S klesající podporou výroby elektřiny v bioplynových stanicích a s rostoucím tlakem na jejich provozovatele roste v České republice zájem o problematiku výroby a využití biometanu. Toto alternativní zpracování bioplynu bylo v hledáčku zájmu investorů od prvopočátku rozvoje bioplynových stanic v ČR, ale teprve zakotvení podpůrného schématu do zákona č. 165/2012 Sb. dalo tomuto zájmu reálné obrysy.
Problematice výroby biometanu se celosvětově věnuje velká pozornost. Velký rozvoj výroby biometanu zaznamenala v posledním desetiletí řada evropských zemí v čele s Německem (dále pak musíme jmenovat Švédsko, Švýcarsko, Dánsko a Nizozemsko). V Severní Americe jsou to pak projekty státu Kalifornie a velký zájem se také začíná objevovat v Kanadě. Existují dvě základní ekonomicko-politické motivace podpory výroby biometanu.
Globálním zájmem je snižování závislosti na dovozu a využívání fosilních zdrojů energie. V současné době je tak celosvětově provozováno zhruba 200 instalací výroby biometanu s celkovou produkční kapacitou 90 TWh/rok.
V Evropě došlo v 90. letech 20. století k masovému nástupu výroby elektrické energie z OZE. Využití všech forem bioplynu zde má důležitou roli. Nevýhodou je nízká účinnost využití primární energie bioplynu, která je dána účinností spalovacích motorů kogeneračních jednotek a možnostmi využití tepela. Biometan tak umožňuje přechod k aplikacím s vysokou účinností v místě spotřeby anebo v automobilové dopravě.
Metanová paliva
Bioplynové stanice jsou důležitými zdroji obnovitelné energie. Nositelem této energie je nejmenší uhlovodík, metan CH4. Metan je svým charakterem jedním z nejlepších známých paliv. Vzhledem k elementární jednoduchosti jeho molekuly nedochází při jeho spalování k tvorbě těkavých organických látek, polyaromátů, ani k tvorbě pevných částic. Energetické využití ve spalovacích motorech tak lehce splňuje emisní normy Euro 5, a dokonce i připravované normy Euro 6. Tyto skvělé environmentální vlastnosti jsou pak podtrženy vysokým oktanovým číslem (135), které umožňuje dosažení vyšší efektivity využití primární energie tohoto paliva. Metan se v současné době stává také důležitou chemickou surovinou. Konvenční zdroje metanu jsou výhradně fosilního původu. Nejznámějším a nejvyužívanějším zdrojem je pak zemní plyn.
Nefosilní a plně obnovitelné metanové palivo je bioplyn. Jeho čištěním (tedy odstraněním stopových příměsí sirných a dusíkatých sloučenin) a upgradingem (odstraněním majoritních inertních plynů, především oxidu uhličitého) je možné získat čistý metan v kvalitě 95–99,9 %, podle zvolené technologie. Pro zvýraznění nefosilního původu tohoto paliva je takto vyrobený plyn označován jako biometan.
Výroba biometanu
Terminologicky musíme klást důraz na rozlišení čištění bioplynu, tj. odstranění vody a stopových nečistot (amoniak, sulfan) a vlastní upgrading (zušlechtění), kdy je separován oxid uhličitý a metan. V úvodu výčtu jednotlivých technologií je pak třeba zdůraznit, že neexistuje jediná nejlepší technologie separace plynů a jakákoliv z následujících technologií může být v daném projektu vyhodnocena jako technologicky nejvhodnější. Při vlastním posuzování je zapotřebí vždy komplexně hodnotit požadovanou kapacitu zařízení, výstupní kvalitu plynů a předávací tlaky. Zvláštní kapitolou je pak integrace tepelných toků předešlých (upstream) a následných (downstream) technologií.
– PSA (Pressure Swing Adsorption, adsorpce se změnou tlaku): Patří v současné době spolu s absorpcí v kapalinách mezi nejpoužívanější technologie zušlechťování bioplynu. Při adsorpci se vážou oddělované molekuly (adsorbáty) ze směsi plynů na porézní pevné látky (adsorbenty). Účinek adsorpce je podpořen nízkou teplotou a vysokým tlakem.
– Absorpce v kapalinách: Jde o selektivní pohlcování plynů nebo par (absorbátu) v selektivně rozpouštějících kapalinách (absorpční činidlo) za vzniku chemických nebo fyzikálních vazeb. Z důvodu slabé interakce při fyzikální absorpci následuje velmi snadná regenerace, naopak u chemických vazeb je následkem silných interakcí potřeba na desorpci vynaložit výrazně více energie. Nejjednodušším absorpčním činidlem pracujícím na principu fyzikální absorpce je voda. Dále se využívají kapaliny na bázi alkoholů, glykolů a jejich směsí pod nejrůznějšími komerčními názvy (Purisol, Rektisol, Selexol, Genosorb).
– Chemické absorpce: Ty využívají vyšší rozpustnosti a selektivity absorpce oxidu uhličitého chemických rozpouštědel při tlaku okolí. Z důvodu vysoké efektivity a nízké ceny je přednostně používán monoetanolamin (MEA). Promývací roztok je rozředěn vodou až na koncentraci MEA 10 až 20 obj. %. Z bioplynu je spolu s oxidem uhličitým odstraněn i sulfan. K regeneraci promývacího roztoku obsahujícího sulfan je však potřeba více energie než v případě samotného oxidu uhličitého. Z tohoto důvodu by měl být upravovaný bioplyn již odsířen.
