Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Perspektivy výroby a využití bioplynu ze skládek komunálních odpadů Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Rudolf Rybář, CSc. Vypracovala: Jana Karásková Brno 2007

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Perspektivy výroby a využití bioplynu ze skládek komunálních odpadů vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis bakaláře......

3 Ráda bych touto cestou poděkovala vedoucímu bakalářské práce Ing. Rudolfu Rybářovi, CSc. za náměty a připomínky k této práci. Dále děkuji Ing. Zdeňku Jirkovskému za poskytování cenných rad, metodickou pomoc a spolupráci při zpracování práce.

4 ANOTATION By usage of biologically degradable waste in a biogas reactor we achieve alternative source of energy. The biogas is the result of fermentation of organic mass. There is a possibility to apply it in kogeneration (combined heat and power system) devices for obtaining heat and electric energy, electric energy, heat and/or cooling in the case of trigeneration or just for heating. The biological degradable waste is one of parts of communal waste and is stockpiles on dumping ground. Under the surface of the dumping ground there is a place of biochemical processes and dumping gas origin. From the latter reason it is necessary to build up the dumping ground degasification. In the case that the dumping gas contains satisfying amount of methane, it is possible to use the gas for combined heat and power supply. In the future there is assumed increase in focusing on the biogas stations. It will be given by grants opportunities, electric energy price guarantee, familiarity of citizens about sorting of biologically degradable components of the waste and opportunity of treat the other waste by this way like from food industry and agriculture, etc.

5 OBSAH: 1. ÚVOD OBECNÉ PROCESY VEDOUCÍ KE VZNIKU BIOPLYNU S PŘEHLEDEM BIOCHEMICKÝCH PRINCIPŮ JEHO TVORBY VZNIK BIOPLYNU Životní podmínky metanogenních bakterií BIOCHEMICKÉ PRINCIPY OBECNÉ MOŽNOSTI ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ BIOPLYNU KOGENERACE MOTORY PRO BIOPLYNOVÝ PROVOZ TRIGENERACE VYTÁPĚNÍ BIOPLYNEM ZÁSOBOVÁNÍ PLYNOVODNÍ SÍTĚ CHEMICKÉ SLOŽENÍ BIOPLYNU A JEHO FYZIKÁLNÍ A CHEMICKÉ VLASTNOSTI CHEMICKÉ SLOŽENÍ BIOPLYNU Majoritní složky v bioplynech VLASTNOSTI BIOPLYNU Výhřevnost Hranice zápalnosti Metanové číslo Vlhkost plynu ZÍSKÁVÁNÍ BIOPLYNU ZE SKLÁDKY KOMUNÁLNÍHO ODPADU KOMUNÁLNÍ ODPAD Komunální odpad v Katalogu odpadů Fyzikálně-chemické charakteristicky komunálního odpadu SKLÁDKA ODPADŮ VZNIK SKLÁDKOVÉHO PLYNU ODPLYŇOVACÍ SYSTÉM MĚŘENÍ PRODUKCE A KVALITY BIOPLYNU NA KONKRÉTNÍ SKLÁDCE ODPADU ÚVOD DO PROJEKTU POPIS A PROVEDENÍ TECHNOLOGICKÝCH ČÁSTÍ KOGENERAČNÍ JEDNOTKA TEDOM CENTO T160 SP BIO NOC EKONOMIKA PROVOZU ZÁVĚR LITERATURA... 50

6

7 1. ÚVOD V posledních letech výrazně stoupá zájem o technologie bioplynu. To se projevuje nejen rostoucím počtem projektovaných a budovaných bioplynových stanic, ale i velkým zájmem mnoha zemědělců, obcí, firem, politiků a soukromých osob o vývoj v této oblasti. Také lidé odpovědní za hospodaření s energií dnes již na decentralizovanou výrobu proudu z bioplynu nepohlížejí tak skepticky jako dříve. Pro potravinářský průmysl a gastronomii, velkokapacitní kuchyně, kantýny a odpadové hospodářství nabízí bioplynová technologie možnost zlikvidovat organické zbytky a odpady, jichž stále přibývá, nenákladnou cestou v zemědělských zařízeních. A jelikož tato technologie je ekologicky výhodná také pro zpracování kejdy a hnoje (např. se sníží zatížení pachem), oceňují ji stále více i lidé mimo zemědělství. Energie ukrytá v bioplynu by měla být využita co nejintenzivněji, což se týká zejména schopnosti vyvíjet vysoké teploty a sílu. Vysoký obsah metanu a tím i vysoká výhřevnost řadí bioplyn mezi ušlechtilé zdroje energie. Bioplyn se z metanizačních reaktorů odvádí do nízkotlakého plynojemu a odtud se potom rozvádí k dalšímu zpracování. Část bioplynu se zužitkovává k vyhřívání metanizačních nádrží a pro další tepelné hospodářství bioplynové stanice. Zbývající část energie se využívá k výrobě tepla pro vytápění budov, na výrobu teplé vody, sušení, v kogeneračních jednotkách se přeměňuje na elektrickou energii apod., zbytek bioplynu se spaluje na hořácích zbytkového plynu. Bioplyn lze získávat řízeným procesem v bioplynovém reaktoru nebo ho jímat ze skládek komunálního odpadu. Zde se skládkový plyn tvoří díky značnému podílu biologicky rozložitelného odpadu, který je jako součást komunálního odpadu ukládán na skládky. V tělese skládky dochází ke stejným procesům jako v bioplynovém reaktoru. Výsledkem je směs plynů, hlavně oxidu uhličitého a metanu. Oba jsou nazývány skleníkovými plyny, brání růstu kořenů rostlin a metan společně se vzduchem tvoří výbušnou směs. Jsou tedy fyziologicky, chemicky i fyzikálně škodlivé. Každá skládka proto musí být odplyněna. Účelem odplynění skládky je odvádět vznikající plyn tak, aby bylo zabráněno jeho nekontrolovatelné migraci do okolí, aby bylo zabráněno růstu vnitřního přetlaku plynů ve skládce nad limitní hodnoty a aby bylo zabráněno ohrožení bezpečnosti výbuchem nebo vznícením plynu na tělese skládky i v jeho okolí. 7

