoru částečně přeměnit na užitečnou práci. Druhý termodynamický zákon sice nedovoluje proudění tepla z tělesa o nízké teplotě do tělesa o vysoké teplotě, avšak s pomocí tepelného čerpadla lze využít externí práci k přenosu energie z prostředí o nízké teplotě do prostředí o vysoké teplotě. V běžné angličtině má výraz heat několik různých významů, zahrnující i teplotu. Ve fyzice je „teplo“ definováno jako přenos energie a vždy souvisí s určitým druhem procesu. Termín „teplo“ se zaměňuje za „tepelné proudění“ nebo „přenos tepla“. K přenosu tepla může docházet mnoha různými způsoby: vedením, sáláním, prouděním, přenosem hmoty, třením nebo viskozitou a chemickou disipaci. Teplotní rozdíl (ΔT): Rozdíl dvou úrovní teplot, přičemž výsledek je vždy kladný. Termodynamika: Termodynamika je odvětví přírodních věd zabývající se teplem a jeho vazbou na další formy energie a práce. Zkoumá zejména změny v teplotě, entropii, objem a tlak, které popisují průměrné vlastnosti těles a záření a vysvětluje, jak spolu souvisejí a podle jakých zákonů se mění v průběhu času. Termofilní proces: Proces anaerobní fermentace při teplotě mezi 45°C až 70°C. Topný faktor (COP): COP = z anglického Coefficient Of Performance. Určuje účinnost jednotky tepelného čerpadla, neboli kolik kW tepelné energie je vyrobeno oproti 1kW dodané (spotřebované) energie (např. COP 3 znamená = 1kW dodané/ 3kW vyrobené energie). Faktor COP byl vytvořen za účelem srovnání tepelných čerpadel co do jejich energetické účinnosti Pro správně uváděný údaj, je velmi důležité znát podmínky při stanovení tohoto parametru, především teplotu venkovního vzduchu, teplotu topné vody, příkon ventilátoru, spotřebu energie pro rozmrazování atd.). 76
Turbína: Zařízení pro přeměnu tepelné energie páry nebo plynu s vysokou teplotou na mechanickou energii. V turbíně prochází proud par nebo plynu vysokou rychlostí řadami lopatek umístěných za sebou a připevněných ke středovému hřídeli. Účinnost přenosu tepla: Poměr mezi využitelným množstvím získaného tepla a teplem produkovaným ve spalovacím zařízení. Vlhkost: Vlhkost označuje množství vodních par ve vzduchu Voda: H2O obsahuje jeden atom kyslíku a dva atomy uhlíku a v běžných podmínkách je kapalná, avšak často koexistuje na Zemi v pevném skupenství jako led nebo v plynném skupenství jako vodní výpary či pára. Voda pokrývá 70,9 % zemského povrchu a je životně důležitá pro všechny formy života. Vodík: H2 je nejlehčí prvek a jeho jednoatomová forma (H1) je nejčastěji vyskytující se chemickou látkou, která odhadem představuje 75% baryonické hmoty vesmíru. Při standardní teplotě a tlaku je vodík bezbarvý, netoxický, a vysoce hořlavý plyn bez zápachu a chuti s molekulárním vzorcem H2. Atomární vodík se vyskytuje na Zemi velmi vzácně. Vodní pára: Vodní pára je plynné skupenství vody. Viz termín „pára.“ Vstupní surovina: Jakýkoli materiál vstupující do procesu, který je přeměněn na jinou formu či produkt. Vtláčení do sítě: Vtláčení biometanu do plynárenské sítě; ekvivalentem v sektoru elektřiny je dodávka elektřiny do elektrické sítě. Výměník tepla: Zařízení pro účinný přenos tepla z jednoho média do druhého, přičemž kapaliny mohou být odděleny pevnou stěnou tak, aby nedošlo k jejich smíchání, nebo mohou spolu být v přímém kontaktu. Výfukový plyn: Plyn uvolněný ze spalovacího zařízení (hořák, motor) následkem spalování. Obsahuje hlavně CO2 a další sloučeniny. Výhřevnost: Množství tepla uvolněné během spalování stanoveného množství paliva (bioplyn, biometan). Výkon: