Zavádění obnovitelných energetických zdrojů, mezi něž anaerobní fermentace vlhkých organických materiálů s jímáním bioplynu patří, může významně přispět k výrobě elektrické energie a zároveň k omezení plynných emisí z organických odpadů všeho druhu. Hlavním významem této technologie je zpracování odpadů a vedlejších produktů na bioplyn a fermentovaný substrát využitelný k hnojivářským účelům.
Produkci a využití bioplynu je nutné sladit tak, aby byla vytvořena nezbytně nutná zásoba bioplynu k následnému využití. Z diagramu předpokládané výroby a spotřeby bioplynu zjistíme, zda bude nutné pořizovat vyrovnávací zásobník bioplynu nebo nikoliv.
Bioplynová stanice bez vyrovnávacího zásobníku
Pokud jsou spotřebiče zapínány nepravidelně podle množství vyrobeného bioplynu, hrozí nebezpečí nutnosti spalování přebytků bioplynu bezpečnostním hořákem. Energie vyrobeného bioplynu může být přeměněna na teplo a akumulována například do vodního zásobníku (získáme pouze nízkopotenciální zdroj energie). Tento systém lze provozovat prakticky jen k popsanému účelu výroby tepla.
Bioplynová stanice s vyrovnávacím zásobníkem
Při provozu kogeneračních jednotek s plynovými motory je nutná zásoba bioplynu pro jejich rovnoměrný a bezporuchový provoz. Velikost vyrovnávacího zásobníku bioplynových stanic je podle zkušeností z experimentálních provozů i praxe doporučována minimálně na úrovni dvou až dvanácti hodin nominální produkce bioplynu. Z ekonomických důvodů se dnes používá zásoba asi na dvě až čtyři hodiny provozu kogeneračních jednotek. Pokud by přebytky (ztráty) bioplynu, které nelze uskladnit ani spotřebovat, přesáhly 30 % nominální výroby, pak nelze počítat s přijatelnou ekonomickou efektivností provozu bioplynové stanice.
Každá bioplynová stanice vybavená kogenerační jednotkou musí být vybavena chladičem chladicí kapaliny spalovacího motoru, který uchladí 100 % výkonu motoru (pokud není odběr tepla), a havarijním hořákem bioplynu pro případ poruchy motoru kogenerační jednotky.
Plynojemy používané u bioplynových stanic
Plynojemy používané u bioplynových stanic můžeme rozdělit:
a) podle konstrukčního materiálu na:
kovové,
plastové,
gumotextilní,
kombinované,
b) podle provozního tlaku na:
nízkotlaké (< 50 kPa),
středotlaké (1 až 2 MPa),
vysokotlaké (15 až 35 MPa).
U současných bioplynových stanic v zemědělství se používají převážně nasedlané gumotextilní dvouplášťové plynojemy nebo gumotextilní vaky umístěné v betonovém nebo kovovém válci, ale i v dřevěných kolnách, nízkotlaké až středotlaké (ale i podtlakové s vysáváním bioplynu dmychadlem). V ČR byl pouze v jediném případě použit kovový kulový vysokotlaký zásobník bioplynu, jehož montáž je velmi náročnou akcí a provádí se přímo v místě stavby.
Závažným rozhodnutím projektanta je, zda a jak řešit případnou úpravu surového bioplynu.
Pokud surový bioplyn neobsahuje nadměrný obsah síry nebo mechanických příměsí či vodní páry, lze ho spalovat přímo v plynovém kotli s hořákem seřízeným na toto médium. Pro jiné způsoby využití je nezbytné provést sušení bioplynu (snížení obsahu vodní páry), odsíření (síra se v surovém bioplynu může vyskytovat ve formě sulfanu), pro speciální účely, tj. úpravu bioplynu na kvalitu zemního plynu připadá v úvahu energetické zhodnocení (odstraněním oxidu uhličitého a jiných balastních plynů), stlačení, zkapalnění atd. Sušení bioplynu se zpravidla provádí ochlazením pod rosný bod vodní páry a zpětným ohřevem. Mechanické nečistoty spolehlivě odplaví kondenzát nebo se zachytí ve vodní pojistce. Odsíření bývá nejčastěji prováděno pomocí zařízení umožňujícího dávkování malého množství vzduchu (tím i kyslíku do prostoru fermentoru a plynojemu v rozsahu 2 až 3 % z objemu produkovaného bioplynu), po zreagování se substrátem a bioplynem může být v bioplynu z bezpečnostních důvodů maximálně něco přes 1 % kyslíku. Technicky je to nejjednodušší způsob. Sulfanu se lze zbavit i profukováním bioplynu granulovanými materiály na bázi oxidů železa, nebo v jednodušším případě přes vrstvu kovových železných třísek vznikajících při obrábění materiálů. Náplň pelet nebo třísek se musí po vyčerpání sorbčních schopností periodicky obměňovat.
