Suroviny k výrobě bioplynu a hnojiv

Omezení množství biologicky rozložitelných odpadů (dále jen BRO) ukládaných na skládky je jedním z požadavků směrnice rady 99/31/EC, o skládkování odpadů. Tato směrnice ukládá (mimo jiné) členským státům rady, aby nejpozději v roce 2006 bylo množství BRO ukládaných na skládky sníženo na 75 % celkového vzniklého množství BRO v roce 1995 a dále v roce 2009 na 50 % a v roce 2016 na 35 %. Pokud bylo v roce 1995 skládkováno více než 80 % komunálních odpadů, jako třeba v ČR, je možné odložit splnění těchto požadavků nejvýše o čtyři roky.

Cílové roky naplnění požadavku směrnice budou v České republice 2010, 2013 a 2020. Tuhý komunální odpad (TKO) je specifický druhem odpadu, jeho odstraňování je vážným ekologickým a ekonomickým problémem. Podle obecného pravidla nakládání s hmotami, jež vytvářejí TKO, je nejvýhodnější snižovat množství odpadu (tzv. prevence). To znamená vytřídění složek odpadu s následnou recyklací, která má přednost před likvidací (většinou spalováním nebo ukládáním na skládkách). Za předpokladu, že je v uvedeném TKO přibližně 35 % odpadu organického původu (záleží na lokalitě, ročním období apod.), je TKO zdrojem biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) vhodného pro energetické využití.
Využívání odpadů dostává přednost
Nová právní úprava odpadového hospodářství (zákon č. 185/2001 Sb.) důsledně zavádí předpisy EU. Zákon upřednostňuje využívání odpadů před jejich odstraňováním a zvýhodňuje materiálové využití odpadů před využitím energetickým. V připravované vyhlášce (podrobnosti nakládání s odpady) je uveden zákaz skládkování kompostovatelných odpadů a uvedeno omezení skládkování BRO v jednotlivých cílových letech.
Nová legislativa účinně navozuje využívání BRO progresivně stanoveným základním poplatkem za ukládání komunálních odpadů (v r. 2002 – 200 Kč/t, v r. 2009 – 500 Kč/t) a vytvořením povinné finanční rezervy pro rekultivaci a sanaci skládek (ve výši 100 Kč/t). Plány odpadového hospodářství, zejména plán odpadového hospodářství České republiky stanoví maximální množství organické složky ve hmotě ukládané do skládek. BRO (BRKO) je možné kompostovat, zpracovat na bioplyn nebo spálit v příslušném typu spalovacího zařízení. Oddělenou biomasu z péče o zeleň (větve, odřezky, špalky a pařezy) lze spálit v kotlích na biomasu, směsný komunální odpad se složkou BRKO je možné spálit pouze ve spalovně komunálních odpadů.
Kompostování BRKO je 15 až 20x levnější než spalování. Je to způsobeno vysokými investičními náklady na výstavbu spaloven. Spalovny komunálních odpadů musí řešit problémy s plněním limitů předepsaných emisí a s odstraňováním zbytků po spalování. Technicky je to řešitelné s vynikajícími výsledky, bohužel to má nepříznivý dopad na výši investice. Zájem o využití tzv. druhotné energie při termickém využívání odpadů je zakotven v Národním programu nakládání s energií a využívání obnovitelných a druhotných zdrojů, který je naplněním zákona č. 406/2000 Sb. Provozní náklady spaloven komunálních odpadů se pohybují v intervalu 1000 až 2000 Kč/t. Cena za zpracování BRO se na kompostárnách v současnosti pohybuje v intervalu 150 až 200 Kč/t u BRO nevyžadujícího úpravu drcením a 250 až 350 Kč/t u BRO, který je nutno štěpkovat nebo drtit (větve, dřevo). Ekonomické problémy při kompostování BRKO jsou způsobeny nezájmem zemědělců o tento produkt. Dražší než kompostování, ale levnější než zpracování BRKO ve spalovně je výroba bioplynu. Specifikem komunálních bioplynových stanic je nutnost úpravy vstupního substrátu podle pokynů nařízení (EC) č. 1774 ze dne 3. října 2002 o hygienických pravidlech pro vedlejší produkty živočišného původu, které nejsou určeny pro lidskou spotřebu. Jde o mechanickou úpravu rozměrů částic a tepelnou hygienizaci zpracovávaného materiálu.
