v energetice a dopravě

Katedra elektroenergetiky a ekologie Fakulta elektrotechnická Západoˇceská univerzita v Plzni

Diplomová práce

Výroba, u´prava a vyuˇzit´ı bioplynu v energetice a dopravˇe

T e r e z a V y ˇs t e i n o v á

ˇ ˇcerba, Ph.D. Skolitel: Mgr. Eduard Sˇ Datum odevzdán´ı: 11. kvˇetna, 2011

Prohláˇsen´ı Prohlaˇsuji, ˇze svou diplomovou práci na téma Výroba, u ´prava a vyuˇzit´ı bioplynu, v energetice a dopravˇe jsem vypracovala samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho diplomové práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autorka uvedené diplomové práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této diplomové práce jsem neporuˇsila autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhla nedovolen´ ym zp˚ usobem do ciz´ıch autorsk´ ych práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedoma následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı §11 autorského zakona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzn´ ych trestnˇe-pravn´ıch d˚ usledk˚ u vypl´ yvaj´ıc´ıch z ustanoven´ı §152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb.

.............................. Tereza Vyˇsteinov´ a

Abstrakt Diplomov´ a práce se zab´ yvá problematikou v´ yroby, ˇciˇstˇen´ı a následn´ ym vyuˇzit´ım bioplynu jak v energetice, tak i v dopravˇe. Srovnává standardn´ı vyuˇzit´ı bioplynu v kogeneraˇcn´ıch jednotk´ ach pro v´ yrobu elektrické energie a tepla s variantou ˇciˇstˇen´ı bioplynu na kvalitu zemn´ıho plynu a následného vtláˇcen´ı do s´ıt´ı zemn´ıho plynu. Na navrˇzeném modelu bioplynové stanice o velikosti 1 MW porovnává tyto dvˇe varianty z ekonomického, energetického a environmentáln´ıho hlediska.

Kl´ıˇ cov´ a slova: Bioplyn, biometan, bioplynová stanice, technologie na u´pravu bioplynu, zemn´ı plyn, nap´ ajen´ı s´ıtˇe zemn´ıho plynu, environmentáln´ı aspekty, ekonomické aspekty.

Abstract This master thesis deals with the production, modification and usage of biogas in energetics and transportation. It compares a standard utilization of biogas in co-generation units for heat and electric power production with a variant of upgrading biogas to the quality of nature gas and usage in the local gas distribution networks. In the designed model of biogas plant, which has power output 1 MW, there are compered this two variants from energetical, economical and environmental aspects.

Keywords: Biogas, Biomethan, Biogas plant, Upgrade technology, Natural gas, Injection into the Gas Grid, Environmental Aspects, Economical Aspects.

Podˇekován´ı ˇcerbovi, Ph.D. T´ımto bych ráda podˇekovala svému vedouc´ımu diplomové práce Mgr. Eduardu Sˇ za ochotu, s n´ıˇz se mi pˇri práci vˇenoval, za cenné rady, pˇripom´ınky a metodické veden´ı práce. Dˇekuji svému konzultantovi z firmy Johann Hochreiter s.r.o. panu Ing. Jiˇr´ımu Pastorkovi za poskytnut´ı vˇsech potˇrebn´ ych materiál˚ u nezbytn´ ych k realizaci této práce a odborné veden´ı. Dále bych ráda podˇekovala svému pˇr´ıteli Ing. Josefu Ottovi, Ph.D. za odbornou pomoc pˇri grafickém zpracován´ı textu v programu LATEX a celé své rodinˇe za podporu pˇri psan´ı této diplomové práce.

Obsah

´ 1 Uvod

1

2 Anal´ yza souˇ casn´ eho stavu v´ yroby bioplynu a jeho vyuˇ zit´ı

3

2.1

Základn´ı pojmy z oblasti v´ yroby bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

Vznik bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.2.1

Anaerobn´ı fermentace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.2

Sloˇzen´ı a vlastnosti bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Zdroje biomasy pro v´ yrobu bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.1

Produkce bioplynu z r˚ uzn´ ych substrát˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3.2

Energetick´ y potenciál jednotliv´ ych druh˚ u odpad˚ u. . . . . . . . . . . . . .

10

D˚ uvody vyuˇz´ıván´ı anaerobn´ı fermentace v zemˇedˇelstv´ı . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Pozice obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie v energetické bilanci CR . . . . . . . . . . .

12

2.5.1

V´ yroba elektˇriny z OZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.5.2

V´ yroba tepelné energie z OZE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.5.3

Energetické vyuˇz´ıván´ı bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.3

2.4 2.5

3 Popis souˇ casn´ e technologie na v´ yrobu, u ´ pravu a vyuˇ zit´ı bioplynu 3.1

13

19

Zaˇr´ızen´ı na v´ yrobu bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.1.1

Poˇcet procesn´ıch stupˇ n˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.1.2

Procesn´ı teplota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1.3

Zp˚ usob pohybu substrátu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1.4

Obsah suˇsiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.1.5

Porovnán´ı technologi´ı suché a mokré fermentace . . . . . . . . . . . . . .

23

3.2

Funkˇcn´ı popis technologie bioplynové stanice ,,kruh v kruhu” . . . . . . . . . . .

25

3.3

Technologie na u ´pravu bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.3.1

PSA (Pressure Swing Adsorption) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.2

Metoda absorpce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.3.3

Membránová separace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.3.4

N´ızkoteplotn´ı rektifikace - kryotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.3.5

Porovnán´ı technologi´ı ˇciˇstˇen´ı bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33 i

Obsah

3.4

Moˇznosti vyuˇzit´ı bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.4.1

Spalován´ı v kotl´ıch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.4.2

Kogenerace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.4.3

Trigenerace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.4.4

Palivové ˇclánky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.4.5

Biometan jako palivo pro motorová vozidla . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.4.6

Biometan v porovnán´ı s jin´ ymi palivy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

3.4.7

Napájen´ı s´ıtˇe zemn´ıho plynu

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.4.8

Poˇzadavky na kvalitu vtláˇceného biometanu . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.4.9

Závˇer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4 N´ avrh bioplynov´ e stanice s ohledem na vyuˇ zit´ı biometanu ˇ . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Postup pˇri realizaci projekt˚ u bioplynov´ ych stanic v CR

47 47

4.2

Zemˇedˇelská bioplynová stanice z hlediska legislativy . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.3

Koncepce bioplynové stanice 1 MW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.4

Finanˇcn´ı nároˇcnost bioplynové stanice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

4.4.1

Kalkulace náklad˚ u stavebn´ı ˇcásti a technologie . . . . . . . . . . . . . . .

53

4.4.2

Ekonomická bilance produkce bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

5

Porovn´ an´ı bioplynu z hlediska ekonomick´ e a environment´ aln´ı pˇ rijatelnosti

59

5.1

SWOT anal´ yza v´ ystavby BPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

5.2

Ekonomické aspekty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.2.1

Ekonomická efektivnost investice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.2.2

V´ ykupn´ı cena energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

5.2.3

Diverzifikace pˇr´ıjm˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

Environmentáln´ı aspekty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

5.3.1

Problematika zápachu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

5.3.2

Zdroj emis´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

5.3.3

Nezávisl´ y obnoviteln´ y zdroj energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

5.3

6 Z´ avˇ er

67

7 Pˇ r´ılohy

73

ii

Seznam tabulek

2.1

Sloˇzen´ı bioplynu, [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.2

Produkce bioplynu ze substrát˚ u na bázi zv´ıˇrec´ıch exkrement˚ u, [9].

9

2.3

2.6

Produkce bioplynu ze substrát˚ u na bázi energetick´ ych rostlin, [9]. . . . . . . . ˇ [16]. . . . . . . . . . Pˇrehled potenciálu biomasy anaerobn´ı fermentac´ı v CR, ˇ [11]. . . . . . . . . . . Energetick´ y potenciál zbytkové biomasy na u ´zem´ı CR, ˇ Teoretick´ y potenciál vyuˇzit´ı energie z exkrement˚ u hospodáˇrsk´ ych zv´ıˇrat v CR,

2.7

V´ yroba elektˇriny z OZE v roce 2009, [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.8

V´ yroba tepla z OZE v roce 2009, [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.9

Spotˇreba bioplynu k energetick´ ym u ´ˇcel˚ um v roce 2008 a 2009, [17]. . . . . . . . .

16

2.10 V´ yroba elektˇriny z bioplynu v roce 2009 a 2008 , [17]. . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.11 V´ yroba tepla z bioplynu v roce 2009 a 2008, [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.1

Postupy v´ yroby bioplynu dle jednotliv´ ych kritéri´ı, [14]. . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.2

Srovnáván´ı parametr˚ u jednotliv´ ych absorpˇcn´ıch proces˚ u, [25]. . . . . . . . . . . .

33

3.3

Poˇzadavky na kvalitu bioplynu dle TPG 902 02, [32]. . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.4

N´ avrh vlastnictv´ı zaˇr´ızen´ı pro u ´pravu a vtláˇcen´ı biomatenu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu, [37]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.1

Etapy v´ ystavby bioplynové stanice, [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

4.2

Bilanˇcn´ı v´ ypoˇcet bioplynové stanice 1000 kWe

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.3

Parametry technologick´ ych nádrˇz´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

4.4

N´ aklady stavebn´ı a technologické ˇcásti BPS 1 MW. . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

4.5

Trˇzby z energi´ı vyroben´ ych na BPS kategorie AF1. . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

4.6

Trˇzby z prodeje biometanu (zemn´ıho plynu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

5.1

SWOT anyl´ yza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

60

5.2

V´ ykupn´ı ceny a zelené bonusy pro elektˇrinu vyrobenou z bioplynu. . . . . . . . .

63

5.3

Limitn´ı hodnoty zneˇciˇst’uj´ıc´ıch látek, [40]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65

2.4 2.5

. . . . . . . . . .

10

. .

11

. .

11

[11]. 12

iii

Seznam obrázk˚ u

2.1

Zjednoduˇsené schéma anaerobn´ı fermentace, [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2

V´ yhˇrevnost bioplynu v závisloti na koncentraci metanu, [6]. . . . . . . . . . . . .

8

2.3

V´ yznam anaerobn´ı fermentace vlhk´ ych organick´ ych materiál˚ u, [6]. . . . . . . . .

12

2.4

Mapa bioplynov´ ych stanic, CZ Biom 2009,www.biom.cz , [18]. . . . . . . . . . . .

15

3.1

Blokové schéma technologie mokré fermentace, [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2

V´ ystavba fermentoru ,,kruh v kruh”,[19].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.3

Blokové schéma technologie mokré fermentace, [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.4

Princip diskontinuáln´ı technologie, [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.5

Garáˇzov´ y systém fermentor˚ u na tuh´ y organicky materiál such´ y a sucho-mokr´ y proces, [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.6

Schéma bioplynové stanice se sucho-mokrou fermentac´ı, [22]. . . . . . . . . . . .

24

3.7

Koncepce bioplynové stanice ,,kruh v kruhu” firmy Johann Hochreiter, [20] . . .

25

3.8

Vstupn´ı dávkovac´ı zaˇr´ızeni - firma Fliegel, [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.9

Horizontáln´ı pádlové m´ıchadlo; 1- kryt s pádlem, 2- pádla (4x), 3- závˇes loˇziska, 4- kluzné loˇzisko, 5- m´ıchac´ı hˇr´ıdel, [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.10 Vertikáln´ı pádlové m´ıchadlo, [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.11 Boˇcn´ı vrtulové m´ıchadlo, [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.12 Centráln´ı ˇcerpadlo, [23]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.13 Procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu technologi´ı PSA . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.14 Procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu vodn´ı absorpc´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.15 Schéma membránové separace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.16 Zp˚ usoby vyuˇzit´ı bioplynu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

3.17 Schématická v´ ystavba kogeneraˇcn´ı jednotky, schéma ASUE, [14]. . . . . . . . . .

35

3.18 Kogeneraˇcn´ı jednotka, [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.19 Schéma zapojen´ı absorpˇcn´ıho chlazen´ı, firma TEDOM, [28]. . . . . . . . . . . . .

37

3.20 Princip palivového ˇclánku (MVFC) na bioplyn, [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.21 Motorov´ y vlak ve ˇsvédském Linköpingu, [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.22 Porovnán´ı produkce, efektivity a dojezdové vzdálenosti kapaln´ ych biopaliv na 1 hektar pˇestebn´ı plochy za rok, [30]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

3.23 Schéma uspoˇrádán´ı technologi´ı pro vtláˇcen´ı biometanu do plynárensk´ ych s´ıt´ı. . .

42 v

´zk˚ Seznam obra u

3.24 Blokové schéma vlastnictv´ı zaˇr´ızen´ı, [37]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.25 Bioplynová stanice Pliening v Nˇemecku, [33]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.1

Grafické znázornˇen´ı uspoˇrádán´ı objekt˚ u v areálu BPS. . . . . . . . . . . . . . . .

52

4.2

Mˇerná investiˇcn´ı nároˇcnost bioplynové stanice, [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

5.1

Schéma reˇzimu v´ ykupn´ıch cena zelen´ ych bonus˚ u, [39]. . . . . . . . . . . . . . . .

63

vi

Seznam pouˇzitých zkratek a symbol˚ u

Zkratka

N´ azev

ATP BM BP BPE BPS BRKO BRPO Btl CH4 CNG CO2 ˇ COV D EIA ´ ERU EU H2 H2 O H2 S KJ LFG LNG LPG MEA N N2 NaOH NH3 NOx Npr O2

Alternativn´ı paliva Biometan Bioplyn Bioplynová elektrárna Bioplynová stanice Biologicky rozloˇziteln´ y komunáln´ı odpad Biologicky rozloˇziteln´ y pr˚ umyslov´ y odpad Biopaliva 2. generace ( Biomass to liquid“) ” Metan Stlaˇcen´ y zemn´ı plyn ( Compressed Natur Gas“) ” Oxid uhliˇcit´ y ˇ ırna odpadn´ıch vod Cist´ V´ yˇse poskytnuté dotace (Kˇc) Posuzován´ı vlivu na ˇzivotn´ı prostˇred´ı ( Environmental Impact Assessment“) ” Energetick´ y regulaˇcn´ı u ´ˇrad Evropská unie Vod´ık Voda Sulfan Kogeneraˇcn´ı jednotka Skládkov´ y plyn ( Landfill Gas“) ” Zkapalnˇen´ y zemn´ı plyn ( Luiquide Nature Gas“) ” Zkapalnˇen´ y ropn´ y plyn ( Luquefied Petroleum Gas“) ” Membránová separace Jednorázové náklady (Kˇc) Dus´ık Hydroxid sodn´ y Amoniak Oxidy dus´ıku Pr˚ umˇerné roˇcn´ı provozn´ı náklady (Kˇc) Kysl´ık

vii

OZE PRO PSA PWA REZZO SNG TKO TOC TS Ts TZL Vr ZP

Obnovitelné zdroje energie Pr˚ umyslové odpady Tlaková adsorpce ( Pressure Swing Adsorption“) ” Absorpce vodn´ı vyp´ırkou ( Pressure Water Absorption“) ” Registr emis´ı a zdroj˚ u zneˇciˇst’ován´ı ovzduˇs´ı Náhradn´ı zemn´ı plyn ( Substitute Natur Gas“) ” Tuh´ y komunáln´ı odpad Uhlovod´ıky Obsah suˇsiny Prostá doba návratnosti (roky) Tuhé zneˇciˇst’uj´ıc´ı látky Pr˚ umˇerné roˇcn´ı v´ ynosy (Kˇc) Zemn´ı plyn

We can create a more sustainable, cleaner and safer world by making wiser energy choices. Robert Alan

1

´ Uvod

V souˇcasné dobˇe v´ yznam obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie neustále zvyˇsuje. Ceny vˇsech dostupn´ ych paliv rostou, a proto se v´ yrobci energi´ı ˇcastˇeji zam´ yˇslej´ı nad otázkou, jak nahradit alespoˇ n ˇcást spalovan´ ych fosiln´ıch paliv environmentálnˇe vhodnˇejˇs´ım materiálem. Jednou z elegantn´ıch moˇznost´ı je vyuˇzit´ı bioplynu. Bioplynové stanice jsou zaˇr´ızen´ı produkuj´ıc´ı bioplyn, kter´ y je následnˇe pˇremˇenˇen na elektrickou energii a teplo, popˇr´ıpadˇe chlad. Tato vyrobená energie byla v dˇr´ıve spotˇrebována v m´ıstˇe v´ yroby, dnes se elektrická energie dostává do distribuˇcn´ı s´ıtˇe a ˇ e republice vyuˇz´ıván pouze v kogennáslednˇe k zákazn´ık˚ um. V souˇcasné dobˇe je bioplyn v Cesk´ eraˇcn´ıch jednotkách, avˇsak v zahraniˇc´ı jsou o nˇeco dále a snaˇz´ı se vyuˇz´ıt maximáln´ı mnoˇzstv´ı energie, která je v bioplynu obsaˇzena. Vznikl´ y bioplyn je moˇzné vyˇcistit na plyn naz´ yvan´ y téˇz jako biometan, kter´ y je sv´ ym sloˇzen´ım a vlastnostmi témˇeˇr totoˇzn´ y se zemn´ım plynem. Tento plyn je moˇzné dále efektivnˇeji vyuˇz´ıvat napˇr´ıklad vtláˇcen´ım do distribuˇcn´ıch s´ıt´ı zemn´ıho plynu nebo jako pro palivo pro motorová vozidla (CNG, LNG). Obˇe tyto varianty se v zahraniˇc´ı zaˇc´ınaj´ı ˇc´ım dál ˇcastˇeji objevovat. Tato diplomová práce se zab´ yvá problematikou v´ yroby, u ´pravy a vyuˇzit´ı bioplynu z bioplynov´ ych stanic v energetice a dopravˇe. Práce je rozdˇelena do ˇctyˇr hlavn´ıch kapitol, pˇriˇcemˇz prvn´ı ˇcást je zamˇeˇrena na anal´ yzu souˇcasného stavu v´ yroby bioplynu a jeho vyuˇzit´ı. V druhé ˇcásti práce jsou popsány dosud známé technologie na v´ yrobu a ˇciˇstˇen´ı bioplynu. Je zde bl´ıˇze pops´ an proces v´ yroby bioplynu v bioplynov´ ych stanic´ıch. Dále jsou v tomto bodˇe pops´ any jednotlivé zp˚ usoby vyuˇz´ıván´ı bioplynu jako je napˇr´ıklad kogenerace, trigenerace,spalován´ı, ale také nové alternativy jako je vyuˇzit´ı bioplynu v palivov´ ych ˇclánc´ıch nebo jako motorového paliva. V tˇret´ı ˇcásti práce je navrˇzen model bioplynové stanice o velikosti 1 MW. Jsou zde porovnáv´ any dvˇe varianty vyuˇzit´ı. Prvn´ı moˇznost pˇredstavuje klasická BPS s kogeneraˇcn´ı jendotkou, druhou variantu tvoˇr´ı BPS s technologi´ı na ˇciˇstˇen´ı bioplynu. Pro obˇe moˇznosti je zpracována kalkulace náklad˚ u a v´ ynos˚ u. ˇ Ctvrt´ y bod práce je zamˇeˇren na hodnocen´ı bioplynov´ ych stanic z hlediska environmentáln´ıch a ekonomick´ ych aspekt˚ u. Jak´ y vliv má provoz bioplynov´ ych stanic na okoln´ı prostˇred´ı.

1

Nature provides a free lunch, but only if we control our appetites. William Ruckelshaus

2

Analýza souˇcasného stavu výroby bioplynu a jeho vyuˇzit´ı V posledn´ıch letech stále v´ yraznˇeji stoupá zájem o problematiku v oblasti bioplynu. Zv´ yˇsen´ a poptávka po obnoviteln´ ych zdroj´ıch energie umoˇzn ˇuje dynamick´ y rozvoj jejich vyuˇz´ıván´ı a v´ yvoj technologi´ı pro produkci bioplynu. V souˇcasné dobˇe nen´ı moˇzné ve vˇetˇs´ım mˇeˇr´ıtku nahradit fosiln´ı paliva, avˇsak systémy, které vyuˇz´ıvaj´ı bioplyn jako zdroj energie, jsou perspektivn´ımi energetick´ ymi zdroji s neomezen´ ymi moˇznostmi do budoucna a s vysoce pozitivn´ımi pˇr´ınosy pro ˇzivotn´ı prostˇred´ı. ˇ bioplyn vyuˇz´ıván jako obnovitelné palivo a to pˇredevˇs´ım pro v´ V souˇcasnosti je v CR yrobu elektˇriny a tepla v kogeneraˇcn´ıch jednotkách um´ıstˇen´ ych v areálu bioplynov´ ych stanic (BPS). D˚ uvodem, proˇc se u nás vyráb´ı právˇe elektˇrina, je veˇrejná podpora instalac´ım vyuˇz´ıvaj´ıc´ım obnovitelné zdroje energie pro v´ yrobu elektˇriny formou grantov´ ych v´ ykupn´ıch cen, tzv. ,,Zelen´ ych bonus˚ u” maj´ıc´ıch charakter pˇr´ıplatku za environmentálnˇe ˇsetrnou v´ yrobu elektrické energie. Nev´ yhodou takov´ ychto instalac´ı je nedostateˇcné vyuˇzit´ı tepla z kogenerace, zvláˇstˇe v letn´ım obdob´ı. V zahraniˇc´ı se proto v posledn´ıch letech objevuje ˇrada nov´ ych instalac´ı s u ´pravou bioplynu na biometan, kter´ y pak m˚ uˇze b´ yt plnohodnotnou náhradou zemn´ıho plynu vyuˇzitelného napˇr. jako motorové palivo v dopravˇe. A to bud’ pˇr´ım´ ym zásobován´ım bl´ızkoleˇz´ıc´ıch pln´ıc´ıch stanic na stlaˇcen´ y (zemn´ı) plyn - CNG (z angl. ”Copressed Natur Gas”), nebo vtláˇcen´ım do distribuˇcn´ı s´ıtˇe zemn´ıho plynu, jej´ımˇz prostˇrednictv´ım lze biomatan dodávat daleko ˇsirˇs´ımu okruhu dalˇs´ıch moˇzn´ ych zájemc˚ u, [1, 6].

2.1

Z´ akladn´ı pojmy z oblasti v´ yroby bioplynu

Anaerobn´ı fermentace je proces, pˇri kterém docház´ı k pˇremˇenˇe surové organické hmoty na biologicky stabilizovan´ y substrát a bioplyn. Biomasa (BM), biopalivo jsou látky organického p˚ uvodu, které lze vyuˇz´ıt jako zdroje energie, napˇr. pro spalován´ı, zplyˇ nován´ı aj., [3]. Biometan je upraven´ y bioplyn vhodn´ y pro vtláˇcen´ı do plynárensk´ ych s´ıt´ı, [12]. Biopalivo motorov´ e kapalné nebo plynné pohonné hmoty vyrobené z biomasy a urˇcené pro pohon vozidel na pozemn´ıch komunikac´ıch, [3]. 3

´za souc ˇasne ´ho stavu vy ´roby bioplynu a jeho vyuˇ Kapitola 2. Analy zit´ı

Bioplyn je smˇes plyn˚ u, kde podstatnou ˇcást tvoˇr´ı metan (50 - 75%) a zbytek je doplnˇen oxidem uhliˇcit´ ym (25 - 50%) a mal´ ym mnoˇzstv´ım dalˇs´ıch pˇr´ımˇes´ı jako voda nebo sulfan (H2 S). Vzniká bakteriáln´ım rozkladem organické hmoty bez pˇr´ıstupu vzduchu, [11]. Bioplynov´ e stanice (BPS) jsou zaˇr´ızen´ı pro ˇr´ızenou anaerobn´ı fermentaci organick´ ych látek. Obecné rozdˇelen´ı BPS je na zemˇedˇelské (statková hnojiva, zemˇedˇelská biomasa), ˇcist´ırenské ˇ (kaly z COV) a komunáln´ı BPS, které zpracovávaj´ı bioodpady a vedlejˇs´ı ˇzivoˇciˇsné produkty, [10]. CNG - Compressed Natur Gas znamená stlaˇcen´ y zemn´ı plyn. Je pouˇz´ıván jako palivo pro pohon motorov´ ych vozidel, [13]. Digest´ at je fermentovan´ y zbytek z provozu bioplynov´ ych stanic. Lze ho rozdˇelit na tuhou sloˇzku - separát a na tekut´ y fugát. Digestáty z BPS zpracovávaj´ıc´ıch odpady v pˇr´ıpadˇe, ˇze vyhovuj´ı limit˚ um obsahu cizorod´ ych látek, zejména tˇeˇzk´ ych kov˚ u, mohou b´ yt pouˇzity jako organické hnojivo na zemˇedˇelské p˚ udˇe na základˇe pˇredpis˚ u legislativy hnojiv nebo mohou b´ yt pouˇzity jako rekultivaˇcn´ı digestát na nezemˇedˇelské p˚ udˇe. Tuhé digestáty mohou b´ yt kompostovány nebo upravovány na pˇestebn´ı substráty. Fugát po odvodnˇen´ı digestátu m˚ uˇze ˇ b´ yt ˇcásteˇcnˇe recyklován v provozu BPS nebo vypouˇstˇen na COV, [10]. Kofermentace je technologie umoˇzn ˇuj´ıc´ı fermentovat pˇri anaerobn´ı digesci napˇr. zv´ıˇrec´ı fekálie spoleˇcnˇe s dalˇs´ımi bioodpady ze zemˇedˇelské, komunáln´ı a pr˚ umyslové sféry, [8]. LNG - Liquid Natur Gas je zemn´ı plyn ve zkapalnˇené formˇe, [13]. LPG - Liquefied Petroleum Gas neboli zkapalnˇen´ y ropn´ y plyn je smˇes uhlovod´ıkov´ ych plyn˚ u pouˇz´ıvaná jako palivo do spalovac´ıch spotˇrebiˇc˚ u a vozidel, [13]. Reaktorov´ y plyn se vyráb´ı v reaktorech a základn´ı surovinou m˚ uˇze b´ yt napˇr. rostlinn´ y odpad, dˇrevn´ı biomasa, kaly z´ıskané pˇri ˇciˇstˇen´ı odpadn´ıch vod. Vsázku reaktoru je nutno aktivovat speciáln´ı kulturou, která zajiˇst’uje nastartován´ı technologického procesu. Bioplyn vznikl´ y touto technologi´ı sestává pˇreváˇznˇe z metanu a oxidu uhliˇcitého, [3]. Skl´ adkov´ y plyn je bioplyn tˇeˇzen´ y ze skládek tuh´ ych komunáln´ıch odpad˚ u. Vzniká podobn´ ym zp˚ usobem jako bioplyn vyrábˇen´ y v reaktorech. Ze skládek se plyn ˇcerpá speciáln´ımi ˇcerpac´ımi agregáty, [3].