Množství vytvořené práce nebo přenesené energie za jednotku času (definice ve fyzice). Výpar: Výpar je látka v plynném skupenství při teplotě nižší, než je její bod přeměny skupenství. To znamená, že výpar může zkondenzovat do podoby kapaliny nebo pevné látky zvýšením jeho tlaku, aniž by došlo k poklesu teploty. Např. voda má bod přeměny skupenství 374°C (647 K), což je nejvyšší teplota, v jaké může voda v kapalné fázi existovat. Z tohoto důvodu v atmosféře při běžných teplotách voda v plynném skupenství (známá jako vodní výpary) bude kondenzovat v kapalinu, pokud dojde k dostatečnému nárůstu jejího dílčího tlaku. Vodní výpary mohou koexistovat s kapalinou (nebo pevnou látkou). Watt (W): Standardní jednotka soustavy SI pro rychlosti spotřeby energie v zařízení nebo rychlosti, s jakou se energie pohybuje z jednoho místa na druhé. Jedná se rovněž o standardní jednotku měření elektrického výkonu. Výraz „kW“ znamená „kilowatt“, tj. 1 000 W. Výraz MW znamená „megawatt“, tj. 1 000 000 W. Zemní plyn: Zemní plyn je směs fosilního uhlovodíkového plynu, obsahující zejména metan a pak další uhlovodíky, oxid uhličitý, dusík a sulfan. Zeolit: Mikroporézní hlinitokřemičitanové minerály běžně používané jako komerční adsorpční látky. Zkapalněný biometan: biometan v kapalné fázi vzniklé po ochlazení na teplotu pod bodem varu tj. -160°C Zkapalněný zemní plyn: zemní plyn, který je ochlazen na teplotu pod bodem varu (-160°C)
77
Zkapalněný propan-butan: LPG je směs propan-butanu, označovaná také jako LPG nebo LP plyn ΔT: viz teplotní rozdíl
Převodní jednotky Tabulka 11: Předpony jednotek energie
Předpona
Zkratka
Faktor
Počet
Deka
Da
10
Deset
Hekto
H
10²
Sto
Kilo
K
10³
Tisíc
Mega
M
10
Giga
G
10
Tera
T
10
Peta
P
10
Exa
E
10
6
Million
9
Miliarda
12
Bilion
15
Biliarda
18
Trilion
Tabulka 12: Převody energetických jednotek (kilojoule, kilokalorie, kilowatthodina, tuna ekvivalentu uhlí, metr krychlový zemního plynu, tuna ekvivalentu ropy, britská teplotní jednotka)
m³ CH4
toe
0,000032
2,4 10
0,00013
0,000123
8 140
7 580
41 868 000
1 barrel
5 694,048
1 BTU
1,055
kJ
kcal
kWh
TCE
1 kJ
1
0,2388
0,000278
3,4 10
1 kcal
4,1868
1
0,001163
14,3 10
1 kWh
3,600
860
1
1 TCE
29 308 000
7 000 000
1 m³ CH4
31 736
1 toe
78
-8
barel 1,76·10
-7
1 10
7,35·10
-7
0,113
0,000086
0,000063
1
924
0,70
52
8,816
0,001082
1
0,000758
0,0056
10 000 000
11 630
1,428
1 319
1
7,4
1 360,000
1 582
0,19421
179,42
0,136
1
-8
-8
-7
Tabulka 13: Převody jednotek výkonu (kilokalorie za sekundu, kilowatt, koňská síla = PS)
kcal/s
kW
hp
PS
1 kcal/s
1
4,1868
5,614
5,692
1 kW
0,238846
1
1,34102
1,35962
1 hp
0,17811
0,745700
1
1,01387
1 PS
0,1757
0,735499
0,98632
1
Tabulka 14: Převody jednotek teploty
Jednotka
Celsius
Kelvin
Fahrenheit
Celsius
°C
-
°C = K − 273,15
°C = (°F − 32) × 1,8
Kelvin
K
K = °C + 273,15
-
K = (°F + 459,67) × 1,8
Fahrenheit
°F
°F = °C × 1,8 + 32
°F = K × 1,8 – 459,67
-
Tabulka 15: Převody jednotek tlaku (pascal, bar, technická atmosféra, standardní atmosféra, torr, libra na metr čtvereční = psi)
Pa 1 Pa
bar
at
0,00001
0,000010197
atm
Torr
psi
0,0075006
0,0001450377
0,98692
750,06
14,50377
0,9678411
735,5592
14,22334
760
14,69595
−6
9,8692×10
1 bar
100 000
1 at
98 066,5
0,980665
1 atm
101 325
1,01325
1,0332
1 Torr
133,3224
0,001333224
0,001359551
0,001315789
1 psi
6894,8
0,068948
0,0703069
0,068046
1,0197
0,01933678 51,71493
79