8 Bioplyn je jedním z alternativních zdrojů energie. Zelená energie je zvýhodňována na českém energetickém trhu vyhláškou ministerstva průmyslu a obchodu z O způsobu výkupu energie za minimální stanovenou cenu. Tato vyhláška stanovuje minimální cenu pro výkup energie po 15 let její výroby. 8

9 2. OBECNÉ PROCESY VEDOUCÍ KE VZNIKU BIOPLYNU S PŘEHLEDEM BIOCHEMICKÝCH PRINCIPŮ JEHO TVORBY 2.1 Vznik bioplynu Bioplyn je produktem látkové výměny metanových bakterií, ke které dochází když bakterie rozkládají organickou hmotu. Tento proces rozkladu má v podstatě čtyři fáze: V první fázi přeměňují přítomné anaerobní bakterie, tedy ještě nikoli metanové bakterie, makromolekulární organické látky (bílkoviny, uhlovodíky, celulózu) pomocí enzymů na nízkomolekulární sloučeniny jako jsou jednoduché cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny a voda. Tento proces se nazývá hydrolýza. Poté mohou acidofilní bakterie provést další rozklad na organické kyseliny, oxid uhličitý, sirovodík a čpavek. Z těchto nyní octotvorné bakterie vytvoří acetáty, oxid uhličitý a vodík. A teprve na konec metanové bakterie v alkalickém prostředí vytvoří metan, oxid uhličití a vodu. Při kontinuálním plnění organickou hmotou probíhají tyto procesy vedle sebe a nejsou odděleny ani místně ani časově. Pouze při rozběhu bioplynové stanice, u dávkových (nespojitých) procesů a vícestupňových bioplynových stanic probíhají fáze rozkladu odděleně. Po zahájení provozu stanice může proto trvat několik týdnů, než nastane 4. fáze, tj.tvorba metanu, a než vznikající plyn shoří. Dnes je známo asi 10 druhů methanococcus a methanobacterium o velikosti pouze 1/1000 mm, které vyžadují různé typy péče Životní podmínky metanogenních bakterií Vlhké prostředí Metanové bakterie mohou pracovat a množit se jen tehdy, když jsou substráty dostatečně zality vodou (alespoň z 50 %). Na rozdíl od aerobních bakterií, kvasinek a hub nemohou žít v pevném substrátu. Zabránění přístupu vzduchu Metanové bakterie jsou striktně anaerobní. Je-li v substrátu přítomen kyslík, jako například v čerstvé kejdě, musejí ho aerobní bakterie nejprve spotřebovat. K tomu dochází v první fázi bioplynového procesu. Nepatrné množství kyslíku, jaké vzniká z cíleného nafoukání vzduchu při o odsíření, však neškodí. 9