2.2

Vznik bioplynu

Bioplyn vzniká bˇehem ˇr´ızené anaerobn´ı fermentace, která se taktéˇz naz´ yvá anaerobn´ı digesce, biogasifikace, vyhn´ıván´ı, anaerobn´ı stabilizace, ale obecnˇe se oznaˇcuje jako methanizace. Methanizace (biomethanizace) je soubor proces˚ u, pˇri nichˇz smˇesná kultura mikroorganism˚ u postupnˇe rozkládá biologicky rozloˇzitelnou hmotu bez pˇr´ıstupu vzduchu. Koneˇcn´ ymi produkty jsou stabilizovaná organická hmota (zbytková biomasa, tzv. digestát) a bioplyn, kter´ y je tvoˇren pˇreváˇznˇe methanem a oxidem uhliˇcit´ ym. Zvláˇstn´ı skupinou mezi biplyny pˇredstavuj´ı plyny tvoˇr´ıc´ı se samovolnˇe ve skládkách odpad˚ u, které obsahuj´ı biologicky rozloˇzitelné komponenty. Principiálnˇe jde o zcela stejné procesy jako u reaktorové biometanizace, ale sloˇzen´ı skládkov´ ych plyn˚ u b´ yvá mnohem promˇenlivˇejˇs´ı. Proto odborná literatura pouˇz´ıvá pro tento plyn zkratku LFG (Landfill Gas, tzv. skládkov´ y plyn). Mezi koneˇcné produkty z BPS patˇr´ı stabilizovan´ y digestát, kter´ y se nacház´ı vˇetˇsinou v tekutém stavu s n´ızk´ ym pod´ılem suˇsiny. Obsahuje hodnotné organické látky a mineráln´ı ˇziviny a dále se pouˇz´ıvá jako organické hnojivo pro své velmi dobré vlastnosti, [2, 15]. 4

2.2. Vznik bioplynu

2.2.1

Anaerobn´ı fermentace

Methanov´ a fermentace je soubor ˇrady na sebe navazuj´ıc´ıch proces˚ u, na kter´ ych se pod´ıl´ı nˇekolik základn´ıch skupin anaerobn´ıch mikroorganism˚ u. Produkt jedné skupiny mikroorganism˚ u se stává substrátem skupiny druhé, a proto v´ ypadek jedné skupiny m˚ uˇze zp˚ usobovat poruchy v celém systému. Rozliˇsuj´ı se 4 stádia rozkladu: Hydrol´ yza pˇri hydrol´ yze jsou rozkládány makromolekulárn´ı rozpuˇstˇené i nerozpuˇstˇené organické látky (polysacharidy, lipidy, protainy) na n´ızkomolekulárn´ı látky rozpustné ve vodˇe pomoc´ı extracelulárn´ıch hydrolytick´ ych enzym˚ u. Tyto enzymy jsou produkovány hlavnˇe fermentaˇcn´ımi bakteriemi. Vznikaj´ıc´ı n´ızkomolekulárn´ı látky jsou schopny na rozd´ıl od makromolekulárn´ıch transportu dovnitˇr buˇ nky. Pˇredpokladem pro nastartován´ı hydrol´ yzy je dostateˇcn´ y obsah vlhkosti nad 50% hmotnostn´ıho pod´ılu. Hydrolytické organismy jeˇstˇe nevyˇzaduj´ı striktnˇe bezkysl´ıkaté prostˇred´ı. Acidogeneze jde o druhou fázi rozkladu, pˇri n´ıˇz jsou produkty hydrol´ yzy uvnitˇr buˇ nky dále rozkládány na jednoduˇsˇs´ı organické látky (kyseliny, alkoholy, oxid uhliˇcit´ y, vod´ık). Fermentac´ı tˇechto látek se tvoˇr´ı ˇrada koneˇcn´ ych redukovan´ ych produkt˚ u, které jsou závislé na charakteru poˇcáteˇcn´ıho substrátu a na podm´ınkách prostˇred´ı. Bˇehem této fáze dojde k vytvoˇren´ı bezkysl´ıkatého prostˇred´ı. Acetogeneze nˇekdy téˇz oznaˇcováná jako mezifáze. Pˇri acetogenezi docház´ı k dalˇs´ımu ˇstˇepen´ı substrátu na vod´ık, oxid uhliˇcit´ y a kyselinu octovou. Dále prob´ıhá acetogenn´ı respirace oxidu uhliˇcitého a ´ cast tˇechto mikroorganism˚ vod´ıku homoacetogenn´ımi mikroorganismy. Uˇ u produkuj´ıc´ıch vod´ık je nezbytná, jelikoˇz rozkládaj´ı kyselinu propionovou a ostatn´ı organické kyseliny vyˇsˇs´ı neˇz octovou, alkoholy a nˇekteré aromatické slouˇceniny. Metanogeneze je posledn´ı fáz´ı procesu a obsahuje jiˇz methanogenn´ı organismy, které rozkládaj´ı nˇekteré jednouhl´ıkaté látky (methanol, kyselina mravenˇc´ı, metylamin, oxid uhliˇcit´ y, vod´ık, oxid uhelnat´ y) a kyselinu octovou. Pˇri této fázi docház´ı k vlastn´ı tvorbˇe bioplynu. Metanogenn´ı f´ aze prob´ıhá pˇribliˇznˇe 5x pomaleji neˇz pˇredchoz´ı tˇri. Tomu je tˇreba pˇrizp˚ usobit konstrukci bioplynov´ ych technologick´ ych systém˚ u a dávkován´ı surového materiálu jinak hroz´ı pˇret´ıˇzen´ı fermentoru. Methanogenn´ı organismy jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı trofickou skupinou, maj´ı vysoce specifické poˇzadavky na substrát i ˇzivotn´ı podm´ınky. Vˇsechny f´ aze procesu anaerobn´ı methanové fermentace jsou následné, pˇri kontinuáln´ım provozu prob´ıhaj´ı souˇcasnˇe. D˚ uleˇzitou u ´lohu hraj´ı bakterie, které maj´ı pˇr´ım´ y vliv na jednotlivé f´ aze rozkladu. Rozliˇsujeme dva druhy bakteri´ı: Acetotrofn´ı methanogenn´ı bakterie - jejich p˚ usoben´ım vzniká v´ yznamn´ y pod´ıl methanu v bioplynu. Tyto bakterie rozkládaj´ı kyselinu octovou na smˇes metanu (CH4 ) a oxidu uhliˇcitého (CO2 ). Jsou schopny udrˇzovat pH fermentaˇcn´ıho média. 5


Obrázek 2.1: Zjednoduˇsené schéma anaerobn´ı fermentace, [6]. Hydrogenotrofn´ı methanogenn´ı bakterie - produkuj´ı methan z vod´ıku a oxidu uhliˇcitého. Rostou pomˇernˇe rychle, jejich generaˇcn´ı doba je asi 6 hodin. V anaerobn´ım procesu p˚ usob´ı tyto vod´ıkové methanogeny jako samoregulátor. Odstraˇ nuj´ı ze systému témˇeˇr vˇsechen vod´ık. Koncentrace vod´ıku v plynu by mˇela b´ yt minimáln´ı a m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobena bud’ pˇret´ıˇzen´ım anaerobn´ıho reaktoru nebo inhibic´ı (zadrˇzován´ım) tˇechto methanogen˚ u, [2, 3, 4].

V´ yroba bioplynu je velmi sloˇzit´ ym procesem a mus´ı prob´ıhat za urˇcit´ ych podm´ınek. Metanové bakterie se mohou efektivnˇe mnoˇzit a pracovat pouze pokud jsou splnˇeny následuj´ıc´ı podm´ınky: Vlhk´ e prostˇ red´ı - jelikoˇz bakterie nejsou schopné ˇz´ıt v pevném substrátu, je nutné zajistit dostateˇcnou vlhkost. Zabr´ anˇ en´ı pˇ r´ıstupu vzduchu - metanové bakterie nejsou schopné pracovat za pˇr´ıtomnosti vzduchu. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je pˇr´ıtomn´ y kysl´ık, je zapotˇreb´ı, aby jej zpracovaly bakterie v prvn´ıch fáz´ıch metanové fermentace, ale t´ım se proces zpomaluje. Zabr´ anˇ en´ı pˇ r´ıstupu svˇ etla - svˇetlo zpomaluje pr˚ ubˇeh procesu. St´ al´ a teplota - pro kaˇzd´ y typ kmen˚ u bakteri´ı je charakteristická jiná teplota optimáln´ıho r˚ ustu. ◦ ◦ ◦ Tato teplota je v rozmez´ı 0 C aˇz 70 C, vˇetˇsinou je to kolem 40 C. Hodnota pH - methanogenn´ı organismy vyˇzaduj´ı pro sv˚ uj r˚ ust pH v neutráln´ı oblasti 6,5-7,5. Optimáln´ı ˇcinnost bakteri´ı ovlivˇ nuje celá ˇrada dalˇs´ı faktor˚ u, jako napˇr. dostateˇcn´ y a rovnomˇern´ y pˇr´ısun ˇzivin, odvˇetrán´ı substrátu atd.

2.2.2

Sloˇ zen´ı a vlastnosti bioplynu

Sloˇzen´ı bioplynu závis´ı na druhu rozkládaného substrátu, z toho také vypl´ yvaj´ı rozd´ıly ve sloˇzen´ı bioplynu a pˇredevˇs´ım mnoˇzstv´ı metanu z r˚ uzn´ ych technologick´ ych proces˚ u. Bioplyn obsahuje vˇzdy dva majoritn´ı plyny a to metan (CH4 ), oxid uhliˇcit´ y (CO2 ) a také poˇcetnou, ale objemovˇe zanedbatelnou ˇradu minoritn´ıch plyn˚ u jako je vod´ık (H2 ), sulfan (H2 S), dus´ık (N2 ) a jiné. Pˇri v´ ystupu z metanizaˇcn´ıho reaktoru obsahuje jeˇstˇe urˇcité mnoˇzstv´ı vody (H2 O), dle teploty procesu (3-4%) a m˚ uˇze obsahovat stopové mnoˇzstv´ı amoniaku, mastn´ ych kyselin a jiné. Bioplyn z dobˇre 6

´robu bioplynu 2.3. Zdroje biomasy pro vy

Tabulka 2.1: Sloˇzen´ı bioplynu, [14].

pracuj´ıc´ıch reaktor˚ u obsahuje 65-85% CH4 a 20-35% CO2 . Vysok´ y obsah CO2 m˚ uˇze znamenat, ˇze nebyly vytvoˇreny optimáln´ı podm´ınky pro anaerobn´ı fermentaci. V Tabulce 2.1 jsou uvedeny pr˚ umˇerné hodnoty sloˇzen´ı bioplynu. V´ yhˇ revnost bioplynu je urˇcena majoritn´ım obsahem metanu. D´ıky jeho vysokému obsahu je bioplyn cenou energetickou surovinou. Na Obrázku 2.2 je znázornˇena závislost v´ yhˇrevnosti na obsahu metanu v bioplynu. Pˇri obvyklém sloˇzen´ı bioplynu s obsahem biometanu 50-70% se v´ yhˇrevnost pohybuje mezi 18-26 MJ.m−3 . Energetick´ y obsah 1 m3 biometanu, coˇz je metan izolovan´ y z bioplynu, je asi 10 kWh energie a to odpov´ıdá 1 litru benz´ınu. Hranice z´ apalnosti metanu ve smˇesi se vzduchem je 5 - 15% objemov´ ych. Tato koncentrace metanu jiˇz tvoˇr´ı v´ ybuˇsnou smˇes. Zápalná teplota bioplynu je urˇcena stejnou hodnotou pro metan, tj. 650 - 750 ◦ C. Hodnota hustoty metanu a bioplynu s 60% pod´ılem CH4 . Bioplyn je tˇeˇzˇs´ı neˇz vzduch a vytváˇr´ı pro ˇclovˇeka i ˇzivoˇcichy smrtelnˇe nebezpeˇcné prostˇred´ı v reaktorov´ ych nádob´ ach, v prohlubenninách u skládek a podobnˇe. Po separaci obou hlavn´ıch sloˇzek bioplynu, kles´ a oxid uhliˇcit´ y dol˚ u, [6].

Podrobnˇejˇs´ı rozpis vlastnost´ı, poˇzárnˇe technické charakteristiky metanu a ostatn´ı technické u ´daje jsou uvedeny v Pˇr´ıloze 1.

2.3

Zdroje biomasy pro v´ yrobu bioplynu

Pro v´ yrobu bioplynu jsou d˚ uleˇzité vstupn´ı suroviny, které jsou zpracovávány v bioplynov´ ych stanic´ıch. Jako substrát pro v´ yrobu bioplynu slouˇz´ı biomasa rozloˇzitelná za anaerobn´ıch podm´ınek. Tuto biomasu pˇredstavuj´ı nejr˚ uznˇejˇs´ı druhy biologicky rozloˇziteln´ ych odpad˚ u nebo c´ılenˇe pˇestované energetické plodiny.

7


Obrázek 2.2: V´ yhˇrevnost bioplynu v závisloti na koncentraci metanu, [6]. Biomasa z´ amˇ ernˇ e pˇ estovan´ a k energetick´ ym u ´ˇ cel˚ um • energetick´ e plodiny lignocelul´ ozov´ e: – energetické dˇreviny (vrby, topoly, olˇse, akáty a dalˇs´ı stromové a keˇrové dˇreviny) – obiloviny (celé rostliny) – travn´ı porosty (slon´ı tráva, chrastice, trvalé travn´ı porosty,...) – ostatn´ı rostliny (konop´ı seté, ˇcirok, kˇr´ıdlatka, ˇst’ov´ık krmn´ y, sléz topolovka) • Energetick´ e plodiny olejnat´ e: – ˇrepka olejná, sluneˇcnice, len, d´ ynˇe na semeno • Energetick´ e plodiny ˇ skrobnato-cukernat´ e: – brambory, cukrová ˇrepa, obil´ı (zrno), topinambur, cukrová tˇrtina, kukuˇrice Biomasa odpadn´ı • Rostlinn´ e zbytky ze zemˇ edˇ elsk´ e prvov´ yroby a u ´ drˇ zby krajiny - Pro ˇcást z tˇechto odpad˚ u je pro bezproblémovou fermentaci nutné pˇredchoz´ı drcen´ı. – sláma obilná, kukuˇriˇcná ˇrepka, zbytky po likvidaci kˇrovin a lesn´ıch nálet˚ u, zbytky z luˇcn´ıch a pastevn´ıch areál˚ u, odpady ze sad˚ u a vinic, travn´ı porosty z u ´hor˚ u, parkov´ ych u ´prav • Odpady z ˇ zivoˇ ciˇ sn´ e v´ yroby - Hn˚ uj ze statk˚ u tvoˇr´ı základn´ı substrát zemˇedˇelské kofermentace. Pro kofermentaci se hod´ı veˇskeré druhy hnoj˚ u nebo pevn´ ych exkrement˚ u vznikl´ ych na farmách, jako napˇr.: – exkrementy z chov˚ u hospodáˇrsk´ ych zv´ıˇrat, zbytky krmiv, odpady z mléˇcnic, odpady z pˇridruˇzen´ ych zpracovatelsk´ ych kapacit • Biologicky rozloˇ ziteln´ e komun´ aln´ı odpady - Tyto odpady obsahuj´ı vyˇsˇs´ı pod´ıl neˇzádouc´ıch látek, z toho d˚ uvodu vˇetˇsinou vyˇzaduj´ı pˇred´ upravu: 8


– kaly z odpadn´ıch vod, organick´ y pod´ıl tuh´ ych komunáln´ıch odpad˚ u, odpadn´ı organické hmoty z u ´drˇzby zelenˇe a travnat´ ych ploch • Organick´ e odpady z pr˚ umyslov´ ych a potravin´ aˇ rsk´ ych v´ yrob. Odpady vzniklé ze zpracován´ı potravin se hod´ı obzvláˇstˇe pro kofermentaci. Odpadn´ı produkty z v´ yroby potravin jsou málo zat´ıˇzené ˇskodlivinami, maj´ı zpravidla homogenn´ı strukturu a poskytuj´ı vysok´ y v´ ynos plynu. Mezi tyto odpady se ˇrad´ı: – odpady z provoz˚ u na zpracován´ı a skladován´ı rostlinné produkce, odpady z jatek, z mlékáren, z lihovar˚ u a konzerváren, odpady z vinaˇrsk´ ych provozoven, dˇrevaˇrsk´ ych provoz˚ u, jako jsou odˇrezky, hobliny, piliny • Odpady z lesn´ıho hospod´ aˇ rstv´ı: – dˇrevn´ı hmota z lesn´ıch prop´ırek, k˚ ura, vˇetve, paˇrezy, koˇreny po tˇeˇzbˇe dˇreva, palivové dˇrevo, manipulaˇcn´ı odˇrezky, klest, [18, 37].

2.3.1

Produkce bioplynu z r˚ uzn´ ych substr´ at˚ u

Tvorba bioplynu prob´ıhá ve vlhkém prostˇred´ı, a proto jsou pro anaerobn´ı zpracován´ı vhodné kapalné nebo mokré materiály, jako je napˇr. kejda, hn˚ uj, zbytky j´ıdla, tuky atd. Pro produkci bioplynu ve stávaj´ıc´ıch technologick´ ych zaˇr´ızen´ıch je optimáln´ı obsah suˇsiny v rozmez´ı 5 aˇz 15%. Jedn´ım z dalˇs´ıch d˚ uleˇzit´ ych parametr˚ u je pomˇer uhl´ıku a dus´ıku (C : N), kter´ y by se mˇel pohybovat v rozmez´ı 20:1 aˇz 40:1. Pˇri sestavován´ı surovinové skladby je kromˇe optimaizace C : N tˇreba uvaˇzovat, aby surovinová skladba umoˇznila efektivn´ı zat´ıˇzen´ı bioplynové stanice.V pˇr´ıpadˇe, ˇze zv´ıˇrec´ı fekálie vykazuj´ı n´ızkou suˇsinu, je tˇreba uvaˇzovat o kofermentaci s energeticky bohatˇs´ım materiálem. Zv´ıˇrec´ı fekálie, které se pouˇz´ıvaj´ı jako substrát na zemˇedˇelsk´ ych bioplynov´ ych stanic´ıch, maj´ı 40 - 60% rozloˇzitelnost organické suˇsiny za dobu 25 - 30 dn˚ u. Bylo zjiˇstˇeno, ˇze rozklad praseˇc´ı kejdy pokraˇcuje i po 30 dnech, ale jen s n´ızk´ ymi kumulativn´ımi pˇr´ır˚ ustky bioplynu. Anaerobn´ı digestace zv´ıˇrec´ıch fekáli´ı m˚ uˇze zabezpeˇcit roˇcnˇe 600 m3 bioplynu s energetick´ ym obsahem cca 13 200 MJ. Pˇr´ıdavek 1 kg slámy v podest´ ylce zvyˇsuje produkci bioplynu o 0,15 - 0,35 m3 . V Tabulce 2.2 se nacház´ı u ´daje o produkci bioplynu ze zv´ıˇrec´ıch exkrement˚ u. Jsou zde také znázornˇeny rozd´ıly mezi praseˇc´ı a hovˇez´ı kejdou. Praseˇc´ı kejda ve srovnán´ı s hovˇez´ı je lepˇs´ım zdrojem bioplynu, a zároveˇ n bioplyn produkovan´ y z praseˇc´ı kejdy má vyˇsˇs´ı obsah metanu.

Tabulka 2.2: Produkce bioplynu ze substrát˚ u na bázi zv´ıˇrec´ıch exkrement˚ u, [9].

9


Se zv´ıˇrec´ımi exkrementy je moˇzné kofermentovat dalˇs´ı biodegradabiln´ı odpady ze zpracován´ı zemˇedˇelsk´ ych produkt˚ u nebo zpracovávat vedlejˇs´ı ˇzivoˇciˇsné produkty, napˇr. trávu z u ´drˇzby, masokostn´ı mouˇcku, syrovátka, chmelov´ y extrakt, atd. Speciáln´ı podm´ınky jsou poˇzadovány na bioplynov´ ych stanic´ıch, kde docház´ı ke zpracován´ı vedlejˇs´ıch ˇzivoˇciˇsn´ ych produkt˚ u (jateˇcn´ı odpady, kuchyˇ nské odpady apod.). Na tˇechto bioplynov´ ych stanic´ıch se vyˇzaduje k pˇred´ upravˇe hygyenizaˇcn´ı zaˇr´ızen´ı, tzv. pastér se záznamov´ ym zaˇr´ızen´ım ke kontinuáln´ımu mˇeˇren´ı teploty a s bezpeˇcnostn´ım systémem k zabránˇen´ı nedostateˇcného ohˇrevu. Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym zaˇr´ızen´ım je drtiˇc, jelikoˇz je u tˇechto odpad˚ u vyˇzadována ◦ zrnitostost 12 mm a minimáln´ı teplota ohˇrevu 70 C po dobu nejménˇe 1 hodiny. Dotaˇcn´ı politika a intervenované v´ ykupn´ı ceny elektrické energie z obnoviteln´ ych zdroj˚ u, jako jsou napˇr. bioplynové stanice, vede k c´ılenému pˇestován´ı energetik´ ych rostlin a vyuˇz´ıván´ı jejich biomasy k v´ yrobˇe bioplynu. Konzervac´ı biomasy energetick´ ych rostlin nebo trval´ ych porost˚ u je ˇ e republice jde zejména moˇzno zabezpeˇcit intenzivn´ı celoroˇcn´ı provoz bioplynov´ ych stanic. V Cesk´ o kukuˇriˇcnou siláˇz a senáˇz z trval´ ych travn´ıch porost˚ u. V sousedn´ıch státech se vyuˇz´ıvá vˇetˇs´ı sortiment energetick´ ych rostlin (cukrovka, krmná ˇrepa, sluneˇcnice, atd). Pˇri biozplynován´ı biomasy energetick´ ych rostlin je anaerobn´ı odbouratelnost rostlinného substrátu 60 - 80% a je tedy podstatnˇe vyˇsˇs´ı neˇz u zv´ıˇrec´ıch fekáli´ı. Hydrol´ yza rostlinného substrátu prob´ıhá pomaleji neˇz u zv´ıˇrec´ıch fekáli´ı, jelikoˇz rostliny obsahuj´ı v´ yznamn´ y pod´ıl neodbourateln´ ych látek, a proto je nutné uvaˇzovat s prodlouˇzen´ım doby fermentace na 50 - 80 dn˚ u. V Tabulce 2.3 je znázornˇena produkce bioplynu ze substrátu na bázi energetick´ ych plodin, jako napˇr. travn´ı senáˇz, kukuˇriˇcná siláˇz, cukrovka atd., a je zde moˇzné vyˇc´ıst mnoˇzstv´ı metanu obsaˇzené v bioplynu z jednotliv´ ych substrát˚ u, [9].

Tabulka 2.3: Produkce bioplynu ze substrát˚ u na bázi energetick´ ych rostlin, [9].

2.3.2

Energetick´ y potenci´ al jednotliv´ ych druh˚ u odpad˚ u

Nejvˇetˇs´ı nevyuˇzit´ y potenciál sk´ ytaj´ı zemˇedˇelské provozy s odpady z ˇzivoˇciˇsné v´ yroby a zbytky rostlin. Dalˇs´ım v´ yznamn´ ym zdrojem je biologicky rozloˇziteln´ y komunáln´ı odpad (BRKO), pr˚ umyslov´ y odpad (BRPO) a kaly z ˇcist´ırensk´ ych odpadn´ıch vod. BRKO patˇr´ı mezi problematické zdroje, jelikoˇz jeho sloˇzen´ı je heterogenn´ı a mus´ı procházet hygienzac´ı. V Tabulce 2.4 je znázornˇen teoretick´ y a dostupn´ y potenciál energie, kter´ y je moˇzné z´ıskat ze ˇ e republiky. Teoretick´ zbytkové biomasy na u ´zem´ı Cesk´ y potenciál je vyˇc´ıslená energie z veˇskerého mnoˇzstv´ı bioodpad˚ u. Dostupn´ y potenciál je teoreticky moˇzné vyuˇz´ıt v souˇcasné dobˇe dostupn´ ymi technick´ ymi prostˇredky. Poloˇzka ˇzivoˇciˇsn´ y odpad v Tabulce 2.4 pˇredstavuje exkrementy hosˇ podáˇrsk´ ych zv´ıˇrat, jejichˇz mnoˇzstv´ı bylo odhadnuto z poˇctu chovan´ ych zv´ıˇrat v CR, poloˇzka 10


fytomasa odpov´ıdá odpadn´ı ˇci c´ılenˇe pˇestované fytomase, kterou pˇredstavuj´ı povinnˇe skl´ızené travn´ı porosty a pˇestované zemˇedˇelské plodiny s vysok´ ym obsahem dus´ıkat´ ych látek, [16].

ˇ [16]. Tabulka 2.4: Pˇrehled potenciálu biomasy anaerobn´ı fermentac´ı v CR,

Pro lepˇs´ı pˇredstavu jsou data z Tabulky 2.4 pˇrevedená na elektrick´ y a tepeln´ y v´ ykon. V pˇr´ıpadˇe, ˇze by byl metan pouˇzit pro pohon motorov´ ych vozidel, je uveden poˇcet osobn´ıch automobil˚ u, které by bylo moˇzno pohánˇet. V´ ysledné hodnoty jsou prezentovány v Tabulce 2.5. V u ´vahu je brána jen odpadn´ı biomasa. Vˇse je poˇc´ıtáno za pˇredpokladu, ˇze bioplyn obsahuje 60% metanu, u ´ˇcinnost kogeneraˇcn´ı jednotky je 33% elektrická a 50% tepelná. Pro pˇreveden´ı na mnoˇzstv´ı automobil˚ u pohánˇen´ ych biometanem (BM) se pˇredpokládá spotˇreba jednoho automobilu 8 m3 BM/100km a 20 tis´ıc km najet´ ych za rok, [11].

ˇ [11]. Tabulka 2.5: Energetick´ y potenciál zbytkové biomasy na u ´zem´ı CR,

Tabulka 2.6 ukazuje teoretick´ y potenciál vyuˇzit´ı energie z v´ ykal˚ u hospodáˇrsk´ ych zv´ıˇrat. V pˇr´ıpadˇe, ˇze by byly veˇskeré exkrementy jedné dojnice pˇremˇenˇeny na bioplyn, bylo by moˇzné z daného mnoˇzstv´ı roˇcnˇe vyrobit cca 1 188 kWh elektrické energie nebo 1800 kWh tepelné energie. V pˇr´ıpadˇe, ˇze by doˇslo k vyˇciˇstˇen´ı bioplynu a následnému pouˇzit´ı k pohonu osobn´ıch automobil˚ u na CNG, bylo by moˇzné ujet vzdálenost 4 500 km. Zbytkovou biomasu nen´ı energeticky ani ekonomicky v´ yhodné vozit na velké vzdálenosti, proto se doporuˇcuje, aby byla zpracována, co nejbl´ıˇze svého vzniku. Jako optimáln´ı vzdálenost se uvád´ı okruh v rozsahu 5 aˇz 30 km do m´ısta zpracován´ı. Tento fakt vede k decentralizaci proˇ e republiky by bylo zapotˇreb´ı asi 1000 dukce energie z bioodpad˚ u. Pro pokryt´ı u ´zem´ı celé Cesk´ bioplynov´ ych stanic, v pˇr´ıpadˇe, ˇze byl zvolen rádius 5 km od bioplynové stanice. Jako vhodné lokality pro um´ıstˇen´ı bioplynov´ ych stanic pˇricházej´ı v u ´vahu stávaj´ıc´ı ˇcist´ırny ˇ odpadn´ıch vod (COV) a zemˇedˇelské areály, kde je zajiˇstˇena celoroˇcn´ı dodávka zpracovávaného materiálu. 11


Tabulka 2.6: Teoretick´ y potenciál vyuˇzit´ı energie z exkrement˚ u hospodáˇrsk´ ych zv´ıˇrat ˇ v CR, [11].

2.4

D˚ uvody vyuˇ z´ıv´ an´ı anaerobn´ı fermentace v zemˇ edˇ elstv´ı

Existuj´ı tˇri hlavn´ı d˚ uvody pro vyuˇz´ıván´ı anaerobn´ı fermentace organick´ ych materiál˚ u poch´ azej´ıc´ıch ze zemˇedˇelstv´ı, lesnictv´ı, komunáln´ıho hospodáˇrstv´ı a venkovské krajiny. Obrázek 2.3 zobrazuje v´ yznam této technologie.

Obrázek 2.3: V´ yznam anaerobn´ı fermentace vlhk´ ych organick´ ych materiál˚ u, [6].

Mezi tyto d˚ uvody patˇr´ı: 1. Produkce kvalitn´ıch organick´ ych hnojiv 2. Doplˇ nkov´ y zdroj energie 3. Zlepˇsen´ı pracovn´ıho a ˇzivotn´ıho prostˇred´ı Produkce kvalitn´ıch organick´ ych hnojiv Tento aspekt je v´ yznamn´ y pˇredevˇs´ım pro zemˇedˇelské podniky. V pˇr´ıpadˇe, ˇze podnik zpracovává vlastn´ı organick´ y materiál a vyprodukované hnojivo vyuˇz´ıvá pro vlastn´ı potˇreby podniku, coˇz znamená, ˇze jej neuvád´ı na trh, nemus´ı se ˇr´ıdit legislativn´ımi usnanoven´ımi zákona ˇc. 156/1998 Sb. o hnojivech ve znˇen´ı pozdˇejˇs´ıch pˇredpis˚ u t´ ykaj´ıc´ı se povinnosti registrovat hnojiva uvádˇená na trh. 12

ˇ ćh zdroj˚ ´ bilanci CR 2.5. Pozice obnovitelny u energie v energeticke

Doplˇ nkov´ y zdroj energie V souˇcasné dobˇe je stále v´ yhodné vyuˇz´ıvat vznikl´ y bioplyn pro vlastn´ı potˇrebu, bud’to pˇr´ımo pro ohˇrev teplé uˇzitkové vody, nebo se jev´ı jako v´ yhodnˇejˇs´ı varianta v´ yroba elektrické, tepelné enerie, popˇr. chladu pomoc´ı kogeneraˇcn´ı jednotky. Vyuˇzit´ı médi´ı pro vlastn´ı spotˇrebu je nejv´ yhodnˇejˇs´ı varianta, jelikoˇz v´ ykupn´ı ceny elektrické energie dodávané do distribuˇcn´ıch s´ıt´ı jsou stále relativnˇe n´ızké. Zlepˇ sen´ı pracovn´ıho a ˇ zivotn´ıho prostˇ red´ı Pˇri rozhodován´ı o v´ ystavbˇe bioplynov´ ych stanic bude brán tento faktor ˇc´ım dál v´ıc na zˇretel. Pˇr´ıˇcinou je stále se stupˇ nuj´ıc´ı tlak ekologické legislativy jako je napˇr. zákon o odpadech, o integrované prevenci pˇred zneˇciˇstˇen´ım ovzduˇs´ı a registraci zneˇciˇst’ovatel˚ u. Energetické vyuˇzit´ı biomasy, do ˇcehoˇz se zapoˇc´ıtává i v´ yroba z n´ı, má pˇr´ızniv´ y vliv na omezen´ı koncentrace oxidu uhliˇcitého v atmosféˇre. Pˇri produkci biomasy je oxid uhliˇcit´ y spotˇrebováván pˇri fotosyntéze a následnˇe uvolnˇen pˇri energetickém vyuˇzit´ı biomasy zpˇet do atmosféry, je tzv. CO2 neutráln´ı a t´ım se uzav´ırá ˇcasovˇe krátk´ y kolobˇeh oxidu uhliˇcitého, [6].