Kompostování
Kompostování je vhodná forma přeměny a zhodnocení organického podílu BRKO, ale i ostatních BRO ze zemědělské výroby. Proces kompostování urychlí zetlení odklízené travní hmoty, papíru, slupek z ovoce a brambor, případně zbytků potravin, respektive vytvoří materiál, který může sehrát důležitou roli při péči o půdu a vylepšování půdních, zejména fyzikálních vlastností tak, aby půda byla schopna plnit své potřebné ekologické funkce. Vyzrálý kompost přispívá k tvorbě půdního humusu, který je základem půdní úrodnosti, přičemž živiny vázané na humusové částice se nevyplavují vodou tak, jako je tomu u průmyslově vyrobených hnojiv a jsou rostlinám k dispozici podle jejich potřeby. Při kompostování probíhá přeměna organických látek stejným způsobem jako v půdě, ale lze ji technologicky ovládat. Proto je možné kompostování definovat jako řízený proces, který zabezpečuje optimální podmínky potřebné pro rozvoj žádoucích mikroorganismů, a získat humusové látky rychleji a produktivněji oproti polním podmínkám. Nejvhodnější v provozních podmínkách je jednorázově založený kompost, jehož proces zrání probíhá buď tzv. horkou cestou (rychlokompost, zrající několik týdnů), nebo pomalým zráním (3 – 4 roky). Zejména při rychlokompostování je nutné se zaměřit na správné sestavení surovinové skladby (C : N), na úpravu vlhkosti a zrnitosti, sledování a regulování teploty a pH a na patřičnou aeraci kompostovaného materiálu. Pro zabezpečení všech těchto požadavků je využívána řada technologií a nejrůznějších technických prostředků.
Rychlokompost
Tato technologie musí zabezpečovat vhodné podmínky pro činnost aerobních mikroorganismů s velkými nároky na kyslík a produkujících oxid uhličitý. Proto musí být kompost nepřevlhčený, porézní a kyprý, aby byla umožněna výměna plynů mezi kompostovanou zakládkou a okolím.
Velmi důležitá je též homogenita a důsledné promíchání zpracovávané biomasy s jednotlivými přidávanými komponenty. Dosáhneme tím zvětšení styčného povrchu, který ovlivňuje rychlost náběhu procesu. Po založení kompostu dochází v krátkém čase ke vzestupu teplot uvnitř zakládky, což signalizuje vhodné podmínky pro rozvoj mikroorganismů, čímž začíná proces kompostování. Kompostování je kontinuální proces, a proto nelze přesně vymezit různé úseky tlení. Přesto se tlení rozděluje do tří fází (obr. 1):
ad 1) Fáze rozkladu
Tato fáze trvá asi tři až čtyři týdny, teplota stoupá podle výchozího materiálu na 50 až 70 °C. Je to činnost milionů bakterií a hub, které rozkládají lehce rozložitelné sloučeniny, jako jsou např. cukry, bílkoviny a škrob. Konečným produktem jsou malé „stavební kameny“ – např. dusičnany, oxid uhličitý, čpavek, aminokyseliny a polysacharidy. Živiny, které jsou vázány v organické hmotě, se tak uvolňují a zčásti přecházejí až do původní minerální formy. Tento proces se proto nazývá také jako „mineralizace“.
ad 2) Fáze přeměny
Trvá od čtvrtého až do osmého, respektive desátého týdne. Teplota začíná opět klesat, mineralizované živiny jsou jako základní kameny zabudovány do „humusového komplexu“. Kompost získává stejnoměrně hnědou barvu, drobtovitou strukturu a má lehkou vůni po lesní zemině. V tomto stadiu má nejlepší hnojařský účinek!
ad 3) Fáze syntézy (zralosti)
Pokud je kompost ponechán zrát ještě déle, získává stále zemitější strukturu. „Živý humus“ se přeměňuje na „trvalý humus“, hnojivý účinek je slabší (živiny jsou pevněji vázány), účinnost tvorby humusu se však zvyšuje.
Zakládka kompostu
Hlavní složkou zakládky kompostu bude obvykle zbytková biomasa (zejména travní), ale i další dříve jmenované substráty, zejména různé složky BRKO. Další komponenty jsou do zakládky přidávány z důvodu zajištění specifických podmínek pro život mikroorganismů nezbytných pro kompostovací proces. Při správném sestavování materiálové skladby zakládky je nutné přihlížet zejména k poměru C : N.
Poměr C : N
Tento důležitý parametr určuje pravděpodobnou rychlost rozkladu organických zbytků. Optimální hodnota tohoto poměru se pohybuje (20 – 30) : 1 u zralého kompostu (vysoká stabilita).