10 Zabránění přístupu světla Světlo sice bakterie neničí, ale brzdí celý proces. Zabránit přístupu světla není problém. Stálá teplota Metanové bakterie pracují při teplotě mezi 0 C a 70 C. Kromě několika kmenů, které mohou žít při teplotě až 90 C, při vyšších teplotách hynou. Při teplotách pod bodem mrazu přežívají, ale nepracují. Literatura udává jako dolní hranici 3 až 4 C. Rychlost procesu vyhnívání je na teplotě silně závislá. Zásadně platí: čím vyšší je teplota, tím rychleji nastává rozklad a tím vyšší je produkce plynu, tím kratší je doba vyhnívání a tím nižší je obsah metanu v bioplynu. Množství plynu se ovšem v průběhu vzájemného kontaktu složek substrátu sbližují. Praxe ukázala 3 typické teplotní oblasti, které jednotlivých bakteriálním kmenům prospívají: psychrofilní kmeny teploty pod 20 C mezofilní kmeny teploty od 25 do 35 C termofilní kmeny teploty nad 45 C. Čím vyšší teplota, tím jsou bakterie citlivější na teplotní výkyvy, zejména jsou-li výkyvy krátkodobé a teplota klesne. Zatímco mezofilní oblasti baterie denní výkyvy v rozmezí 2 až 3 C kolem střední hodnoty ještě zvládnou, v termofilní oblasti by výkyvy neměly být vyšší než 1 C. Po delší době (asi 1 měsíc) se bakterie přizpůsobí nové teplotní úrovni. Hodnota ph Hodnota ph by ve slabě alkalickém prostředí měla ležet okolo 7,5. U kejdy a hnoje tento stav nastává většinou samovolně ve 2. fázi vyhnívacího procesu vlivem tvorby amoniaku. U kyselých substrátů jako jsou výpalky, syrovátka a siláž bývá zapotřebí přidat vápno, aby se hodno ph zvýšila. Přísun živin Metanové bakterie nemohou rozkládat tuky, bílkoviny, uhlovodíky (škrob, cukr) a celulózu v čisté formě. Pro svou buněčnou stavbu potřebují rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky. V hnoji a kejdě je těchto látek dostatečné množství. Ale také tráva (čerstvá nebo konzervovaná), obsah bachoru přežvýkavců, kuchyňské odpadky, zbytky jídla, mláto, výpalky a syrovátka obsahují dostatek veškerých živin a v principu mohou být samy rozloženy. Pro praxi je však třeba doporučit užití hnoje a kejdy jakožto stálého základního substrátu a ostatních 10

11 jmenovaných látek jakožto přísad, aby nedošlo k vydělování složek ze směsi a aby se dosáhlo vyrovnaného poměru kyselosti a zásaditosti. Velké kontaktní plochy Organické látky nerozpustné ve vodě musejí být buď rozdrobeny (například tukové přídavky) nebo strukturovány tak (například celulóza), aby vznikly velké dotykové plochy. Materiály jako slámu, dlouhou trávu nebo bioodpad je nutno rozsekat, pokud možno na vlákna, protože jinak vyhnívají velmi dlouho a vytvářejí kalový strop (plovoucí příkrov). Inhibitory Organické kyseliny, antibiotika, chemoterapeutika a desinfekční prostředky mohou proces vyhnívání brzdit nebo úplně zastavit, zvláště při vyšších koncentracích. K tomu může dojít, když jsou najednou ošetřována všechna zvířata nebo se desinfikují stáje. Ošetřování jednotlivých zvířat nemá negativní účinky. Také je velký rozdíl mezi užívanými prostředky. Tyto prostředky se mohou nedokonalým tříděním komunálního odpadu dostat i na skládky komunálních odpadů jako nebezpečná složka. Zatížení vyhnívacího prostoru Takzvané zatížení vyhnívací prostoru (měrná jednotka: 1 kg os/m 3 *d; os = organická sušina) udává, jaké maximální množství organické sušiny na m 3 a den může být dodáno do fermentoru, aniž dojde k překrmení bakterií a zastavení procesu. Zatížení vyhnívacího prostoru závisí především na úrovni teploty, obsahu sušiny a době kontaktu. Obvyklé zatížení při teplotě 35 C leží mezi 0,5 a 1,5 kg os/m 3 *d, to znamená, že na 1 m 3 obsahu fermentoru je denně dodáno a zpracováno 0,5 až 1,5 kg organické sušiny. Zatížení vyhnívacího prostoru lze zvážit na 3 kg os/m 3 *d, absolutní horní hranice je dosaženo při 5 kg os/m 3 *d. Rovnoměrný přísun substrátu Aby nedošlo k nadměrnému zatížení plnicí zóny fermentoru, je třeba zajistit rovnoměrný přísun substrátu, a to v co nejkratších intervalech, např. jednou až dvakrát denně, v žádném případě ne týdně. To platí jak pro základní substrát tak také zvláště pro vysoce koncentrované kofermentáty jako např. tuk. Tímto způsobem se také zabrání nadměrnému poklesu teplot v plnicí zóně. Odplynování substrátu Vysoký rozkladný výkon mohou metanové bakterie vykazovat tehdy, když plyn ze substrátu může průběžně odcházet. Není-li plyn z vyhnívací nádrže odváděn, může v nádrži dojít k velkému vzestupu tlaku plynu, a tím i případným škodám. U řídkých 11