2.5

Pozice obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie v energetick´ e bilanci ˇ CR

Evropská unie si klade v oblasti obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie (OZE) ambiciózn´ı c´ıle. Do roku 2020 by mˇela energie z obnoviteln´ ych zdroj˚ u pˇredstavovat 20% z celkové spotˇreby energie, z toho biopaliva by mˇela m´ıt 10% pod´ıl na celkové spotˇrebˇe paliv v dopravˇe. V´ yznamn´ y surovinov´ y pod´ıl v této oblasti by mˇela pˇredstavovat zemˇedˇelská biomasa (vˇcetnˇe odpad˚ u z prvotn´ıho zpracován´ı biomasy v zemˇedˇelsk´ ych podnic´ıch). ˇ nefosiln´ı pˇr´ırodn´ı zdroje energie, tj.: Obnovitelné zdroje energie (OZE) jsou v podm´ınkách CR -

energie vody energie vˇetru energie sluneˇcn´ıho záˇren´ı energie pevné biomasy energie bioplynu energie okoln´ıho prostˇred´ı geotermáln´ı energie energie kapaln´ ych paliv.

2.5.1

V´ yroba elektˇ riny z OZE

Hrubá v´ yroba elektˇriny z obnoviteln´ ych zdroj˚ u se v roce 2009 pod´ılela na tuzemské hrubé ˇ spotˇrebˇe elektˇriny 6,8%. Národn´ı indikativn´ı c´ıl tohoto pod´ılu je pro Ceskou republiku stanovem na 8% v roce 2010. Na celkové tuzemské hrubé v´ yrobˇe elektˇriny se v´ yroba elektˇriny z obˇ ıselnˇe to znamená, ˇze v roce 2009 ˇcinila v´ noviteln´ ych zdroj˚ u pod´ılela 5,7%. C´ yroba elektˇriny z OZE celkem 4 655 GWh, pˇriˇcemˇz v pˇredchoz´ım roce bylo vyrobeno 3 731 GWh, jde tedy o meziroˇcn´ı nár˚ ust 24,77%, coˇz odpov´ıdá 924 GWh.

13


Tabulka 2.7: V´ yroba elektˇriny z OZE v roce 2009, [17].

2.5.2

V´ yroba tepeln´ e energie z OZE

V následuj´ıc´ı Tabulce 2.81 jsou prezentována data t´ ykaj´ıc´ı se v´ yroby tepelné energie z obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie v roce 2009. Pˇri celkovém odhadu v´ yroby tepelné energie z OZE je nutno zd˚ uraznit, ˇze rozhoduj´ıc´ım faktorem je spotˇreba biomasy v domácnostech. Vzhledem k objemu jej´ıho pˇredpokládaného vyuˇzit´ı, ˇcin´ı odhad 28 PJ. V celkovém odhadovaném mnoˇzstv´ı nen´ı dosud zapoˇc´ıtána biomasa vyuˇz´ıvaná v mal´ ych zdroj´ıch mimo domácnosti a biomasa spotˇrebovaná k otopu pˇri individuáln´ı rekreaci obyvatelstva. Pod´ıl OZE na celké v´ yrobˇe tepelné energie se pohybuje okolo 7%.

Tabulka 2.8: V´ yroba tepla z OZE v roce 2009, [17].

Nejvyˇsˇs´ı pod´ıl na v´ yrobˇe tepelné energie z OZE vykazuje pevná biomasa, témˇeˇr 90%. Mimo domácnosti bylo v roce 2009 vyrobeno z biomasy 15 498 TJ tepelné energie. Energetick´ y pˇr´ınos ostatn´ıch obnoviteln´ ych zdroj˚ u pˇri v´ yrobˇe tepelné energie následuje ve znaˇcném odstupu za pevnou biomasou. Biologicky rozloˇzitelná ˇcást spalovan´ ych komunáln´ıch odpad˚ u pˇrisp´ıvá 1 646 TJ, coˇz dˇelá asi 3,4%. V souˇcasné dobˇe se mal´ ym pod´ılem na v´ yrobˇe tepla pod´ıl´ı i bioplyn, pˇribliˇznˇe 1 211 TJ, tedy 2,5% a to i pˇres rostouc´ı poˇcet zemˇedˇelsk´ ych bioplynov´ ych stanic. 1

Pozn: TKO - tuh´ y komun´ aln´ı odpad, PRO - pr˚ umyslové odpady, ATP - alternativn´ı paliva

14


Toto n´ızké procento je dáno t´ım, ˇze vˇetˇsina vyprodukovaného tepla se nedostane mimo are´ al bioplynové stanice. Oproti tomu v´ yraznˇe roste pod´ıl tepeln´ ych ˇcerpadel. Odhad hodnot tepla prostˇred´ı vyuˇzitého v tepel´ ych ˇcerpadlech ˇcin´ı 1 600 TJ (3,3%). Zcela zanedbateln´ y v´ yznam maj´ı solárn´ı kolektory, jejich pod´ıl ˇcin´ı pouze 0,5% veˇskerého ”obnovitelného” tepla, [17].

2.5.3

Energetick´ e vyuˇ z´ıv´ an´ı bioplynu

ˇ e republice je ve velké m´ıˇre vyuˇz´ıvána anaerobn´ı fermentace jako souˇcást technologie V Cesk´ ˇ komunáln´ıch COV. Tento bioplyn je pˇredevˇs´ım pouˇzit pro vlastn´ı potˇrebu provoz˚ u jako je vyhˇr´ıván´ı reaktor˚ u, vytápˇen´ı objekt˚ u, ohˇrev teplé vody. V souˇcasné dobˇe docház´ı k velkému nár˚ ustu v´ ystavby bioplynov´ ych stanic. Na následuj´ıc´ı mapˇe (Obrázek 2.4) je zakresleno um´ıstˇen´ı ˇ jednotliv´ ych bioplynov´ ych stanic (zemˇedˇelsk´ ych a komunáln´ıch) v rámci CR.

Obrázek 2.4: Mapa bioplynov´ ych stanic, CZ Biom 2009,www.biom.cz , [18]. Na Mapˇe bioplynov´ ych stanic je vidˇet nejen rozm´ıstˇen´ı, ale téˇz instalovan´ y v´ ykon. Z této mapy ˇ e republice pˇravaˇzuj´ı zemˇedˇelské BPS o v´ je patrné, ˇze v Cesk´ ykonu nad 550 kW. Mapa bioplynov´ ych stanic je aktualizována k roku 2009, coˇz znamená, ˇze zde nejsou zakresleny nové BPS z roku 2010 a 2011. ˇ Nyn´ı je v provozu 235 bioplynov´ ych elektráren (zemˇedˇelsk´ ych, komunáln´ıch, COV, skládkek) s celkov´ ym instalovan´ ym v´ ykonem 120,12 MW, [18, 35]. V následuj´ıc´ı energetické statistice je porovnáváno energetické vyuˇzit´ı bioplynu j´ımaného nejen pˇri anaerobn´ı fermentaci na bioplynov´ ych stanic´ıch, ale téˇz na komunáln´ıch a pr˚ umyslov´ ych ˇ COV a na skládkách. Na ˇradˇe bioplynov´ ych stanic je provádˇená kofermentace r˚ uzn´ ych typ˚ u odpad˚ u, a proto zde bylo provedeno rozdˇelen´ı do kategori´ı na základˇe hlavn´ı vsázky: 15


-

ˇ Bioplynové hospodáˇrstv´ı na komunáln´ıch COV ˇ Bioplynové hospodáˇrstv´ı na pr˚ umyslov´ ych COV Bioplynové stanice (zemˇedˇelské, na pr˚ umyslov´ y a komunáln´ı odpad, jiná kofermentace) Energetické vyuˇz´ıván´ı skládkového plynu

V roce 2009 bylo k energetikc´ ym u ´ˇcel˚ um vyuˇzito 259,6 mil. m3 bioplynu, coˇz je mnohem v´ıce neˇz v roce 2008, kdy bylo vyuˇzito pouh´ ych 175,6 mil. m3 bioplynu. Nejv´ıce se na tomto nár˚ ustu pod´ılela produkce z bioplynov´ ych stanic, kde objem vyrobeného bioplynu vzrostl z 51 3 na 132 mil. m , viz. Tabulka 2.9.

Tabulka 2.9: Spotˇreba bioplynu k energetick´ ym u ´ˇcel˚ um v roce 2008 a 2009, [17].

Tabulka 2.10: V´ yroba elektˇriny z bioplynu v roce 2009 a 2008 , [17].

Tabulka 2.11: V´ yroba tepla z bioplynu v roce 2009 a 2008, [17].

16


Vyrobená tepelná energie je z velké ˇcásti vyuˇz´ıvaná pro vlastn´ı potˇrebu provoz˚ u, coˇz je d´ ano pˇredevˇs´ım um´ıstˇen´ım jednotliv´ ych zdroj˚ u mimo hlavn´ı zástavbu obce a vlastn´ı technologi´ı provozu. V datech o instalovaném tepelném v´ ykonu nebyl zapoˇcten v´ ykon ve velk´ ych zdroj´ıch pˇri spoluspalován´ı s jin´ ym palivem jako je napˇr´ıklad zemn´ı plyn. Z Tabulek 2.10 a 2.11 je patrn´ y pomˇernˇe velk´ y nár˚ ust jak bioplynov´ ych stanic, tak doˇslo k nav´ yˇsen´ı instalovaného v´ ykonu o v´ıce jak 85% oproti roku 2008. V´ yroba elektˇriny zaznamenala nejvˇetˇs´ı meziroˇcn´ı nár˚ ust a to o 187% v pomˇeru s pˇredchoz´ım rokem a u tepla doˇslo k nár˚ ustu produkce o v´ıce jak 75%.

17

Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic. Arthur C. Clarke

3

Popis souˇcasné technologie na výrobu, u´pravu a vyuˇzit´ı bioplynu 3.1

Zaˇ r´ızen´ı na v´ yrobu bioplynu

V souˇcasné dobˇe existuje mnoho druh˚ u zaˇr´ızen´ı k v´ yrobˇe bioplynu. Moˇznosti kombinac´ı jsou témˇeˇr neomezené. V´ yroba bioplynu anaerobn´ı fermentac´ı je provádˇena v r˚ uzn´ ych variant´ ach, nejtypiˇctˇejˇs´ı jsou znázornˇeny v Tabulce 3.1. Jednotlivé poloˇzky jsou v´ıce rozepsány v následuj´ıc´ı ˇcásti práce.

Tabulka 3.1: Postupy v´ yroby bioplynu dle jednotliv´ ych kritéri´ı, [14].

3.1.1

Poˇ cet procesn´ıch stupˇ n˚ u

U zemˇedˇelsk´ ych bioplynov´ ych stanic jsou pouˇz´ıvány vetˇsinou jednostupˇ nové nebo dvoustupˇ nové metody. U jednostupˇ nov´ ych zaˇr´ızen´ı nedocház´ı k oddˇelován´ı procesn´ıch fáz´ı fermentace (hydrol´ yza, acidogeneze, acetogeneze a metanogeneze), vˇsechny prob´ıhaj´ı v jedné nádrˇzi. 19

ˇasne ´ technologie na vy ´robu, u ´pravu a vyuˇ Kapitola 3. Popis souc zit´ı bioplynu

V pˇr´ıpadˇe dvoustupˇ nové nebo v´ıcestupˇ nové metody, se fáze oddˇeluj´ı do jednotliv´ ych nádrˇz´ı. Pˇri dvoustupˇ nov´ ych procesech prob´ıhá prvn´ı a druhá fáze v jednom reaktoru, [14].

3.1.2

Procesn´ı teplota

Z hlediska reakˇcn´ıch teplot se rozdˇeluj´ı anaerobn´ı procesy, dle optimáln´ı teploty pro mikroorganismy na psychrofiln´ı (5-30◦ C), mezofiln´ı (30-40◦ C), termofiln´ı (45-60◦ C) a extrémnˇe termofiln´ı (nad 60◦ C). V´ yhodou proces˚ u provádˇen´ ych za vyˇsˇs´ıch teplot je pˇredevˇs´ım vyˇsˇs´ı u ´ˇcinnost hygienizace materiálu. Nejbˇeˇznˇejˇs´ı aplikac´ı jsou zat´ım procesy mezofiln´ı pˇri teplotˇe kolem 38◦ C, [19].

3.1.3

Zp˚ usob pohybu substr´ atu

Rozliˇsuj´ı se tˇri druhy dávkován´ı vstupn´ıho materiálu - kontinuáln´ı (plynulé), semikontinuáln´ı a diskontinuáln´ı.

Diskontinu´ aln´ı (s pˇ reruˇ sovan´ ym provozem, cyklick´ e, d´ avkov´ e) U diskontinuáln´ı metody odpov´ıdá doba jednoho pracovn´ıho cyklu dobˇe zdrˇzen´ı materiálu ve fermentoru. Tato metoda se pouˇz´ıvá pˇri suché fermentaci tuh´ ych organick´ ych materiál˚ u. Pˇri diskontinuáln´ım dávkován´ı je produkce bioplynu pomalá a zp˚ usob manipulace s materiálem je nároˇcn´ y na obsluhu.

Semikontinu´ aln´ı U semikontinuáln´ıho dávkován´ı je doba mezi jednotliv´ ymi dávkami kratˇs´ı neˇz doba zdrˇzen´ı materiálu ve fermentoru. Jedná se o nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı zp˚ usob plnˇen´ı fermentor˚ u pˇri zpracován´ı tekut´ ych organick´ ych materiál˚ u. Materiál se dávkuje 1x aˇz 4x za den, pˇriˇcemˇz materiál vstupuj´ıc´ı do fermentoru má jen nepatrn´ y vliv na zmˇenu pracovn´ıch parametr˚ u fermentoru (teplota, homogenita). Technologick´ y proces lze snadno automatizovat, a proto neklade vysoké nároky na obsluhu.

Kontinu´ aln´ı Tato metoda dávkován´ı se pouˇz´ıvá pˇri plnˇen´ı fermentor˚ u, které jsou urˇceny pro zpracován´ı tekut´ ych organick´ ych odpad˚ u s velmi n´ızk´ ym obsahem suˇsiny, [6].

3.1.4

Obsah suˇ siny

Konzistence substrát˚ u je závislá na jejich obsahu suˇsiny. Dle mnoˇzstv´ı suˇsiny jsou rozeznávány dvˇe metody fermentace - mokrá a suchá, popˇr´ıpadˇe kombinace suché a mokré. Pˇri mokré fermentaci se vyuˇz´ıvaj´ı jak pevné, tak kapalné substráty, reakˇcn´ı smˇes je ale kapalná. U suchého procesu jsou pouˇz´ıvány v´ yhradnˇe pevné substráty. V dneˇsn´ı dobˇe se u zemˇedˇelsk´ ych bioplynov´ ych stanic pouˇz´ıvá témˇeˇr v´ yluˇcnˇe mokrá fermentace. V pˇr´ıpadˇe such´ ych fermentaˇcn´ıch celk˚ u se jedná z vˇetˇs´ı ˇcásti o pokusná, popˇr´ıpadˇe pilotn´ı zaˇr´ızen´ı. 20

ˇ´ızen´ı na vy ´robu bioplynu 3.1. Zar

!

"

Obrázek 3.1: Blokové schéma technologie mokré fermentace, [19]. Metoda mokr´ e fermentace Nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı technologi´ı v´ yroby bioplynu je tzv. mokrá fermentace, která zpracovává substráty s v´ ysledn´ ym obsahem suˇsiny menˇs´ım neˇz 12%. Mokrá anaerobn´ı fermentace prob´ıh´ a v uzavˇren´ ych velkoobjemov´ ych nádobách (fermentorech/reaktorech). Pro tuto metodu mohou b´ yt pouˇz´ıvány r˚ uzné druhy reaktor˚ u a to jednak reaktory s p´ıstov´ ym tokem materiálu, kdy kaˇzdá ˇcástice vstupn´ıho materiálu z˚ ustává v reakˇcn´ı smˇesi po konstantn´ı dobu, ˇci m´ıchané reaktory, tzv. smˇeˇsovac´ı, kde ˇcást hmoty odcház´ı z reaktoru nezreagována a ˇcást z˚ ustává v reaktoru po velmi dlouhou dobu. Reaktory jsou vyhˇr´ıvány na provozn´ı teplotu, která je bˇeˇznˇe 35 aˇz 55◦ C. Na Obrázku 3.1 je znázornˇena technologická linka, která je tvoˇrena základn´ımi stavebnˇetechnologick´ ymi celky. Pˇ r´ıjmov´ y syst´ em slouˇz´ı pro pˇr´ıpravu ˇcerstvého substrátu pˇred vstupem do fermentoru (´ uprava velikosti ˇcástic, m´ıchán´ı, homogenizace, u ´prava TS, ˇredˇen´ı, atd.) a jeho optimáln´ı dávkov´ an´ı do anaerobn´ıho procesu. Podle zpracovávané biomasy se skládá z pˇr´ıjmového zásobn´ıku tuhé biomasy (TS>20%) a pˇr´ıjmové j´ımky kapalné biomasy (TS<12%). Fermentaˇ cn´ı syst´ em je oblast, kde prob´ıhá vlastn´ı anaerobn´ı vyhn´ıván´ı v ˇcistˇe anaerobn´ım prostˇred´ı. V souˇcasné dobˇe se pouˇz´ıvá nˇekolik koncepc´ı fermentaˇcn´ıho systému. Jako jsou: - Fermentor s integrovan´ ym plynojemem - Fermentor + samostatn´ y plynojem - Fermentor typu ”kruh v kruhu” + samostatn´ y plynojem - Fermentor + dohn´ıvac´ı nádrˇz s integrovan´ ym plynojemem, apod. Dále lze fermentory koncipovat jako nadzemn´ı, podzemn´ı ˇci ˇcásteˇcnˇe zapuˇstˇené do terénu. Pˇr´ıpadné ˇcásteˇcné nebo u ´plné zapuˇstˇen´ı do terénu nezáleˇz´ı jen na pˇrán´ı investora, ale i na dalˇs´ıch okolnostech jako je napˇr. potˇreba u ´prav podloˇz´ı z d˚ uvod˚ u jeho sn´ıˇzené u ńosnosti, nutnost potlaˇcen´ı vlivu stavby na charakter krajiny, atd. V zemˇedˇelstv´ı se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvá ˇzelezobetonov´ ych plynotˇesn´ ych fermentor˚ u. Fermentor je vybaven odpov´ıdaj´ıc´ım pˇr´ısluˇsenstv´ım podle konstrukce a druhu substrátu. Jde o topn´ y a m´ıchac´ı systém, v pˇr´ıpadˇe potˇreby je moˇzné provádˇet ods´ıˇren´ı bioplynu napˇr. dávkován´ım malého mnoˇzstv´ı vzduchu do bioplynu. Uskladˇ novac´ı syst´ em slouˇz´ı k uloˇzen´ı stabilizovaného materiálu po fermentaci tzv. fermentaˇcn´ıho zbytku, neboli digestátu. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je digestát separován na tuhou frakci (suˇsina 25 aˇz 35%) a kapalnou fázi/fugát (suˇsina ¡1%) je nutné koncipovat uskladnˇen´ı pro obˇe frakce. Fermentaˇcn´ı zbytek mus´ı b´ yt uskladnˇen v souladu se zásadami správné zemˇedˇelské praxe. Správná velikost uskladˇ novac´ıho systému u zemˇedˇelsk´ ych BPS je volena na dobu 120 aˇz 210 dn˚ u, [19]. 21


Obrázek 3.2: V´ ystavba fermentoru ,,kruh v kruh”,[19].

Obrázek 3.3: Blokové schéma technologie mokré fermentace, [19].

Metoda such´ e fermentace Technologie suché fermentace zpracovává substráty o suˇsinˇe 30 aˇz 35%. Zpravidla jde o aplikace mezofiln´ıho anaerobn´ıho procesu, rozsah pouˇz´ıvan´ ych reakˇcn´ıch teplot je 32 aˇz 38◦ C. Optimáln´ı pH se pohybuje mezi 6,5 - 7,5. Technologie pro suchou fermentaci se mohou rozdˇelit na diskontinuáln´ı (vsázkové) a kontinuáln´ı. Diskontinu´ aln´ı technologie such´ e fermentace se skládá z nˇekolika reakˇcn´ıch komor (kovov´ y kontejner nebo zdˇená komora s plynotˇesn´ ym vraty) a meziskladu. Doprava zpracovávaného materiálu do komor je a z nich vˇetˇsinou provádˇena bˇeˇznou manipulaˇcn´ı technikou (napˇr. traktor s radlic´ı). Anaerobn´ı proces je ˇr´ızen dávkován´ım procesn´ı tekutiny. Proces se naz´ yvá diskontinuáln´ı, jelikoˇz docház´ı k vyprázdnˇen´ı a novému naplnˇen´ı komory, start reakce trvá 3 dny, poté následuje vlastn´ı reakce a produkce bioplynu, která trvá 24 -27 dn´ı. Podle druhu v´ ystavby lze BPS rozdˇelit na v´ ystavbové (na zelené louce) a vestavbové, které vyuˇz´ıvaj´ı stávaj´ıc´ıch objekt˚ u jako jsou napˇr. sen´ıky, ocelokolny, krav´ıny, apod.. Pˇri vestavbovém proveden´ı se pouˇz´ıvaj´ı instalace lehˇc´ıch fermentaˇcn´ıch komor. V zásadˇe lze technologii navrhovat jako jedno nebo v´ıcestupˇ novou, která je investiˇcnˇe i provoznˇe nároˇcnˇejˇs´ı. Na Obrázku 3.4 je znázornˇen princip diskontinuáln´ı technologie s vyuˇzit´ım stávaj´ıc´ıch objekt˚ u.

Urˇcitou alternativou suchého systému je sucho-mokrá garáˇzová fermentace. Jedná se o systém, kter´ y vzeˇsel ze suchého garáˇzového systému, t´ım ˇze se zaˇcalo pouˇz´ıvat skrápˇen´ı perkolátem (coˇz je látka s obsahem vhodn´ ych kultur anaerobn´ıch mikroorganism˚ u) pro vyˇsˇs´ı v´ ytˇeˇznost bioplynu a to byl jen kr˚ uˇcek ke kombinovanému sucho-mokrému systému. Tento systém se pouˇz´ıvá ke zpranuje schéma suchého a sucho-mokrého cován´ı tuhého komunáln´ıho odpadu. Obrázek 3.5 znázorˇ systému.

22

ˇ´ızen´ı na vy ´robu bioplynu 3.1. Zar

Obrázek 3.4: Princip diskontinuáln´ı technologie, [19]. Kontinu´ aln´ı technologie such´ e fermentace jsou doprovázeny vysokou investiˇcn´ı a provozn´ı nároˇcnost´ı a jsou zpravidla vyuˇz´ıvány pro zpracováván´ı komunáln´ıch a tˇr´ıdˇen´ ych domovn´ıch odpad˚ u. Vˇetˇsinou se vol´ı fermentory bud’to válcové nebo komorové s jedn´ım pomalobˇeˇzn´ ym m´ıchac´ım zaˇr´ızen´ım, uloˇzen´ ym napˇr´ıˇc cel´ ym fermentorem. Pr˚ uˇrez válcového fermentoru je moˇzno vidˇet na Obrázku 3.6.

3.1.5

Porovn´ an´ı technologi´ı such´ e a mokr´ e fermentace

Mokré technologie maj´ı ˇsirˇs´ı uplatnˇen´ı, jsou historicky nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı, technicky propracovanˇejˇs´ı a jsou dobˇre provoznˇe provˇeˇrené. Z hlediska ˇcetnosti lze konstatovat, ˇze silnˇe pˇrevaˇzuj´ı aplikace mokré fermentace nad suchou. Vˇetˇsina BPS je stavˇena u intenzivn´ıch chov˚ u zv´ıˇrat. V souˇcasné dobˇe poˇrád existuje urˇcitá ned˚ uvˇera k such´ ym technologi´ım. Literárn´ı prameny uvádˇej´ı, ˇze stávaj´ıc´ı suché technologie m´ıvaj´ı ve srovnán´ı s mokr´ ymi, niˇzˇs´ı specifické v´ ytˇeˇznosti bioplynu. Naopak v´ yhodou suché metody je to, ˇze dokáˇze zpracovat biomasu jako jsou podest´ ylky na bázi pilin, které pˇri mokrém procesu vytváˇrej´ı krusty, ucpávaj´ı ˇcerpadla. Dále um´ı zpracovat nedokonale vytˇr´ıdˇené bioodpady, které obsahuj´ı pˇr´ımˇesi plast˚ u, dˇreva, kov˚ u, zeminy, atd., [19,6].

23


Obrázek 3.5: Garáˇzov´ y systém fermentor˚ u na tuh´ y organicky materiál such´ y a suchomokr´ y proces, [6].

Obrázek 3.6: Schéma bioplynové stanice se sucho-mokrou fermentac´ı, [22].

24

ˇn´ı popis technologie bioplynove ´ stanice ,,kruh v kruhu” 3.2. Funkc

3.2

Funkˇ cn´ı popis technologie bioplynov´ e stanice ,,kruh v kruhu”

Jak bylo v pˇredchoz´ı kapitole zm´ınˇeno, existuje mnoho koncept˚ u bioplynov´ ych stanic. Pro názorn´ y popis, jak funguje bioplynová stanice, byla vybrána technologii Hochreiter. Jedn´ a se o technologii, která byla vyvinuta v Nˇemecku a naˇsla si své m´ısto i na ˇceském trhu. Vyuˇz´ıv´ a koncepci ˇzelezobetonov´ ych nádrˇz´ı s fermentorem uspoˇrádan´ ym ”kruh v kruhu” a otevˇren´ ym, popˇr. zastˇreˇsen´ ym koncov´ ym skladem. Názorné schéma bioplynové stanice je zobrazeno na Obrázku 3.7. Z tohoto obrázku je patrné p˚ udorysné uspoˇrádán´ı jednotliv´ ych ˇcást´ı náleˇz´ıc´ıch bioplynové stanici. V´ yhodou této technologie je, ˇze se snaˇz´ı minimalizovat vlastn´ı spotˇrebu energie. Proto jsou mezi jednotliv´ ymi nádrˇzemi instalovány tzv. pˇrepady a materiál tedy nen´ı nutno pˇreˇcerpávat. Dávkován´ı vstupn´ıch surovin prob´ıhá pˇr´ımo do nádrˇze a nen´ı zapotˇreb´ı jak homogenizace, tak ani drcen´ı. Tato technologie umoˇzn ˇuje zpracovávat bud’ samotnou kejdu, kejdu s biomasou, nebo jen ˇcistou biomasu.

