Výroba a využití bioplynu z odpadu

Pohlížet na odpady jako na něco, čeho je potřeba se rychle zbavit, je v současnosti již přežitek. Jednou z cest, jak získat z odpadů energii, je její přímé využívání přes tepelné výměníky a konverzi kinetické energie. Druhou cestou je uvolnění nebo transformace energie vázané chemicky do využitelné formy, buď ve formě elektřiny, tepla nebo paliva.

Do této kategorie lze zařadit i produkci bioplynu, která se u nás donedávna vztahovala především k odplynování skládek komunálních odpadů a stabilizaci čistírenských kalů na ČOV. Tento potenciál je z větší části (80 %) využit. Velký rozvoj nyní zaznamenává produkce bioplynu pomocí anaerobní metanové fermentace organických látek.

Termín „bioplyn“ v posledních letech 20. století zcela zobecněl a stal se nejen běžně rozšířeným mezi technickou odbornou veřejností, nýbrž i jistým synonymem čehosi ekologicky příznivého v majoritní laické veřejnosti. Věcný význam slova „bioplyn“ napovídá, že by se mělo jednat o plyn produkovaný blíže nespecifikovaným biologickým druhem, pokud přijmeme další běžný usus, totiž že takto mluvíme o plynech produkovaných a nikoliv spotřebovávaných biologicky.

Můžeme tedy shrnout, že souhrnný termín „bioplyn“ přiřadila současná technická praxe výlučně pro plynný produkt anaerobní methanové fermentace organických látek uváděné též pod pojmy anaerobní digesce, biomethanizace, biogasifikace anebo vyhnívání (u čistírenských kalů). Názvem „bioplyn“ je obecně míněna plynná směs methanu a oxidu uhličitého. V plynném produktu dobře prosperujících methanogenních mikroorganismů představuje suma CH4 a CO2 hodnoty velmi blízké 100 % obj., vždy s výraznou převahou obsahu methanu.

Speciální kategorii mezi bioplyny pak představují plyny tvořící se samovolně ve skládkách odpadů, které obsahují biologicky rozložitelné komponenty. Skládkový plyn je termín, který se někdy používá pro veškeré plyny, které lze odsát či navzorkovat z tělesa skládky odpadů bez ohledu na to, zda obsahuje třeba i jen 1 % obj. methanu a nebo i 10 % obj. kyslíku.

Čtěte také: Využití bioplynu a související legislativa

Historie výroby bioplynu

Skutečně věrohodná a novodobá historie bioplynu začíná až těsně před koncem 19. století. Od roku 1897 byly v anglickém městě Exeter čištěny odpadní vody v uzavřených septicích. Podle doporučení A.N. Talbota se vznikající bioplyn jímá a využívá k vytápění a ke svícení na čistírně odpadních vod. Kolem roku 1905 vyvinul K. Imhoff dvoupatrovou nádrž s odděleným usazovacím a „vyhnívacím“ prostorem, která byla patentována roku 1907. Principem těchto nádrží byla separace toků kalu a vody tak, že zdržení zachycených kalů je vyšší a sedimentované kaly přitom podlehnou anaerobní fermentaci. Tento typ nádrží se rozšířil pod názvem „Emscherské studny“ anebo „Imhoffovy nádrže či usazováky“.

První samostatné zařízení pro anaerobní vyhnívání uvedli do provozu O‘Shaughnessy a Watson roku 1910 v Birminghamu. Provozně úspěšný reaktor pro anaerobní stabilizaci kalů z čistírny odpadních vod byl navržen a vybudován na čistírně odpadních vod v Essenu-Rellinghausenu v roce 1924. Tento reaktor byl tvořen vyhřívanou nádrží, přičemž k jejímu otopu byl používán vznikající bioplyn.

Současně se zhruba od poloviny dvacátých let 20. století začalo rychle šířit i využití bioplynu (tehdy byl většinou nazýván plynem kalovým) k pohonu elektrických motorgenerátorů a k pohonu vozidel. Od počátku třicátých let rovněž začíná intenzivní výzkum procesu anaerobní fermentace. Nová vlna zájmu a rozšíření technického poznání je pozorovatelná těsně po skončení 2. světové války.

Základ bioplynových technologií jednoznačně vzešel z procesů čištění splaškových odpadních vod. Teprve technické úspěchy bioplynu v tomto oboru motivovaly snahy o rozšíření aplikace i na jiné organické substráty než na kaly z odpadních vod. Tak byly aplikovány procesy anaerobní stabilizace na nejrůznějších potravinářských i zemědělských odpadech. Souběžně s vývojem reaktorových technologií pro anaerobní fermentaci organických odpadů byla v 60. - 70. letech rozpoznána i nebezpečí plynoucí ze samovolné tvorby bioplynu ve skládkách komunálních odpadů.