12 substrátů dokonce dochází ke spontánnímu vzniku malých plynových bublin. Zemědělské substráty s vyšším obsahem sušiny přes 5 % - by však měly být dodatečně odplyňovány. Pro tento účel se osvědčilo materiál několikrát denně promíchat. 2.2 Biochemické principy Biochemické procesy probíhající v kulturách metan produkujících mikroorganismů jsou v posledních třiceti letech předmětem velmi intenzivního výzkumu. Jsou objevována stále nová biologická individua, velmi často se tak děje díky hlubší separaci směsných symbiotických kultur na stále větší počet jednotlivých druhů vytvářejících přírodní bakteriální agregáty. Skutečnost, že jako většinové zdroje metanu byly potvrzeny jen kyselina octová a oxid uhličitý s vodíkem, by neměla být chápána jako jednoduché a úplné řešení. Již samotný rozklad kyseliny octové na metan není tak jednoduchý, jak by se mohlo zdát podle reakčního schématu: CH 3 COOH = CH 4 + C0 2 Je-li kyselina octová přeměňována acetotrofními metanogeny, vznikají skutečně metan a oxid uhličitý v poměru blízkém ekvimolárním výtěžkům. Výsledek hledání původu metanu jako finálního produktu je však poněkud překvapující. Z metylové skupiny kyseliny octové pochází pouze 86 % CH 4, zbylých 14 % je z uhlíku karboxylu. Toto bylo nalezeno pro druh Methanosarcina bakteriea, který je typickým acetotrofem, bylo však též ukázáno, že menší podíl metanu z celku je u této bakterie produkován také z metanolu a vodíku a jiných jednouhlíkatých substrátů. Energetický výtěžek reakce kyseliny octové na metan a oxid uhličitý CH 3 COOH = CH 4 + CO 2 je velmi nízký G = -32 kj/mol oproti reakci CO2 se 4 molekulami vodíku C H 2 = CH 4 + 2H 2 O G = -130 kj/mol a zdá se, že reakce bydrogenace methanolu CH 3 OH + H 2 = CH 4 + H 2 O G = -112 kj/mol také zlepšuje energetickou bilanci celého systému a umožňuje rychlejší průběh reakcí. Kinetika i růstová rychlost je podstatně ovlivňována energetickým výtěžkem (růst hydrogenotrofů je v průměru 8x 10x rychlejší než růst acetotrofů). Požadavky metanogenů na druh substrátu jsou různé, z rozpoznaných druhů jasně převažují kineticky rychlejší hydrogenotrofy. 12

13 Jediným, výlučně specializovaným druhem byl seznán Methanothrix soehngenii, rostoucí pouze na kyselině octové. Téměř univerzální hydrogenotrofie" mezi naprostou většinou metanogenů je také příčinou toho, že v jejich funkčně stabilizovaných kulturách prakticky úplně vymizí volný vodík. Metan produkující mikroorganismy stojí na samém konci rozkladného řetězce. V řadě procesů končících u plynného metanu se uplatňují postupně tyto dílčí pochody: Hydrolýza vysokomolekulárních látek z hlavních skupin lipidů, proteinů a polysacharidů se uskutečňuje pomocí mimobuněčně působících hydrolytických enzymů. Vedle hydrolýzy probíhá obyčejně i acidogeneze. Acidogeneze vedoucí k nižším nasyceným karbonovým kyselinám po primární destrukci sacharidů, lipidů i proteinů. Hydrolýzu a acidogenezi zajišťují velmi pestré a početné kultury příslušející k čeledím Streptococcaceae a Enterobacteriaceae a k rodům Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium, Eubacterium a dalším. Zvláštním případem acidogeneze je acetogeneze, tedy tvorba kyseliny octové, obecněji pak syntrofní acidogeneze. Bakterie tzv. syntrofních druhů jsou jak se ukázalo vrcholně důležité pro anaerobní rozklady. Vystupují jako funkční mezičlánky poskytující jednak krok za krokem kratší alifatické kyseliny, a jednak přitom produkují směs vodíku a oxidu uhličitého. Synirophobacter wollinii rozkládá kyselinu propionovou na kyselinu octovou, vodík a CO 2. Sytrophomonas wolfei štěpí delší alifatické kyseliny se sudým počtem uhlíků na kyselinu octovou a vodík, lichouhlíkaté řetězce jsou štěpeny na kyselinu propionovou a octovou a vodík. Syntrofní mikroorganismy pracují v nejtěsnějších společenstvech s metanogeny. Syntrophus buswelii se nachází ve společenstvech jak s metanogeny, tak i se sulfát-reduktanty. Tento mikroorganismus je schopen konvertovat i kyselinu benzoovou na octovou. K anaerobním procesům biometanizace musíme započíst i důležité další doprovodné pochody, které se aktivizují v anaerobních podmínkách. Tyto důležité procesy se uskutečňují činností mikroorganismů nazývaných souhrnně Homoacetoseny, sulfátreduktanty, nitrátreduktanty. Homoacetogeny tvoří kyselinu octovou ale bez doprovodné tvorby vodíku (Clostridium thermoaceticum anebo Butyrihacterium methylotrophicum). Sulfátreduktanty a nitrátreduktanty jsou v procesu vzniku bioplynu velice důležitými minoritními skupinami, jejichž význam vsak může nabýt rozměrů téměř klíčových. 13