1 - fermentor I. 2 - fermentor II. 3 - koncov´ y sklad 4 - technick´ y sklep 5 - technick´ a budova 6 - vstupn´ı j´ımka 7 - centr´ aln´ı ˇcerpadlo 8 - rozdˇelovaˇc a potrubn´ı rozvody 9 - m´ıchadla fermentoru 10 - m´ıchadla kon.skladu 11 - vstupn´ı d´ avkovac´ı zaˇr´ızen´ı 12 - pln´ıc´ı stanice cisteren 13 - plynové potrub´ı 14 - z´ asobn´ık plynu, plynojem 15 - kogeneraˇcn´ı jednotka 16 - rozvadˇeˇce, ˇr´ıd´ıc´ı pracoviˇstˇe 17 - trafostanice

Obrázek 3.7: Koncepce bioplynové stanice ,,kruh v kruhu” firmy Johann Hochreiter, [20]

Budova kogenerece (viz Obrázek, 3.7, ˇc. 5, 15, 16) Kogeneraˇcn´ı zaˇr´ızen´ı vˇcetnˇe vˇsech rozvod˚ u je vestavˇeno v jedné budovˇe. Objekt se skládá ze tˇr´ı samostatn´ ych m´ıstnost´ı. Prvn´ı m´ıstnost slouˇz´ı pro kogeneraˇcn´ı 25


Obrázek 3.8: Vstupn´ı dávkovac´ı zaˇr´ızeni - firma Fliegel, [23].

jednotku, druhá pro hlavn´ı elektrick´ y rozvadˇeˇc - ˇr´ıd´ıc´ı m´ıstnost. Z prvn´ı m´ıstnosti je pˇr´ıstup do tˇret´ı ˇcásti, coˇz je prostor pro uskladnˇen´ı hoˇrlavého materiálu - motorového oleje. Uvnitˇr kogeneraˇcn´ı m´ıstnosti je um´ıstˇen v´ ymˇen´ık tepla, zat´ımco tlumiˇc hluku v´ yfukového potrub´ı je um´ıstˇen vnˇe budovy. Chlad´ıc´ı zaˇr´ızen´ı je téˇz um´ıstˇeno mimo budovu kogenerace. Kogeneraˇ cn´ı jednotka (viz Obrázek 3.7, ˇc. 15) Slouˇz´ı k v´ yrobˇe elektrické energie a tepla. Jedná se o plynov´ y motor,resp. turb´ınu a generátor elektrické energie. Jako palivo slouˇz´ı vznikl´ y bioplyn v pˇresnˇe dávkované smˇesi se vzduchem. Pro BPS existuje ˇrada kogeneraˇcn´ıch jendotek, vˇetˇsinou od zahraniˇcn´ıch ˇ má nejvˇetˇs´ı zastoupen´ı firma TEDOM a firem. KJ se vyrábˇej´ı v r˚ uzn´ ych velikostech. V CR nˇemeck´ y Deutz Energy. D´ avkovac´ı zaˇ r´ızen´ı (viz Obrázek 3.7, ˇc. 11) Bioplynová stanice je vybavena dávkovac´ım zaˇr´ızen´ım na tuhou sloˇzku slouˇz´ıc´ı k zásobován´ı fermentoru neˇcerpateln´ ymi surovinami v poˇzadované kvalitˇe a skladbˇe. Dávkovac´ı zaˇr´ızen´ı je kompaktn´ı jednotka sloˇzená z nakládac´ıho zásobn´ıku, v´ ytlaˇcného ˇcela a elektricky pohánˇeného m´ıchac´ıho ˇsneku, viz Obrázek 3.8. Suroviny jsou dopravovány dopravn´ımi ˇsneky do fermentoru. Zaˇr´ızen´ı je nˇekolikrát dˇennˇe doplˇ nováno v urˇcit´ ych ˇcasov´ ych intervalech a je vybaveno elektronickou váhou, která je propojena s ovládán´ım ve vel´ınˇe budovy kogenerace. Fermentor (viz Obrázek 3.7, ˇc. 1, 2, 3, 7, 9, 11, 14) Fermentor, jinak ˇreˇceno reaktor je hlavn´ı ˇcást bioplynové stanice. Jedná se o ˇzelezobetonové nádrˇze, varianta ”kruh v kruhu”. Na Obrázku 3.7 je znázornˇen dvoustupˇ nov´ y fermentor s integrovan´ ym n´ızkotlak´ ym zásobn´ıkem plynu a vstupn´ım dávkovac´ım zaˇr´ızen´ım(11). Kruhy fermentor˚ u(1,2) jsou mezi sebou a koncov´ ym skladem(3) propojeny pˇrepadov´ ym a tlakov´ ym potrub´ım. Dopravuje-li se vstupn´ı surovina do fermentoru, odtéká pˇrepadov´ ym potrub´ım stejné mnoˇzstv´ı do koncového skladu(3). Vnitˇrn´ı fermentor(2) je plynotˇesnˇe uzavˇren kuˇzelovitou fóli´ı - zásobn´ıkem plynu(14). Plynojem je vybaven ukazatelem naplnˇen´ı. V pˇr´ıpadˇe, ˇze dojde k v´ ypadku motoru, je moˇzné bioplyn skladovat v plynojemu, do té doby neˇz se aktivuje zaˇr´ızen´ı na sn´ıˇzen´ı pˇretlaku tzv. fléra, coˇz je zaˇr´ızen´ı pro spalován´ı 26

ˇn´ı popis technologie bioplynove ´ stanice ,,kruh v kruhu” 3.2. Funkc

Obrázek 3.9: Horizontáln´ı pádlové m´ıchadlo; 1- kryt s pádlem, 2- pádla (4x), 3- závˇes loˇziska, 4- kluzné loˇzisko, 5m´ıchac´ı hˇr´ıdel, [23].

Obrázek 3.10: Vertikáln´ı pádlové m´ıchadlo, [23].

zbytkového bioplynu. Nádrˇze jsou pro osazeny horizontáln´ımi a vertikáln´ımi ponorn´ ymi m´ıchadly kv˚ uli eliminaci plovouc´ıch vrstev, homogenizaci substrátu a jeho prom´ıcháván´ı. Pro pˇredstavu jsou m´ıchadla zobrazeny na Obrázc´ıch 3.9 a 3.10. Fermentory jsou osazeny teplovodn´ım obˇehov´ ym topen´ım kv˚ uli ˇr´ızen´ı teploty procesu. Vˇsechny nádrˇze jsou mezi sebou propojeny potrub´ım pˇres centráln´ı ˇcerpadlo tzv. Pumpenbox(7), pomoc´ı kterého je moˇzné pˇreˇcerpávat materiál z jakékoliv nádrˇze do jakékoliv nádrˇze. Centráln´ı ˇcerpadlo se pˇredevˇs´ım pouˇz´ıvá k vyprazdˇ nován´ı koncového skladu pˇres v´ ydejn´ı m´ısto digestátu pˇr´ımo do kejdovac´ıho vozu.

Plynojem (viz Obrázek 3.7, ˇc.14) Zásobn´ık plynu je um´ıstˇen na stˇreˇse vnitˇrn´ıho kruhu fermentoru. Plynojem je kryt´ y kuˇzelovitou vnˇejˇs´ı fóli´ı. Pod touto fóli´ı je volnˇe loˇzená dalˇs´ı fólie, která j´ım´ a vznikl´ y bioplyn. Do prostoru mezi vnˇejˇs´ı kryc´ı a vnitˇrn´ı fóli´ı plynovjemu je vhánˇen dmychadlem vzduch, kter´ y udrˇzuje vnˇejˇs´ı kryc´ı fólii stále napnutou, a proto drˇz´ı správn´ y tvar. Vnitˇrn´ı f´ olie se naplˇ nuje podle momentáln´ıho mnoˇzstv´ı vytváˇreného plynu.

Plynovod u vede nadzemn´ı plynovod ke kogeneraˇcn´ı jednotce. Ply(viz Obrázek 3.7, ˇc.13) Od fermentor˚ nové zaˇr´ızen´ı zaˇc´ıná hlavn´ım uzávˇerem plynu ovládan´ ym vnˇe budovy kogenerace. Plynovod je odvodnˇen, má chlazen´ı plynu a je zejiˇstˇen pˇred blesky a nebezpeˇcn´ ym dotykov´ ym napˇet´ım. Z tohoto plynovodu je zˇr´ızena odboˇcka ke fléˇre, nouzovému hoˇráku, kter´ y spaluje pˇrebytkov´ y bioplyn, [9]. 27


Obrázek 3.11: m´ıchadlo, [23].

Boˇcn´ı vrtulové

Obrázek 3.12: Centráln´ı ˇcerpadlo, [23].

Koncov´ y sklad (viz Obrázek 3.7, ˇc. 3) Jedná se o otevˇrenou ˇzelezobetonovou nádrˇz, která je osazena tˇremi ponorn´ ymi vrtulov´ ymi m´ıchadly. Koncov´ y sklad má po separaci skladovac´ı kapacitu na ˇsesti mˇes´ıˇcn´ı produkci digestátu. Ods´ıˇ ren´ı bioplynu Vznikaj´ıc´ı plyn obsahuje urˇcit´ y pod´ıl sulfanu, kter´ y má negativn´ı vliv na sniˇzován´ı ˇzivotnosti ˇcást´ı kogeneraˇcn´ı jednotky a vede k ˇcastˇejˇs´ı v´ ymˇenˇe oleje v motoru. Koncentrace sulfanu je sniˇzována mikroaerofiln´ı oxidac´ı ˇr´ızenou dodávkou vzduchu do prostoru bioplynu. Pˇri tomto procesu se v n´ızk´ ych koncentrac´ıch kysl´ıku aktivuj´ı bakterie, které za dan´ ych podm´ınek oxiduj´ı sulfan na elementárn´ı s´ıru, která je zdrojem s´ıry pˇri hnojen´ı a ˇcásteˇcnˇe se usazuje ve fermentoru. Odvodnˇ en´ı bioplynu Obsah vodn´ı páry v bioplynu je sniˇzován v chladiˇci BP na plynovém potrub´ı. Sn´ıˇzen´ım teploty se vodn´ı pára vysráˇz´ı a vzniklá voda ve vyspádovaném potrub´ı stéká zpˇet do fermentoru. V´ yznamné mnoˇzstv´ı vody se taktéˇz vysráˇz´ı v plynojemu.

3.3

Technologie na u ´ pravu bioplynu

V´ yroba bioplynu je provˇeˇrenou technologi´ı, která je pomˇernˇe ˇsiroce rozˇs´ıˇrena pˇredevˇs´ım v Evropˇe. Neustále se ˇreˇs´ı problém, jak vyuˇz´ıt, co nejvˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı energie. V dneˇsn´ı dobˇe se témˇeˇr v´ yluˇcnˇe pouˇz´ıvá spalován´ı bioplynu v kogeneraˇcn´ıch jednotkách. Toto zpracován´ı bioplynu je pomˇernˇe u ´ˇcinné - komibovaná elektrická a tepelná u ´ˇcinnost dosahuje hodnot okolo 85%, ale pod´ıl skuteˇcnˇe pouˇzitého tepelného v´ ykonu je pˇredevˇs´ım v letn´ıch mˇes´ıc´ıch velmi n´ızk´ y. 28

´pravu bioplynu 3.3. Technologie na u

´ Proto se zaˇc´ıná hovoˇrit o ˇciˇstˇen´ı bioplynu. Upravou bioplynu na biometan lze efektivnˇe vyuˇz´ıt vˇetˇs´ı ˇcást primárn´ı energie v nˇem obsaˇzené. Existuje celá ˇrada technologi´ı umoˇzn ˇuj´ıc´ıch zv´ yˇsit v produkovaném bioplynu pod´ıl energeticky hodnotného metanu, tj. oddˇelit z nˇej neˇzádouc´ı pˇr´ımˇesi. Zejména se jedná o odstranˇen´ı oxidu uhliˇcitého (CO2 ), kter´ y je v bioplynu zastoupen v rozmez´ı 25-55%, a dále vodn´ı páry (H2 O), sulfanu (H2 S), amoniaku (NH3 ), vod´ıku a vzduchu, tj. dus´ıku a kysl´ıku, které jsou v bioplynu obsaˇzeny v mal´ ych mnoˇzstv´ıch. Jednotlivé technologie se od sebe liˇs´ı v principu separace, komplexnosti, coˇz znamená, ˇze odstran ˇuj´ı jen nˇekteré neˇzádouc´ı sloˇzky obsaˇzené v bioplynu a v robustnosti. Veˇskeré techniky, které vedou k vylepˇsen´ı technologick´ ych vlastnost´ı bioplynu, lze rozdˇelit na dvˇe základn´ı skupiny. ˇ stˇen´ı (Cleaning) 1. Ciˇ 2. Zuˇslecht’ován´ı (Upgrading)1 ˇ stˇ Ciˇ en´ı bioplynu je potˇrebné i ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u urˇcen´ ych pro spalován´ı bioplynu v koge neraˇcn´ıch jednotkách. Jedná se pˇredevˇs´ım o odstranˇen´ı vlhkosti, H2 S a dalˇs´ıch minoritn´ıch sloˇzek, aby dlouhodob´ ym spalován´ım nedocházelo k poruchám, pˇredevˇs´ım korozi kogeneraˇcn´ı jednotky. Zuˇ slecht’ov´ an´ı pˇredstavuje oddˇelován´ı CO2 z bioplynu za u ´ˇcelem nav´ yˇsen´ı energetického obsahu. Pˇri spalován´ı v kogeneraˇcn´ıch jednotkách oxid uhliˇcit´ y nen´ı ˇskodliv´ y, ale v pˇr´ıpadˇe jiného vyuˇzit´ı, jako je napˇr. vtláˇcen´ı do s´ıt´ı zemn´ıho plynu, je CO2 neˇzádouc´ı. V mnoha pˇr´ıpadech jsou obˇe skupiny u ´prav navzájem provázány, záleˇz´ı na v´ ybˇeru pouˇzité technologie pro u ´pravu bioplynu. V souˇcasnosti je nˇekolik postup˚ u oddˇelován´ı metanu a oxidu uhliˇcitého. Tyto postupy lze rozdˇelit do ˇctyˇr hlavn´ıch skupin, jeˇz se liˇs´ı proncipem ˇcinnosti a technologick´ ym ˇreˇsen´ım: 1. Adsorpce - technologie PSA (Pressure Swing Adsorption) 2. Absorpce (a) vodn´ı vyp´ırka (b) fyziosorpce (c) chemisorpce 3. Membránová separace 4. N´ızkoteplotn´ı rektifikace - kryotechnologie

3.3.1

PSA (Pressure Swing Adsorption)

Tato metoda naz´ yvaná téˇz tlaková adsorpce se jiˇz v dneˇsn´ı dobˇe uplatˇ nuje v reálném provozu. Metoda je zaloˇzena na separaci oxidu uhliˇcitého pomoc´ı Van der Walsov´ ych sil, které váˇzou molekuly CO2 na povrch vysoce porézn´ı pevné látky, zpravidla se jedná o aktivn´ı uhl´ı. Adsorpce prob´ıhá za zv´ yˇseného tlaku a desorpce - regenerace adsorbentu pˇri sn´ıˇzeném tlaku (vakuu). 1 V souˇcasné dobˇe nen´ı urˇcen ˇcesk´ y v´ yraz pro upgrading, proto jsem si zvolila term´ın zuˇslecht’ov´ an´ı, coˇz odpov´ıd´ a ˇceskému pˇredkladu slova upgrading a vystihuje to i procesy vedouc´ı k z´ısk´ an´ı témˇeˇr ˇcistého biometanu z bioplynu.

29


Obrázek 3.13: Procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu technologi´ı PSA V adsorbéru se tak opakovanˇe mˇen´ı tlakové podm´ınky podle ˇcehoˇz se proces naz´ yvá Pressure Swing Adsorption, ,,Adsorpce tlakov´ ym skokem”. Pro zajiˇstˇen´ı kontinuality procesu, b´ yvá instalováno vˇzdy nˇekolik adsorbér˚ u (typick´ y poˇcet je 4), ve kter´ ych se stˇr´ıdaj´ı jednotlivé fáze procesu. Na Obrázku 3.13 je znázornˇeno procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu technologi´ı PSA. Ods´ıˇren´ y bioplyn na vstupu do zaˇr´ızen´ı je stlaˇcen na cca 0,4-0,7 MPa, a následnˇe zchlazen na teplotu 10 aˇz 20◦ C a t´ım dojde k odlouˇcen´ı zkondenzované vody. Takto vyˇciˇstˇen´ y plyn se pˇrivád´ı zespodu do adsorbéru, kter´ y obsahuje tzv. molekulárn´ı s´ıto tvoˇrené velmi jemnˇe rozemlet´ ym uhl´ıkem v extrudované podobˇe. Na tomto adsorbentu docház´ı k záchytu CO2 , zbytkového mnoˇzstv´ı vody a H2 S a malého mnoˇzstv´ı metanu (coˇz jsou ztráty). Z horn´ı ˇcásti filtru vycház´ı metan o koncentraci 95 - 98%. Po nasycen´ı adsorbéru se pˇr´ıtok vstupn´ıho bioplynu pˇrepne na druhou sadu regenerovan´ ych filtr˚ u. Nev´ yhodou procesu je nutnost komprese plynu na pomˇernˇe vysok´ y tlak. V pˇr´ıpadˇe vtláˇcen´ı SNG (Substitute Natur Gas) do s´ıt´ı zemn´ıho plynu, pˇri kterém je nutno tlak v plynu v´ yraznˇe zv´ yˇsit, je tato nev´ yhoda irelevantn´ı. ˇ ycarsku, Sv´ ˇ edsku, Nˇemecku, [1, 24]. Proces PSA se pouˇz´ıvá jiˇz v zem´ıch Evropy napˇr´ıklad ve Sv´

3.3.2

Metoda absorpce

Absorpce vodn´ı vyp´ırkou Vˇsechny absorbˇcn´ı procesy vyuˇz´ıvaj´ı jako absorbent˚ u látky, ve kter´ ych je rozpustnost separovan´ ych sloˇzek, pˇredevˇs´ım oxidu uhliˇcitého, sulfanu a amoniaku v´ yraznˇe odliˇsná. Vyuˇz´ıvá se pravidla, ˇze rozpustnost plyn˚ u v kapalinách roste se zvyˇsuj´ıc´ım se tlakem a klesaj´ıc´ım teplotou. Z tohoto d˚ uvodu prob´ıhá absorbˇcn´ı fáze za zv´ yˇseného tlaku a regenerace (desorpce) za sn´ıˇzeného tlaku nebo zahˇrát´ım, popˇr´ıpadˇe kombinac´ı obou stupˇ n˚ u. Nejˇcastˇeji je jako pracovn´ı médium (rozpouˇstˇedlo) vyuˇz´ıvána voda, poté se tento proces naz´ yvá v angliˇctinˇe ,,Water Scrubbing”, ˇci v nˇemˇcinˇe ,,Druckwasser Wäsche”. Na Obrázku 3.14 je 30


Obrázek 3.14: Procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu vodn´ı absorpc´ı znázornˇeno procesn´ı schéma u ´pravy bioplynu vodn´ı absorpc´ı. Voda jakoˇzto pracovn´ı médium je pˇrivádˇena vrchem do absorpˇcn´ı kolony, do které je spodem (v protiproudém uspoˇrád´ an´ı) pˇrivádˇen pod tlakem (cca 8 bar) upravovan´ y bioplyn. Z vrchu kolony následnˇe odcház´ı plyn o obsahu metanu 95 - 98%, kter´ y je saturován vodn´ı parou a mus´ı b´ yt proto vysuˇsen. Tento proces neodstran´ı zbytkov´ y obsah vzduchu, tj. N2 a O2 . Pro vyˇsˇs´ı u ´ˇcinnost je kolona uvnitˇr vyplnˇena vysoce porézn´ım materiálem s velkou vnitˇrn´ı plochou. Voda ze spodn´ı ˇcásti kolony je ˇcerpána do expanzn´ı nádoby a odtud po uvolnˇen´ı na atmosférick´ y tlak do desorpˇcn´ı kolony, kde se rozpouˇstˇené plyny uvoln´ı za pomoci protiproudu vzduchu a spolu s n´ım odcház´ı do atmosféry. Regenerovaná voda je zpravidla ˇcerpána zpˇet do absorbéru. V´ yhodou této metody je, ˇze dokáˇze odstraˇ novat H2 S z bioplynu, ale i pˇresto se doporuˇcuje sulfan odstranit jeˇstˇe pˇred vstupem do zaˇr´ızen´ı a to z toho d˚ uvodu, ˇze s´ıra m˚ uˇze poˇskozovat potrub´ı napˇr. zanáˇsen´ım. Jak bylo ˇreˇceno v´ yˇse, tato metoda m˚ uˇze vyuˇz´ıvat regeneraci vody, coˇz vede k u ´spoˇre pracovn´ıho média. Dalˇs´ım moˇzn´ ym uspoˇrádán´ım je vodn´ı vyp´ırka bez regenerace vody. V´ yhodou jsou niˇzˇs´ı investiˇcn´ı náklady, nev´ yhodou v´ yraznˇe vyˇsˇs´ı spotˇreba vody. Proto se tento proces pouˇz´ıvá v tˇech aplikac´ıch, kde je k dispozici velké mnoˇzstv´ı levné procesn´ı vody, tedy pˇredevˇs´ım v ˇcist´ırn´ ach ˇ odpadn´ıch vod (COV). Spotˇreba vody v tomto pˇr´ıpadˇe ˇcin´ı aˇz 150 litr˚ u na m3 bioplynu oproti cca o dva ˇrády menˇs´ı spotˇrebˇe pro proces s recirkulac´ı. Absorpˇcn´ı vodn´ı vyp´ırka se nejv´ıce ˇ edsku. V souˇcasné dobˇe je instalována v cca 24 u vyuˇz´ıvá ve Sv´ ´pravnách bioplynu, [1, 24]. Fyzisorpce Proces je zaloˇzen na stejném principu jako vodn´ı vyp´ırka. Rozd´ıl mezi tˇemito procesy je v tom, ˇze pˇri fyzisorpci se vyuˇz´ıvá jako absorpˇcn´ı materiál oragnické rozpouˇstˇedlo - nejˇcastˇeji se jedn´ a o polyethylen glykol, znám´ y pod obchodn´ım názvem Selexol ˇci Genosorb. K absorbci doch´ az´ı opˇet za zv´ yˇseného tlaku cca 8 bar. V´ yhodou fyzisorce oproti vodn´ı vyp´ırce je v´ yraznˇe vyˇsˇs´ı rozpustnost CO2 v daném absorpˇcn´ım materiálu, coˇz znamená, ˇze je moˇzné pouˇz´ıt v´ yraznˇe menˇs´ı zaˇr´ızen´ı a menˇs´ı mnoˇzstv´ı absobentu 31


pro stejné mnoˇzstv´ı upravovaného bioplynu jako je tomu u vodn´ı vyp´ırky. Mezi dalˇs´ı v´ yhody patˇr´ı absorpce vody, coˇz znamená, ˇze nen´ı nutné vysuˇsován´ı plynu. Nev´ yhodou metody je pouˇz´ıván´ı draˇzˇs´ıho absorbentu a nutnost pracovat za zv´ yˇseného tlaku, coˇz tento proces prodraˇzuje, [1, 24]. Chemisorpce (chemick´ a vyp´ırka) Chemisorpce je proces obdobn´ y fyzisorci a vodn´ı vyp´ırce. Na rozd´ıl od tˇechto proces˚ u vˇsak nedocház´ı k ˇcistˇe fyzikáln´ı absorpci, ale k navázán´ı CO2 vratnou chemickou reakc´ı. Desorpce pak prob´ıhá za zv´ yˇsené teploty ˇci ve vakuu formou zpˇetné chemické reakce. Jako absorbéry se pouˇz´ıvaj´ı organické aminy (napˇr. monoethanol amin, diethanol amin). Procesn´ı schéma je velmi podobné jako u vodn´ı vyp´ırky, liˇs´ı se jen ve zp˚ usobu absorpce a pracovn´ımi podm´ınkami. Vstupn´ı surov´ y bioplyn je stlaˇcován na cca 50kPa (k pˇrekován´ı odporu vodn´ı sprchy) a vychlazen na teplotu cca 10◦ C. Sorbent je ˇredˇen vodou na koncentraci 10 - 20% a na rozd´ıl od fyzikáln´ı vyp´ırky váˇze neˇzádouc´ı plyny chemicky. Obohacen´ y biometan odcház´ı s koncentrac´ı 96 - 99%. Regenerace sorbentu se provád´ı opˇet v desorpˇcn´ı kolonˇe po zahˇrát´ı ˇ ast vody se pˇr´ı tom odpaˇr´ı. roztoku, v jej´ı spodn´ı tˇretinˇe aˇz na teplotu pˇres 100◦ C. C´ Nev´ yhodou procesu je obecnˇe draˇzˇs´ı absorbent, kter´ y nav´ıc m˚ uˇze b´ yt i toxick´ y. Na druhou stranu je moˇzno dosáhnout koncentrac´ı metanu ve vystupuj´ıc´ım SNG aˇz 99%, [1, 24]. V následuj´ıc´ı Tabulce 3.22 jsou shrnuté absorpˇcn´ı metody a jejich pracovn´ı parametry.

3.3.3

Membr´ anov´ a separace

Membránová separace vyuˇz´ıvá rozd´ılné pr˚ uchodnosti jednotliv´ ych sloˇzek ve smˇesi bioplynu speciáln´ı tenkou membránou o tlouˇst’ce ménˇe neˇz 1 mm. Tento proces oddˇelován´ı neˇzádouc´ıch sloˇzek lze rozdˇelit do dvou kategori´ı a to ,,vysokotlaké (suché)” a ,,n´ızkotlaké (mokré)” procesy. Ve vysokotlakém procesu z˚ ustávaj´ı obˇe sloˇzky v plynném skupenstv´ı. Z jedné strany membrány (napˇr. z organické acetát-celulózy) se pˇrivád´ı bioplyn pod vysok´ ym tlakem (25-40 bar). Oxid uhliˇcit´ y a sulfan procházej´ı membránou a nepolárn´ı molekuly CH4 z˚ ustávaj´ı na nástˇrikové stranˇe. ˇ ım vyˇsˇs´ı tlak, t´ım v´ıce se Pˇri tomto procesu docház´ı k relativnˇe velk´ ym ztrátám metanu. C´ bioplynu vyˇcist´ı, ale zároveˇ n t´ım v´ıce metanu projde membránou. Tento problém se ˇreˇs´ı instalac´ı nˇekolika membrán do série a recyklac´ı proˇslého plynu tzv. permeátu nebo popˇr´ıpadˇe spalován´ım odpadn´ıho plynu ve speciáln´ıch hoˇrác´ıch za vyuˇzit´ı tepla na ohˇrev fermentoru. Tento proces je zobrazen na Obrázku 3.15. V n´ızkotlakém procesu se jedná o absorpci na rozhran´ı plyn - kapalina. Z jedná strany je pˇrivádˇen bioplyn za atmosférického tlaku a za membránou se nacház´ı kapalina (aminy pro odstranˇen´ı CO2 , roztok NaOH pro odstranˇen´ı H2 S), do které difunduj´ı separované sloˇzky. M˚ uˇzeme ˇr´ıci, ˇze se jedná o urˇcitou kombinaci membránové separace a chemisorpce. V´ yhodou tohoto procesu je n´ızk´ y pracovn´ı tlak a vyˇsˇs´ı u ´ˇcinnost separace. Na v´ ystupu m˚ uˇze dosahovat koncentrace metanu aˇz 96%. Nev´ yhodou je nutnost regenerace absorpˇcn´ı kapaliny. Membránové procesy patˇr´ı mezi nové technologie na u ´pravu bioplynu a jejich vyuˇz´ıván´ı je zat´ım minimáln´ı. Jde tedy o pomˇernˇe neprovˇeˇrenou technologii, coˇz ale neznamená, ˇze je nev´ yhodná, [1, 24]. 2 Obsah s´ıry v plynu pˇred pouˇzit´ım mus´ı b´ yt menˇs´ı neˇz 500mg/m3 . Pˇri vyˇsˇs´ım obsahu sulfanu nutno zaˇradit prim´ arn´ı ods´ıˇren´ı.

32


Obrázek 3.15: Schéma membránové separace

3.3.4

N´ızkoteplotn´ı rektifikace - kryotechnologie

N´ızkoteplotn´ı rektifikace se m˚ uˇze pˇrirovnat v podstatˇe k destilaˇcn´ımu procesu. Jedná se o proces zaloˇzen´ y na rozd´ıln´ ych bodech varu jednotliv´ ych sloˇzek. Metan má za atmosférického tlaku bod varu -161◦ C, zat´ımco oxid uhliˇcit´ y -78◦ C. Této skuteˇcnosti lze vyuˇz´ıt a kryogenn´ı cestou, tj. ochlazen´ım bioplynu na velmi n´ızkou teplotu (minimálnˇe -80◦ C), oddˇelit CO2 a popˇr´ıpadˇe dalˇs´ı neˇzádouc´ı sloˇzky od metanu jejich zkapalnˇen´ım popˇr´ıpadˇe rovnou desublimac´ı. V´ yhodou tohoto postupu je velmi vysoká ˇcistota v´ ysledného plynu, v´ıce jak 99% CH4 a také moˇznost d´ ale zhodnotit zkapalnˇen´ y oxid uhliˇcit´ y. Pˇri jeˇstˇe niˇzˇs´ıch teplotách m˚ uˇze b´ yt zkapalnˇen i biometan, ˇc´ımˇz se pak m˚ uˇze stát náhradou za LNG. Zat´ım uplatnˇen´ı této technologie nedoznalo v komerˇcn´ı praxi uplatnˇen´ı, a to pˇredevˇs´ım d´ıky své kapitálové a energetické nároˇcnosti, [1, 24].

3.3.5

Porovn´ an´ı technologi´ı ˇ ciˇ stˇ en´ı bioplynu

Kaˇzdá z metod u ´pravy bioplynu má urˇcité své v´ yhody a nev´ yhody. V dneˇsn´ı dobˇe se dá ˇr´ıci, ˇze jsou poˇrád tyto technologie ve stádiu v´ yvoje. Mezi parametry, které je potˇreba brát v u ´vahu pˇri konkrétn´ı volbˇe, jsou pˇredevˇs´ım investiˇcn´ı a provozn´ı náklady, kapacita (pr˚ utok) upraveného bioplynu a jeho vlastnosti, poˇzadované vlastnosti SNG, popˇr´ıpadˇe pˇr´ıpojn´ y bod do s´ıtˇe zemn´ıho plynu, kde rozhoduje pˇredevˇs´ım tlak, ale také napˇr´ıklad provˇeˇrenost jednotliv´ ych technologi´ı a mnoho dalˇs´ıch specifick´ ych vliv˚ u.

Tabulka 3.2: Srovnáván´ı parametr˚ u jednotliv´ ych absorpˇcn´ıch proces˚ u, [25].

