Produkcia bioplynu z biomasy

Transkript

1 Produkcia bioplynu z biomasy Miroslav Hutňan, Viera Špalková, Nina Kolesárová Michal Lazor Ústav chemického a environmentálneho inžinierstva, FCHPT STU, Radlinského 9, Bratislava Táto práca vznikla ako súčasť riešenia projektu SK00023 Vytvorenie centra excelentnosti pre využívanie obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku, ktorý je financovaný z prostriedkov Nórskeho finančného mechanizmu (NFM), EHP a Štátneho rozpočtu SR (

2 Obsah Legislatívne aspekty a potenciál využívania OZE a biomasy Teória anaeróbnych procesov Substráty používané na produkciu bioplynu Reaktorové technológie používané pri produkcii bioplynu

3 Legislatívne aspekty a potenciál využívania OZE a biomasy V rámci prístupového procesu do EU sa Slovenská republika prihlásila k plneniu direktívy EU č. 2001/77/EC týkajúcej sa podpory produkcie elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov. Nová smernica Európskeho parlamentu a rady 2009/28/ES o podpore využívania energie z OZE ustanovuje ako celkový záväzný cieľ do r podiel OZE na celkovej spotrebe energie 20 % a podiel biopalív v doprave 10 %. Pre Slovenskú republiku bol stanovený národný cieľ podielu energie z obnoviteľných zdrojov do r na 14 % (v r to bolo 6,7 %, z veľkej časti zastúpený najmä vodnými elektrárňami).

4 Legislatívne aspekty a potenciál využívania OZE a biomasy Zákon o podpore OZE a kombinovanej výroby elektriny a tepla č.309/2009 z 19. júna 2009 (platnosť od 1. septembra 2009, niektoré ustanovenia od ). Podpora OZE podľa tohto zákona: stanovenie pevných cien elektriny podľa druhu a výšky inštalovaného výkonu zariadenia (ÚRSO) garancia tejto ceny minimálne na tejto úrovni po dobu 15 rokov podpora aj pre zariadenia, ktoré elektrinu nedodávajú do distribučnej sústavy povinný odber elektriny prednostné pripojenie a povinnosť rozšíriť distribučnú sústavu podpora výroby biometánu

5 Celkový a technický potenciál OZE v SR (Ministerstvo hospodárstva SR, 2007) ZDROJ Celkový potenciál Technický potenciál TJ GWh TJ GWh Vodná energia: Veľké vodné elektrárne Malé vodné elektrárne Biomasa Lesná biomasa Poľnohospodárska biomasa Biopalivá Bioplyn Ostatná biomasa Veterná energia * * Geotermálna energia Slnečná energia SPOLU

6 Podľa stratégie vyššie využívania OZE v SR Výroba elektriny z OZE GWh Malé vodné elektrárne Biomasa Veterné elektrárne Bioplyn Výroba 2004 Výroba 2010 Výroba 2015 Predpokladaný vývoj výroby elektriny z OZE v rokoch 2010 a 2015 (Ministerstvo hospodárstva SR, 2007)

7 Definícia biomasy a bioplynu Biomasa sú biologicky rozložiteľné časti výrobkov, odpadu a zvyškov biologického pôvodu z poľnohospodárstva (vrátane rastlinných a živočíšnych látok), lesného hospodárstva a príbuzných odvetví vrátane rybného hospodárstva a akvakultúry, ako aj biologicky rozložiteľné časti priemyselného a komunálneho odpadu. Bioplyn plynný produkt anaeróbnej metánovej fermentácie organických látok (kalový plyn, skládkový plyn).

8 Z Analýzy vplyvu platnej legislatívy na podporu využívania biomasy na energetické účely a návrhu na ďalšie riešenie (materiál vlády SR, február 2006) vyplýva: Slovenské poľnohospodárstvo môže vyčleniť ha na účelové pestovanie zelenej biomasy: na výrobu bioplynu a následnú produkciu elektriny a tepla (kukurica, obilniny, strukoviny...) na priame spaľovanie a následnú produkciu tepla (energetický štiav, ozdobnica čínska, cirok, krídlatka, technické konope...)

9 Z Analýzy vplyvu platnej legislatívy na podporu využívania biomasy na energetické účely a návrhu na ďalšie riešenie (materiál vlády SR, február 2006) vyplýva: Energetický potenciál tejto produkcie je TJ. Pri takomto riešení by bolo možné postaviť okolo 1000 bioplynových staníc s inštalovaným výkonom kogeneračnej jednotky 500 kw a 1000 zariadení na výrobu tepla spaľovaním o výkone 350 kw.

