TVORBA, VYUŽÍVANIE A SPRACOVANIE BIOPLYNU Naďa Langová

Transkript

1 TVORBA, VYUŽÍVANIE A SPRACOVANIE BIOPLYNU Naďa Langová Klíčová slova: biomasa, využití a výroba bioplynu, fermentace Tvorba, využívanie a spracovanie bioplynu Ing. Naďa Langová, PhD. Technická univerzita vo Zvolene, Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, ul. T.G. Masaryka 2117/24 Zvolen langova@vsld.tuzvo.sk Biomasa je prvý zdroj energie, ktorý začal človek využívať. Drevo, suchá tráva a tŕstie boli pravdepodobne prvými zdrojmi energie a teplo jej prvou formou, ktorú človek najskôr náhodne a postupne aj systematicky začal ovládať vo svoj prospech. Postupne ju síce čiastočne začala nahradzovať fosílna forma biomasy (predovšetkým uhlie, plyn a ropa), stále však tvorí v niektorých krajinách základný zdroj energie. Premena biomasy na energiu dve základné cesty FERMENTÁCIA (alkoholové kvasenie) termochemická premena priame spaľovanie pyrolýza splynovanie biochemická premena fermentácia (alkoholové kvasenie) anaeróbne vyhnívanie (metánové kvasenie) ETANOL resp. METANOL Vysokokvalitné palivo - náhrada za benzín v spaľovacích motoroch. Ako vstupná surovina sa využívajú rastliny s obsahom cukrov a škrobu obiloviny, cukrová repa, cukrová trstina, zemiaky, kukurica, ovocie. ANAERÓBNE VYHNÍVANIE (metánové kvasenie) Bioplyn vzniká pri vyhnívaní organických zvyškov. Reakciu je možné zapísať nasledovne: BIOMASA + BAKTÉRIE = BIOPLYN (CH4, CO2..) + ŽIVINY (N, P, K, S,...) BIOPLYN zmes metánu, oxidu uhličitého a stopových množstiev ďalších plynov. Proces vyhnívania - bez prístupu vzduchu prostredníctvom baktérií vo fermentačných reaktoroch. Metán (CH4) Oxid uhličitý (CO2) Sírovodík (H2S) Dusík (N2) Vodík (H2) Oxid uhoľnatý (CO) Kyslík (O2) % % 1 2 % 0 1 % 0 1 % stopy stopy Ing. Naďa Langová, PhD., Technická univerzita vo Zvolene /139/ Fakulta environmentálnej a výrobnej techniky, ul. T.G. Masaryka 2117/24 Zvolen, langova@vsld.tuzvo.sk

2 Výroba bioplynu BIOPLYN Bioplyn z poľnohospodárskych zvierat a rastlín Skládkový plyn Kalový plyn Drevný plyn Jednotky výrobného zariadenia na bioplyn: úprava a uskladnenie suroviny anaeróbny fermentor s tepelnou izoláciou a miešaním plynojem (zariadenie na kompresiu, čistenie a uskladnenie plynu) tuhý odpad vhodné hnojivo kontrolné a regulačné zariadenie Úspech fermentácie: množstvo a typ organických látok ph, teplota pomer C/N Výroba bioplynu Schéma získavania bioplynu a jeho následného spracovávania Výroba bioplynu Principiálna schéma výroby bioplynu /140/