33


3.4

Moˇ znosti vyuˇ zit´ı bioplynu

Bioplyn je moˇzné pouˇz´ıvat vˇsude tam, kde se pouˇz´ıvaj´ı i jiná plynná paliva. V souˇcasné dobˇe existuje ˇsest základn´ı zp˚ usob˚ u vyuˇzit´ı bioplynu vzniklého anaerobn´ı fermentac´ı v bioplynov´ ych ych moˇznost´ı s postupem u ´pravy. stanic´ıch. Na Obrázku 3.16 je grafické znázornˇen´ı jednotliv´

"

$

%#&

& &

!

"

"

#

'

$

#

$

Obrázek 3.16: Zp˚ usoby vyuˇzit´ı bioplynu

Mezi zp˚ usoby energetického vyuˇzit´ı bioplynu patˇr´ı: 1. Pˇr´ımé spalován´ı 2. Kogenerace 3. Trigenerace 4. Palivové ˇclánky 5. Palivo pro dopravu 6. Vtláˇcen´ı bioplynu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu ´ celnˇejˇs´ım vyuˇzit´ım Nejjednoduˇsˇs´ım pouˇzit´ım bioplynu je jeho pˇr´ımé spalován´ı pro v´ yrobu tepla. Uˇ je kombinovaná v´ yroba elektrické energie a tepla, tzv. kogenerace, popˇr´ıpadˇe jeˇstˇe v´ yroba chladu, tzv. trigenerace. Pouˇzit´ı bioplynu do palivov´ ych ˇclánk˚ u je ve stádiu v´ yvoje. Velk´ y potenciál by se dal vidˇet ve vyuˇzit´ı bioplynu jako pohonné hmoty pro motorová vozidla nebo vtláˇcen´ı plynu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu. Tyto aplikace vyˇzaduj´ı vyˇciˇstˇen´ı bioplynu na témˇeˇr ˇcist´ y biometan a jeho následné stlaˇcen´ı na poˇzadovanou tlakovou u ´roveˇ n. Následuj´ıc´ı bod se zab´ yvá jednotliv´ ymi moˇznostmi vyuˇzit´ı bioplynu.

3.4.1

Spalov´ an´ı v kotl´ıch

Spalován´ı v kotl´ıch je nejjednoduˇsˇs´ı moˇznost´ı vyuˇzit´ı bioplynu za u ´ˇcelem ohˇrevu teplé vody nebo vody k vytápˇen´ı. V letn´ıch mˇes´ıc´ıch, pˇri mal´ ych poˇzadavc´ıch na teplou vodu, se m˚ uˇze bioplyn vyuˇz´ıt jako zdroj tepla k suˇsen´ı r˚ uzn´ ych produkt˚ u. Tato moˇznost nevyˇzaduje ˇzádné speciáln´ı nároky na kvalitu bioplynu. Ke spalován´ı jsou zapotˇreb´ı jen modifikované hoˇráky urˇcené na spalován´ı bioplynu. Bˇeˇzné typy kotl˚ u ˇzádné speciáln´ı u ´pravy nepotˇrebuj´ı. 34

3.4. Moˇ znosti vyuˇ zit´ı bioplynu

V pˇr´ıpadˇe, ˇze bioplyn obsahuje vysok´ y obsah sirnat´ ych slouˇcenin, pˇredevˇs´ım sulfanu (H2 S), je tˇreba je odstranit nebo provádˇet ˇcastˇejˇs´ı kontrolu a ˇciˇstˇen´ı teplonosn´ ych ploch kotle a kom´ın˚ u. Pouhé spalován´ı bioplynu nen´ı pˇr´ıliˇs v´ yhodné, proto se pro efektivnˇejˇs´ı vyuˇzit´ı bioplynu pouˇz´ıvaj´ı kogeneraˇcn´ı jednotky, které umoˇzn ˇuj´ı jak v´ yrobu tepla, tak i v´ yrobu elektrické energie.

3.4.2

Kogenerace

Kogenerac´ı se naz´ yvá souˇcasná v´ yroba elektrické energie a tepla. Nejˇcastˇeji jsou k tomuto u ´ˇcelu vyuˇz´ıvány kogeneraˇcn´ı jednotky (KJ) s p´ıstov´ ymi spalovac´ımi motory, která jsou spojeny s generátorem. Na Obrázku 3.17 je znázornˇena schématická v´ ystavba kogeneraˇcn´ı jednotky.

Obrázek 3.17: Schématická v´ ystavba kogeneraˇcn´ı jednotky, schéma ASUE, [14].

Celková u ´ˇcinnost se skládá ze souˇctu u ´ˇcinnost´ı elektrické a tepelné a b´ yvá obvykle v rozmez´ı 80 aˇz 90 %, pˇriˇcemˇz elektrická u ´ˇcinnost tvoˇr´ı 30 aˇz 50 % z celkové u ´ˇcinnosti a tepelná u ´ˇcinnost dosahuje hodnoty kolem 40%. Vyrobené teplo je vyuˇz´ıváno pro produkci teplé uˇzitkové vody, pro ohˇrev fermentor˚ u ˇci pro vytápˇen´ı provozn´ıch budov. I pˇresto, ˇze moˇznosti vyuˇzit´ı tepla jsou velké, neb´ yvá veˇskeré mnoˇzstv´ı zuˇzitkováno, a tak docház´ı po vˇetˇsinu roku ke ztrátám energie. Po odeˇcten´ı náklad˚ u na v´ yrobu bioplynu a ztrát zp˚ usoben´ ych kogeneraˇcn´ı jednotkou pˇri pˇremˇenˇe bioplynu na teplo a elektˇrinu, lze vyuˇz´ıt témˇeˇr 65% energie z bioplynu pˇri plném vyuˇzit´ı tepla. V pˇr´ıpadˇe, ˇze nen´ı zajiˇstˇeno vyuˇzit´ı odpadn´ıho tepla,vyuˇzije se pouze 35% energie, [6, 14, 25].

Pˇ r´ıklad: Na výrobu 1 kWhe je tˇreba pˇrivést do kogeneraˇcn´ı jednotky 0,6 - 0,7 m3 bioplynu s pr˚ umˇerným obsahem metanu (CH4 ) 60%. V praktickém provozu lze s velmi hrubým odhadem poˇc´ıtat, ˇze na výrobu 1 kWhe a 1,27 kWht je zapotˇreb´ı asi 5 - 7kg odpadn´ı biomasy, 5 - 15kg komun´ aln´ıch odpad˚ u nebo 8 - 12kg chlévské mrvy, [6].

35


Obrázek 3.18: Kogeneraˇcn´ı jednotka, [26]. V´ yhody kogenerace + Ve srovnán´ı s oddˇelenou v´ yrobou elektrické energie docház´ı aˇz k 35% u ´spoˇre paliva + Vysoká m´ıra efektivity vyuˇzit´ı paliva + Kogeneraˇcn´ı jednotky lze plynule regulovat prostˇrednictv´ım ˇr´ıd´ıc´ıho systému jednotky + Pˇri vyuˇzit´ı tepla a energie v m´ıstˇe v´ yroby nedocház´ı k pˇrenosov´ ym ztrátám + Produkce n´ızkého mnoˇzstv´ı emis´ı na celkové mnoˇzstv´ı vyrobené energie + Pˇrebytek elektrické energie lze prodat po domluvˇe s distributorem do rozvodné s´ıtˇe Nev´ yhody kogenerace – Vysoké poˇcáteˇcn´ı náklady – Je nutné zajistit ochranu proti hluku pomoc´ı kryt˚ u, zvukovou izolac´ı strojovny apod. – Návratnost vloˇzen´ ych finanˇcn´ıch prostˇredk˚ u je pˇr´ımo závislá na vyuˇzit´ı vyrobeného tepla a elektrické energie, [27].

3.4.3

Trigenerace

Trigenerace je v evropsk´ ych zem´ıch relativnˇe nov´ ym pojmem. Jedná se o spojen´ı kogeneraˇcn´ı jednotky a chlad´ıc´ı jednotky absorpˇcn´ıho typu, za u ´ˇcelem co nejvyˇsˇs´ıho vyuˇzit´ı kogenerace a zuˇzitkován´ı ˇcásti vyrobeného tepla na v´ yrobu chladu. Trigenerace proto pˇredstavuje kombinovanou v´ yrobu elektrické energie, tepla a chladu. Toto spojen´ı je v´ yhodné zejména z pohledu kogeneraˇcn´ı jednotky, jelikoˇz umoˇzn ˇuje vyuˇz´ıt teplo i v létˇe, mimo topnou sezónu. Právˇe sn´ıˇzen´ı moˇznosti vyuˇzit´ı tepla z kogeneraˇcn´ıch jednotek v letn´ıch mˇes´ıc´ıch vedou ˇcasto k nasazen´ı menˇs´ıch jednotek, neˇz by bylo vhodné. Pokud tedy lze pˇremˇenit teplo na chlad, je moˇzné ho vyuˇz´ıt napˇr. pro klimatizaci.

36


Obrázek 3.19: Schéma zapojen´ı absorpˇcn´ıho chlazen´ı, firma TEDOM, [28]. Na Obrázku 3.19 je znázornˇeno funkˇcn´ı schéma absorpˇcn´ıho chlazen´ı. Toto chlazen´ı má tˇri okruhy, mezi kter´ ymi prob´ıhá v´ ymˇena tepla. Prvn´ı okruh je napojen na zdroj tepla tzn. kogeneraˇcn´ı jednotku. Druh´ y je okruh studené vody, kter´ y je napojen na okruh chlazen´ı a tˇret´ı je okruh chladic´ı vody. Na velikost chlad´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı, a t´ım i cenu, má rozhoduj´ıc´ı vliv teplota okruhu otopné vody. Plat´ı, ˇze ˇc´ım vyˇsˇs´ı teplota teplé vody, t´ım menˇs´ı a levnˇejˇs´ı je i chlad´ıc´ı zaˇr´ızen´ı. V´ yhody trigenerace: + Prodlouˇzen´ı efektivn´ıho roˇcn´ıho chodu kogeneraˇcn´ı jednotky + Pˇremˇena tepla na chlad, vyuˇzit´ı napˇr. pro klimatizaci + Minimáln´ı hluˇcnost, jednoduchost a spolehlivost Nev´ yhody trigenerace: – Investiˇcn´ı nároˇcnost – Vˇetˇs´ı rozmˇery – Hmotnost technologie

3.4.4

Palivov´ eˇ cl´ anky

Zp˚ usob vyuˇzit´ı palivového ˇclánku se zásadnˇe liˇs´ı od obvykl´ ych zp˚ usob˚ u pˇremˇeny energie. Jedn´ a se o pˇr´ımou pˇremˇenu chemické energie bioplynu v elektrick´ y proud. Palivov´ y ˇclánek garantuje vysokou elektrickou u ´ˇcinnost aˇz 50% a minimalizované emise. 37


Obrázek 3.20: Princip palivového ˇclánku (MVFC) na bioplyn, [6]. Funkˇ cn´ı princip V palivovém ˇclánku se generuje elektrick´ y proud zp˚ usobem, kter´ y se podobá opaˇcnému pr˚ ubˇehu elektrol´ yzy. Z tohoto d˚ uvodu je polarita u palivového ˇclánku obrácená. Bioplyn mus´ı b´ yt pro pouˇzit´ı upraven. Prvn´ım krokem je odstranˇen´ı sulfanu (H2 S) z bioplynu a poté docház´ı k obohacován´ı metanu. Pro u ´pravu bioplynu jsou vyuˇz´ıvány technologie popsané v Kapitole 3.3. V pˇr´ıpadˇe bioplynu nen´ı k dispozici ˇcist´ y vod´ık (H2 ), a proto je zapotˇreb´ı jej z bioplynu oddˇelit spoleˇcnˇe z oxidem uhliˇcit´ ym, procesem zvan´ ym reforming. Na Obrázku 3.20 je znázornˇen princip ˇcinnosti palivového ˇclánku na bioplyn.

Podle provozn´ı teploty se palivové ˇclánky rozdˇeluj´ı na: • n´ızkoteplotn´ı (60 - 80◦ C) • stˇrednˇeteplotn´ı (180 - 220◦ C) • vysokoteplotn´ı (800 - 1000◦ C) V´ yhody palivov´ ych ˇ cl´ ank˚ u: + vysoká elektrická u ´ˇcinnost + nepatrné emise (minimáln´ı emise SOx a NOx) + produkce energie v m´ıstˇe spotˇreby + moˇznost kogenerace + pruˇzná zmˇena v´ ykonu (0,025 aˇz 50 MW) + minimáln´ı emise hluku Nev´ yhody palivov´ ych ˇ cl´ ank˚ u: – n´ızká a stále nejistá doba ˇzivotnosti 38


– vysoké specifické investiˇcn´ı náklady – n´ızk´ y stupeˇ n v´ yvoje Palivov´ ym ˇclánk˚ um je pˇredpokládán rychl´ y technick´ y pokrok, o kter´ y se v souˇcasné dobˇe staraj´ı firmy v USA, Kanadˇe, Nˇemecku a Japonsku. Velk´ y zájem projevuj´ı firmy vyrábˇej´ıc´ı motorov´ a vozidla. Palivové ˇclánky jsou zaˇr´ızen´ı velmi perspektivn´ı, ale s v´ yhledem praktického vyuˇzit´ı v obdob´ı 10 a v´ıce let, [6, 14, 29].

3.4.5

Biometan jako palivo pro motorov´ a vozidla

´pravy bioplynu na tzv. biometan. To znamen´ a, V Kapitole 3.3 jsou popsány známé metody u ˇze v´ ysledn´ y plyn po vyˇciˇstˇen´ı obsahuje v´ıce neˇz 95% metanu. Po této u ´pravˇe je moˇzné vyuˇz´ıt vznikl´ y bioplyn, tzv. biometan jako plnohodnotnou náhradu zemn´ıho plynu, mj. i jako motorové palivo v dopravˇe ve formˇe CNG (stlaˇcen´ y zemn´ı plyn) nebo LNG (zkapalnˇen´ y zemn´ı plyn). ˇ V souˇcasné dobˇe se v Ceské republice bioplyn jako palivo pro motorová vozidla nepouˇz´ıv´ a. ˇ ˇ V Evropˇe jsou v tomto smˇeru nejdále skandinávské zemˇe, pˇredevˇs´ım Svédsko. V Ceské republice je upˇrednostˇ nováno pouˇzit´ı kapaln´ ych biopaliv, bionafty a bioetanolu, protoˇze mohou b´ yt pˇrim´ıchávána do konvenˇcn´ıch pohonn´ ych hmot. Biometan je na rozd´ıl od bionafty a bioetanolu ˇ e republice uvaˇzovalo o pouˇz´ıván´ı biometanu jako paliva, palivem plynn´ ym. Pokud by se v Cesk´ hovoˇrili bychom sp´ıˇse o moˇznosti CNG. Jelikoˇz v souˇcasné dobˇe u nás existuje jiˇz vozov´ y park a malá s´ıt’ pln´ıc´ıch stanic na zemn´ı plyn. ˇ e republice zemn´ı plyn jako pohonou hmotu V souˇcasné dobˇe, vztaˇzeno k roku 2010, v Cesk´ vyuˇz´ıvá cca 1 800 vozidel, z toho: • 1 500 osobn´ıch a dodávkov´ ych automobil˚ u • 270 autobus˚ u • 20 komunáln´ıch vozidel • 40 ostatn´ıch (vysokozdviˇzné voz´ıky, rolby ledu) Poˇcet veˇrejn´ ych CNG pln´ıc´ıch stanic je 25. Pr˚ umˇerná cena CNG je pˇribliˇznˇe 22 Kˇc/kg nebo 17 Kˇc/m3 . Pˇrevodn´ı vztah z m3 na litry je následuj´ıc´ı: • 1 m3 CNG odpov´ıdá pˇribliˇznˇe 1 litru benzinu • 1 kg CNG se rovná 1,4 m3 CNG Dalˇs´ı moˇznost´ı vyuˇzit´ı biometanu vedle CNG je LNG, tzv. zkapalnˇen´ y zemn´ı plyn. Tato varianta se pouˇz´ıvá v menˇs´ı m´ıˇre neˇz dˇr´ıve zm´ınˇen´ y CNG popˇr´ıpadˇe jiná alternativn´ı paliva. Na LNG dnes ve svˇetˇe jezd´ı pˇribliˇznˇe nˇekolik tis´ıc vozidel, nejv´ıce v USA. Zkapalnˇen´ y zemn´ı plyn je 90 - 100% metan (biometan), kter´ y je zchlazen na -162◦ C pˇri atmosférickém tlaku. Jedná se o pr˚ uzraˇcnou, namodralou kapalinu bez zápachu, nekorozivn´ı, netoxická, s malou viskozitou. Zkapalnˇen´ y zemn´ı plyn zauj´ımá cca 600x menˇs´ı objem neˇz plynn´ y zemn´ı plyn.

39


V´ yhody LNG + vˇetˇs´ı dojezd vozidla na LNG oproti CNG (jedna z hlavn´ıch nev´ yhod CNG), na dojezdovou u ´roveˇ n s klasick´ ymi pohonn´ ymi hmotami + vysoce ˇcisté palivo s minimáln´ım mnoˇzstv´ım ˇskodliv´ ych emis´ı + doba plnˇen´ı srovnatelná s klasick´ ymi palivy + bezpeˇcnˇejˇs´ı provoz (vyˇsˇs´ı zápalná teplota LNG oproti benz´ınu) + oproti CNG zmenˇsen´ı objemu palivov´ ych nádrˇz´ı Nev´ yhody LNG – uchováván´ı za velmi n´ızk´ ych teplot – odpar z nádrˇze pˇri delˇs´ı odstávce vozidla – sloˇzitˇejˇs´ı a nákladnˇejˇs´ı technologie v porovnán´ı se stlaˇcen´ ym zemn´ım plynem – jiná technologie pˇri plnˇen´ı vozidla a nová rizika pˇri tankován´ı Jak uˇz bylo dˇr´ıve zm´ınˇeno, jakékoliv jiné vyuˇzit´ı bioplynu neˇz v kogeneraˇcn´ı jednotce, nen´ı zat´ım ekonomicky v´ yhodné. Mezi pˇrekáˇzky vstupu biometanu na trh patˇr´ı legislativn´ı a ekonomické podm´ınky, které mus´ı b´ yt pˇredem splnˇeny. Prozat´ımn´ı v´ yvoj ukazuje, ˇze se stav´ı bioplynové stanice o stále vyˇsˇs´ıch v´ ykonech 500 kWe aˇz 1 MWe . U takto velk´ ych stanic se jiˇz dá uvaˇzovat ou ´pravˇe bioplynu.

Pˇ r´ıklady ze zahraniˇ c´ı: Biometan je jako motorové palivo dnes vyuˇz´ıv´ an v nˇekolika evropských ˇ edsko), Lille (Francie), Bern (Sv´ ˇ ycarsko), Berl´ın (Nˇemecko), Madvelkomˇestech - Stockholm (Sv´ ˇ elsko) a Margarethen am Moos (Rakousko). V zahraniˇc´ı se pouˇz´ıv´ rid (Spanˇ a biometan pˇrev´ aˇznˇe jako motorové palivo ve veˇrejné dopravˇe jako jsou napˇr. autobusy mˇestské hromadné dopravy, vozy u ´klidové sluˇzby, tax´ıky a dokonce i v ˇzelezniˇcn´ı dopravˇe. Od roku 2005 je ve ˇsvédském mˇestˇe Link¨ oping v provozu motorový vlak na bioplyn (Obr´ azek 3.21), který obsluhuje trat’ mezi mˇesty ´ Link¨ oping a V¨ astervik. Jedn´ a se o prvn´ı motorový vlak na bioplyn s dojezdem 600 km. Uprava vlaku byla levnˇejˇs´ı alternativou k elektrifikaci celé trati, kterou by bylo nutno provést pro sn´ıˇzen´ı emis´ı. Nový motor splˇ nuje emisn´ı limity Euro 5. Produkce sklen´ıkových plyn˚ u byla sn´ıˇzena na nulu.

3.4.6

Biometan v porovn´ an´ı s jin´ ymi palivy

V souˇcasné dobˇe jsou nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ımi a státem podporovan´ ymi biopalivy bionafta a bioethanol. Bionafta se vyráb´ı pˇredevˇs´ım z ˇrepky olejné pomoc´ı chemického procesu. Bioethanol je produktem alkoholového kvaˇsen´ı a v naˇsich podm´ınkách se nejˇcastˇeji vyráb´ı z obilovin a cukrové ˇrepy. v obou pˇr´ıpadech se jedná o kapalná paliva, která je moˇzné pˇrim´ıchávat do konvenˇcn´ıch paliv. V pˇr´ıpadˇe porovnán´ı biometanu s ostatn´ımi konvenˇcn´ımi palivy, je pˇri spalován´ı biometanu do ovzduˇs´ı vypouˇstˇeno nejménˇe emis´ı sklen´ıkov´ ych plyn˚ u. V´ yroba biometanu je u ´ˇcinnˇejˇs´ı neˇz v´ yroba biopaliv 1. generace. Biopaliva 2. generace naz´ yvaná Btl (” Biomass to liquid”) pˇredstavuj´ı kapalná biopaliva vyrobená z rostlinné biomasy. 40


Obrázek 3.21: Motorov´ y vlak ve ˇsvédském Linköpingu, [1]. Druhá generace bude dosahovat podobn´ ych u ´ˇcinnost´ı jako pˇri produkci biometanu, avˇsak technologie k jejich produkci jsou stále ve v´ yvoji. Ve srovnán´ı s bioplynem a Btl poskytuj´ı bionafta a bioetanol v naˇsich podm´ınkách se srovnateln´ ymi náklady na vyroben´ y GJ energie asi tˇrikrát niˇzˇs´ı energetick´ y v´ ynos z hektaru p˚ udy. Na Obrázku 3.22 jsou znázornˇeny dojezdové vzdálenosti kapaln´ ych biopaliv na 1 hektar pˇestebn´ı plochy za rok a pˇri spotˇrebˇe 5 litr˚ u paliva na 100 km, [1, 11, 30, 31].

Obrázek 3.22: Porovnán´ı produkce, efektivity a dojezdové vzdálenosti kapaln´ ych biopaliv na 1 hektar pˇestebn´ı plochy za rok, [30]. V´ yhody biometanu v dopravˇ e + ˇsiroká ˇskála plodin pro v´ yrobu biometanu + moˇznost v´ yroby biometanu z bioodpad˚ u + vysoká energetická v´ ytˇeˇznost + decentralizace v´ yroby bioplynu + napojen´ı bioplynov´ ych stanic na rozvodnou s´ıt’ zemn´ıho plynu 41


Nev´ yhody bioplynu v dopravˇ e – nutnost vytvoˇren´ı infrastruktury a trhu – legislativn´ı a ekonomické podm´ınky – prozat´ım drahé technologie – biometan zat´ım nen´ı atraktivn´ı pro zemˇedˇelce Podle studie Lipského institutu pro energetiku a ˇzivotn´ı prostˇred´ı je moˇzné na zemˇedˇelsk´ ych plochách EU-28 dnes vypˇestovat biomasu k v´ yrobˇe 300 mld. Nm3 biometanu za rok pˇri souˇcasném zachován´ı potravinové sobˇestaˇcnosti jednotliv´ ych zem´ı. Do roku 2020 má tento potenciál vzr˚ ust 3 na 500 mld. Nm biometanu za rok. Toto mnoˇzstv´ı se rovná souˇcasné spotˇrebˇe veˇskerého zemn´ıho plynu v EU-28. Do tohoto poˇctu nejsou zahrnuty bioodpady, které pˇredstavuj´ı dodateˇcn´ y potenciál, [11].

3.4.7

Nap´ ajen´ı s´ıtˇ e zemn´ıho plynu

Napájen´ı s´ıtˇe zemn´ıho plynu upraven´ ym bioplynem by do budoucna mohlo pˇredstavovat efektivn´ı moˇznost vyuˇzit´ı bioplynu. V tomto pˇr´ıpadˇe je zapotˇreb´ı, aby byl bioplyn upraven na plyn srovnateln´ y kvalitou a ˇcistotou se zemn´ım plynem, kter´ y lze poté vyuˇz´ıvat jako ZP. Jednou z hlavn´ıch v´ yhod biometanu je moˇznost vyskladnˇen´ı do stávaj´ıc´ıch plynovodn´ıch s´ıt´ı a následná distribuce aˇz k m´ıst˚ um efektivnˇejˇs´ıho vyuˇzit´ı, napˇr. pln´ıc´ım stanic´ım na CNG, ˇc´ımˇz by doˇslo k plnému vyuˇzit´ı odpadn´ıho tepla a vzrostla by i energetická u ´ˇcinnost. Na Obrázku 3.23 je znázornˇeno schéma uspoˇrádán´ı technologi´ı pro vtláˇcen´ı biometanu do plynárensk´ ych s´ıt´ı, [25].

'()* +*,#

-

' .!/#$% +$#

&

!"#$% %&# %

Obrázek 3.23: Schéma uspoˇrádán´ı technologi´ı pro vtláˇcen´ı biometanu do plynárensk´ ych s´ıt´ı. Dˇr´ıve neˇz lze vyroben´ y bioplyn pouˇz´ıt jako náhradn´ı zemn´ı plyn, mus´ı b´ yt zbaven neˇzádouc´ıch sloˇzek, kter´ ymi jsou pˇredevˇs´ım sulfan, oxid uhliˇcit´ y a voda. Pro u ´pravu sloˇzen´ı bioplynu na 42


kvalitu vhodnou pro vtláˇcen´ı do plynovodn´ı s´ıtˇe lze pouˇz´ıt jakoukoli komerˇcnˇe dostupnou technologii, která zajist´ı poˇzadované odstranˇen´ı neˇzádouc´ıch sloˇzek. Vˇsechny dosud známé metody u ´pravy bioplynu jsou popsány v Kapitole 3.3. V reálném provozu jsou ovˇeˇreny a pouˇz´ıv´ any metody zaloˇzené zejména na absorpˇcn´ım a adsorpˇcn´ım principu (viz Odstavec 3.3.1 a 3.3.2). Dalˇs´ı perspektivn´ı metodou se jev´ı membránová separace (viz Odstavec 3.3.3), která má jiˇz prvn´ı komerˇcn´ı nasazen´ı, [25, 32].

3.4.8

Poˇ zadavky na kvalitu vtl´ aˇ cen´ eho biometanu

Technická pravidla TPG 902 02 udávaj´ı minimáln´ı poˇzadavky na kvalitu vtláˇceného biometanu do distribuˇcn´ıch s´ıt´ı. V Tabulce 3.33 jsou stanoveny minimáln´ı a maximáln´ı hodnoty jednotliv´ ych sloˇzek, které mohou b´ yt pˇr´ıtomny v biometanu urˇceného pro vtláˇcen´ı. Definované parametry jsou pouh´ ym doporuˇcen´ım, provozovatel pˇr´ısluˇsné distribuˇcn´ı s´ıtˇe zemn´ıho plynu m˚ uˇze pˇri sjednáv´ an´ı pˇripojován´ı v´ yroben biometanu do m´ıstn´ı plynárenské s´ıtˇe poˇzadovat i jiné (pˇr´ısnˇejˇs´ı) hodnoty, [1, 32].

Tabulka 3.3: Poˇzadavky na kvalitu bioplynu dle TPG 902 02, [32].

Stˇeˇzejn´ı parametry jako napˇr. obsah metanu, oxidu uhliˇcitého, vody, s´ıry, atd.) by mˇely b´ yt sledovány kontinuáln´ım mˇeˇr´ıc´ım zaˇr´ızen´ım pˇredepsan´ ym distributorem. Je-li biometan vtláˇcen do plynovodn´ı s´ıtˇe s odorizovan´ ym plynem, mus´ı b´ yt pˇred vstupem do s´ıtˇe odorizován. Odorizaci, následné kontroly a mˇeˇren´ı zajiˇst’uje provozovatel soustavy, [32]. V pˇr´ıpadˇe, ˇze biometan splˇ nuje veˇskeré poˇzadavky na nˇej kladené, je moˇzné ho vtláˇcet do plynárenské s´ıtˇe.

3 Zp˚ usoby a rozsah mˇeˇren´ı jednotliv´ ych parametr˚ u z´ avis´ı na dohodˇe mezi provozovatelem pˇr´ısluˇsné distribuˇcn´ı soustavy resp. pˇrepravn´ı soustavy a v´ yrobcem plynu.