Při poměru menším než 15 : 1, bude rozklad rychlý, ale dusík se může ztrácet jako amoniak, protože množství dusíku převažuje metabolickou potřebu mikroorganismů. Hmoty s poměrem C : N nad 50 : 1 se rozkládají pomalu, prodlužuje se zrání kompostu. Pro čerstvě založený kompost složený z převážné části ze zbytkové biomasy je vhodný poměr C : N= (30 – 35) : 1. Vzhledem k tomu, že u travní biomasy se C : N pohybuje kolem hodnoty 20 : 1 je třeba materiálovou skladbu doplnit komponenty se širokým poměrem C : N (piliny, sláma). Pro ilustraci jsou v tabulce 1 uvedeny hodnoty poměru C : N materiálů, které při zpracování BRO přicházejí do úvahy.
Protože kompostování je aerobní samozáhřevný biologický rozklad degradovatelného materiálu způsobený aerobní mikroflórou, je nutné pro její rozvoj zabezpečit v kompostové zakládce optimální vlhkost materiálu a s ní související množství kyslíku.
Vlhkost a provzdušňování
S obsahem organické biomasy v kompostu zpravidla stoupá i pórovitost, a tím i požadavek na vyšší vlhkost. Proto je pro komposty založené z převážné míry travní hmotou vhodná počáteční vlhkost 50 – 60 %. V průběhu zrání se snižuje pórovitost a klesá požadavek na vlhkost. Avšak vzhledem k tomu, že se v průběhu kompostování část vody odpařuje, je v některých případech nutno upravovat vlhkost v průběhu zrání přidáváním dalších tekutin.
Pravidlem pro zakládání kompostu je raději volba nižší vlhkosti, která se snadněji koriguje závlahou kompostu. Převlhčený kompost se upravuje mnohem obtížněji. Také teplota zakládky ovlivňuje rozvoj i aktivitu mikroflóry, a tím i určuje rychlost rozkladu organických materiálů.
Teplota
Většina mikroorganismů v organickém materiálu je mezofilních (optimální teplota jejich rozvoje je 20 – 30 °C). Avšak až při vyšších teplotách začíná převažovat skupina termofilních aerobních mikroorganismů, které jsou pro správný průběh kompostování nezbytné. Optimální teplota se pohybuje v rozmezí 45 – 65 °C. Tato teplota zaručuje omezení klíčivosti semen plevelů a snížení počtu některých patogenních mikroorganismů apod. Průběh teploty v kompostovacím cyklu je znázorněn na obr. 1.
Hodnota pH
Optimální hodnota pH u čerstvého kompostu se pohybuje mezi 6 – 8, protože většina mikroorganismů vykazuje nejpříznivější rozvoj a aktivitu právě v tomto rozmezí. U kompostů založených z převážné části z travní biomasy je toto rozmezí udržitelné bez přídavku vápenatých látek.
Vhodnou skladbu zakládky kompostu, přeměňujícího zbytkovou biomasu, lze podle jednotlivých charakteristik materiálů této zakládky optimalizovat těmito kroky:
a. určení hmotnosti a vlhkosti zbytkové biomasy určené ke kompostování,
b. propočet složení kompostové zakládky (hmotnost, vlhkost, C : N),
c. výpočet předpokládaného množství kompostu.
Kompostování odpadní a zbytkové biomasy
Zpracování odpadní a zbytkové biomasy přímo u původce je jednou z možností, jak výrazně zlevnit proces její přeměny. Skládkování zbytkové biomasy se stává ekonomicky neúnosné hlavně pro velké přepravní náklady a náklady na využití skládky. Má-li proto producent zbytkové biomasy vhodný prostor, který hlavně z hlediska hygienického neohrožuje životní prostředí, je pro něj nejvhodnější založit kompostárnu a pořídit si vhodnou techniku pro její provozování. Navíc, používá-li kompost pro vlastní potřebu, ušetří ještě za dovážené hnojivo, aplikované na jím obhospodařovaných plochách. Před rozhodnutím, jakou techniku a v jaké výkonnosti si pořídit, musí každý farmář udělat bilanci zpracovávané zbytkové biomasy na své farmě a určit „nasávací“ oblast pro dovoz jednotlivých komponent do zakládky. Na základě předběžného chemického rozboru může, nebo nemusí využít i BRKO, který je v místě k dispozici. Po vyřešení těchto základních otázek může provozovatel kompostárny přistoupit k vlastnímu návrhu kompostovací linky. Je třeba vycházet z toho, že pro výrobu kompostu a jeho další využití je třeba zajistit vhodnými mechanizačními prostředky všechny technologické operace s tím související. Jedná se o tyto pracovní operace:
a) Zabezpeční vhodných fyzikálních vlastností kompostovaných materiálů:
l drcení,
l mělnění,
l štěpkování,
l sečení.
b) Zabezpečení důkladného promísení jednotlivých komponent zakládky:
l promísení,
l překopání.
c) Zabezpečení správného založení kompostu:
l vrstvení,
l nakládání,
l urovnávání,
l převážení.
d) zabezpečení potřebných parametrů aerace, teploty, vlhkosti:
l překopání
e) finalizace kompostu – ve většině případů je kompost vyrobený z travní biomasy expedován v hrubé podobě zpět do přírodního koloběhu, pokud ne, lze uvažovat o jeho dalším zpracování:
l drcení, popř. mísení,
l prosévání,
l pytlování,
l expedice jemného kompostu.