14 Tyto mikroorganismy rostou na víceuhlíkatých substrátech a spotřebovávají i anorganické anionty síranové a dusičnanové. Produktem jejich činnosti je pak vedle kyseliny octové a vodíku i sulfan a dusík. Methanogeneze jako hlavní finální článek rozkladného řetězce. Pro činnost metanogenů a pro průběh reakcí směřujících k metanu má velký význam stav a pohyb vodíku ve sledovaném prostředí. Systémy redukce a oxidace elektronových přenašečů jsou silně ovlivňovány vodíkem, neboť přenosové reakce se odehrávají jako u nikotinamidadenindinukleotidu (NADH) NADH + H + = NAD + + H 2 G = +18 kj/mol Kladná hodnota G znamená, že reakce za standardních podmínek nemůže probíhat. Reakce se může realizovat pouze za velice nízkého parciálního tlaku vodíku. Vodík přitom neovlivňuje v anaerobních reakcích pouze jejich rychlost, nýbrž i směry, kterými se reakce ubírají. Rozklad glukózy například probíhá s ovlivněním rovnováhy přítomným vodíkem od procesů, které vodík produkují až k jeho spotřebě PRODUKCE H 2 (+ 4 moly) C 6 H 12 O 6 + 2H 2 0 2CH 3 COOH + 2CO 2 + 4H 2 (GLUKÓZA) (KYSELINA OCTOVÁ) PRODUKCE (+2 moly) C 3 H 7 COOH + 2CO 2 + 2H 2 (KYSELINA MÁSELNÁ) +2H 2 2C 2 H 5 COOH + 2H 2 O (KYSELINA PROPIONOVÁ) Syntrofní acetogeny rozkládající kyseliny máselnou či propionovou jsou ve svých růstech pomalé a protože při jejich reakcích je vodík produkován, jsou tyto reakce v přítomnosti vodíku silné brzděny. Energeticky nejméně výhodným je rozklad kyseliny propionové a také proto jsou propionové bakterie nejpomalejší a nejvíce citlivé. U reaktorového bioplynu signalizuje přítomnost vyšších koncentrací kyseliny propionové velkou zátěž reaktoru. Pro svůj nejpomalejší rozklad je kyselina propionové typickým pachovým nositelem i ve skládkových plynech, kde rozsah a změny acidogeneze jsou dobře vysledovatelné již právě pouze podle zápachu plynu. V mladých" partiích převládá ve směsi zápach 14

15 kyseliny máselné, plyn ze stabilizovaných částí, kde dobře funguje metanogeneze je typicky cítit po kyselině propionové. Celkovou rychlost anaerobní biometanizace tedy neurčují pouze metanogeny, nýbrž i kroky jim v činnosti předcházející. Odstraňování nízkomolekulárních karbonových kyselin je pravě takovým krokem s klíčovou funkcí spočívající v rozkladu kyseliny propionové. Rozklad kyseliny propionové může probíhat nejméně dvěma způsoby, obě cesty však jsou díky pozitivním hodnotám G silně znevýhodněny v přítomnosti vodíku a v prostředí nízkých ph. C 2 H 3 COO - + 3H 2 0 = CH 3 COO - + HCO H + + 3H 2 G = +76 kj/mol C 3 H 7 COO - + 2H 2 O - = 2CH 3 COO - + H + + 2H 2 G = +48 kj/mol Proto musí hydrogenotrofhí metanogeny nejprve dramaticky snížit parciální tlaky vodíku v systému tak, aby syntrofní acetogeny mohly dokončit rozklad kyseliny propionové jako zhruba předposlední krok na cestě k bioplynu. Opačná situace způsobená například intoxikací hydrogenotrofních metanogenů kyslíkem vede k nárůstu koncentrace vodíku a k výraznému zbrzdění rozkladu karbonových kyselin. Nízké ph prostředí a přítomnost vodíku jsou těmi nejcitlivějšími indikátory průběhu a stavu biomethanizačních procesů jako celku. Systém biochemických procesů celého komplexu biometanizace je na ph a přítomnost vodíku velmi choulostivý a kyselé prostředí spolu s nálezem vodíku v plynu signalizuje většinou rychle končící tvorbu metanu. Metanogeny většinou metabolizují substráty simultánně podle energetické výhodnosti. Vodík sice brzdí rozklady alifatických karbonových kyselin, avšak je-li v prostředí přítomna směs H 2 a C0 2, pak souběžně probíhá metanizace" kyseliny octové i oxidu uhličitého. Většina metanogenů není substrátově zcela vázána na jediný zdroj. Zvláštní postavení však zaujímá bakterie druhu Methanothrix soehngenii, která roste pouze na kyselině octové a je tak zcela specifickým acetotrofem. Tyto organismy vodík vůbec neovlivňuje při rozkladu CH 3 COOH na metan. Tedy neovlivňuje biometanizaci v této finální rovnici, ovlivní (zpomalí) však proces vzniku kyseliny octové z kyseliny propionové. Jako zcela nová zjištění o využitelností anaerobních bakterií lze uvést poznatky o intenzifikaci těžby ropy s pomocí denitrifikačnich mikroorganismů Petrobacter 15