10 Súčasný stav bioplynových staníc v SR Bioplynová stanica Hlavná surovina Inštalovaný el. výkon kwe AGROS s.r.o. Bátka hnojovica ošípaných, do r aj hydinový trus PPD Brezov VPP SPU, s.r.o. Kolíňany PD Kapušany hnojovica hovädzieho dobytka rôzne substráty, najmä hnojovica hospodárskych zvierat hnojovica hospodárskych zvierat, kukuričná siláž STIFI Hurbanovo kukuričná siláž Prevádzka od roku 6x

11 Teória anaeróbnych procesov oxická oxidácia (C org. ) nitrifikácia aeróbna (oxická) oblasť O 2, NO 2-, NO ORP (mv V) anoxická oblasť O 2 =0, NO 2-, NO depolymerizácia polyfosfátov desulfatácia anaeróbna acidogenéza, acetogenéza anaeróbna oblasť O 2 =0 NO 2- =0 NO 3- =0-500 metanogenéza

12 Teória anaeróbnych procesov Hydrolýza - rozkladajú sa makromolekulárne rozpustené i nerozpustené organické látky (polysacharidy, lipidy, proteíny) na nízkomolekulárne látky rozpustené vo vode pomocou extracelulárnych hydrolytických enzýmov, produkovaných hlavne fermentačnýminými baktériami. Vznikajúce nízkomolekulárne látky sú potom schopné transportu do vnútra bunky. Acidogenéza - produkty hydrolýzy sa ďalej rozkladajú na jednoduché organické látky (kyseliny, alkoholy, CO 2 a H 2 ). Pri nízkom parciálnom tlaku vodíka sú produkované hlavne kyselina octová, CO 2 a H 2, pri vyššej koncentrácii vodíka sa tvoria vyššie kyseliny, kyselina mliečna, etanol a pod.

13 Teória anaeróbnych procesov Acetogenéza - prebieha oxidácia týchto látok na vodík, oxid uhličitý a kyselinu octovú. Dôležitou spolupráca skupín syntrofných acetogénnych mikroorganizmov produkujúcich vodík s homoacetogénnymi mikroorganizmami, prípadne s ďalšími, spotrebúvajúcimi vodík. Metanogenéza - dochádza k tvorbe metánu a oxidu uhličitého z dostupných metanogénych substrátov, čo sú niektoré jednouhlíkaté látky (metanol, kyselina mravčia, metylamíny, CO, CO 2, H 2 a kyselina octová).

14 7 2 H biopolyméry 1 monoméry 2 redukované organické produkty mastné kyseliny alkoholy NO 3-, SO 4 2- NH 4+, H 2 S CO 2 7 CH kyselina octová hydrolýza organických polymérov (bielkoviny, tuky, polysacharidy) na aminokyseliny, organické kyseliny, glycerol, monosacharidy; 2 - acidogenéza - premena organických monomérov na vodík, oxid uhličitý, maslovú a octovú kyselinu a ďalšie nízkomolekulárne látky ako etanol,mliečna kyselina a pod.; 3 - acetogenéza - oxidácia redukovaných organických produktov na vodík, oxid uhličitý a octovú kyselinu acetogénnymi mikroorganizmami produkujúcimi vodík; 4 - oxidácia redukovaných organických produktov na oxid uhličitý a kyselinu octovú denitrifikačnými a desulfurikačnými baktériami; 5 - acetogénna respirácia oxidu uhličitého a vodíka homoacetogénnymi mikroorganizmami; 6 - metanogenéza z octovej kyseliny acetotrofnými metanogénnymi mikroorganizmami; 7 - metanogenéza z jednouhlíkatých substrátov oxidu uhličitého a vodíka hydrogenotrofnými mikroorganizmami; 8 - oxidácia octovej kyseliny na oxid uhličitý denitrifikačnými a desulfurikačnými baktériami; 9 - oxidácia vodíka denitrifikačnými a desulfurikačnými baktériami

15 Teória anaeróbnych procesov Vznik metánu z vybraných substrátov Reakcie G o [KJ/mol] 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O -130,4 4 HCOOH CH CO H 2 O -119,0 4 CO + 2 H 2 O CH CO 2-186,0 CH 3 COOH CH 4 + CO 2-32,3 4 CH 3 OH 3 CH 4 + CO H 2 O -112,5 4 CH 3 NH H 2 O 3 CH 4 + CO NH 3-75,0

16 Teória anaeróbnych procesov Faktory ovplyvňujúce proces metanogenézy Teplota Vplyv ph Vplyv zloženia substrátu Prítomnosť toxických a inhibujúcich látok Vplyv koncentrácie NMK

17 Substráty používané na produkciu bioplynu Poľnohospodárske hnoj (hovädzí dobytok, ošípané, hydina) energetické plodiny biomasa rias zvyšky úrody Komunálne organická frakcia tuhého komunálneho odpadu tuhý komunálny odpad odpadový kal trávový odpad/záhradný odpad zvyšky jedla atď. Priemyselné potravinárske mliekarenské škrobárenské cukrovarnícke farmaceutické kozmetické biochemické papierenské odpad z bitúnkov atď.