Bioplynové stanice

Bioplynová stanice je zařízení, ve kterém se pomocí bakterií zpracovává biomasa. Ta se v reaktoru zahřeje a bakterie ji bez přístupu vzduchu začnou rozkládat. Výsledkem procesu je bioplyn a digestát. Bioplyn se dá dále využít na výrobu tepla a energie nebo jako palivo. Vstupní surovinou mohou být jakékoliv organické materiály. Ideální je, pokud se použijí ty, které by se nedaly využít jinak - bioodpady z gastronomických provozů a domácností, čistírenské kaly či výkaly zvířat nebo zbytková biomasa ze zemědělské výroby.

Čtěte také: Využití bioplynu v energetice

Až do roku 2020 rozlišoval Energetický regulační úřad v Česku dva druhy bioplynových stanic - zemědělské a odpadové. Pro zemědělské bioplynové stanice však byla určena vyšší podpora, takže neměly motivaci zpracovávat odpady. A tak se pro produkci bioplynu používaly cíleně pěstované energetické plodiny jako je řepka či kukuřice, což ve výsledku vůbec ekologické nebylo. Energetické plodiny zabírají místo plodinám určeným ke konzumaci. Navíc je na jejich výrobu a zpracování potřeba velké množství vstupů: od hnojiv a pesticidů až po ropu k pohonu traktorů.

Aby bioplynová stanice mohla bioodpady přijímat, musí svůj provoz vybavit zařízením, které je zbaví nečistot a zajistí tzv. hygienizaci - zahřátí substrátu na 70 °C po dobu alespoň jedné hodiny. Hotový bioplyn se pak může spálit v kogenerační jednotce a vyrobit teplo a energii. Nebo se může stlačit (ale na to je potřeba další technologie) a využít jako palivo.

Z hlediska obnovitelných zdrojů má ČR právě v bioplynu jeden z největších a navíc rychle mobilizovatelných potenciálů. Pro obce a města jsou BPS ve vhodných lokalitách efektivním způsobem řešení zpracování bioodpadů a jejich aktivního odklonu ze skládek v souladu s požadavky legislativy. Investice do obnovitelných zdrojů energie (OZE) jsou v ČR mezi investory velmi oblíbené zejména z důvodu garantované výkupní ceny elektrické energie.

Jako jednu z priorit pro následující období stanovil stát využívání vlhké biomasy k produkci bioplynu a následnou výrobu elektrické energie a tepla. Podpora BPS oproti slunečním elektrárnám přesdstavuje nižší zátěž pro daňové poplatníky (cca 4 Kč za 1 kWh z BPS oproti cca 12 Kč za 1 kWh z FVE). Díky kontinuální výrobě elektrické energie představuje tento zdroj nižší zátěž pro elektrickou distribuční síť.

Typy bioplynových stanic

• Zemědělské bioplynové stanice: Často také nazývané farmářské, zpracovávají materiály rostlinného charakteru a statkových hnojiv, resp. podestýlky. Vstupy těchto BPS lze hodnotit jako nejméně problematické.
• Čistírenské BPS: Slouží pouze jako součást kalového hospodářství ČOV. Nejsou určeny ke zpracování bioodpadů a nevstupují do nich jiné materiály než odpadní voda a kaly z ČOV, žump a septiků.
• Ostatní bioplynové stanice: Mohou zpracovávat bioodpady uvedené v tab. 3 v příloze 2, případně substráty uvedené v odstavci 4.1., 4.2. a 4.3. zákona č. 76/2002 Sb. Mezi ostatními BPS lze dále rozlišovat kofermentační BPS (také průmyslové BPS), které zpracovávají výhradně nebo v určitém podílu rizikové vstupy.
• Centralizované bioplynové stanice: Rozšířené hlavně v Dánsku, velké bioplynové stanice zpracovávající různé druhy odpadů z okolí.

Komponenty bioplynové stanice

Základním prvkem BPS je reaktor (fermentor, vyhnívací nádrž). V praxi to nejčastěji bývá betonová nebo kovová nádoba válcovitého tvaru, vybavená míchacím zařízením, ohřevem suspenze a zařízením na kontinuální odběr bioplynu. Objem reaktorů se pohybuje od několika desítek do několika tisíc m3 (až 6000 m3 ). Dle složení zpracovávaného odpadu a kultivačních podmínek se denní produkce bioplynu pohybuje v rozmezí jeden až tři m3 bioplynu na m3 reaktorového objemu. Reaktor může být samotný, nebo může jít o více reaktorů zapojených do série nebo paralelně.

Čtěte také: Bioplyn: energie z odpadu

Vznikající bioplyn je jímán v plynojemu, který slouží jako zásobník k vyrovnávání denních fluktuací v produkci a spotřebě bioplynu.