16 suecinatimandes a Garciella nitratreductans. Tyto bakterie jsou schopny kultivace v anaerobních prostředích za tvorby organických kyselin, C0 2 a CH 4. Takto vznikající bioplyn vypuzuje zbytkový olej z pórů hornin a nabízí až trojnásobné zvýšení výtěžku surového oleje. 3. OBECNÉ MOŽNOSTI ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ BIOPLYNU Bioplyn je díky svému složení nezáměnný se zemním plynem a vyžaduje pro své upotřebení upravené spotřebiče. Jeho energetický obsah je určován prakticky pouze obsahem metanu a pohybuje se zhruba od MJ/m 3 (výhřevnost). Pro spalování tohoto plynu je současný trh již dobře zásoben velmi širokou výkonnou škálou spolehlivých automatických hořáků, vhodných pro jakékoliv druhy komunálních či průmyslových otopů. Velmi dobrá je i situace v široké nabídce kogeneračních jednotek. Plynové turbíny by jistě byly aplikovatelné avšak u bioplynu se s nimi většinou nepočítá, neboť u poměrně malých zdrojů je zde vysoká měrná cena zařízení. Bioplyn je možno též komprimovat k pohonu vozidel anebo kompresí kombinovat s vypírkou (vodní), která je schopna za určitých podmínek docílit i kvality náhradního zemního plynu. Bioplyn též nabízí výhodné podmínky pro kogenerační systémy, kde část tepla je využívána pro otopy. Přebytky odpadního tepla je možno využít i pro pohon absorpčních chladících agregátů (skladování za nízkých teplot). Jako zvláštní řešení je popsán i zcela obrácený" postup využití bioplynu, kde energie vyrobená z něj je spotřebována v procesu výroby kapalného, velmi čistého C Kogenerace Pojem kogenerace znamená kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Oproti klasickým elektrárnám, ve kterých je teplo vzniklé při výrobě elektrické energie vypouštěno do okolí, využívá kogenerační jednotka teplo k vytápění a šetří tak palivo i finanční prostředky potřebné na jeho nákup. Jak pracuje kogenerační jednotka Elektrická energie vzniká ve všech elektrárnách roztočením elektrického generátoru pomocí turbíny. Teplo nutné k výrobě páry, která turbínu pohání, se většinou získává spalováním uhlí nebo štěpením jader uranu. Velká část tepla však není využita a je bez užitku vypouštěna do ovzduší. Účinnost výroby v tepelných elektrárnách se 16

17 pohybuje kolem 30 %, nejmodernější paroplynové elektrárny pak mají účinnost kolem 50 %, ovšem k dalším ztrátám ve výši asi 11 % dochází při transformaci a dálkovém přenosu elektrické energie. V kogenerační jednotce vzniká elektrická energie stejným způsobem jako v jiných elektrárnách - roztočením elektrického generátoru, a to pomocí pístového spalovacího motoru. Motory v kogeneračních jednotkách jsou standardně konstruovány na zemní plyn, mohou však spalovat i jiná kapalná či plynná paliva. Teplo, které se ve spalovacím motoru uvolňuje, je prostřednictvím chlazení motoru, oleje a spalin efektivně využíváno a díky tomu se účinnost kogeneračních jednotek pohybuje v rozmezí %. Výhody kogenerace Úspora paliva Použití kogeneračního způsobu výroby tepla a elektrické energie představuje zhruba 40% úsporu paliva. Převedeno na peníze to znamená, že za stejné množství energie zaplatí uživatel pouze 60 % finančních prostředků Úspora nákladů na nákup energie Ze stejného množství paliva se získá přibližně dvojnásobné množství energie, z níž část může prodávat, a tím opět snižovat vlastní náklady. Minimalizace nákladů na rozvod energie Teplo i elektrická energie navíc vznikají v místě své spotřeby, čímž odpadají náklady na rozvod energie i ztráty tímto dálkovým rozvodem způsobené. Teplo vznikající v kogenerační jednotce je využito k vytápění budov, přípravě teplé užitkové vody nebo k přípravě technologického tepla. Ekologický způsob výroby Protože se při použití kogeneračního způsobu výroby elektřiny a tepla ušetří asi 40 % paliva, zatěžuje kogenerace z ekologického hlediska přibližně o totéž procento méně životní prostředí. 17