43


Rozdˇ elen´ı plynovod˚ u podle tlaku • n´ızk´ y tlak (NTL) - max. 5kPa • stˇredn´ı tlak (STL) - 5kPa - 0,4MPa • vysok´ y tlak (VTL) - 0,4 - 4MPa • velmi vysok´ y tlak (VVTL) - 4 - 10MPa Vhodnˇe se jev´ı zejména vtláˇcen´ı do stˇredotlaké (STL) nebo vysokotlaké (VTL) plynárenské s´ıtˇe, kde v´ ystupn´ı tlak plynu z ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı je dostateˇcn´ y a neb´ yvá nutná dalˇs´ı komprese plynu a náklady spojené s kompres´ı a distribuc´ı jsou niˇzˇs´ı. Bari´ ery pro vtl´ aˇ cen´ı bioplynu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu Na ˇceském trhu se objevuje ˇrada bariér, které brán´ı vzniku BPS s u ´pravou a následn´ ym vtláˇcen´ım bioplynu do s´ıt´ı ZP. Jednou z tˇechto bariér jsou zat´ım nevyjasnˇené vlastnické vztahy k zaˇr´ızen´ı pˇripojovac´ıho m´ısta a financován´ı náklad˚ u na jeho instalaci a provoz. Na Obrázku 3.24 je navrˇzeno blokové schéma vlastnictv´ı zaˇr´ızen´ı, které vypracovala spoleˇcnost RWE. Návrh vlastnictv´ı je znázornˇen v Tabulce 3.4. Vlastn´ık resp. ˇzadatel o pˇripojen´ı do s´ıtˇe ZP hrad´ı v plné v´ yˇsi náklady na v´ ystavbu propojovac´ıho plynovodu do pˇredávac´ıho m´ısta, dále hrad´ı stavebn´ı ˇcást pˇredávac´ıho m´ısta a náklady na vybaven´ı technologick´ ym zaˇr´ızen´ım s v´ yjimkou mˇeˇren´ı mnoˇzstv´ı a kvality plynu4 , odorizace a zaˇr´ızen´ı na u ´pravu spalného tepla plynu.

Obrázek 3.24: Blokové schéma vlastnictv´ı zaˇr´ızen´ı, [37].

Zat´ımco provozovatel distribuˇcn´ı ˇci pˇrenosové soustavy hrad´ı náklady na mˇeˇren´ı mnoˇzstv´ı a kvality plynu, pˇr´ıpadnou odorizaci a veˇskeré ostatn´ı náklady spojené s provozem pˇredávac´ıho m´ısta. 44


Tabulka 3.4: Návrh vlastnictv´ı zaˇr´ızen´ı pro u ´pravu a vtláˇcen´ı biomatenu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu, [37].

Souˇcást´ı pˇredávac´ıho m´ısta je mˇeˇren´ı mnoˇzstv´ı a kvality plynu, které slouˇz´ı pro urˇcen´ı mnoˇzstv´ı energie dodané do s´ıtˇe, u ´prava tlaku plynu na poˇzadovan´ y pˇredávac´ı tlak, odorizaˇcn´ı stanici (je-li plyn dodáván do niˇzˇs´ıch tlakov´ ych hladin), zaˇr´ızen´ı na u ´pravu spalného tepla a stavebn´ı ˇcást. Náklady na v´ ystavbu a provoz pˇredávac´ıho m´ısta navrhlo Stˇredisko pro efektivn´ı vyuˇz´ıván´ı energie, o.p.s (SEVEn), [1, 37, 38].

Pˇ r´ıklad ze zahraniˇ c´ı Bioplynov´ a stanice Pliening byla prvn´ım zaˇr´ızen´ım s napojen´ım biometanu do s´ıtˇe zemn´ıho plynu. Zaˇr´ızen´ı patˇr´ı k nejmodernˇejˇs´ım výrobn´ım stanic´ım bioplynu v Evropˇe. Výkon BPS je 920 Nm3 /h surového bioplynu, 347 kW elektrických, 423 kW tepelných a z toho vznikne 485 Nm3 /h biometanu. Roˇcn´ı kapacita u ´pravy je pˇribliˇznˇe 3,9 mil. Nm3 biometanu v kvalitˇe zemn´ıho plynu a roˇcn´ı kapacita nap´ ajen´ı je cca 43 mil. kWh, coˇz odpov´ıd´ a potˇrebˇe tepla asi 1 300 rodinných domk˚ u. Biometan je nap´ ajen do s´ıtˇe zemn´ıho plynu Mˇestských podnik˚ u veˇrejných sluˇzeb mˇesta Mnichov. Vstupn´ı materi´ al do BPS je cca 35 000 t kukuˇriˇcné sil´ aˇze, Kukuˇriˇcný Corn-Crop-Mix (CCM), sil´ aˇz celých rostlin (GPS) a obil´ı (zrn´ı). V zaˇr´ızen´ı Pliening se pouˇz´ıv´ a pro u ´pravu plynu proces adsorpce se zmˇenou tlaku (PSA). Vzniklý bioplyn mus´ı obsahovat v´ıce neˇz 96% metanu dle poˇzadavk˚ u smˇernice DVGW plynového hospod´ aˇrstv´ı. Po vyˇciˇstˇen´ı plynu prob´ıh´ a mˇeˇren´ı plynu, zvýˇsen´ı tlaku na s´ıt’ový tlak, odorizace a napojen´ı biometanu do plynovodu Mˇestských podnik˚ u veˇrejných sluˇzeb Mnichova, [34].

V´ yhody vtl´ aˇ cen´ı bioplynu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu + Biometan je CO2 neutráln´ı + Biometan lze napájet do stávaj´ıc´ıch s´ıt´ı zemn´ıho plynu a lze jej pˇrepravovat na dlouhé vzdálenosti + Vˇetˇs´ı nezávislost na dovozech zemn´ıho plynu + Biometan je celoroˇcnˇe k dispozici a lze ho vyuˇz´ıt pro základn´ı zat´ıˇzen´ı + Biometan patˇr´ı k regulovateln´ ym obnoviteln´ ym zdroj˚ um energie - zat´ıˇzen´ı ve ˇspiˇckách 4

Jak definuje §1 odst. 4, vyhl´ aˇsky 251/2001 Sb., v platném znˇen´ı.

45


Obrázek 3.25: Bioplynová stanice Pliening v Nˇemecku, [33]. + Biometan je d´ıky pouˇzit´ı v palivov´ ych ˇclánc´ıch nebo jako palivo obzvláˇstˇe perspektivn´ı + Pos´ılen´ı regionáln´ıho zemˇedˇelstv´ı otevˇren´ım nov´ ych zdroj˚ u pˇr´ıjm˚ u jako dodavatele energie

Nev´ yhody vtl´ aˇ cen´ı bioplynu do s´ıt´ı zemn´ıho plynu - Vysoké poˇrizovac´ı náklady na ˇcist´ıc´ı zaˇr´ızen´ı - Potˇreba v´ ystavby bioplynov´ ych stanic o vyˇsˇs´ıch v´ ykonech - Vybudován´ı pˇripojovac´ıch plynovod˚ u

3.4.9

Z´ avˇ er

ˇ nebylo dosud instalováno ˇzádné ˇcist´ıc´ı zaˇr´ızen´ı. Neustále u nás pˇrevaˇzuj´ı v´ V CR yhody vyuˇz´ıván´ı kogenerace a to pˇredevˇs´ım finanˇcn´ı, pˇred jin´ ym vyuˇz´ıt´ım bioplynu a to i pˇresto, ˇze u ´prava bioplynu, jak pro u ´ˇcely vtláˇcen´ı, tak pro pohon motorov´ ych vozidel je mnohem efektivnˇejˇs´ı. ˇ je zat´ım nedostateˇcné legislativn´ı prostˇred´ı pro nové technologie a nulová podpora ze V CR strany státu.

46

Kaˇzd´ a lidsk´ a ˇcinnost se nakonec mus´ı nˇejak projevit v ˇc´ıslech. Tom´ aˇs Bat’a

4

Návrh bioplynové stanice s ohledem na vyuˇzit´ı biometanu Bioplynové stanice maj´ı ˇradu pozitivn´ıch pˇr´ınos˚ u pro spoleˇcnost. Jedná se o projekty multioborové, které se tématicky prol´ınaj´ı napˇr´ıˇc mnoha odvˇetv´ımi, jak´ ym jsou napˇr´ıklad ochrana ovzduˇs´ı, odpady, hnojiva, energetika aj. Z ˇcehoˇz vypl´ yvá, ˇze proces jejich pˇr´ıpravy a realizace je pomˇernˇe nároˇcn´ y z hlediska administrativy a naplnˇen´ı poˇzadavk˚ u r˚ uzn´ ych zákon˚ u. V této kapitole jsou popsány d˚ uleˇzité aspekty pˇr´ıpravy a realizace bioplynov´ ych stanic. Je zde navrˇzen model BPS, kter´ y slouˇz´ı k ekonomickému zhodnocen´ı efektivnosti bioplynové stanice.

4.1

ˇ Postup pˇ ri realizaci projekt˚ u bioplynov´ ych stanic v CR

Pˇr´ıpravu projekt˚ u bioplynov´ ych stanice lze rozdˇelit do nˇekolika následuj´ıc´ıch krok˚ u: ´ 1. Uvodn´ ı posouzen´ı zámˇeru, resp. nab´ıdka dodavatele 2. Studie proveditelnosti 3. Zpracován´ı ˇzádost´ı o investiˇcn´ı podporu a zajiˇstˇen´ı financován´ı projektu ´ R), ˇ ˇr´ızen´ı EIA 4. Projektová dokumentace pro u ´zemn´ı ˇr´ızen´ı (PD a U ˇ 5. Projektová dokumentace pro stavebn´ı ˇr´ızen´ı (PD a SR) 6. Realizace projektu 7. Monitorován´ı provozu BPS ´ Uvodn´ ı posouzen´ı z´ amˇ eru Slouˇz´ı pro základn´ı orientaci zájemce v problematice a pˇredkládá základn´ı rysy technického ˇreˇsen´ı, hrub´ y odhad investice a ekonomiky zámˇeru. Rozsah závis´ı na podkladech, které jsou k dispozici. Na základˇe této studie se zájemce rozhoduje, zda bude v potenciáln´ım zámˇeru pokraˇcovat ˇci nikoli. 47

´vrh bioplynove ´ stanice s ohledem na vyuˇ Kapitola 4. Na zit´ı biometanu

Studie proveditelnosti Studie proveditelnosti volnˇe navazuje na u ´vodn´ı posouzen´ı zámˇeru. V této ˇcásti se jiˇz podrobnˇe popisuje zam´ yˇslené technické ˇreˇsen´ı, rozpoˇcet, zp˚ usob provozu, ˇreˇsen´ı látkov´ ych koncovek, energetická bilance, vyuˇzit´ı produkovan´ ych energi´ı, legislativn´ı dopady atd. Studie se provád´ı vˇetˇsinou v nˇekolika variantách. B´ yvá provádˇena vˇetˇsinou v souladu s metodikou pˇredbˇeˇznˇe vybran´ ych dotaˇcn´ıch titul˚ u. Slouˇz´ı jako základn´ı rozhodovac´ı dokument zákazn´ıka a dále jako podklad pro zpracován´ı podnikatelského zámˇeru, jednán´ı s bankami, zadán´ı pro projektanty, zpracovatele doplˇ nkové dokumentace (EIA, energetick´ y audit, rozptylová studie, odborné posudky, atd.)

Zpracov´ an´ı ˇ z´ adosti o investiˇ cn´ı podpory Druh ˇzádosti o investiˇcn´ı podporu vypl´ yvá z typu investora a konkrétn´ıho pˇripravovaného projektu, na jehoˇz základˇe je nutné volit dotaˇcn´ı strategii (vhodn´ y dotaˇcn´ı program). Mezi nejvhodnˇejˇs´ı zdroje podpor pro realizaci projektu patˇr´ı operaˇcn´ı programy a iniciativy Evropské unie, ale téˇz m˚ uˇze j´ıt o tuzemské dotaˇcn´ı tituly a granty. Vhodné programy pro realizaci BPS jsou: OPPI - Operaˇcn´ı program Podnikán´ı a inovace ˇ - Operaˇcn´ı program Zivotn´ ˇ OPZP ı prostˇred´ı PRV - Program rozvoje venkova ROP - Regionáln´ı operaˇcn´ı program POV - Program rozvoje venkova Státn´ı fond ˇzivotn´ıho prostˇred´ı Grantové programy v rámci jednotliv´ ych kraj˚ u V posledn´ı dobˇe je v´ yˇse podpor mezirezortnˇe sjednocována na u ´roveˇ n 30%, coˇz je m´ıra vyhovuj´ıc´ı vˇetˇsinˇe realizovan´ ych BPS. Souˇcást´ı zpracován´ı ˇzádost´ı o podporu je i ˇreˇsen´ı finanˇcn´ıho cash flow vˇsech fáz´ı projektu, vˇcetnˇe ˇreˇsen´ı bankovn´ıch u ´vˇer˚ u.

Projektov´ a dokumentace pro u ´ zemn´ı a stavebn´ı ˇ r´ızen´ı Rozsah a zpracován´ı dokumentace pro u ´zemn´ı ˇr´ızen´ı podléhá reˇzimu stavebn´ıho zákona. Jed´R ˇ a SR ˇ se od sebe v urˇcit´ notlivé dokumentace k U ych ˇcástech m´ırnˇe liˇs´ı na základˇe poˇzadavk˚ u pˇr´ısluˇsn´ ych stavebn´ıch u ´ˇrad˚ u. Souˇcást´ı dokumentace k u ´zemn´ımu ˇr´ızen´ı je jednoduch´ y inˇzen´ yrskogeologick´ y pr˚ uzkum v m´ıstˇe zaloˇzen´ı fermentoru a geologické zamˇeˇren´ı stanoviˇstˇe, odborn´ y posudek o um´ıstˇen´ı stˇredn´ıho (velkého) zdroje zneˇciˇstˇen´ı ovzduˇs´ı, vˇcetnˇe rozptylové studie a vydán´ı pˇr´ısluˇsného rozhodnut´ı Krajského u ´ˇrada. Samostatnou kapitolou v této pˇredrealizaˇcn´ı ˇcásti je zpracován´ı dokumentace o posouzen´ı EIA. V souˇcasné dobˇe je prakticky vˇzdy nutno pˇredkládat posouzen´ı projektu z hlediska vliv˚ u na ˇzivotn´ı prostˇre´ı. Tato skuteˇcnost vyplynula z nˇekolika nepoveden´ ych realizac´ı BPS v minulosti, které negativnˇe ovlivnily m´ınˇen´ı veˇrejnosti a orgán˚ u státn´ı správy. Zpracován´ı EIA poˇzadovaného stupnˇe je nutné svˇeˇrit odborn´ık˚ um s pˇr´ısluˇsnou ˇ V´ autorizac´ı MZP. ysledné rozhodnut´ı pˇr´ısluˇsného orgánu je pro dalˇs´ı postup realizace projektu zcela zásadn´ı. 48

ˇ de ˇlska ´ bioplynova ´ stanice z hlediska legislativy 4.2. Zeme

Realizace projektu Realizace stavby mus´ı prob´ıhat dle platné legislativy a je zapotˇreb´ı pˇrihl´ıˇzet k platn´ ych m´ıstn´ım specifick´ ym podm´ınkám, které mohou m´ıt znaˇcn´ y vliv na technické ˇreˇsen´ı a celkovou dobu realizace projektu. V Tabulce 4.1 jsou ˇcasovˇe rozvrˇzeny jednotlivé etapy v´ ystavby bioplynové stanice.

Tabulka 4.1: Etapy v´ ystavby bioplynové stanice, [19].

Doby v Tabulce 4.1 jsou pouze orientaˇcn´ı, jelikoˇz skuteˇcn´ y celkov´ y ˇcas realizace projektu m˚ uˇze b´ yt ovlivnˇen mnoha okolnostmi jako je napˇr.: • potˇreba vyˇreˇsen´ı majetko-právn´ıch vztah˚ u • potˇreba zmˇeny u ´zemnˇe-plánovac´ı dokumentace obce (min. 10 mˇes´ıc˚ u) • nestandardn´ı druhy biomasy a posouzen´ı moˇzn´ ych inhibiˇcn´ıch vliv˚ u (min. 2-3 mˇes´ıce) • moˇzn´ y negativn´ı postoj obce nebo veˇrejnosti k projektu v dané lokalitˇe ( napˇr. nutnost podstoupit u ´plné ˇr´ızen´ı EIA - min. 6-10 mˇes´ıc˚ u) Provoz a monitorov´ an´ı bioplynov´ e stanice Tato fáze nastává po u ´spˇeˇsném dokonˇcen´ı v´ ystavby BPS. Provoz BPS podléhá pomˇernˇe sloˇzité legislativˇe. Na bioplynov´ ych stanic´ıch se provádˇej´ı pravidelné kontroly dle pˇredem stanoveného plánu, [19, 36].

4.2

Zemˇ edˇ elsk´ a bioplynov´ a stanice z hlediska legislativy

Provoz bioplynové stanice se dot´ yká ˇrady legislativn´ıch odvˇetv´ı jako je napˇr´ıklad ochrana ovzduˇs´ı, odpadové hospodáˇrstv´ı, hnojiva, obnovitelné zdroje energie, veterinárn´ı správa atd. Tyto legislativn´ı pˇredpisy mohou ovlivˇ novat moˇznost zpracován´ı nˇekter´ ych substrát˚ u a odpad˚ u na bioplynov´ ych stanic´ıch. V následuj´ıc´ım sloupci jsou vypsány aktuáln´ı zákony dot´ ykaj´ıc´ı se provozu BPS. • Zákon ˇc. 185/2001 Sb., o odpadech • Vyhláˇska ˇc. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládán´ı s odpady 49


• Zákon ˇc. 458/2000 Sb., energetick´ y zákon • Zákon ˇc. 406/2000 Sb., o hospodaˇren´ı s energi´ı • Zákon ˇc. 86/2002 Sb., o ochranˇe ovzduˇs´ı ˇ (EIA) • Zákon ˇc. 100/2001 Sb., o posuzován´ı vliv˚ u na ZP • Zákon ˇc. 254/2001 Sb., o vodách • Zákon ˇc. 156/1998 Sb., o hnojivech • Smˇernice EU ˇc. 91/676/EEC nitrátová smˇernice

Kategorie bioplynov´ ych stanic Zemˇedˇelské bioplynové stanice se dˇel´ı do dvou kategori´ı dle druhu zpracovávan´ ych vstupn´ıch surovin. Zaˇrazen´ı do skupiny má v´ yznamn´ y vliv na v´ yˇsi v´ ykupn´ı ceny elektrické energie. Do kategorie AF1 patˇr´ı bioplynové stanice zpracovávaj´ıc´ı pouze c´ılenˇe pˇestované energetické plodiny a jejich oddˇelené ˇcásti s p˚ uvodem v zemˇedˇelské v´ yrobˇe, které jsou primárnˇe urˇceny k energetickému vyuˇzit´ı a neproˇsly technologickou u ´pravou. Do této kategorie spadaj´ı dle vyhláˇsky ˇc. 482/2005 Sb. BPS, které v daném kalendáˇrn´ım mˇes´ıci zpracuj´ı v´ıce neˇz polovinu hmotnostn´ıho pod´ılu v suˇsinˇe c´ılenˇe pˇestované energetické plodiny a zbytek mohou tvoˇrit vybrané substráty spadaj´ıc´ı do kategorie AF2. Konkrétnˇe se jedná o substráty pod p´ısmeny a) aˇz g) skupiny AF2, coˇz je biomasa s p˚ uvodem v zemˇedˇelstv´ı nebo bezprostˇrednˇe navazuj´ıc´ım zpracovatelském pr˚ umyslu. V Pˇr´ıloze 3 je vypsán seznam jednotliv´ ych druh˚ u biomasy spadaj´ıc´ı do jednotliv´ ych kategori´ı AF1 a AF2. Do kategorie AF2 spadaj´ı bioplynové stanice zpracovávaj´ıc´ı biologicky rozloˇzitelné odpady, které nemohou zpracovávat zemˇedˇelské bioplynové stanice spadaj´ıc´ı do kategorie AF1. Jedná se napˇr´ıklad o r˚ uzné kaly z potravináˇrského pr˚ umyslu, z ˇcist´ıren odpadn´ıch vod, rostlinné oleje a ˇzivoˇciˇsné tuky, odpady z jatek, masokostn´ı mouˇcka, zbytky z kuchyn´ı a stravoven a biologicky rozloˇziteln´ y komunáln´ı odpad. Do AF1 patˇr´ı také zemˇedˇelské BPS, jejichˇz vsázka c´ılenˇe pˇestovan´ ych energetick´ ych plodin v daném kalendáˇrn´ım mˇes´ıci tvoˇr´ı ménˇe neˇz 50% celkové vsázky v suˇsinˇe a nesplˇ nuje tak podm´ınky pro zaˇrazen´ı do kategorie AF1.

Digest´ at z bioplynov´ ych stanic Legislativa hnojiv usmˇerˇ nuje pouˇzit´ı digestát˚ u a kategorizuje bioplynové stanice. V pˇr´ıpadˇe, ˇze je digestát vyroben pouze ze statkov´ ych hnojiv jako je hn˚ uj, kejda aj., nebo z objemov´ ych krmiv (siláˇz, senáˇz, seno, atd.) je digestát povaˇzován za statkové hnojivo a m˚ uˇze b´ yt pro vlastn´ı potˇrebu vyuˇzit bez jakékoli registrace nebo ohláˇsen´ı. Dalˇs´ı pˇr´ıpad je ten, kdy je digestát vyroben ze statkov´ ych hnojiv nebo objemov´ ych krmiv a je ˇs´ıˇren do obˇehu prodejen nebo pˇredáván dalˇs´ımu objektu. V tomto pˇr´ıpadˇe je nezbytná ohlaˇsovac´ı ´ redn´ıho kontroln´ıho a zkuˇsebn´ıho u povinnost u Ustˇ ´stavu zemˇedˇelského v Brnˇe. Tˇret´ı moˇznost pˇredstavuje digestát vyroben za pouˇzit´ı jin´ ych substrát˚ u. Takov´ yto digestát je ´ nutné registrovat jako hnojivo u Ustˇredn´ıho kontroln´ıho a zkuˇsebn´ıho u ´stavu zemˇedˇelského v Praze (registrace hnojiv). Vˇetˇsina provozovatel˚ u zemˇedˇelsk´ ych bioplynov´ ych stanic vyuˇz´ıvá digestát pro vlastn´ı potˇrebu, a proto nepodléhaj´ı ˇzádné registraci, [9]. 50

´ stanice 1 MW 4.3. Koncepce bioplynove

4.3

Koncepce bioplynov´ e stanice 1 MW

Pro u ´ˇcely porovnán´ı vyuˇzit´ı bioplynu a následného ekonomického vyhodnocen´ı, byla zvolena zemˇedˇelská bioplynová stanice o v´ ykonu 1000 kW. Pro tento model je navrˇzena technologie firmy Johann Hochreiter, která si zakládá na uspoˇrádán´ı fermentor˚ u kruh v kruhu, (viz. Kapitola 2.2 Funkˇcn´ı popis technologie BPS).

Tabulka 4.2: Bilanˇcn´ı v´ ypoˇcet bioplynové stanice 1000 kWe

Jako vstupn´ı surovina byla zvolena hovˇez´ı a praseˇc´ı kejda, hovˇez´ı hn˚ uj, kukuˇriˇcná, travn´ı a jetelová siláˇz a recyklovan´ y digestát. Tuhá ˇcást vstupn´ıch surovin bude dopravována pˇr´ımo ˇ ıc´ı sloˇzka z dávkovac´ıho zaˇr´ızen´ı do prvn´ıho stupnˇe fermentoru, kde probˇehne homogenizace. Red´ je dávkována do fermentoru pomoc´ı centráln´ıho ˇcerpadla. Dávkované mnoˇzstv´ı vstupn´ıch surovin je podrobnˇe rozepsáno v Tabulce 4.2. Nejvˇetˇs´ı pod´ıl na celkovém mnoˇzstv´ı vstupn´ı suroviny tvoˇr´ı kukuˇriˇcná siláˇz a následnˇe hovˇez´ı kejda. Pˇriˇcemˇz nejvˇetˇs´ım nositelem bioplynu je právˇe kukuˇriˇcná siláˇz. Pro dalˇs´ı zpracován´ı n´ as zaj´ımá celkové mnoˇzstv´ı plynu ze vstupn´ıch surovin za rok, coˇz je 3 764 633 m3 a to odpov´ıd´ a pˇribliˇznˇe 470 m3 vyprodukovaného mnoˇzstv´ı bioplynu za hodinu. Tento u ´daj je d˚ uleˇzit´ y pro návrh ˇcist´ıc´ı jednotky bioplynu.

N´ avrh koncepce technologick´ ych n´ adrˇ z´ı Na základˇe vstupn´ıch parametr˚ u a v´ ykonu bioplynové stanice byly navrˇzeny rozmˇery technick´ ych nádrˇz´ı a doba zdrˇzen´ı materiálu ve fermentorech. Vzhledem k tomu, ˇze se jedná pouze o model BPS, m˚ uˇzeme si vybrat, zda budou jednotlivé nádrˇze zapuˇstˇeny do zemˇe ˇci nikoli. Pro kalkulaci náklad˚ u na v´ ystavbu byla zvolena levnˇejˇs´ı varianta nadzemn´ıch nádrˇz´ı. Jednotlivé technické parametry jsou vypsány v Tabulce 4.3.

Bioplynová stanice se skládá ze dvou fermentor˚ u o pr˚ umˇeru 40 a 20 m, pˇriˇcemˇz menˇs´ı z nich je um´ıstˇen uvnitˇr vˇetˇs´ıho. Celková doba zdrˇzen´ı materiálu ve fermentoru je 92 dn´ı. Koncov´ y sklad je dimenzován na uskladnˇen´ı digestátu po dobu 120 dn´ı. 51


Obrázek 4.1: Grafické znázornˇen´ı uspoˇrádán´ı objekt˚ u v areálu BPS. Tabulka 4.3: Parametry technologick´ ych nádrˇz´ı

Na Obrázku 4.1 je grafické znázornˇen´ı prostorového uspoˇrádán´ı zemˇedˇelské bioplynové stanice. V tomto pˇr´ıpadˇe je budova urˇcená pro kogeneraˇcn´ı jednotku dimenzována i pro um´ıstˇen´ı ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı, které bude slouˇzit k vyˇciˇstˇen´ı vzniklého bioplynu, jehoˇz mnoˇzstv´ı se pohybuje zhruba ˇ ıc´ı technologie je um´ıstˇena v kovov´ 500 m3 za hodinu. Cist´ ych kontejnerech, pˇriˇcemˇz velikost a mnoˇzstv´ı kontejner˚ u závis´ı na mnoˇzstv´ı vstupn´ıho plynu. 52

ˇn´ı na ´roc ˇnost bioplynove ´ stanice 4.4. Financ

4.4

Finanˇ cn´ı n´ aroˇ cnost bioplynov´ e stanice

Následuj´ıc´ı ˇcást práce se zamˇeˇruje na finanˇcn´ı nároˇcnost v´ ystavby zemˇedˇelské bioplynové stanice o v´ ykonu 1 MW, které spadá do kategorie AF1. Zároveˇ n je proveden odborn´ y odhad náklad˚ u na poˇr´ızen´ı ˇcist´ıc´ı jednotky um´ıstˇené v areálu bioplynové stanice. Vzhledem k tomu, ˇze dosud nebylo ˇ e republice instalováno ˇzádné ˇcist´ıc´ı zaˇr´ızen´ı, nelze vycházet z konkrétn´ıho pˇr´ıkladu. Pro v Cesk´ ˇcesk´ y trh zat´ım nejsou stanoveny ceny ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı a ani náklady na jeho provoz, proto jsou data pˇrevzata od zahraniˇcn´ıch firem. Cenová kalkulace náklad˚ u pro BPS s kogeneraˇcn´ı jednotkou byla provedena firmou Johann Hochreiter s.r.o.

4.4.1

Kalkulace n´ aklad˚ u stavebn´ı ˇ c´ asti a technologie

V Tabulce 4.4 je rozepsána cenová rozvaha náklad˚ u na stavbu bioplynové stanice o v´ ykonu 1 MW vˇcetnˇe ceny technologie. Tento návrh zahrnuje dodávku bioplynové stanice v rozsahu projekˇcn´ı a inˇzen´ yrské ˇcinnosti, technické stavby, dodávku a montáˇz technologického zaˇr´ızen´ı a cenu uveden´ı do provozu. Poloˇzka technologie komplet v Tabulce 4.4 zahrnuje dodávku a instalaci technologie Hochreiter, jmenovitˇe se jedná o tato zaˇr´ızen´ı: • kogeneraˇcn´ı jednotku a jej´ı pˇr´ısluˇsenstv´ı • m´ıchán´ı vnˇejˇs´ıho kruhu fermentoru • m´ıchán´ı vnˇejˇs´ıho kruhu fermentoru • m´ıchán´ı koncového skladu • centráln´ı ˇcerpadlo, potrub´ı, pˇr´ısluˇsenstv´ı • rozdˇelovaˇc, tlakové potrub´ı, pˇr´ısluˇsenstv´ı • plynovod • v´ ydejn´ı m´ısto digestátu • vytápˇen´ı fermentor˚ u apod. Do celkov´ ych náklad˚ u nen´ı zapoˇctena cena na u ´pravu u ´zem´ı, pˇr´ıpojku vysokého napˇet´ı, teplovod, kanalizaci, vodovod a v pˇr´ıpadˇe ˇcistˇen´ı bioplynu na biometan ani plynovod a dalˇs´ı nutná zaˇr´ızen´ı k distribuci. Vstupn´ı materiály téˇz nejsou zahrnuty do náklad˚ u.