Horizontální průtočný reaktor (Darmstadt systém) je ocelová nebo plastová, tepelně izolovaná válcová nádrž v průměru zpravidla dva až tři metry, délky dle potřebné kapacity reaktoru. Promíchávání obsahu reaktoru a pohyb směsi směrem k druhému níže položenému konci, je zabezpečen lopatkami umístěnými na hřídeli procházející horizontální osou reaktoru. Rychlost míchání je pomalá, jedna až tři otáčky za minutu. Vznikající bioplyn se hromadí v horní části reaktoru, odkud je odváděn do plynojemu. Vytápění je řešeno rozvodem trubek uvnitř reaktoru. Běžné je i umístění ve dvojité stěně reaktoru, nebo je vytápění integrováno s mícháním, umístěním v duté hřídeli míchadla.

Daleko rozšířenější jsou vertikální reaktory. K zabezpečení plynotěsnosti stačí kvalitní betonová konstrukce nádrže a střechy, případně doplněná plynotěsnou fólií. K tepelné izolaci se používají běžné izolační materiály jako je polystyrén, nebo skelná vata. V některých případech jsou celé nádrže, nebo jejích část umístěny pod úrovní terénu. Nádrže jsou vyráběny sériově, což se projevuje v nižší ceně za jednotku objemu. Nejčastěji používané objemy se pohybují v rozmezí 250 až 3000 m3.

Vzhledem k vysoké provozní spolehlivosti se k uskladnění bioplynu téměř výlučně používají jedno- nebo dvoumembránové nízkotlaké plynojemy. Plynojem je v mnoha případech součástí reaktoru jako zastřešení.

Využití bioplynu

• Spalování: Technicky nejjednodušší způsob využití bioplynu.
• Výroba elektrické energie a tepla: Technicky a investičně náročnější způsob. K výrobě elektrické energie je možno použít tzv. kogenerační jednotky (zatím nejpoužívanější), turbíny, mikroturbíny, palivové články.
• Úprava bioplynu na kvalitu zemního plynu: Znamená odstranění oxidu uhličitého, sulfanu, a dalších příměsí a nečistot. Takto upravený bioplyn je teoreticky následně možné dodávat do sítí zemního plynu resp. čerpacích stanic na pohon motorových vozidel.

Ekonomické aspekty

Relativně vysoké investiční náklady znamenají prakticky jedinou nevýhodu bioplynových stanic. Vzhledem k tomu, že pro příjem bioplynové stanice využívající bioplyn k výrobě elektrické energie a tepla je z hlediska příjmů absolutně nejdůležitější prodej vyrobené elektrické energie, se běžně udávají investiční náklady na jednotku instalovaného elektrického výkonu kogenerace. Provozní náklady jsou poměrně nízké a představují kolem 5 % investičních nákladů. Moderní bioplynové stanice vybavené měřící a regulační technikou vyžadují kolem 3 až 5 hodin práce jednoho člověka denně.

Ekologické výhody

• Zvýšená využitelnost živin.
• Snížení zápachu.
• Kofermentací kejdy s jinými organickými odpady se dosáhne brilantní recyklace odpadů.
• Ekologický aspekt zahrnuje i sanitární efekt stabilizace a účinné využití takto zpracovaných odpadů ke hnojení.
• Pokles emisí skleníkových plynů v průběhu skladování a aplikace.

Legislativa

Z hlediska rozvoje bioplynových stanic i všech obnovitelných zdrojů energie má klíčovou pozici Zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie č. Dalším důležitým dokumentem jsou cenová rozhodnutí Energetického regulačního úřadu (www.eru.cz), kde se každoročně stanovují výkupní ceny elektrické energie z obnovitelných zdrojů.

Bioplyn v domácnosti

Menší verzi bioplynky si však můžete pořídit i do vaší domácnosti. Jednoduché zařízení pro vás denně zpracuje přibližně šest litrů potravinového odpadu nebo až patnáct litrů hnoje. Každý den si tak můžete zajistit dostatek energie na uvaření dalších jídel i stálý přísun několika litrů kvalitního organického hnojiva.

Protože musí být bioplynka umístěna venku a zároveň dobře funguje jen při teplotách nad sedmnáct stupňů, můžete ji buď využívat pouze od jara do podzimu, nebo umístit do vhodné stodoly či skleníku. Z důvodu své sezónní využitelnosti je bioplynka mimořádně vhodná pro chaty a chalupy, kde vám během léta poskytne dostatek energie pro několik hodin vaření denně.

tags: #bioplyn #z #odpadu #výroba #a #využití

Oblíbené příspěvky:

• Využití máty peprné
• Šetrná řešení pro životní prostředí
• Rozměry a vlastnosti koše 12 l
• Průkopník větrné energetiky v Jindřichovicích
• Odpad z autoservisu a zákony ČR