18 Potenciál produkcie bioplynu v SRN z hľadiska použitých surovín Exkrementy 44 % Energetické plodiny 33 % (Porsche, 2007) Komunálny odpad 18 % Priemyselný odpad 5 % Bioodpad z domácností 21,3 % Skládky odpadov 5,1 % Kal z ČOV 3,8 % Organický odpad z priemyslu a obchodu 1,7 % (Weiland, 2006) Energetické plodiny 46,2 % Zvyšky z udržiavania krajiny (prebierky, tráva) 1,6 % Vedľajšie produkty a zvyšky rastlinnej výroby 15,4 % Hnoj a hnojovica 23,9 %

19 Reaktorové technológie používané na produkciu bioplynu Reaktory pre kvapalné organické materiály so suspendovanou biomasou s imobilizovanou biomasou Reaktory pre mokré, polotuhé/polosuché procesy (sušina v reaktore cca do 15 %) Reaktory pre suché procesy (sušina v reaktore %)

20 Anaeróbne technológie kvapalné substráty Reaktory so suspendovanou biomasou a - chemostat (reaktor bez recirkulácie biomasy) b - anaeróbna aktivácia (reaktor s recirkuláciou biomasy) c - spôsob MARS (oddeľovanie kvapalnej fázy membránovou filtráciou)

21 Anaeróbne technológie kvapalné substráty Reaktory s imobilizovanou biomasou Anaeróbne reaktory s imobilizovanou biomasou biofilmové reaktory kombinácia biofilmovej a agregovaná biomasa agregovanej biomasy s pevnou náplňou s pohyblivou náplňou s náplňou vo vznose s pevnou náplňou a kalovým mrakom s kalovým mrakom voľne uložená náplň prietok zdola voľne uložená náplň prietok zhora situovaná náplň prietok zhora anaeróbne rotačné disky fluidizovaná vrstva expandovaná vrstva hybridný reaktor prepážkový reaktor reaktor s externým separátorom UASB reaktor

22 Anaeróbne technológie Reaktory pre mokré a polosuché procesy Membránová strecha Membrána Bioplyn Výstup Dúchadlo Výstup Centrálne miešadlo Vyhrievanie stien Miešadlo Externý výmenník tepla Vstup Vstup Vyhrievanie dna

23 Horizontálny reaktor 1-vstup substrátu, 2-prípravná nádrž, 3-miešadlo, 4-čerpanie do reaktora, 5- anaeróbny reaktor, 6-vodný uzáver, 7,8-odvod bioplynu, 9-odvod nesfermentovaného zvyšku, 10-uskladňovacia nádrž, 11-membrána plynojemu, 12-odvod nesfermentovaného zvyšku, 13-miešadlo, 14,15-kogeneračná jednotka (motor, generátor), 16-výmenník tepla, 17-plynový kotol

24 Anaeróbne technológie Reaktory pre suché procesy - jednostupňové Recirkulácia inokula Vstup Stabilizovaná pasta Vstup Recirkulácia bioplynu Vstup Stabilizovaná pasta Stabilizovaná pasta Typy anaeróbnych reaktorov používaných pri suchých procesoch (A-DRANCO proces, B-KOMPOGAS proces, C-VALORGA proces)

25 Anaeróbne technológie Dvojstupňové procesy Vstup materiálu (10 % CS) Pasterizácia (S) Odvodnenie I. stupeň (hydrolýza) R (L) (L) Bioplyn Spracovaný materiál Kompost II. stupeň (metanizácia) BTA proces (S) tuhý podiel; (L) kvapalný podiel; R(L) recyklus kvapalnej fázy

26 Anaeróbne technológie Suché vsádzkové systémy A-jednostupňový systém bioplyn B-hybridný vsádzkový systém s UASB reaktorom bioplyn bioplyn UASB reaktor C-systém SEBAC bioplyn bioplyn bioplyn tuhý komunálny odpad nový vyzretý perforované platne starý hladina priesakových vôd recirkulácia

27 Anaeróbne technológie Suché vsádzkové systémy Fakľa Plynojem Betónový bioreaktor Distribúcia výluhu Plynotesné dvere Skladovanie a úprava výluhu Biomasa substrát El. energia do siete Zachytávanie výluhu drenážou a recirkulácia Využitie tepla Suchý anaeróbny proces Technológia suchej anaeróbnej fermentácie BEKON

28 Anaeróbne technológie Suché vsádzkové systémy Navážanie substrátu do technológie suchej anaeróbnej fermentácie BEKON