V Tabulce 4.4 je podrobn´ y pˇrehled náklad˚ u na v´ ystavbu BPS. Ceny jsou platné k u ńoru 2011. Tato kalkulace ukazuje, ˇze v´ ystavba bioplynové stanice o v´ ykonu 1 MW by stála pˇres 83 milion˚ u Kˇc. V tomto pˇr´ıpadˇe by se jednalo o klasickou bioplynovou stanici, která by vyuˇz´ıvala bioplyn v kogeneraˇcn´ı jednotce pro v´ yrobu tepla a elektrické energie. Pˇriˇcemˇz ˇcást elektrické energie by byla spotˇrebována v areálu BPS a ta vˇetˇs´ı ˇcást je prodána distributorovi. Pokud bychom se pod´ıvali na druh´ y pˇr´ıpad, kdy by byl vyroben´ y bioplyn dále upravován v ˇcist´ıc´ı jednotce na kvalitu zemn´ıho plynu a následnˇe ˇcást ZP by byla vyuˇzita v kogeneraˇcn´ı jednotce pro pokryt´ı vlastn´ı spotˇreby BPS a ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı, vycház´ı náklady na poˇr´ızen´ı jen o nˇeco m´ alo vyˇsˇs´ı. Bohuˇzel se jedná jen o odhad náklad˚ u, pˇriˇcemˇz nejsou dosud známé náklady na v´ ydejn´ı m´ısto a pˇr´ıpojku VN, coˇz odpov´ıdá poloˇzce 6 a 8 v Tabulce 4.4. Odborn´ ym odhadem bylo pˇripoˇcteno k celkov´ ym náklad˚ um 10% z odhadnuté ceny BPS. Po této u ´vaze se situace zmˇen´ı a 53


Tabulka 4.4: Náklady stavebn´ı a technologické ˇcásti BPS 1 MW.

cena na poˇr´ızen´ı bioplynové stanice s ˇcist´ıc´ı technologi´ı by se pohybovala kolem 92 milionu Kˇc. Tato celková odhadnutá cena se m˚ uˇze v´ıce bl´ıˇzit realitˇe. Celkové náklady bioplynové stanice jsou znaˇcnˇe ovlivnˇeny velikost´ı kogeneraˇcn´ı jednotky a ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı. S rostouc´ım instalovan´ ym v´ ykonem a s rostouc´ım mnoˇzstv´ım vyˇciˇstˇeného plynu klesaj´ı i mˇerné investiˇcn´ı náklady bioplynové stanice. Na Obrázku 4.2 je znázornˇena závislost mˇern´ ych investiˇcn´ıch náklad˚ u na instalovaném elektrickém v´ ykonu BPS. Tato kˇrivka je pouze orientaˇcn´ı, jelikoˇz celkové náklady BPS jsou závislé na mnoha dalˇs´ıch faktorech.

Obrázek 4.2: Mˇerná investiˇcn´ı nároˇcnost bioplynové stanice, [6].

Z Obrázku 4.2 lze vyˇc´ıst urˇcit´ y pokles náklad˚ u s rostouc´ım instalovan´ ym v´ ykonem a je zde vidˇet, ˇze je vhodné stavˇet bioplynové stanice o instalovaném elektrickém v´ ykonu nad 400 kWhe . V souˇcasné dobˇe neexistuje ˇzádn´ y podobn´ y graf, kter´ y by porovnával závislost investiˇcn´ıch náklad˚ u na velikosti ˇcist´ıc´ı technologie. Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze kˇrivka této závisloti bude velmi 54


podobná, jelikoˇz je snaha stavˇet, co vˇetˇs´ı BPS, pro které by se uˇz vyplatila technologie na ˇcistˇen´ı bioplynu.

4.4.2

Ekonomick´ a bilance produkce bioplynu

V následuj´ıc´ı ˇcásti práce je provedeno porovnán´ı dvou variant vyuˇzit´ı bioplynu. Prvn´ı z nich je standardn´ı vyuˇzit´ı vyrobeného bioplynu v kogeneraˇcn´ı jednotce o elektrickém v´ ykonu 1000 kWe a tepelném v´ ykonu 1040 kWt . V dalˇs´ı variantˇe bude bioplyn vyˇciˇstˇen na biometan a následnˇe vyuˇzit jako zemn´ı plyn v s´ıt´ıch zemn´ıho plynu.

1. Varianta Bioplyn je zcela pˇremˇenˇen na elektrickou energii a teplo v kogeneraˇcn´ı jednotce o velikosti 1 MW, pˇriˇcemˇz je uvaˇzována vlastn´ı spotˇreba BPS pˇribliˇznˇe 5% z celkového elektrického v´ ykonu a 30% z tepelného v´ ykonu KJ. Vyrobená elektrická energie bude dále prodávána distributorovi za v´ ykupn´ı ceny energie stanoveny pro rok 2011. Tepelná energie se nebude zapoˇc´ıtávat do celkov´ ych v´ ynos˚ u, jelikoˇz na vˇetˇsinˇe bioplynov´ ych stanic je vyuˇzit´ı tepla problematické a je povaˇzováno sp´ıˇse za odpadn´ı produkt. ´ Udaje pro variantu 1 Vyuˇzit´ı kapacity kogeneraˇcn´ı jednotky

8000 hodin/rok

Cena elektrické energie pro rok 2011

4,12 Kˇc/kWh

Celkov´ y elektrick´ y v´ ykon BPE

1000 kWe

Celkov´ y tepeln´ y v´ ykon BPE

1040 kWt

Tabulka 4.5: Trˇzby z energi´ı vyroben´ ych na BPS kategorie AF1.

Z Tabulky 4.5 vypl´ yvá, ˇze pˇri prodeji elektrické energie ˇcin´ı trˇzby za rok pˇres 28 mil. Kˇc. V pˇr´ıpadˇe, ˇze by se provozovateli BPS podaˇrilo prodat i ˇca´st vyrobeného tepla, vzrostla by trˇzba na témˇeˇr 32 mil. Kˇc. 55


2. Varianta V druhé variantˇe je v´ ypoˇcet trˇzeb o nˇeco sloˇzitˇejˇs´ı, jelikoˇz ˇcást vstupn´ıch u ´daj˚ u byla odhadnuta z dostupn´ ych zdroj˚ u. Pro modelovou BPS je instalována menˇs´ı kogeneraˇcn´ı jednotka firmy TEDOM typ CAT 260 o elektrickém v´ ykonu 255 kWhe a tepeln´ ym v´ ykonem 419 kWht . Pˇriˇcemˇz KJ zpracuje kaˇzdou hodinu provozu 82 m3 zemn´ıho plynu. Pro v´ ypoˇcet byl zamˇenˇen zemn´ı plyn za vyˇciˇstˇen´ y bioplyn (biometan), kter´ y svou kvalitou odpov´ıdá zemn´ımu plynu. Navrˇzen KJ slouˇz´ı pro v´ yrobu elektrické energie a tepla pro vlastn´ı spotˇrebu BPS a zároveˇ n i ˇcist´ıc´ı technologie. Pˇresná spotˇreba energie ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı nen´ı pˇresnˇe známa, jelikoˇz se jedná o intern´ı informaci firem dodávaj´ıc´ı tyto technologie a pro publikaci v diplomové práci nebyly poskytnuty ˇzádné konkrétn´ı hodnoty. Z tohoto d˚ uvodu je uvaˇzováno obecné zaˇr´ızen´ı na ˇcistˇen´ı bioplynu. Rozd´ıly v poˇrizovac´ı cenˇe jednotliv´ ych technologi´ı na ˇciˇstˇen´ı BP jsou nepatrné a spotˇreba energie nen´ı pˇr´ıliˇs vysoká. Ve v´ ypoˇctech se vˇzdy ˇcást energie poˇc´ıtá na provoz ˇcist´ıc´ıho zaˇr´ızen´ı.

´ Udaje pro variantu 2 Vyuˇzit´ı kapacity kogeneraˇcn´ı jednotky

8000 hodin/rok

Cena elektrické energie pro rok 2011

4,12 Kˇc/kWh

Cena zemn´ıho plynu pro rok 2011

13 Kˇc/Nm3

Celkov´ y elektrick´ y v´ ykon BPE

255 kWe

Celkov´ y tepeln´ y v´ ykon BPE

419 kWt

Tabulka 4.6: Trˇzby z prodeje biometanu (zemn´ıho plynu)

Z Tabulky 4.6 vypl´ yvaj´ı následuj´ıc´ı závˇery. Navrˇzená kogeneraˇcn´ı jednotka vyrob´ı vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı elektrické energie neˇz je vlastn´ı spotˇreba BPS, proto ˇcást elektˇriny m˚ uˇze b´ yt prodávána. Hlavn´ı poloˇzku ve v´ ynosech tvoˇr´ı trˇzby z prodeje zemn´ıho plynu (biometanu). Pˇri uvaˇzované cenˇe zemn´ıho plynu 13 Kˇc za m3 a vyrobeného mnoˇzstv´ı biometanu se trˇzby z prodeje ZP pohybuj´ı 17 milionu Kˇc. Po seˇceten´ı tˇechto dvou poloˇzek se celková trˇzba pohybuje kolem 22 milion˚ u Kˇc. Z porovnán´ı tˇechto dvou variant vych´ az´ı, ˇze v souˇcasné dobˇe je v´ yhodnˇejˇs´ı vyuˇz´ıt bioplyn v kogeneraˇcn´ı jednotce a z´ıskanou elektrickou energii prodávat za státem garantované ceny. 56


Z navrˇzeného modelu je zˇrejné, ˇze celkové náklady na poˇr´ızen´ı BPS s ˇciˇst´ıc´ı technologi´ı jsou v´ yraznˇe vyˇsˇs´ı a v´ ynosy z prodeje ZP a elektrické energie celkovˇe niˇzˇs´ı. Urˇcit´ ym ˇreˇsen´ım by byla zmˇena dotaˇcn´ı politiky státu a Evropské unie, tak aby nebyla zv´ yhodnˇena pouze elektrick´ a energie, ale téˇz i biometan.

57

It is time for a sustainable energy policy which puts consumers, the environment, human health, and peace first. Dennis Kucinich

5

Porovnán´ı bioplynu z hlediska ekonomické a environmentáln´ı pˇrijatelnosti Tato kapitola je vˇenována hodnocen´ı v´ yroby bioplynu na bioplynov´ ych stanic´ıch z hlediska ekonomické a environmentáln´ı pˇrijatelnosti. Bioplynové stanice maj´ı celou ˇradu celospoleˇcensk´ ych pˇr´ınos˚ u, mezi které patˇr´ı stabiln´ı produkce obnovitelné energie, pˇrisp´ıvaj´ı k energetické nezávislosti, omezován´ı sklen´ıkov´ ych plyn˚ u, podporuj´ı lokáln´ı ekonomiku, zachovávaj´ı ˇziviny a napomáhaj´ı k jejich návratu do p˚ udy.

5.1

SWOT anal´ yza v´ ystavby BPS

Následuj´ıc´ı ˇcást se zab´ yvá SWOT anal´ yzou bioplynov´ ych stanic. Jsou zde prezentovány silné a slabé stránky BPS a moˇzné pˇr´ıleˇzitostmi a hrozby, které mohou vyplynout z realizace a provozu bioplynové stanice. V Tabulce 5.1 jsou jednotlivé ˇcásti SWOT anal´ yzy podrobnˇe vypracovány.

Z provedené anal´ yzy je vypl´ yvá, ˇze silné stránky realizace BPS pˇrevaˇzuj´ı nad slab´ ymi. Nejsilnˇejˇs´ı stránkou je energetická sobˇestaˇcnost zemˇedˇelského podniku, zisk kvalitn´ıho hnojiva a relativnˇe krátká doba návratnosti, která se pohybuje v rozmez´ı 6 aˇz 8 let s poskytnutou dotac´ı, kter´ a tvoˇr´ı vˇetˇsinou 30% ceny BPS. Naopak mezi jednu ze slab´ ych stránek, která má znaˇcn´ y vliv na rozhodován´ı o pˇridˇelen´ı dotace na v´ ystavbu bioplynové stanice, patˇr´ı nedostateˇcné vyuˇzit´ı tepla z kogenerace. V dneˇsn´ı dobˇe se teplo vyuˇz´ıvá v rámci bioplynové stanice na vyhˇr´ıván´ı fermentor˚ u, popˇr´ıpadˇe na vyhˇr´ıv´ an´ı pˇrilehl´ ych objekt˚ u zemˇedˇelského podniku. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpad˚ u je teplo neprodejné, jelikoˇz bioplynové stanice leˇz´ı mimo obytnou oblast a dodávka do pˇrilehlého mˇesta (m´ısta odbˇeru) by byla pˇr´ıliˇs finanˇcnˇe nákladná. Druhou ˇcást SWOT anal´ yzy tvoˇr´ı pˇr´ıleˇzitosti a hrozby. Jednou z v´ yznamn´ ych pˇr´ıleˇzitost´ı v´ ystavby a provozu BPS je stabilizace a diverzifikace ˇcinnost´ı zemˇedˇelského podniku. V pˇr´ıpadˇe dobˇre funguj´ıc´ı BPS dojde ke stabilizaci a moˇznosti vyˇsˇs´ıch pˇr´ıjm˚ u podniku a to pˇreváˇznˇe z prodeje elektrické energie. Zemˇedˇelsk´ y podnik uˇz nebude závisl´ y pouze na prodeji zemˇedˇelsk´ ych produkt˚ u. Mezi pozitivn´ı pˇr´ınosy BPS patˇr´ı téˇz zlepˇsen´ı ˇzivotn´ıho prostˇred´ı v okol´ı zemˇedˇelského areálu, jelikoˇz dojde k omezen´ı u ńiku metanu do ovzduˇs´ı a dojde ke sn´ıˇzen´ı zápachu. 59

Kapitola 5.

ń´ı bioplynu z hlediska ekonomicke ´ a environmenta ´ln´ı pr ˇijatelnosti Porovna

Tabulka 5.1: SWOT anyl´ yza

Posledn´ı ˇcást anal´ yzy tvoˇr´ı hrozby. Stejnˇe tak, jako m˚ uˇze doj´ıt ke stabilizaci zemˇedˇelského podniku, m˚ uˇze taktéˇz vést ˇspatn´ y provoz BPS k zadluˇzen´ı a nezvládán´ı plnit závazky v˚ uˇci bance. Toto riziko zde existuje, ale je snahou bank a firem, zab´ yvaj´ıc´ıch se dodávkou BPS, toto riziko podchytit hned v zaˇcátku projektového zámˇeru. Jednou z dalˇs´ıch hrozeb je nez´ıskán´ı dotace, coˇz samozˇrejmˇe zp˚ usob´ı prodraˇzen´ı v´ ystavby BPS a dojde k prodlouˇzen´ı doby návratnosti investice.

5.2

Ekonomick´ e aspekty

Mezi nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı ekonomické aspekty pˇri rozhodován´ı o realizaci v´ ystavby bioplynové stanice patˇr´ı ekonomická efektivnost investice a garance v´ ykupn´ıch cen. V následuj´ıc´ı ˇcásti jsou jednotlivé aspekty vysvˇetleny.

5.2.1

Ekonomick´ a efektivnost investice

Ekonomická efektivnost se mˇeˇr´ı penˇezi, a proto jej´ı v´ ypoˇcet mus´ı obsahovat pouze penˇezi mˇeˇritelné veliˇciny. Abychom byli schopni vypoˇc´ıtat ekonomickou v´ yhodnost a efektivnost bioplynové stanice, je zapotˇreb´ı znát konkrétn´ı vstupn´ı u ´daje, mezi které patˇr´ı: • Investiˇcn´ı náklady, které zahrnuj´ı veˇskeré jednorázové v´ ydaje na pˇr´ıpravu stavby, projekt, dodávky technologického zaˇr´ızen´ı, montáˇz, stavebn´ı u ´pravy apod. • Doba ˇzivotnosti zaˇr´ızen´ı, tj. doba po kterou bude moˇzno vyuˇz´ıvat zaˇr´ızen´ı bez vynakládán´ı investiˇcn´ıch v´ ydaj˚ u na obnovu zaˇr´ızen´ı. • Provozn´ı náklady na obsluhu zaˇr´ızen´ı, jeho pravidelnou u ´drˇzbu, plánované opravy, pojiˇstˇen´ı. 60

´ aspekty 5.2. Ekonomicke

• Velikost u ´spor energie, roˇcn´ı produkce elektˇriny a tepla. Na ekonomiku OZE maj´ı vliv i parametry financován´ı stavby, tj. velikost, doba splácen´ı, u ´rokov´ a sazba poskytnutého u ´vˇeru a také cena vlastn´ıch penˇez investora. Ekonomick´ y efekt pro investora ovlivˇ nuje i daˇ n z pˇr´ıjm˚ u, daˇ nové u ´levy, aj. Pro zjednoduˇsen´ y v´ ypoˇcet ekonomické efektivnosti lze provést porovnán´ı dosaˇzen´ ych roˇcn´ıch pˇr´ınos˚ uzu ´spor energie s vynaloˇzen´ ymi investiˇcn´ımi náklady. Návratnost vynaloˇzené investice lze vypoˇc´ıtat následovnˇe:

Ts =

IN , CF

kde

IN = N − D,

Ts prostá návratnost (roky) N jednorázové náklady na realizaci projektu (Kˇc) D v´ yˇse poskytnuté dotace (Kˇc)

CF = Vr − Npr

Vr pr˚ umˇerné roˇcn´ı v´ ynosy (Kˇc) Npr pr˚ umˇerné roˇcn´ı provozn´ı náklady (Kˇc)

Varianta 1: BPS s kogeneraˇ cn´ı jednotkou a prodejem elektrick´ e energie Celkové n´ aklady na poˇr´ızen´ı investice: 83 468 000 Kˇc Dotace (30%) : 24 000 000 Kˇc IN = 83 468 000 - 24 000 000 = 59 468 000 Kˇc V´ ynosy z prodeje elektrické energie: 28 180 800 Kˇc Provozn´ı náklady zahrnuj´ı: servis a u ´drˇzba osobn´ı (pracovn´ık) doprava a manipulace pojiˇstˇen´ı kukuˇriˇcná siláˇz 600 Kˇc/t travn´ı siláˇz 500 Kˇc/t

2 800 000 Kˇc 250 000 Kˇc 200 000 Kˇc 3 350 000 Kˇc 6 000 000 Kˇc 1 500 000 Kˇc

Celkem

14 100 000 Kˇc

CF = 28 180 800 - 14 100 000 = 14 080 800 Kˇc Návratnost investice s vyuˇzit´ım dotace: Ts = Návratnost investice bez vyuˇzit´ı dotace: Ts =

IN CF N CF

= =

59 468 000 14 080 800 = 83 468 000 14 080 800 =

4,2 roku 5,9 roku

Varianta 2: BPS s ˇ cist´ıc´ım zaˇ r´ızen´ım a prodejem biometanu jako n´ ahrada zemn´ıho plynu Celkové náklady na poˇr´ızen´ı investice: 92 000 000 Kˇc V´ ynosy z prodeje elektrické energie a zemn´ıho plynu: 22 067 600 Kˇc

61

Kapitola 5.


Provozn´ı náklady zahrnuj´ı: servis a u ´drˇzba osobn´ı (pracovn´ık) doprava a manipulace pojiˇstˇen´ı kukuˇriˇcná siláˇz 600 Kˇc/t travn´ı siláˇz 500 Kˇc/t

1 500 000 Kˇc 250 000 Kˇc 100 000 Kˇc 3 350 000 Kˇc 6 000 000 Kˇc 1 500 000 Kˇc

Celkem

12 700 000 Kˇc

CF = 22 067 600 - 12 700 000 = 9 367 600 Kˇc

Ts =

N CF

=

92 000 000 9 367 600 =

9,8 roku.

Tento v´ ypoˇcet udává pouze statick´ y pohled na investici. Neuvaˇzuje se v nˇem ani s faktorem ˇcasu, ani s ˇcasovou hodnotou penˇez, a pˇredpokládá konstantn´ı pr˚ ubˇeh cash flow. Obecnˇe lze ˇr´ıci, ˇze pro bioplynové stanice plat´ı, ˇze doba návratnosti investice do 5 let je velmi dobrá a do 10 let pˇrijatelná. Po 15 letech provozu dosáhne vˇetˇsina hlavn´ıch prvk˚ u bioplynové stanice své ˇzivotnosti a je potˇreba poˇc´ıtat s vyˇsˇs´ımi náklady na opravu a u ´drˇzbu zaˇr´ızen´ı. Pro pˇresnˇejˇs´ı v´ ypoˇcty ekonomického hodnocen´ı projekt˚ u lze pouˇz´ıt dynamické metody, které pracuj´ı s faktorem ˇcasu (pouˇz´ıvaj´ı diskontn´ı sazbu), [38].

Zhodnocen´ı 1. a 2. varianty V prvn´ı variantˇe vycház´ı prostá doba návratnosti velmi zaj´ımavˇe. V pˇr´ıpadˇe z´ıskán´ı dotace na v´ ystavbu bioplynové stanice vyˇsla prostá doba návratnosti nˇeco málo pˇres 4 roky. V pˇr´ıpadˇe nezapoˇc´ıtán´ı dotace dojde k prodlouˇzen´ı doby na 6 let. V obou v´ ypoˇctech nejsou zapoˇcteny u ´roky, které mus´ı investor platit bance. T´ım docház´ı k dalˇs´ımu nár˚ ustu náklad˚ u. Ze zkuˇsenost´ı provozovatel˚ u vypl´ yvá, ˇze pˇribliˇznˇe celá v´ yˇse dotace je srovnatelná s v´ yˇs´ı u ´rok˚ u, které z´ıská banka. Proto pˇresnˇejˇs´ı doba návratnosti se pohybuje od 6 let a v´ yˇse. Pˇri zhodnocen´ı 2. varianty, kdy nelze poˇc´ıtat s dotac´ı vyˇsla prostá doba návratnosti témˇeˇr 10 let. Pokud by byly zapoˇceteny u ´roky z p˚ ujˇcky, protáhla by se návratnosti na v´ıce jak 12 let. Druhá v´ ypoˇcet je velmi orientaˇcn´ı, jelikoˇz náklady na poˇr´ızen´ı bioplynové stanice s ˇcist´ıc´ı jednotkou, provozn´ı náklady a v´ ynosy z prodeje ZP, byly odhadnuty pomoc´ı dostupn´ ych zdroj˚ u. Pro vlastn´ı konstrukci v´ ypoˇctu bylo nutné ohodnotit alespoˇ n ˇcást vstupn´ıch surovin. Proto byla zvolena cena vstup˚ u následnuj´ıc´ı. Jedna tuna kukuˇriˇcné siláˇze byla odhadnuta na 600 Kˇc a cena travn´ı siláˇze na 500 Kˇc za tunu. Ve v´ ypoˇctu byla zanedbána cena ostatn´ıch materiál˚ u, jelikoˇz v pˇr´ıpadˇe kejdy se jedná o odpadn´ı produkt.

5.2.2

V´ ykupn´ı cena energie

Elektrická energie je prodávána za státem garantovanou v´ ykupn´ı cenu ze zaˇr´ızen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ıch obnovitelné zdroje energie. V´ ykupn´ı ceny elektˇriny jsou stanoveny Energetick´ ym regulaˇcn´ım ´ Pro rok 2011 jsou ceny uvedené v Tabulce 5.2. u ´ˇradem (ERU).

62

´ aspekty 5.2. Ekonomicke

Tabulka 5.2: V´ ykupn´ı ceny a zelené bonusy pro elektˇrinu vyrobenou z bioplynu.

Ve schématu na Obrázku 5.1 je znázornˇen fyzikáln´ı tok elektrické energie a následné finanˇcn´ı platby. Provozovatel bioplynové stanice má moˇznost si vybrat v jakém reˇzimu bude prodávat vyrobenou elektrickou energii, tak aby byly jeho v´ ynosy z prodej co nejvˇetˇs´ı.

Obrázek 5.1: Schéma reˇzimu v´ ykupn´ıch cena zelen´ ych bonus˚ u, [39].

Reˇ zim v´ ykupn´ıch cen V pˇr´ıpadˇe, ˇze si provozovatel vybere reˇzim v´ ykupn´ıch cen, pak to znamená, ˇze bude vyrobenou elektrickou energii prodávat distributorovi, kter´ y je povinen tuto energii odeb´ırat. V okamˇziku, kdy provozovatel BPS obdrˇz´ı licenci jako v´ yrobce zelené elektˇriny, jsou aktuáln´ı v´ ykupn´ı ceny elektrické energie zafixovány na dvacet let (15 let zákonem, 5 let vyhláˇskou). Reˇ zim zelen´ ych bonus˚ u Dalˇs´ı moˇznost´ı je vyuˇzit´ı reˇzimu zelen´ ych bonus˚ u. Jedná se o dotaˇcn´ı program, kdy vyprodukovanou energii spotˇrebovává sám v´ yrobce nebo ji poskytuje dál, ale jiˇz ne pˇres distributory. Od distributor˚ u energie z´ıskává provozovatel tzv. Zelen´ y bonus, coˇz je pˇr´ıplatek k trˇzn´ı cenˇe elektrické energii. V´ yˇsi zelen´ ych bonus˚ u stanovuje kaˇzdoroˇcnˇe Energetick´ y regulaˇcn´ı u ´ˇrad. V´ yhodou zeleného bonusu je moˇznost vyˇsˇs´ıho v´ ydˇelku v pˇr´ıpadˇe, ˇze v´ yrobce energie dokáˇze spotˇrebovat vˇetˇs´ı ˇcást vyrobené energie. Nev´ yhodou je, ˇze podm´ınky zeleného bonusu nejsou fixovány na dlouhou dobu. Jednou v roce je moˇzné pˇrej´ıt z v´ ykupu energie na zelen´ y bonus a naopak. 63

Kapitola 5.

5.2.3


Diverzifikace pˇ r´ıjm˚ u

V´ ystavbou a provozem bioplynové stanice v rámci zemˇedˇelského podniku dojde k diverzifikaci pˇr´ıjm˚ u investora. Státem garantované v´ ykupn´ı ceny elektrické energie zajiˇst’uj´ı rovnomˇerné pˇr´ıjmy pro investora a zároveˇ n dlouholetou jistotu odbytu vyrobené energie. Provoz bioplynové stanice dále napomáhá eliminovat v´ ykyvy v odbytu zemˇedˇelsk´ ych produkt˚ u.

5.3

Environment´ aln´ı aspekty

Bioplynové stanice jsou obecnˇe povaˇzovány za modern´ı technologii, která sv´ ym provozem pˇrisp´ıv´ a k ochranˇe ˇzivotn´ıho prostˇred´ı v daném regionu. Mezi environmentáln´ı aspekty lze ˇradit problematiku zápachu v okol´ı zemˇedˇelského podniku potaˇzmo bioplynové stanice a vzniklé emise ze spalován´ı bioplynu. Bioplynová stanice je povaˇzovaná za obnoviteln´ y zdroj energie aˇckoli je kategorizovaná jako zdroj zneˇciˇst’ován´ı ovzduˇs´ı dle (REZZO). Z tohoto d˚ uvodu je zapotˇreb´ı vypracován´ı posouzen´ı vliv˚ u na ˇzivotn´ı prostˇred´ı (EIA).