3 Výroba bioplynu digestor (fermentátor) Objem digestorov: od 1,00 m 3 (domáci digestor) do ~tisíc m 3 (veľké farmy) Vstupná surovina vyhníva v digestore od 10 dní do niekoľkých týždňov, pri teplote, ktorá by nemala poklesnúť pod 35 C. Optimálna teplota je 60 C (časť bioplynu sa použije na udržiavanie teploty). Vyššia teplota umožňuje: - urýchlenie biochemických reakcií - znižuje viskozitu substrátu Hlavným prvkom celého zariadenia je bioreaktor - fermentor (5) horizontálneho prietokového typu s objemom 100 m3, v ktorom prebieha proces tvorby bioplynu. Vo fermentore vyprodukovaný bioplyn sa sústreďuje v plynovom dóme (7) a odtiaľ sa odvádza potrubím do nízkotlakového suchého plynojemu (11), tvoreného špeciálnou gumovou plachtou plynotesne upevnenou na dohnívacej nádrži (10). Tu sa zachytáva aj zvyškový bioplyn uvoľňovaný zo substrátu, ktorý už opustil fermentor. Bioplyn je následne využívaný na spaľovanie v kogeneračnej jednotke (motor (14), generátor (15) a v upravenom plynovom kotly (17). Odpadové teplo sa odovzdáva vo výmenníku (16) na ďalšie využitie. Bioplyn sa väčšinou vyrába z odpadu zo živočíšnej výroby (hnoj). V takomto prípade je vysoko pozitívna, pretože predstavuje vlastne likvidáciu odpadu. Sadenie a žatva 6,10 GJ/ha Výroba bioplynu s pozitívnou energetickou bilanciou je však možná aj z rastlinných odpadov ako je siláž alebo niektoré druhy tráv. Doprava Hnojivo 2,70 16,50 Z jedného hektára je možné získať až 50 ton tejto suroviny, čo predstavuje asi 10 ton suchej hmoty alebo 170 GJ energie. Samotná energetická hodnota bioplynu získaná z jedného hektára je 62,3 GJ/ha a celá je uvedená v nasledujúcej tabuľke: Stroje a výrobné zariadenia Anaeróbne vyhnívanie (ohrev) Spotreba spolu Zisk (bioplyn) Bilancia zisk/spotreba 2,10 2,40 29,80 62,30 2,10 /141/

4 Ekonomika výroby bioplynu, ktorý má široké použitie, závisí na možnosti jeho využitia hlavne v poľnohospodárskych podnikoch, kde sa jeho výroba ukazuje ako najvýhodnejšia. Z hľadiska použitia je najjednoduchšie spaľovanie bioplynu s následným získavaním tepla na vykurovanie alebo ohrev vody. V lete však vzniká problém s nadbytkom tepla, a preto je vhodné využiť bioplyn na iné účely. Do úvahy prichádza hlavne spaľovanie bioplynu v plynovom motore s následnou výrobou elektriny, ktorej využitie je všestranné. Výroba energie z bioplynu má značné ekologické výhody. Tým, že toto palivo nahrádza fosílne zdroje, znižuje emisie skleníkových plynov a iných škodlivín do atmosféry. Navyše v poľnohospodárskych podnikoch znižuje zápach pri skladovaní hnojovice, tiež znižuje nároky na ochranu spodných vôd pred kontamináciou hnojovicou. Kogenerácia je moderná technológia výroby tepla a elektrickej energie. Je založená na princípe združenej výroby. Znamená to, že v jednom zariadení sa súčasne vyrába elektrina a teplo. Takéto zariadenie sa nazýva kogeneračná jednotka. Jej základná výhoda spočíva v technologickom postupe, ktorý umožňuje združenú výrobu tepla a elektriny v jednom zariadení, na jednom mieste. To umožňuje dosiahnuť 40 % úsporu vstupného paliva a teda získať aj elektrickú energiu aj teplo podstatne lacnejšie. Kogeneračné jednotky sú zariadenia, v ktorých sa realizuje kombinovaná výroba elektriny a tepla. Ide o plynový spaľovací motor, ktorý poháňa trojfázový generátor. Ten vyrába elektrickú energiu. Chladením motora, oleja a spalín sa získava teplo. Najrozšírenejšie na Slovensku sú kogeneračné jednotky TEDOM, ktoré pokrývajú takmer 70% všetkých inštalácií. Začiatkom roka 2004 prekročil počet inštalovaných kogeneračných jednotiek TEDOM na Slovensku číslo 100. Elektrická energia sa využíva na pokrytie vlastnej spotreby, prípadne sa predáva do rozvodnej siete. Kogeneračné jednotky môžu pracovať aj v ostrovnej prevádzke a preto je možné ich využívať aj ako záložný zdroj elektrickej energie. /142/

5 POUŽITIE BIOPLYNU V SPAĽOVACÍCH MOTOROCH V princípe je možné upraviť na bioplyn každý naftový motor. Bioplyn má vyššie oktánové číslo ako benzín alebo nafta, čo vedie k vyššej účinnosti motora pri vyššom kompresnom pomere. Metán však pomaly horí, a preto je potrebné nastaviť predzápal tak, aby dochádzalo k jeho úplnému spáleniu v motore a aby neunikal do výfuku. /143/

6 /144/