Využití bioplynu k energetickým účelům
Bioplyn je možno využívat všude, kde se používají i jiná plynná paliva. Předpokladem použití bioplynu je přizpůsobení spotřebiče upravenému bioplynu.
Mezi způsoby energetického využití bioplynu patří:
1. přímé spalování (vaření, svícení, chlazení, topení, sušení, ohřev užitkové vody atd.),
2. výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média (kogenerace),
3. výroba elektrické energie, ohřev teplonosného média, výroba chladu (trigenerace),
4. pohon spalovacích motorů nebo turbín pro získání mechanické energie,
5. využití bioplynu v palivových článcích.
V našich podmínkách se nejčastěji setkáme se dvěma způsoby využití bioplynu, spalováním v kotlích a využitím v kogeneračních jednotkách.
Spalování v kotlích
Prakticky všichni výrobci hořáků nabízejí modifikace určené na spalování bioplynu. Běžné typy kotlů žádné další speciální úpravy nepotřebují.
Pokud bioplyn obsahuje vysoký obsah sirnatých sloučenin, především sulfan (H2S), je třeba je odstranit nebo provádět častější kontrolu a čištění teplosměnných ploch kotle a komínů.
Stechiometrická rovnice úplného spálení 1 Nm3 metanu (CH4):
CH4 + 2O2 ® CO2 + 2H2O + teplo
To znamená, že hořením směsi metanu se vzduchem se vytváří nová směs plynů:
1 Nm3 (CH4) + 9,52 Nm3 (vzduchu) ® 1 Nm3 (CO2) + 2 Nm3 (H2O) + 7,52 Nm3(N2)
Ve skutečnosti hoření plynů probíhá ve směsích s mírným přebytkem kyslíku (O2), respektive vzduchu, a to přibližně asi o 10 %.
Z uvedených informací vyplývá, že největším problémem při spalování bioplynu je jeho kvalita a stálost energetických parametrů, které mohou ovlivnit funkci spotřebiče.
Jako příklad uveďme experimenty provedené s radiačními kotli. Surový bioplyn se ukázal jako nevhodný zdroj energie s ohledem na nežádoucí chemické reakce mezi některými složkami bioplynu a speciální keramickou výplní radiačních kotlů. Tento problém by se dal odstranit čištěním bioplynu, což však technologii znevýhodňuje ekonomicky i náročnějším provozem z hlediska obsluhy.
Pouhé spalování bioplynu na výrobu tepla je méně efektivní v případě, kdy jej lze využít výhodněji pro pohon kogenerační jednotky a získávat kromě tepla i elektrickou energii.
Kogenerace
Kogenerací nazýváme současnou výrobu elektrické energie a ohřev teplosměnného média. Tato metoda využití bioplynu dosahuje vysoké účinnosti konverze energie z bioplynu (80 až 90 %) na elektrickou a tepelnou energii. Pro hrubou orientaci můžeme počítat, že asi 30 % energie bioplynu se přemění na elektrickou energii, 60 % na tepelnou energii a zbytek jsou tepelné ztráty.
Na výrobu 1 kWhe je třeba přivést do kogenerační jednotky 0,4 až 0,7 m3 bioplynu s průměrným obsahem metanu (CH4) 50 až 65 procent při průměrné elektrické účinnosti kogeneračních jednotek 32 až 41 procent. V praktickém provozu můžeme velmi hrubým odhadem počítat, že na výrobu 1 kWhe a 1,27 kWht potřebujeme asi 5 až 7 kilogramů odpadní biomasy, 5 až 15 kg komunálních odpadů, 8 až 12 kg chlévské mrvy nebo 4 až 7 m3 tekutých komunálních odpadů.