Bioplyn
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. Hlavní význam této technologie je zpracování odpadů a vedlejších produktů na bioplyn a fermentovaný substrát využitelný k hnojivářským účelům. Při zpracování materiálů, které jejich „původce“ charakterizoval jako odpad, je třeba dodržovat legislativní ustanovení zákona č. 185/2001 Sb., o odpadech ve znění pozdějších předpisů a všech prováděcích vyhlášek MŽP k tomuto zákonu vydaných a jejich inovací. Při uvádění zfermentovaného substrátu – digestátu na trh je třeba se řídit ustanoveními zákona č. 156/1998 Sb. Protože dosavadní přístup k realizaci bioplynových stanic v různých místech republiky je odlišný, bude nanejvýš účelné záměr takovéto stavby konzultovat s místně příslušným stavebním úřadem a dalšími místně příslušnými úřady a institucemi ještě dříve, než budou zahájeny projektové práce. Jaké jsou hlavní důvody pro využití anaerobní fermentace organických materiálů v zemědělství, komunálním hospodářství a na venkově, které jsou příčinou zájmu o tuto již dlouho známou technologii? Existují tři hlavní důvody pro využití anaerobní fermentace organických materiálů pocházejících ze zemědělství, lesnictví, komunálního hospodářství a venkovské krajiny.
1) Produkce kvalitních organických hnojiv
Tento důvod je významný především pro zemědělské podniky. Pokud zpracovávají vlastní organický materiál a vyprodukované hnojivo využívají ve vlastním podniku a neuvádějí je na trh, nemusí se řídit legislativními ustanoveními zákona č. 156/1998 Sb., o hnojivech ve znění pozdějších předpisů týkajících se povinnosti registrovat hnojiva uváděná na trh. To samozřejmě neplatí pro podnikatele, který soustřeďuje odpady, anaerobní fermentací je zpracovává a hnojivo uvádí na trh.
2) Získání doplňkového zdroje energie
Nejvýhodnější variantou se jeví využít bioplyn pro své vlastní potřeby buď přímo pro ohřev teplé užitkové vody, nebo lépe pomocí kogenerační jednotky vyrobit teplou užitkovou vodu a elektrickou energii, příp. chlad. Využití médií pro vlastní spotřebu je nejvýhodnější variantou ze všech možných, protože výkupní ceny zvláště elektrické energie dodávané do distribuční sítě jsou stále nízké, i když se situace zlepšila cenovým rozhodnutím Energetického regulačního úřadu, který stanovil minimální sazby výkupních cen elektřiny z obnovitelných zdrojů (pro bioplyn v roce 2007 platí 3,04 Kč/kWh).
3) Zlepšení pracovního a životního prostředí
Tento faktor bude mít stále větší motivační význam při rozhodování o výstavbě bioplynových stanic. Příčinou je stále se stupňující tlak „ekologické legislativy“, ať už se jedná o inovace zákona o odpadech nebo zákon o IPPC, neboli o integrované prevenci před znečištěním ovzduší a registraci znečišťovatelů. Návrh změn obou legislativních norem je v kompetenci MŽP. Energetické využití biomasy (včetně výroby bioplynu z ní) má příznivý vliv na omezení kumulace oxidu uhličitého v atmosféře. Při produkci biomasy je oxid uhličitý spotřebován při fotosyntéze a následně uvolněn při energetickém využití biomasy zpět do atmosféry. Tím se uzavírá časově krátký koloběh CO2.
Jak vzniká bioplyn
Biologický rozklad organických látek v anaerobních podmínkách je proces, který se nazývá metanová fermentace, metanové kvašení, anaerobní fermentace, anaerobní digesce, biogasifikace, biometanizace, biochemická konverze organické látky. Tento proces probíhá v přírodě za určitých podmínek samovolně, nebo je vyvolán záměrně pomocí biotechnických zařízení. Výsledkem metanové fermentace je vždy směs plynů a fermentovaný zbytek organické látky.
Pro tuto směs plynů, obsahujících vždy dva majoritní plyny (metan CH4 a oxid uhličitý CO2) a v praktických případech početnou, avšak objemově zanedbatelnou řadu minoritních plynů, se ustálily různé názvy podle jejich původu nebo místa vzniku. Tak rozeznáváme:
1) Zemní plyn – vznikl anaerobním rozkladem biomasy nahromaděné v dávných dobách; je energeticky nejhodnotnější, obsahuje 98 % metanu. Je klasifikován jako neobnovitelný zdroj energie.