18 Energie pro případ nouze Kogenerační jednotky slouží často též jako nouzové zdroje elektrické energie v místech její nepřetržité potřeby. Výroba chladu Pomocí absorpčního výměníku je vyrobené teplo možno využít i k výrobě chladu pro technologické účely nebo klimatizaci. V takovém případě se hovoří o tzv. trigeneraci, kombinované výrobě elektrické energie, tepla a chladu. Bioplyn jako palivo kogeneračních jednotek Kogenerační jednotky jsou zařízení pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Malé jednotky využívají především pístové spalovací motory, upravené pro pohon plynnými palivy. Dominantním palivem bývá zemní plyn, stále častěji se však využívají i alternativní paliva, především různé druhy bioplynů. Bioplyn je možné získávat v bioplynových stanicích zbudovaných především u čistíren odpadních vod, na skládkách komunálních odpadů nebo v zemědělských podnicích zaměřených na živočišnou výrobu. Ekonomické výhody nasazení kogeneračních jednotek v bioplynových stanicích Oproti pouhé výrobě tepla při spalování bioplynu v kotlích nabízí kogenerace možnost výroby elektrické energie, která může být využívána pro vlastní spotřebu objektu nebo může být prodávána do sítě rozvodných závodů. V případě výroby pro vlastní spotřebu tak lze získat mnohem levnější elektřinu než jejím nákupem ze sítě, v případě jejího prodeje je možné využít výhodné výkupní sazby elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů energie. Jelikož bioplyn vzniká zpravidla jako vedlejší produkt při zpracování organických odpadů, jsou náklady na provoz kogenerační jednotky tvořeny především odpisy zařízení a servisními náklady. Výnosy tvoří pak ušetřené náklady za teplo a elektřinu, případně příjmy z prodeje elektřiny do sítě. Předpoklady pro využití bioplynu k pohonu kogenerační jednotky Aby se bioplyn dal využít k pohonu kogenerační jednotky, která bude provozovateli přinášet ekonomický efekt, je třeba si ujasnit především tyto skutečnosti: Vlastnosti bioplynu (obsah metanu, stálost kvality plynu, obsah škodlivých příměsí). Dostupnost rozvodu - je-li k dispozici rozvod zemního plynu, je možné použít dvoupalivovou kogenerační jednotku pro kombinovaný provoz na zemní plyn a bioplyn (přepínání paliv). To je výhodné především v případě nerovnoměrné produkce bioplynu. V případě nedostatečné kvality bioplynu je rovněž možné využít směšování bioplynu a zemního plynu. 18

19 Požadavky na funkce kogenerační jednotky - bude stačit paralelní provoz ze sítí nebo bude výhodné využít kogenerační jednotku i jako nouzový zdroj elektrické energie, případně ji provozovat v ostrovním režimu. Jaké jsou stávající spotřeby a ceny energií objektu - tyto údaje jsou důležité pro navržení vhodného typu kogenerační jednotky a způsobu jejího využití. Požadavky na vlastnosti bioplynu Vlastnosti bioplynu jsou jedním ze základních parametrů, které mají vliv na možnost jeho využití pro pohon motoru kogenerační jednotky. Některé vlastnosti mohou uvažovaný záměr významně prodražit, či úplně znemožnit. Ke zhodnocení vlastností bioplynu je proto nutné přistupovat velmi odpovědně. Při hodnocení je potřeba znát následující vlastnosti : Obsah metanu CH4 - běžně 55 až 65 % (za minimální hranici se považuje koncentrace 50 %). Tlak bioplynu - pro spalování bioplynu v kogenerační jednotce je obvyklá hodnota tlaku v rozsahu 1,5 až 10 kpa. Stálost kvality plynu (stabilita složení a tlaku bioplynu) - ovlivňuje stabilitu chodu a emise škodlivin. Obsah škodlivých příměsí (především sloučeniny síry, fluoru a chloru) - tyto sloučeniny mohou způsobovat korozi dílů sacího traktu a vnitřních dílů motoru přicházejících do styku s mazacím olejem. Při vyšším obsahu síry je vhodné použít odsiřovací zařízení. 3.2 Motory pro bioplynový provoz Hlavním problémem při výrobě proudu z bioplynu je najít spalovací motor, který by splňoval následující požadavky: Nízká cena umožněná sériovou výrobou Dlouhá životnost i při plné zátěži a stálém provozu. Dobrá mechanická účinnost i při částečné provozní zátěži. 19

20 Jednoduchá údržba, kterou obsluha zvládne, a dobrá přístupnost k součástem vyžadujícím údržbu. Rychlá dostupnost náhradních dílů, dílna pro speciální práce v blízkosti. Malá hlučnost a malé emise výfukových plynů. Velká zásoba mazacího oleje a dlouhé intervaly pro jeho výměnu. Kapalinové chlazení pro využití odpadního tepla. Odolnost vůči vlhkosti a stopovým látkám v bioplynu. Když se na nabídku motorů podíváme podrobněji, zjistíme, že je těžké najít stroje splňující ve stejné míře všechny tyto podmínky. Je tedy nutno dělat kompromisy. Především požadavky nízké ceny při dlouhé životnosti a dobré účinnosti lze těžko spojit. Pro praktické použití v bioplynových stanicích připadají v současné době v úvahu plynové zážehové (Ottovy) motory, na plynové zážehové motory přestavené dieselové motory, jakož i dieselové motory se vstřikem zapalovacího oleje. Plynový zážehový motor pracuje výhradně na bioplyn, respektive za nouzového provozu na kapalný plyn (benzin). Je nezbytný zážeh z cizího zdroje za použití zapalovacích svíček. Lze použít benzinové motory upravené na plynový pohon a rovněž upravené diesel motory, které je třeba vybavit směšovačem plynu a zapalovacím zařízením namísto vstřikovacího zařízení. 3.3 Trigenerace Trigenerace znamená kombinovanou výrobu elektřiny, tepla a chladu, technologicky se pak jedná o spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou. To je výhodné zejména z pohledu provozu kogenerační jednotky, protože umožňuje využít teplo i v létě, mimo topnou sezónu, a tím dosáhnout prodloužení ročního chodu jednotky. Právě snížené možnosti využití tepla z kogenerační jednotky v letních měsících vedou často k nasazení menších jednotek, než by bylo jinak vhodné. Pokud tedy dovedeme přeměnit teplo na chlad, nic nestojí v cestě tomu, aby kogenerační jednotka mohla naplno pracovat i přes léto. Vyrobený chlad může být využit všude tam, kde je zapotřebí klimatizace - v bankách, hotelech, obchodních a administrativních střediscích, nemocnicích, sportovních halách apod. 20