Seznam použité literatury AlpEnergy (2012) http://www.alpenergy.net Al Seadi, T., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., Janssen, R. (2008). Biogas Handbook. Esbjerg, Denmark: University of Southern Denmark. Al Seadi T., Drosg b., Fuchs W., Rutz D., Janssen R. (2013, in print) Digestate quality and utilization. – In: Wellinger A., Murphy J., Baxter D. (eds.) The biogas handbook: Science, production and applications. - Woodhead Publishing Series in Energy No. 52 BDEW (2009) Erdgas in Gärtnereien. - BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V.; Berlin, Germany; http://www.www.hortigate.de/Apps/WebObjects/Hortigate.woa/vb/bericht?nr=39553 Berk J. (2008) Haltung von Jungmasthühnchen (Broiler, Masthähnchen). – DLG Merkblatt 347; Frankfurt am Main, Germany; http://statictypo3.dlg.org/fileadmin/downloads/merkblaetter/dlg-merkblatt_347.pdf BMU (2012) Biomass Ordinance (BiomasseV) (as amended as of 1 January 2012); Federal Ministy for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety; Germany; http://www.bmu.de/english/renewable_energy/downloads/doc/5433.php Dena (2012) www.powertogas.info Deutsche Energie Agentur – German Energy Agency [20.07.2012] DIRECTIVE 2004/8/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 11 February 2004 on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC DLR (2012) http://www.dlr.de/tt/desktopdefault.aspx/tabid-2872/4415_read-6487/ [10.07.2012] Dzene I., Rochas C., Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Kulisic B., Maras Abramovic J., Malek B., Devetta M., Surowiec M., Amann C., Leutgoeb K., Hinge J., Ofiteru A., Adamescu M., Fevrier N., Froning S. (2012) Development of Sustainable Heat Markets for Biogas Plants. - Proceedings of the 20th European Biomass Conference and Exhibition E-Energy (2012) http://www.e-energy.de/ Euroheat & Power: District Cooling The sustainable response to Europe’s rising cooling demands. – Brochure; http://www.euroheat.org/Files/Filer/documents/District%20Heating/Cooling_Brochure.PDF [10.07.2012] FNR (2010) Leitfaden Biogas: Von der Gewinnung zur Nutzung. - 5., vollständig überarbeitete Auflage, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Germany; http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_208-leitfaden_biogas_2010_neu.pdf [10.07.2012] FNR (2012) Bioenergy in Germany: Facts and Figures. – Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Germany; http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_484basisdaten_engl_web_neu.pdf [10.07.2012] Fraunhofer (2012) http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2012/june/compactand-flexible-thermal-storage.html [10.07.2012] Gaderer M., Lautenbach M., Fischer T. (2007) Wärmenutzung in kleinen landwirtschaftlichen Biogasanlagen. – Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (LfU), Augsburg, Germany; http://www.lfu.bayern.de/energie/biogas/doc/machbarkeitsstudie_abwaermenutzung.pdf [10.07.2012] 80
Grundfor (2012) http://www.grundfos.com/service-support/encyclopedia-search/dewpoint.html [10.07.2012] Hiegl W., Rutz D., Janssen R. (2011) Information Material Biomass Systems. – Training Handbook for Sanitary and Heating Installers; WIP Renewable Energies, Munich, Germany; Academy for In-Service Teacher Training and Staff Development (ALP), Dillingen a.d. Donau, Germany; Report of the IEE Project Install+RES Karalus W. (2007) Ernte und Lagerungf von Getreide. - Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft; Dresden, Germany; http://www.landwirtschaft.sachsen.de/landwirtschaft/download/GetreideimOeL_ErnteLage r_2_Kennwortschutz.pdf Kirchmeyr F., Anzengruber