Pro malé bioplynové stanice je v Rakousku a Německu často upravován na plynovou verzi čtyřválcový motor osobního automobilu Opel Kadet. Z profesionálních nabídek uvádíme jako příklad výrobní sortiment německé Deutz Energy, Mann, Dreyer & Bosse Kraftwerke GmbH atd.
Na trhu v ČR se vyskytuje více dodavatelů kogeneračních jednotek včetně zahraničních. V realizovaných bioplynových stanicích na území ČR jsou nejvíce zastoupeny české firmy Tedom, Motorgas, rakouská firma GE Jenbacher a německý Deutz Energy. Příklady technických parametrů kogeneračních jednotek jsou uvedeny v tabulkách, které jsou pouze informativní a nenahrazují technickou dokumentaci výrobců. Aktuální údaje se mohou od uvedených lišit. Výrobci svá zařízení často inovují a zlepšují neustále jejich parametry.
U všech kogeneračních jednotek je možná regulace jejich výkonu několika způsoby:
n Výkon KJ je plynule měnitelný prostřednictvím řídicího systému jednotky. Umožňuje dodávku do sítě, odběr ze sítě pro vlastní spotřebu, odběr vlastní produkce pro vlastní spotřebu atd.
n Výkon KJ kopíruje vlastní spotřebu objektu tak, aby provozovatel z rozvodné sítě proud neodebíral ani ho do sítě nedodával. Tato regulace se používá v případech, kdy provozovatel nemá zájem dodávat elektřinu do sítě např. z důvodu nízké výkupní ceny.
n V nejjednodušším provedení rozeznává kogenerační jednotka pouze výkonové stavy: prohřívací výkon – plný výkon. Používá se u asynchronních agregátů nejnižšího výkonu.
Pohon mobilních energetických prostředků
Řešením úpravy bioplynu, zvýšením jeho energetického potenciálu, vyčištěním a oddělením CO2 od metanu se zabývá několik evropských firem. Úprava a čištění se provádí propíráním bioplynu ve vodě nebo v různých kapalinách. Tento princip je založen na různých adsobčních a absobčních schopnostech a vlastnostech těchto kapalin, nebo aktivního uhlí, oddělovat od sebe CO2 a metan. Další možností je oddělení složek bioplynu na molekulárních sítech. Efektivnost jímavých kapalin i aktivního uhlí je násobena zvyšováním a snižováním teplot a tlaku během procesu absorpce i adsorpce. Tato technologie pracuje s vysokou účinností a efektivností. V návaznosti na tuto čisticí stanici je zapotřebí instalovat plnicí stanici CNG. Tento systém je investičně velmi náročný a provozně se hodí od kapacit nad 150 m3/h surového bioplynu (kolem 1300 až 1500 tis. m3/rok). Investice se pohybují přes 20 mil. Kč plus investice do stanice CNG. Zařízení se již používají u několika větších bioplynových stanic ve Švédsku a Nizozemsku, pro menší bioplynové stanice jsou ekonomicky neúnosné. Pokusně byla uvedena do provozu čisticí jednotka u menší bioplynové stanice v Puckingu v Rakousku.
Ve Švédsku, Německu a Rakousku legislativa umožňuje bioplyn po vyčištění a úpravě dodávat ho do potrubí zemního plynu, ani v ČR tomu legislativně nic nebrání. V Puckingu se nabízí jako hit obnovitelný biometan ve směsi se zemním plynem pro pohon motorových vozidel v plnicí stanici technologií CNG.
Klíčové informace
- Biologicky rozložitelný odpad je možné kompostovat, zpracovat na bioplyn nebo spálit v příslušném typu spalovacího zařízení.
- Kompostování je 15 až 20x levnější než spalování. Je to dáno vysokými investičními náklady na výstavbu spaloven.
- Dražší než kompostování, ale levnější než zpracování ve spalovně je výroba bioplynu. Specifikem komunálních bioplynových stanic je nutnost úpravy vstupního substrátu podle pokynů nařízení (EC) č. 1774. Jedná se o mechanickou úpravu rozměrů částic a tepelnou hygienizaci zpracovávaného materiálu.
Ing. Jaroslav Kára, CSc.
Ing. Zdeněk Pastorek, CSc.Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i., Praha-Ruzyně