2) Důlní plyn – původ jeho vzniku je obdobný jako u zemního plynu. Energetické využití nemá, pro svoji výbušnost ve směsi se vzduchem, resp. kyslíkem je velmi nebezpečnou příčinou důlních, ale i povrchových havárií.
3) Kalový plyn – vzniká anaerobním rozkladem organických usazenin v přírodních i umělých nádržích, uvolňuje se ze dna oceánů, moří, jezer, močálů, rybníků, které se pravidelně nečistí, ale i v biologickém stupni čistíren odpadních vod, rýžovištích, rašeliništích. Intenzita jeho vývinu i chemické složení jsou značně variabilní. Je to způsobeno variabilitou procesních podmínek, za kterých vzniká.
4) Skládkový plyn – většina skládek komunálního odpadu obsahuje 20 – 60 % organických materiálů, ze kterých může za vhodných podmínek anaerobní fermentací vznikat po mnoho let skládkový plyn s velmi proměnlivým složením. Jeho povrchové výrony jsou velmi nebezpečné, proto je žádoucí skládkové plyny získané při odplynění skládek komunálního odpadu využít k energetickým účelům nebo likvidovat bezpečnostním hořákem.
5) Bioplyn – obecně lze tento název použít pro všechny druhy plynných směsí, které vznikly činností mikroorganismů. Tím je vyjádřeno, že všechny druhy bioplynů anaerobního původu vznikají principiálně stejným způsobem, ať probíhá metanogenní proces pod povrchem země, v zažívacím traktu živočichů, zvláště přežvýkavců, ve skládkách komunálních odpadů, v lagunách nebo v řízených anaerobních reaktorech.
Z jakých materiálů se bioplyn tvoří
Biomasa je obecný pojem pro materiál vhodný pro využití k energetickým účelům formou metanogenní fermentace. Za biomasu je v užším pojetí považována organická hmota rostlinného původu vznikající na bázi fotosyntetické konverze sluneční energie. Pod pojmem biomasa si však můžeme představit substanci biologického původu, která zahrnuje rostlinnou biomasu (fytomasu) pěstovanou na půdě, hydroponicky nebo ve vodě, živočišnou biomasu, vedlejší organické produkty a organické odpady. U běžných organických substrátů podrobených metanogenní fermentaci se metan získává rozkladem polysacharidů, lipidů a proteinů. Při rozkladu jinak dobře rozložitelných proteinů (bílkovin) se do bioplynu uvolňují sirnaté složky (např. sulfan – H2S), které je před konečným využitím bioplynu nutno v některých případech odstranit. Rozkladem lipidů (tuků) je možné dosáhnout nejlepší výtěžnosti, bohužel jejich podíl ve fermentovaném materiálu nebývá vysoký. Rozklad polysacharidů zvláště obsažených ve fytomase bývá hlavním zdrojem látek pro tvorbu metanu. Jedna z hlavních stavebních látek fytomasy – lignin – je z hlediska metanogeneze balastním materiálem a tvorby metanu se prakticky neúčastní, pokud není fyzikálně-chemickými procesy předem zpracována.
Tvorba bioplynu z polymerních organických látek je zobrazena na schématu z obr. 2.
Optimální obsah sušiny pro zpracování tuhých odpadů je 22 až 25 %, v případě kapalných odpadů 8 až 12 %. Kapalné odpady s obsahem sušiny menším než 3 % jsou zpracovávány anaerobní fermentací s negativní energetickou bilancí (proces je udržován na požadované provozní teplotě za předpokladu dodávky doplňkového tepla z externího zdroje). Pozitivní energetická bilance je dosahována zpravidla až při sušině kapalných odpadů vyšší než 3 až 5 %. Horní hranici optimálního obsahu sušiny tekutého odpadu tvoří vždy mez čerpatelnosti materiálu. Absolutní hranice obsahu sušiny, při které ještě probíhá anaerobní fermentace, je 50 %. Heterogenní vlhkostní pole v pevném organickém materiálu způsobuje, že v praktickém provozu je metanogeneze tlumena postupně a nikoliv rázově. To je velmi významný faktor, mající význam především při zpracování velkých objemů materiálů, jako například skládek komunálních odpadů.
Vhodnost materiálu pro anaerobní fermentaci může být významně narušena i stopovým množstvím nežádoucích příměsí. Jedná se zpravidla o látky potlačující mikrobiální rozvoj, především všechny druhy antibiotik používaných jako léčiva pro zvířata, nebo preventivně jako součást krmných směsí pro drůbež. Do pracovního prostoru reaktorů bychom neměli dávat ani materiály, které jsou již ve hnilobném rozkladu.