G. (2008) Leitfaden zur Wärmenutzung bei Biogasanlagen. – ARGE Kompost und Biogas Österreich; Linz, Austria Kralemann M. (2007) Einleitung: Wärmenutzung in Biogasanlagen. - In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projektbioenergie.com/wcms/ftp//p/projektbioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf [10.07.2012] New Buildings Institute (1998) Guideline: Absorption Chillers. - New Buildings Institute; Fair Oaks; Canada; http://www.stanford.edu/group/narratives/classes/0809/CEE215/ReferenceLibrary/Chillers/AbsorptionChillerGuideline.pdf [10.07.2012] Paeger J. (2012) http://www.oekosystem-erde.de/html/energie.html Ramanauskaite R., Rutz D., Bailon L., Dzene I., Vorisek T., De Filippi F., Amann S., Amann C., (2012): Good Practice Examples for Efficient Heat Use from Biogas Plants. - WIP Renewable Energies: Munich, Germany; Report elaborated in the framework of the BiogasHeat project (Contract Number: IEE/11/025) Rutz D., Janssen R. (2008) Biofuel Technology Handbook. - 2nd version; BIOFUEL MARKETPLACE Project funded by the European Commission (EIE/05/022); WIP Renewable Energies, Germany; 152p. Rutz D., Janssen R., Letsch H. (2006) Installateurs-Handbuch Biomasseheizanlagen. - EUIEE EARTH Project; 241p.www.earth-net.info Rutz D., Janssen R., Hoffstede U., Beil M., Hahn H., Kulisic b., Jurić Z., Kruhek M., Ribic B., Haider p., Gostomska A., Nogueira M.A., Martins A.S., Martins M., do Céu Albuquerque M., Dzene I., Niklass M., Gubernatorova I., Schinnerl D., Ruszel m., Pawlak P. (2011) Organic Waste for Biogas Production in Urban Areas. - Proceedings of the 19th European Biomass Conference and Exhibition; pp. 2125-2131; ISBN 978-88-89407-55-7; DOI: 10.5071/19thEUBCE2011-VP3.4.27 Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Hoffstede U., Hahn H., Kulisic B., Bosnjak R., Kruhek M., Ribic B., Surowiec T., Surowiec M., Nogueira M.A., Martins A.S., Duarte D., do Céu Albuquerque M., Martins M., Dzene I., Niklass M., Pubule J., Schinnerl D., Kalandyk k., Zapora D. (2012) The use of Bio-Waste for biomethane Production in European Cities. - Proceedings of the 20th European Biomass Conference and Exhibition; pp. 1481 – 1490; ISBN 978-88-89407-54-7; DOI: 10.5071/20thEUBCE2012-3CO.2.2 Schröder D. (2007) Konzeption eines Wärmenetzes: Von „Wärmeabfall“ zum wirtschaftlichen Nutzungskonzept. – In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projekt-bioenergie.com/wcms/ftp//p/projektbioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf [10.07.2012] Schulz W., Heitmann S., Hartmann D., Manske S., Erjawetz S.P., Risse S., Räbiger N., Schlüter M., Jahn K., Ehlers B., Havran T., Schnober M., Leitfaden Verwendung von 81
Wärmeüberschüssen bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen. – Bremer Energie Institut; Bremen, Germany Skagestad B., Mildenstein P. (no date) District Heating and Cooling Connection Handbook. – International Energy Agency (IEA) District Heating and Cooling. http://dedc.dk/sites/default/files/programme_of_research_development_and_demonstratio n_on_district_heating_and_cooling.pdf [10.07.2012] Wiese G. (2007) Wärmeverluste: Vorsicht mit pauschalen Angaben! – In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projektbioenergie.com/wcms/ftp//p/projektbioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf [10.07.2012] Worldwatch Institute (2012) http://blogs.worldwatch.org/revolt/is-%E2%80%9Crenewablemethane%E2%80%9D-energy-storage-an-efficient-enough-option/ [17.07.2012]
82