– Kryogenní separace: Do této skupiny náleží kryogenní rektifikace a sekvenční chlazení. Obě technologie mají velký potenciál, ale stále širší uplatnění nalézá ekonomicky výhodná druhá metoda, především při výrobě biometanu ve formě LNG/CNG automobilového paliva.
– Membránové separace: V této technologii jsou jednotlivé složky plynné směsi v důsledku rozdílných rychlostí permeace oddělovány pomocí tenké membrány. Rychlost transportu složek plynu membránou závisí na použitém materiálu membrány, druhu plynu a rozdílu tlaků na plochách membrány.
Všechny technologie jsou komerčně dostupné, provozně ověřené a s dostatečným počtem referencí. Jejich využití v konkrétních aplikacích je však ovlivněno řadou faktorů. Dobře provedená integrace technologie výroby biometanu představuje značnou dávku procesní optimalizace stávajícího nebo plánovaného provozu bioplynové stanice. Při výběru bude hrát roli zdroj bioplynu (zemědělská BPS, skládkový plyn…), zpracovávané množství bioplynu, požadavky na kvalitu, požadavky na předávací tlak, použití produktu (vtláčení do plynárenské sítě, nebo automobilové palivo) i stavební dispozice lokality. Tuto skutečnost potvrzuje fakt, že všechny technologie jsou rozšířené a žádná dosud jednoznačně nepřevládla.
Problematika standardizace
Využití jakéhokoliv nového paliva musí předcházet jeho standardizace. Zajištění jasně definované kvality paliva je základním předpokladem k vytvoření důvěry spotřebitelů v nový produkt, společně se zajištěním kompatibility distribučních, výdejních a aplikačních systémů.
V současné době je standardizace zajištěna na úrovni jednotlivých národních států. V roce 2010 Evropská komise udělila mandát CEN (European Committee for Standardization) k vytvoření celoevropského standardu pro vtláčení nekonvenčních metanových paliv do distribučních soustav zemního plynu (CEN TC 408). Tento nový standard bude vydán na úrovni známých ISO norem. Dokončení tohoto standardu a jeho vyhlášení předpokládáme do roku 2017. Současné standardy jsou v různých evropských zemích velice rozdílné a jedině evropská harmonizace poskytne celému odvětví pevný základ. Jednotný a plně harmonizovaný systém je totiž základní podmínkou rozvoje celoevropského trhu s biometanem, a tím i základní podmínkou skutečně masivního rozvoje výroby ve všech zemích Evropské unie.
Kvalitativní požadavky na biometan v České republice definuje vyhláška č. 459/2012 Sb. Technické požadavky plynoucí z této vyhlášky jsou plně srovnatelné se standardy ostatních zemí. Vyhláška současně definuje uznané metody měření jednotlivých parametrů i požadavky na četnost měření.
I bez podpory
Výroba energie z obnovitelných zdrojů je v současnosti v České republice pod velkým tlakem. Ponechme stranou důvody velkého finančního zatížení, které v tomto roce dosahuje řádu 45 miliard korun. Pro výrobu a využití biometanu jde o počáteční podmínku a jasný výchozí stav. Přesto i v tomto systému si lze představit možnost podpory tohoto moderního paliva.
V této situaci je velmi nepravděpodobné, že by došlo k plnému rozvinutí plošné podpory, tak jak by ji umožňoval zákon č. 165/2012 Sb. Možnosti pro biometan však přináší reálná snaha o snížení celkové výše veřejných podpor na obnovitelné zdroje, resp. snaha o dosažení stanoveného cíle výroby obnovitelné energie se současným objemem financí. To vytváří dobrý základ pro konverzi existujících bioplynových stanic na výrobny biometanu. Samozřejmě nepůjde o masový jev. Dá se předpokládat, že regulátor nastaví podmínky tak, aby konverze výroby byla výhodná pouze pro velké bioplynové stanice (větší než 1 MW), které nejsou schopné účelně využít kogenerované teplo. Technickým omezením pak vždy bude přítomnost dostatečně kapacitní distribuční sítě zemního plynu, případně možnosti uplatnění CNG v dané lokalitě.
Druhou možností, jak vyrábět a využívat biometan zcela bez provozních podpor, je švýcarský model, založený na zpracování nejlevnějších surovin (tj. bioodpadů) a využití biometanu jako náhrady nejdražších paliv (benzín, nafta). Tento model je teoreticky možný i v našich podmínkách již po řadu let. Praxe ale ukázala, že tento model není možný v zemi, kde města rezignovala na svou funkci správců veřejné infrastruktury, kde svoz odpadů organizují vlastníci skládek odpadů a kde skládkování bioodpadu je stále ještě povoleno.
(Článek vznikl s podporou NovaEnergo, s. r. o.)
Klíčové informace
- Biometan umožňuje využít bioplyn pro aplikace s vysokou účinností v místě spotřeby anebo v automobilové dopravě.
- Technologie výroby biometanu jsou dostupné, ověřené a s dostatečným počtem referencí.
- Provozovatelé BPS mohou nahradit omezenou veřejnou podporu nejen využitím tepla, ale i výrobou biometanu.
Ing. Jan Štambaský, Ph.D.