Vhodnost materiálu pro anaerobní fermentaci může být narušena i jeho předchozím zpracováním nebo nevhodnou manipulací. Dlouhodobým skladováním materiálu, při kterém proběhne proces aerobní fermentace (nebo kompostování), případně fyzikálně-mechanickými účinky na materiál (například při potrubní dopravě slamnaté chlévské mrvy, atd.) se může narušit následný proces anaerobního zpracování takového „studeného“ materiálu.
Bioplyn lze vyrábět z kejdy, chlévské mrvy, biologicky odbouratelných domovních odpadů, odpadů z ČOV a potravinářského průmyslu, ale i z energetické fytomasy k tomu účelu pěstované. Výroba bioplynu z účelově pěstované energetické fytomasy je v České republice ve stadiu modelových experimentů. V zahraničí věnuje tomuto problému pozornost celá řada interdisciplinárních pracovišť využívajících možností kombinace anaerobní digesce zemědělských vedlejších a druhotných surovin spolu s průmyslovými bioodpady. Hlavní důraz je ovšem kladen na zpracování zvířecích exkrementů a účelově pěstované vhodné energetické fytomasy. Tyto technologie úspěšněji zabezpečují stabilní intenzivní fermentační proces a navozují ekonomickou efektivnost celého systému včetně produkce následně aerobně stabilizovaného organického hnojiva, produkovaného kompostováním separovaných organických zbytků po fermentaci.
Některé zemědělské podniky v České republice mají rovněž dlouhodobé zkušenosti s využíváním bioplynu. Dodnes je v provozu jedna z prvních a zároveň největších evropských bioplynových stanic v Třeboni. Také dodávky technologie pro bioplynové stanice je zcela možno zabezpečit z tuzemských zdrojů. Základní překážkou pro rozvoj a šíření bioplynových technologií v ČR je jejich relativně vysoká pořizovací cena a z ní vyplývající výše výrobních nákladů na jednotku vyprodukované energie, která převyšuje současnou realizační cenu za tuto energii a náročné bezpečnostní požadavky, které jsou zejména u malých a středních bioplynových stanic významným omezením možnosti jejich rozšíření.
Měrné náklady na instalovaný elektrický výkon jednoho kilowatu se pohybují přibližně od 70 do 120 tisíc korun pro bioplynovou stanici o výkonu 500 kWe. Přibližný průběh měrných nákladů je uveden na obr. 3.
Měrné náklady jsou ovlivněny mnoha skutečnostmi – v jaké lokalitě bude výstavba probíhat, jaká infrastruktura je v místě k dispozici, jaké substráty se budou zpracovávat a v neposlední řadě jaké firmy bioplynovou stanici projektují, jaké technologické prvky jsou na výstavbu použity a jaké dodavatelské firmy výstavbu zajišťují. Graf na obr. 3 je proto pouze přibližný, ale signalizuje, že optimální je stavět bioplynovou stanici od instalovaného elektrického výkonu plus minus 400 až 500 kWe. Většina bioplynových stanic byla v ČR uvedena do provozu v období let 1986 až 1989, další do roku 1993, a to v rámci ověřovacích nebo experimentálních provozů s podporou státu na jejich výstavbu. Z toho důvodu jsou některé ekonomické údaje z tohoto období v podstatě nepoužitelné.
Po roce 1993 se výstavba bioplynových stanic v zemědělství omezila na několik malých jednotek, financovaných z dotačních titulů.
Anaerobní digesce může zabezpečit ekologické palivo pro výrobu tepla, elektrické energie i provoz motorů mobilních zařízení. Konkurenceschopnost bioplynu bude stoupat se zvyšujícími se cenami energií a environmentálními požadavky občanů. Ve srovnání s postupy termické konverze fytomasy je účinek anaerobní digesce fytomasy na snížení produkce CO2 vyšší a navíc nedojde ke znehodnocení rostlinných živin, zejména dusíku. Je možné předpokládat, že anaerobní digesce biomasy bude ve třetím tisíciletí součástí akumulačních biotechnologických cyklů propojených s dalšími systémy ekologické výroby energie do integrovaných systémů.
Potřeba nekrmivářského využití fytomasy je v České republice způsobena omezením stavu skotu téměř na poloviční stav proti roku 1989. Největší pokles je převážně v marginálních zemědělských oblastech, kde se útlum potravinářské produkce řeší zatravněním orné půdy. Část fytomasy z těchto ploch by bylo možné zpracovat na bioplyn a organické hnojivo. K tomu přistupuje fytomasa z údržby veřejné zeleně, sportovišť a okrajů komunikací. Dále je třeba na základě zahraničních zkušeností uvažovat o společném zpracování fytomasy a dalších biologicky odbouratelných substrátů. Při anaerobní digesci fytomasy je možné uplatnit kofermentaci odpadů z výroby bionafty, z tukového průmyslu, konzerváren, lihovarů, jatek, mlékáren a ČOV. Schéma takové bioplynové stanice je uvedeno na obr. 4.