5.3.1

Problematika z´ apachu

Správnˇe navrˇzená a provozovaná bioplynová stanice nen´ı a nesm´ı b´ yt zdrojem zápachu pro své ˇ okol´ı. Bohuˇzel se v CR objevila ˇrada ˇspatnˇe navrˇzen´ ych BPS, které se staly zdrojem zápachu. V souˇcasné dobˇe se ˇrada lid´ı stav´ı k v´ ystavbˇe BPS ve svém okol´ı negativnˇe. Ale v mnoha pˇr´ıpadech je právˇe BPS jedn´ım ze zp˚ usob˚ u, jak sn´ıˇzit zápach ze zemˇedˇelského provozu. Docház´ı ke sn´ıˇzen´ı pachov´ ych látek z chovu zv´ıˇrat, pˇresnˇeji ze skladován´ı kejdy a z hnojen´ı zemˇedˇelsk´ ych pozemk˚ u v bl´ızkosti obytn´ ych u ´zem´ı. Vznikl´ y digestát je jiˇz bez zápachu a je dále vyuˇzit jako kvalitn´ı hnojivo. V zásadˇe lze zdroje zápachu na bioplynové stanici rozdˇelit na dvˇe skupiny: • Zápach vstupn´ıch surovin • Zápach ze zpracovan´ ych substrát˚ u Z´ apach vstupn´ıch surovin Nen´ı-li zdroj zápachu vstupn´ıch surovin zp˚ usoben technologickou nekázn´ı v provozu jako napˇr. rozlité substráty a jejich neuklizené zbytky. pak je tˇreba vinu hledat ve ˇspatném projektovém zpracován´ı. V pˇr´ıpadˇe, ˇze vstupn´ı substráty páchnou, mus´ı b´ yt ukládány v uzavˇren´ ych j´ımkách, z nichˇz je vzduˇsina odsávána ke zneˇskodˇ nován´ı. Z´ apach ze zpracovan´ ych substr´ at˚ u V pˇr´ıpadˇe dostateˇcného biologického rozkladu jsou zbytkové substráty jiˇz zcela bez zápachu. Nen´ı-li rozklad dostateˇcnˇe hlubok´ y, pak v nádrˇz´ıch na zbytkov´ y substrát mohou dob´ıhat jak anaerobn´ı, tak i aerobn´ı rozkladné procesy a koncové produkty (fugát, digestát) stále jeˇstˇe páchnou. Pˇr´ıˇciny ne´ uplného rozkladu jsou vˇzdy stejné - nedokonˇcen´ y rozklad. Tyto pˇr´ıˇciny se daj´ı pˇrikládat k: • pˇr´ıliˇs kr´ atké dobˇe zdrˇzen´ı v reaktoru - doba je nedostateˇcná k u ´plnému odbouran´ı nositel˚ u pachu 64

´ln´ı aspekty 5.3. Environmenta

• pˇret´ıˇzen´ı reaktoru, coˇz m˚ uˇze b´ yt zcela identické s pˇredchoz´ım bodem, ale taktéˇz m˚ uˇze b´ yt kultura metanogen˚ u negativnˇe ovlivnˇena – stresem z vysokého zat´ıˇzen´ı – pˇr´ıtomnost´ı jin´ ych inhibitor˚ u (antibiotika, desinfekˇcn´ı prostˇredky, apod.) – nevhodn´ ym teplotn´ım reˇzimem reaktoru Pro odstranˇen´ı zápachu z BPS lze provést ˇradu opatˇren´ı jako je napˇr. zakryt´ı a odsáv´ an´ı zásobn´ık˚ u surovin, zlepˇsen´ı podm´ınek skladován´ı zbytk˚ u pˇred jejich vyuˇzit´ım jako hnojiva. V pˇr´ıpadˇe zápachu ze zpracován´ı substrát˚ u je zapotˇreb´ı upravit anaerobn´ı proces, [3].

5.3.2

Zdroj emis´ı

Bioplynov´ a stanice o v´ ykonu 1 MW je povaˇzována za stˇredn´ı bodov´ y zdroj zneˇciˇst’ován´ı ovzduˇs´ı, a proto mus´ı splˇ novat poˇzadavky platné legislativy. Vyrábˇen´ y bioplyn je zcela nebo ˇcásteˇcnˇe vyuˇz´ıván ve spalovac´ıch motorech pˇri kogeneraˇcn´ı v´ yrobˇe elektˇriny a tepla. Vzniklé emise jsou nˇekolikrát niˇzˇs´ı neˇz vznik metanu a oxidu uhliˇcitého pˇri pˇrirozeném rozkladu tohoto mnoˇzstv´ı surovin. Pˇri kogeneraˇcn´ı v´ yrobˇe je spotˇrebováno na vstupu o 35 - 40% ménˇe primárn´ı energie, neˇz pˇri teplárenském provozu. Coˇz znamená sn´ıˇzen´ı emis´ı o 30 - 40%. Na bioplynové stanici je provádˇeno jednorázové mˇeˇren´ı emis´ı autorizovanou osobou dle vyhláˇsky ˇc. 205/2009. Toto autorizované mˇeˇren´ı emis´ı zdroje se provád´ı jedenkrát za pˇet let. Mezi sledované zneˇciˇst’uj´ıc´ı látky patˇr´ı: • Oxid uhelnat´ y (CO) • Oxidy dus´ıku (NOx ) • Tuhé zneˇciˇst’uj´ıc´ı látky (TZL) • Uhlovod´ıky (TOC) Pro tyto látky jsou stanoveny limitn´ı hodnoty, které jsou uvedeny v Tabulce 5.3.

Tabulka 5.3: Limitn´ı hodnoty zneˇciˇst’uj´ıc´ıch látek, [40].

Provozovatel BPS je povinen kaˇzdoroˇcnˇe platit poplatek za zneˇciˇst’ován´ı ovzduˇs´ı, kter´ y vypoˇc´ıt´ a vˇzdy autorizovaná osoba. 65

Kapitola 5.

5.3.3


Nez´ avisl´ y obnoviteln´ y zdroj energie

Bioplynové stanice je nezávisl´ ym zdrojem elektrické energie, kter´ y je moˇzné vyuˇz´ıvat taktéˇz jako ˇspiˇckov´ y zdroj v dobˇe nejvyˇsˇs´ı spotˇreby. V pˇr´ıpadˇe krizové události a velkého v´ ypadku elektrické energie m˚ uˇze bioplynová stanice zapojená v ostrovn´ım systému zásobovat energi´ı zaˇr´ızen´ı nutná pro fungovan´ı obce. Sice pravdˇepodobnost, ˇze se tato v´ yhoda za dobu ˇzivotnosti bioplynové stanice projev´ı nen´ı velká, ale o to je v takovém pˇr´ıpadˇe závaˇznˇejˇs´ı, [41].

66

6

Závˇer

V´ yroba bioplynu je dnes provˇeˇrenou technologi´ı, která je pomˇernˇe ˇsiroce rozˇs´ıˇrena pˇredevˇs´ım ˇ e republice si naˇsla své m´ısto. V souˇcasné dobˇe se témˇeˇr v´ v Evropˇe, ale i v Cesk´ yluˇcnˇe vyuˇz´ıv´ a vznikl´ y bioplyn ke spalován´ı v kogeneraˇcn´ıch jednotkách za u ´ˇcelem kombinované v´ yroby elektrické energie a tepla. Jednou z motivac´ı v´ yroby elektrické energie v kogeneraˇcn´ıch jednotk´ ach, jsou právˇe státem garantované v´ ykupn´ı ceny elektˇriny. Urˇcit´ ym problémem neustálé z˚ ust´ av´ a vzniké teplo, pro které nen´ı pˇredevˇs´ım v letn´ıch mˇes´ıch dostateˇcné vyuˇzit´ı. Proto se v posledn´ı letech zaˇc´ıná stále ˇcastˇeji hovoˇrit o technologi´ıch, které dokáˇz´ı vyˇcistit vznikl´ y bioplyn na kvalitu zemn´ıho plynu (biometan). Tyto technologie jsou zaloˇzeny na fyzikáln´ıch a chemick´ ych principech. Mezi dosud nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı metodu patˇr´ı tlaková adsorpce a absorpce vodn´ı vyp´ırkou. Vznikl´ y biometan lze dále vtlaˇcovat do s´ıt´ı zemn´ıho plynu nebo ho lze vyuˇz´ıvat jako palivo pro pohon motorov´ ych vozidel (CNG, LNG). V´ ysledkem je spalován´ı BM v zaˇr´ızen´ıch s vyˇsˇs´ı u ´ˇcinnost´ı, vyˇsˇs´ım pod´ılem vyuˇzit´ı tepla a sn´ıˇzen´ı energetické závislosti na dovozu zemn´ıho plynu z ciz´ıch zem´ı a také odstranˇen´ı komplikovaného pˇripojován´ı do s´ıtˇe elektrické energie pˇri v´ yrobˇe elektˇriny v kogeneraˇcn´ıch jednotkách. S technologi´ı na ˇciˇstˇen´ı bioplynu je spojeno i nav´ yˇsen´ı investiˇcn´ıch a provozn´ıch náklad˚ u. V pˇr´ıpadˇe porovnán´ı náklad˚ u na v´ ystavbu bioplynové stanice s bˇeˇznou kogeneraˇcn´ı jednotkou a bioplynové stanice s ˇcist´ıc´ım zaˇr´ızen´ım, vycházej´ı náklady pro druhou variantu pˇribliˇznˇe o 10% vyˇsˇs´ı, coˇz má negativn´ı vliv na dobu návratnosti investice. V souˇcasné dobˇe je jednou z dalˇs´ıch bariér nepˇripravenost legislativn´ıho prostˇred´ı a neexistence státn´ı podpory pro tuto technologii. Pro tato zaˇz´ızen´ı dosahuje doba návratnosti pˇres 10 let. Na základˇe ekonomického porovnán´ı se zat´ım nevyplat´ı investovat do ˇcist´ıc´ı technologie, jelikoˇz v´ ynosy z prodeje zemn´ıho plynu (biometanu) jsou niˇzˇs´ı neˇz v´ ynosy z prodeje elektrické energie. Jednou z dalˇs´ıch moˇznost´ı, jak vyuˇz´ıt biometan je doprava. Zde by byl urˇcit´ y potenci´ al, coˇz ukazuje ˇrada zahraniˇcn´ıch studi´ı. Biometan je v zahraniˇc´ı vyuˇz´ıván pro pohon pˇredevˇs´ım ˇ e republice se s t´ımto vyuˇzit´ım objevuje ˇrada nov´ vozidel mˇestské hromadné dopravy. V Cesk´ ych pˇrekáˇzek brán´ıc´ıch vstupu biometanu na trh s pohonn´ ymi hmotami. Mezi nˇe patˇr´ı nedostateˇcn´ a s´ıt’ ˇcerpac´ıch stanice na zemn´ı plyn a vyˇsˇs´ı náklady na poˇr´ızen´ı vozidel s pohonem na CNG.

67

´ ve ˇr Kapitola 6. Za

Dále se lze pod´ıvat na v´ ystavbu a provoz bioplynov´ ych stanic z pohledu environmentáln´ı pˇrijatelnosti. Bioplynové stanice jsou obecnˇe povaˇzovány za modern´ı technologie, která maj´ı ˇradu pozitivn´ıch vlastnost´ı. Do v´ yˇctu klad˚ u patˇr´ı: • Energetická sobˇestaˇcnost zemˇedˇelského podniku • Trˇzby z prodeje elektrické energie • Z´ıskán´ı kvalitn´ıho organického hnojiva • Sn´ıˇzen´ı zápachu z velkochov˚ u zvˇeˇre • Stabilizace zemˇedˇelského podniku • Diverzifikace ˇcinnost´ı v zemˇedˇelském podnikán´ı V pˇr´ıpadˇe, ˇze se vyjasn´ı legislativn´ı prostˇred´ı, majetkové pomˇery a bude zde v˚ ule ze strany státu a distribuˇcn´ıch spoleˇcnost´ı se zemn´ım plynem, mohly se v budoucnu zaˇc´ıt stavˇet bioplynové stanice za u ´ˇcelem produkce biometanu (zemn´ıho plynu). Mezi spoleˇcenské pˇr´ınosy takto vyˇciˇstˇeného plynu patˇr´ı napˇr´ıklad: • Moˇznost distribuce biometanu na vˇetˇs´ı vzdálenosti • Plyn k pohonu motorov´ ych vozidel • Sn´ıˇzen´ı energetické závislosti na dodávkách z ciziny • Regulovateln´ y zdroj energie, lze ho ho vyuˇz´ıt jako ˇspiˇckov´ y zdroj • Stabilizace zemˇedˇelského podniku • Pos´ılen´ı regionáln´ıho zemˇedˇelstv´ı otevˇren´ım nov´ ych zdroj˚ u pˇr´ıjm˚ u jako dodavatele energie. ˇ e republice je fakt, ˇze ˇrada firem zab´ V´ yhodou Cesk´ yvaj´ıc´ıch se realizac´ı bioplynov´ ych stanic pracuje s léty provˇeˇren´ ymi zahranˇciˇcn´ımi technologiemi. Tomu by mohlo b´ yt i v pˇr´ıpadˇe ˇciˇstˇen´ı bioplynu, kdy by byla moˇznost pˇrevz´ıt zkuˇsenosti ze zahraniˇc´ı. Mezi nejpokroˇcilejˇs´ı státy v oblasti bioplynov´ ych technologi´ı patˇr´ı právˇe Nˇemecko, které s technologi´ı na ˇciˇstˇen´ı bioplynu má jiˇz nˇekolik let dobré zkuˇsenosti.

68

Literatura [1] SEVEn, o.p.s., Projekt MADAGASCAR – Vyuˇzit´ı bioplynu v dopravˇe, www.svn.cz. [2] E. Brandejsová, Z. Pˇribyla, Bioplynové stanice (Z´ asady zˇrizov´ an´ı a provozu plynového hospod´ aˇrstv´ı, GAS s.r.o., Praha 2010. [3] Kolektiv autor˚ u, Bioplyn – Informaˇcn´ı servis GAS s.r.o., Gasinfo Praha 2008, ISBN 97880-86832-49-4. ˇ ıdek, Energie z biomasy III, VSB ˇ – V´ [4] M. Z´ yzkumné energetické centrum Brno 2004. [5] Kolektiv autor˚ u, Výstavba a provoz bioplynových stanic, Sborn´ık referát˚ u z konference v Tˇreboni 2008, ISBN 978-80-254-2827-6. ´ [6] J. Kára, Z. Pastorek, E. Pˇribyl a kol. Výroba a vyuˇzit´ı bioplynu v zemˇedˇelstv´ı, VUZT, v.v.i. Praha 2007, ISBN 978-80-86884-28-8 [7] TIRSO a.s., Bioplynové stanice, http://www.tirso.cz/02 bioplynovestanice.htm ˇ ıdek, Alternativn´ı vyuˇzit´ı bioplynu, Energie z biomasy – semináˇr 2003, VSB ˇ – V´ [8] M. Z´ yzkumné energetické centrum Brno, 2003. ˇ [9] J. Svec, J. Kára, J. Ván ˇa, J. Pastorek, E. Machálek, Vyuˇzit´ı obnovitelných zdroj˚ u energie v zemˇedˇelstv´ı – zemˇedˇelské bioplynové stanice, Vodn´ı zdroje Ekomonitor spol.s.r.o., Chrudim 2010, ISBN 978-80-86832-49-4. [10] J. Ván ˇa, Bioplynové stanice na vyuˇzit´ı bioodpad˚ u, Biom.cz, 2010, http://biom.cz/cz/ odborne-clanky/bioplynove-stanice-na-vyuziti-bioodpadu, ISSN: 1801-2655. ˇ e republice a ve [11] P. Novotn´ y, Ekonomick´ a analýza alternativn´ıch vyuˇzit´ı bioplynu v Cesk´ Finsku, diplomová práce, Masarykova univerzita, Brno 2009. [12] TDG 983 01 Vtl´ aˇcen´ı bioplynu do plyn´ arenských s´ıt´ı, Technická doporuˇcen´ı, Praha 2010. [13] LNG, LPG, CNG, www.wikipedia.org. [14] Z. Kratochv´ılová, J. Habart, a kol., Pr˚ uvodce výrobou a vyuˇzit´ım bioplynu, CZ Biom, 2009, ISBN 978-80-903777-5-2. ˇ 2008, [15] Kolektiv autor˚ u, Trvale udrˇziteln´ a lok´ aln´ı energetick´ a sobˇestaˇcnost (TULES), MZP http://www.britishcouncil.org/czechrepublic-projects-challenge-europe-tules. pdf. [16] O. Muˇz´ık, A. Slejˇska, Moˇznosti vyuˇzit´ı anaerobn´ı fermentace pro zpracov´ an´ı zbytkové biomasy, Biom.cz, ISSN: 1801-2655, http://biom.cz/cz/odborne-clanky/ moznosti-vyuziti-anaerobni-fermentace-pro-zpracovani-zbytkove-biomasy. [17] Obnovitelné zdroje energie v roce 2009 – V´ ysledky statistického zjiˇst’ován´ı, Ministerstvo pr˚ umyslu a obchodu, 2010. 69

Literatura

´ [18] P. Michal, Bioplyn – Energie ze zemˇedˇelstv´ı, Informaˇcn´ı pˇrehledy UZPI, Praha 2005, http://www.agronavigator.cz/attachments/Studie bioplyn.pdf. [19] Bioplyn CS, Popis anaerobn´ı technologie, http://bioplyncs.cz/popis anaerobni technologie. [20] Agrifair, Technologie Hochreiter – fermentory, http://www.agrifair.cz/component.php? cocode=section&seid=407. [21] Johann Hochreiter s.r.o., Koncepce bioplynové stanice kruh v kruhu“. ” [22] JmA Bioplynové stanice, Schéma mokré a suché fermentace, http://www.bioplynove-stanice.com/cze/index.php?action=page detail&id=2. [23] Agrifair.cz, Bioplynové section&seid=406.

stanice,

http://www.agrifair.cz/component.php?cocode=

´ [24] ATELIER 111 architekti s.r.o., Uprava bioplynu na kvalitu splˇ nuj´ıc´ı poˇzadavky na vtl´ aˇcen´ı do rozvodné s´ıtˇe zemn´ıho plynu, Praha 2009. ˇ [25] J. Cerm´ aková, Nové trendy ve vyuˇzit´ı bioplynu, Sborn´ık pˇr´ıspˇevk˚ u ze semináˇre ,,Energie z biomasy X”, VUT v Brnˇe, 2009, ISBN 978-80-214-4027-2. [26] ENSERV Energieservice, Gas-Wärme GmbH, Vyuˇzit´ı bioplynu, http://www.vamed.eu/ index.php?id=86&L=4. [27] D. Domansk´ y, Bioplyn jako palivo pro kogeneraˇcn´ı jednotky, bakaláˇrská práce, VUT Brno, ´ Fakulta strojn´ıho inˇzen´ yrstv´ı, Ustav procesn´ıho a ekologického inˇzen´ yrstv´ı, 2009. [28] Tedom a.s., http://kogenerace.tedom.cz/trigenerace-dalsi-informace.html. ˇ a plyn´ [29] M. Schauhuberová, Cesk´ arensk´ a unie, ˇcasopis Energetik (plyn 11/2006), http:// www.energetik.cz/hlavni3.html?m1=/clanky/pl 2006 11.html. [30] T. Voˇr´ıˇsek, Resuscitace biopaliv – biometanem, Biom.cz, http://biom.cz/cz/ odborne-clanky/resuscitace-biopaliv-biometanem, ISSN 1801-2655. [31] RWE Plynoprojekt, s.r.o., CNG, LNG, http://www.cng.cz/cs/zemni plyn/plnici stanice/. [32] Technick´ a doporuˇcen´ı TDG 983 01, Vtláˇcen´ı bioplynu do plynárensk´ ych s´ıt´ı, Poˇzadavky na ˇ kvalitu a mˇeˇren´ı, Cesk´ y plynárensk´ y svaz, 2010. [33] Biogaspartner, Pliening, http://www.biogaspartner.de/index.php?id=11072. [34] Aufwind Schmack GmbH, Bioplynov´ a stanice v obci Pliening, Sborn´ık konference V´ ystavba a provoz bioplynov´ ych stanic, Tˇreboˇ n 2008. ˇ a bioplynová asosiace (CzBA), Aktu´ [35] Cesk´ aln´ı informace o BPS, http://www.czba.cz/. ˇ podpora [36] Kolektiv autor˚ u, Praktické zkuˇsenosti z pˇr´ıpravy projekt˚ u bioplynových stanic v CR, energetick´ ych projekt˚ u ze strukturáln´ıch fond˚ u EU, Informaˇcn´ı servis GAS – Bioplyn, GAS s.r.o. 2008. ´ [37] J. Kára, Uvod do problematiky obnovitelných zdroj˚ u - ,,Bioplynové stanice”, Sborn´ık Semináˇr – Obnovitelné zdroje energie, Reg.ˇc. 09/008/3310a/164/002169, Horˇsovsk´ y T´ yn, 2010. 70

Literatura

[38] J. Vaˇs´ıˇcek, Z´ asady ekonomického hodnocen´ı energetických projekt˚ u, http://www.tzb-info. cz/2565-zasady-ekonomickeho-hodnoceni-energetickych-projektu. [39] J. Kára, Bioplynové stanice, prezentace ze Semináˇre – Obnovitelné zdroje energie, Reg.ˇc. 09/008/3310a/164/002169, Horˇsovsk´ y T´ yn, 2010. [40] Johann Hochreiter s.r.o., Provozn´ı ˇr´ ad zemˇedˇelské bioplynové stanice, Horˇsovsk´ y T´ yn, 2010. [41] Enviton s.r.o., prinosy/.

Pˇr´ınosy

bioplynových

stanic,

http://www.bioplynovestanice.cz/

71

7

Pˇr´ılohy V této pˇr´ılohové ˇcásti jsou jako prvn´ı uvedeny poˇzárnˇe technické charakteristiky metanu dle vyhláˇsky Ministerstva vnitra ˇc. 21/1996 a dalˇs´ı technické u ´daje a vlastnosti metanu. Dalˇs´ı pˇr´ılohu tvoˇr´ı schéma stavebn´ı a technické ˇcásti bioplynové stanice uspoˇrádán´ı kruh ” v kruhu“ firmy Johann Hochreiter s.r.o. Znázorˇ nuje pˇresné uspoˇrádán´ı BPS a detailn´ı vykreslen´ı jednotliv´ ych ˇcást´ı. V tabulce pˇr´ılohy 3 je v´ yˇcet vyuˇziteln´ ych druh˚ u biomasy pro bioplynové stanice kategorie AF1 a AF2. Rozdˇelen´ı biomasy do tˇechto kategori´ı jsou stanoveny vyhláˇskou ˇc. 482/2005 Sb., o stanoven´ı druh˚ u, zp˚ usob˚ u vyuˇzit´ı a parametr˚ u biomasy pˇri podpoˇre v´ yroby elektˇriny z biomasy, ve znˇen´ı vyhláˇsky ˇc. 5/2007 Sb., jej´ıˇz u ´prava vstoupila v platnost v záˇr´ı 2008. 1. Vybrané fyzikáln´ı a chemické vlastnosti metanu 2. Schéma ˇcásti bioplynové stanice 3. Vyhl´ aˇska ˇc. 5/2007 Sb., Proces anaerobn´ı fermentace

73

Vlastnosti metanu 1. Teplota vznícení

537°C

2. Teplotní třída

T1

3. Mez výbušnosti

4,4 – 17 % objm. 29 – 113 mg.l-1

4. Skupina výbušnosti

II A

5. Mezní experim. bezpečná spára

1,14 mm

6. Relativní hustota (ve vztahu ke vzduchu) Výhřevnost objemová (ref. teplota spal. 15°C ref. podm. měření objemu 15°C, 101, 325 kPa)

0,55 34,016 MJ.m-3

Vybrané fyzikální vlastnosti metanu: 1. průměr molekuly

4.10-10 m

2. Molární hmotnost

16,043 g.mol-1

3. Relativní molekulová hmotnost

16.04

4. Reálný molární objem

22,3518 m3 .kmol-1

5. Hustota plynu (-161,52°C; 101,325 kPa)

1,819 kg.m-3

6.Hustota plynu (15°C; 101,325 kPa)

0,7049 kg.m-3

7. Kritický tlak

45,96 bar

8. Kritický teplota

190,53 K

9. Kritický měrný objem

0,0061 m3 .kg-1

10. Trojný bod – teplota - tlak - skupenské teplo tání

90,68 K 0,117 bar 58,720 kJ.kg-1

11. Bod varu

- 161,52 °C

12. Skupenské teplo varu (-161,52°C; 101,325 kPa) 3

510,20 kJ.kg-1

13. Množství plynu z 1 m kapaliny (15°C, 1bar)

630 m3

14. Výhřevnost (ref. teplota spal. 15°C; 101,325 kPa) - objemová - molární

34,016 MJ.m-3 802,69 kJ.mol-1

15. Spalné teplo (ref. teplota spal. 15°C; 101,325kPa) - objemové - molární

37,782 MJ.m-3 891,56 kJ.mol-1

16. Měrná tepelná kapacita cp ideálního plynu

2,195 kJ.kg-1 .K-1

17. Měrná tepelná kapacita cv ideálního plynu

1,686 kJ.kg-1 .K-1

18. Poměr cp : cv ideálního plynu (15°C, 101,325 kPa)

1.301

19. Mez výbušnosti s kyslíkem

555 °C

20. Minimální zápalná energie (vzduch +8,5% CH4 )

0,28 mJ

75

ˇ´ılohy Kapitola 7. Pr

76

21. Koncentrace s nejvyšším nebezpečím vznícení

8,2% objem.

22. Teor. množství spal. vzduchu (vzd.: real. plyn)

9,563 m3 .m-3 17,233 kg.kg-1

23. Stechiometrické spalování směsi se vzduchem (20°C, 101,325 kPa) - teplota plamene - max. spal. rychlost

1957 °C 0,4 m.s-1

24. Wobbeho číslo ideálního plynu (0°C, 101,325 kPa)

53,3781 MJ. m-3

25. Wobbeho číslo reálného plynu (0°C, 101,325 kPa)

53,4568 MJ. m-3

77

Příloha č.1 Vyhlášky č. 5/2007 Sb, Proces anaerobní fermentace Skupina

Popis druhu biomasy

Kategorie anaerobní fermentace

1

cíleně pěstované energetické plodiny (jednoleté, dvouleté a víceleté byliny a zemědělské plodiny), tj. plodiny, jejichž hlavní produkt (z nich vyrobený) je primárně určen k energetickým účelům a jejich části

AF 1

2

a) znehodnocené zrno potravinářských obilovin a semeno olejnin, včetně vedlejších a zbytkových produktů z jejich zpracování, b) ostatní rostlinná pletiva, rostliny a části rostlin, jejich vedlejší a zbytkové produkty ze zemědělských a potravinářských výrob, c) rostliny uvedené v příloze č. 2 této vyhlášky, avšak pouze v případě, pokud se jedná výlučně o využití biomasy vzniklé odstraněním těchto rostlin na jejich stávajících stanovištích, d) travní hmota z údržby trvalých travních porostů a z biomasy z údržby veřejné i soukromé zeleně, včetně údržby tratí, vodotečí, ochranných pásem, apod., e) výpalky z lihovarů vyrábějících kvasný líh pro potravinářské účely a z pěstitelských pálenic, f) zemědělské meziprodukty z živočišné výroby vznikající při chovu hospodářských zvířat, včetně tuhých a kapalných exkrementů s původem z živočišné výroby – kejda a hnůj, g) nepoužité oleje z olejnatých rostlin a pokrutiny vzniklé při lisování rostlinného oleje, h) ostatní zbytková biomasa v podobě kalů z praní, čištění, extrakce, loupání, odstřeďování a separace, včetně zbytkové biomasy ze zpracování ovoce, zeleniny, obilovin, jedlých olejů, kakaa, kávy a tabáku, z mlékárenského, konzervárenského, cukrovarnického, pivovarského a tabákového průmyslu, z výroby droždí a kvasničného extraktu, z přípravy a kvašení melasy, z pekáren a výroby cukrovinek, výroby alkoholických a nealkoholických nápojů a další obdobná biomasa, i) nestabilizované kaly z čistíren odpadních vod nebo při biologickém procesu čištění výlučně z čistíren vybavených pouze aerobním stupněm čištění, s vyloučením ostatních kalů a usazenin z vodních těles, j) rostlinné oleje a živočišné tuky s výjimkou živočišných tuků podle přímo použitelného předpisu Evropských společenstvích1) k) zbytkový jedlý olej a tuk, směs tuků a olejů z odlučovače tuků obsahující pouze jedlé oleje a jedlé tuky, l) alkoholy vyráběné z biomasy, m) zbytkové produkty z destilace lihu (bioethanolu pro účely přimíchávání do PHM), n) v případě těchto materiálů kategorie 2 podle přímo použitelného předpisu Evropských společenství 1) , tj. pouze předem tepelně zpracovány (hygienizovány), o) masokostní moučkapouze kategorie 2 a 3 podle přímo použitelného předpisu Evropských společenství 1) , p) kafilerní tuk pouze kategorie 2 a 3 podle přímo použitelného předpisu Evropských společenství 1) , q) biologicky rozložitelné zbytky z kuchyní a stravoven, r) biologicky rozložitelná část vytříděného průmyslového a komunálního odpadu pocházející z odděleného sběru nebo z procesu mechanickobiologické úpravy, s vyloučením biomasy zpracované v procesu čištění odpadních vod

AF2

79

ˇ´ılohy Kapitola 7. Pr

1

) Nařízení Evropského parlamentu a Rady č. 1774/2002, o hygienických pravidlech pro vedlejší produkty živočišného původu, které nejsou určeny pro lidskou spotřebu, ve znění pozdějších předpisů. Poznámky k tabulce č.1 Vyhlášky č. 5/2007 Sb, Proces anaerobní fermentace − Sloupce pro proces anaerobní fermentace obsahuje kategorie biomasy pro využití prostřednictvím vývinu bioplynu pro následné energetické využití . − Jednotlivé druhy biomasy jsou systematicky zařazeny do skupiny 2 následujícím způsobem: − skupina 1 zahrnuje energetické plodiny − skupina 2 − písmena a) až g) zahrnuje biomasu s původem v zemědělství nebo v bezprostředně navazujícím zpracovatelském průmyslu − písmena h) až r) zahrnuje veškerou ostatní biomasu vhodnou pro zpracování pomocí anaerobní fermentace s tvorbou bioplynu, [37].

80

v energetice a dopravě

Recommend Documents