Zde je třeba připomenout, že zpracování jatečních a kuchyňských odpadů je podmíněno úpravou rozměrů částic a tepelnou stabilizací podle pokynů Nařízení EC č. 1774/2002 o zpracování vedlejších živočišných produktů, které nejsou určeny k lidské spotřebě.
Příjmy ze zpracování výše jmenovaných odpadů mohou zefektivnit provoz bioplynových stanic. Zvyšování cen energií, hnojiv i poplatků za zneškodňování odpadů vytváří perspektivu pro činnost svozných centralizovaných bioplynových stanic na úrovni střediskových obcí vybavených kogenerační jednotkou a kompostárnou s denní produkcí bioplynu vyšší než 1500 m3/den. Klasická zemědělská bioplynová stanice bude mít schéma podstatně jednodušší. Příjem zelené biomasy, většinou kukuřičné siláže, a příjem kejdy hospodářských zvířat je investičně levnější a suroviny si dodává zemědělský podnik sám, není závislý na jejich dodavatelích. Základním pravidlem hospodárného provozu bioplynové stanice a předpokladem dobré návratnosti vynaložených investic je využití tepla produkovaného kogenerační jednotkou. Bioplynové stanice mohou zajistit v některých obcích, v kombinaci s ostatními energetickými zdroji, centrální zásobování teplem a ohřev teplé užitkové vody. Někdy je možné přebytek tepla využít pro sušení různých komodit jako zemědělských produktů či dřeva.
Další závažnou skutečností, na kterou chceme upozornit, je doba zdržení materiálu ve fermentoru. Téměř u všech substrátů, které jsou na farmách k dispozici se jedná o snadno rozložitelné substráty a lze říci, že produkce bioplynu končí v zásadě do 30 dnů. Ve skutečnosti produkce bioplynu většinou velmi pomalu pokračuje dál, ale z hlediska praktického využití již nemá tato malá část plynu ekonomický význam. Prakticky je možné říci, že většina podobných materiálů bude mít dobu zdržení 25 až 30 dnů a na tuto dobu se pak navrhuje velikost fermentoru (podle množství a objemu materiálu pro denní náplň).
Tuto skutečnost obecně shrnuje obr. 5. Kumulativní produkce bioplynu dosahuje maxima přibližně ve třiceti dnech, denní produkce bioplynu v tomto retenčním čase klesá na minimální hodnoty. Odbouratelnost organické hmoty těchto substrátů se pohybuje od 50 do 80 % (běžně 40 až 60 %). Na zpracování těchto materiálů v bioplynové stanici obvykle stačí jeden reaktor s dobou zdržení do 30 dnů. Jiná situace nastává u silážní kukuřice, zde se doba zdržení pro odbourání organické sušiny pohybuje od 50 do 140 dnů. Pro zpracování silážní kukuřice, případně podobných materiálů je potřeba spíše počítat se dvěma reaktory za sebou s dobou zdržení 30 – 40 dnů (celkem 50 až 80 dnů). Podle kvality a doby sklizně silážní kukuřice (sušina 28 až 35 %) se tak dostáváme na rozložitelnost organického podílu 60 až 80 %. U organické hmoty kukuřice totiž probíhá rozkladná fáze poněkud jinak. Vyšší podíl hůře rozložitelné celulózy prodlužuje u kukuřice hydrolýzní i acidogenní fázi rozkladu. Proto je nutné dodržet koncentraci sušiny v době sklizně energetické siláže nejlépe do 33 %. Ve struktuře rostlinných pletiv kukuřice je maximum hemicelulózy a minimum celulózy a prakticky žádný lignin. Důležitým závěrem je, že zpracování kukuřičné nebo travní siláže proto vyžaduje doby zdržení delší, minimálně okolo padesáti dnů.
Technologie anaerobní fermentace vyžaduje, což je v poměrech ČR asi největší problém, značné investiční prostředky. V sousedním Německu je nyní v provozu 3900 bioplynových stanic (stav květen 2007). Velmi rychle rostou počty bioplynových stanic i v Rakousku. Vývoj tam směřuje k bioplynovým stanicím o instalovaném elektrickém výkonu 500 až 1000 kWe, ovšem výjimkou nejsou ani bioplynové stanice o výkonu 2000 kWe a je možné očekávat i výkony větší (bioplynová stanice Penkun v Německu má instalovaný elektrický výkon 20 MWe).
Zásobování takovýchto velkých bioplynových stanic kejdou hospodářských zvířat a zelenou biomasou, ať už čerstvou, nebo siláží, ovšem vzhledem k dopravním nákladům nemusí vycházet ekonomicky příznivě. Tyto materiály využívají obvykle jako dobrý základ, ale zbytek surovin jsou obiloviny nerealizované na trhu a vedlejší produkty z velkých potravinářských závodů jako lihovary, pivovary, škrobárny, mlýny, pekárny, mlékárny atd. Využití bioplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla v kogeneračních jednotkách je dnes nejrozšířenější aplikací. Možné využití bioplynu i s jeho potřebnými úpravami uvádí tab. 2. Další možnosti využití bioplynu jako čistého energetického zdroje použitelného v palivových článcích, pro pohon motorových vozidel a pro distribuci v potrubí zemního plynu závisí na vývoji levného způsobu úpravy bioplynu na kvalitu zemního plynu. Znamená to bioplyn odsířit, odvlhčit a zbavit oxidu uhličitého.
Průměrná výhřevnost bioplynu je 6 až 6,5 kWh/m3, tzn. 21,6 až 23,4 MJ/m3 (závisí na obsahu metanu). Jen pro názornost si připomeňme, že 1 m3 bioplynu odpovídá přibližně 0,6 l topného oleje, v kogenerační jednotce z něj lze vyrobit 1,5 až 2,2 kWh elektrické energie a 2,8 až 4,1 kWh tepelné energie. To za předpokladu, že celková účinnost kogenerační jednotky je 85 % a z toho elektrická pak 35 %.
Kofermentace
V tabulkách na následující straně je porovnání možnosti výstavby bioplynové stanice při různých zdrojích biomasy pro provoz. Produkce bioplynu pro některé vybrané substráty je uvedena v tab. 3. Kofermentací různých složek můžeme zvýšit produkci a výkon bioplynové stanice. Měli bychom však předem vědět, jaké substráty a v jakém množství budeme mít k dispozici. V tab. 4 jsou uvedeny základní parametry bioplynové stanice pro zpracování jenom prasečí kejdy, v tab. 5 je uvedena bioplynová stanice na prasečí kejdu a jateční odpady, v tab. 6 je bioplynová stanice na prasečí kejdu, jateční odpady a silážní kukuřici.
Jedná se o určitý model bioplynové stanice. Při srovnání je vidět, jak s přidávanými kofermenty roste především instalovaný elektrický výkon a jak lze jejich pomocí i upravovat sušinu zpracovávaného substrátu. V tabulce 6 je sušina směsi na čtrnácti procentech, což z hlediska čerpatelnosti směsi vyžaduje ředění na 11 až 12 %. Jinak je ale přidání kukuřičné siláže vhodným prostředkem ke zvýšení produkce bioplynu a zvýšení sušiny zpracovávané směsi (za určitých podmínek lze použít i travní siláž, ale je nutno počítat s menší produkcí bioplynu při porovnání s kukuřicí).
Aktuální situace ve využívání bioplynu
Vzhledem k nízkým cenám klasických energetických zdrojů se o oblast využívání bioplynu ošetřením chlévské mrvy s produkcí a využitím bioplynu v zemědělství až do tzv. ropné krize v roce 1982 nikdo vážně nezajímal. V letech 1982 až 1992 probíhalo řešení výzkumného projektu zaměřeného na využití exkrementů z velkochovů hospodářských zvířat pro výrobu bioplynu. V rámci tohoto projektu byly s významnou státní podporou realizovány experimentální bioplynové stanice pro zpracování zemědělských tuhých i tekutých odpadů, z nichž některé pracují s původní technologií ještě dnes.
Výrobu bioplynu z těchto biologicky rozložitelných látek je potřeba chápat jako alternativu zpracování vedlejších a druhotných surovin spolu s odpady různého původu a různého druhu, které šetří životní prostředí. Při dobrém projektu mohou být finální produkty dobře ekonomicky zhodnoceny. Míru ziskovosti podporuje zavedená vyšší sazba za výkup elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů pro bioplyn, která je je pro zemědělské bioplynové stanice stanovena na rok 2007 ve výši 3,04 Kč/kWh. Není žádným tajemstvím, že technologie využití bioplynu je například proti prostému spalování biomasy technologicky daleko náročnější. Pro bioplynové stanice na silážní kukuřici nově vybudované, bez využití určité části infrastruktury zemědělského podniku jako silážní žlaby, kejdové hospodářství, zpevněné komunikace, připojení sítí atd., by vyžadovaly výkupní cenu el. energie zhruba 4,50 Kč/kWh. Hlavním dů