21 3.4 Vytápění bioplynem Pro vytápěni bioplynem se užívají kotle jednak s atmosférickými hořáky pro malý výkon od 10 do 30 kw a jednak s dmýchadlovými hořáky pro větší výkon. Topné kotle lépe pracují s vyrovnávacími zásobníky, na které je napojeno vytápěni domu, ohřev fermentoru, zásobování užitkovou vodou a podle možností i sušení sena a obilí. Cenově výhodnou alternativou ke kotli je průtokový ohřívač, který pracuje s atmosférickým hořákem a užívá se především pro ohřev užitkové vody. Rozsah výkonu leží mezi 5 a 30 kw. Všechna topná tělesa musejí mít bezpečnostní pojistky (jištění zapalování, hlídač plamene), které zabraňují úniku plynu. Nízký tlak ve fóliových plynojemech, jaké se dnes převážně používají, sice stačí pro provoz samonasávacích plynových a dieselových motorů, ale není dostačující pro kotle a průtokové ohřívače. Zde je zapotřebí připojit kompresor s regulátorem tlaku. K tomuto účelu se užívají převážné okružní kompresory s postranním kanálem, které mají tichý chod, malé opotřebení a dlouhou životnost. 3.5 Zásobování plynovodní sítě V budoucnosti může získat na významu přímé zásobování plynovodní sítě bioplynem. Pro zemědělství to znamená nové perspektivy. Předpokladem je ovšem oddělování plynu, které je však hospodárné, teprve když objem výroby bioplynu dosáhne 50 m 3 za hodinu. Plyn je nutno před dodáním do sítě odvodnit a odsířit a musí být oddělen CO 2. Základním předpokladem je však změna legislativy. Podobně jako existuje zákon dodávkách proudu, je naléhavě nutno přijmout i zákon o dodávkách plynu. 4. CHEMICKÉ SLOŽENÍ BIOPLYNU A JEHO FYZIKÁLNÍ A CHEMICKÉ VLASTNOSTI 4.1 Chemické složení bioplynu Bioplyn je svým chemickým složením jednoduchým i komplikovaným systémem současně. Jednoduché je vždy majoritní složení bioplynu, tedy zastoupení složek v jednotkách objemových procent a výše. Reaktorové bioplyny jsou prakticky tvořeny pouze binární směsí metanu a oxidu uhličitého v různých poměrech podle podmínek biometanizace a podle kvality substrátu. Obyčejně se do majoritních složek 21

22 bioplynů ještě zahrnují i další anorganické plyny přítomné v malých obsazích v desetinách objemového procenta. Velmi komplikované je ale složení stopových příměsí v bioplynech. Ve stopových složkách je též zřetelná diference mezi bioplyny reaktorovými a skládkovými Majoritní složky v bioplynech Majoritní složky bioplynu jsou v nejužším hodnocení u kvalitních plynů pouze dvě: metan a oxid uhličitý. Obsahy veškerých dalších plynů jsou více než o jeden řád nižší, tedy jsou v úrovních nejvýše desetin procenta (u kvalitního bioplynu). Z biologických pochodů může však také pocházet malé množství dusíku elementárního, oxidu dusného a bioplyn někdy obsahuje i relativně velmi vysoké obsahy sulfanu. V tabulce jsou shrnuty měrné hmotnosti a molární objemy plynů, s jimiž je ve složení bioplynu nejčastěji nutno počítat. Tab. 1 Hmotnost normálního krychlového metru plynu (suchý, 0 C, 101,32 kpa) plyn molekulová hmotnost měrná hmotnost [kg/m 3 (V n )J] objem 1 kmolu za norm, podmínek [m 3 (V n )/kmol] methan CH 4 16,0430 0, oxid uhličitý CO 2 44,0100 1, ,26 vzduch bez (CO 2 ) 28,96 1, ,40 vzdušný dusík (vč. Ar) 28,016 1, ,40 dusík čistý N 2 28,0134 1, ,40 argon Ar 39,948 1, ,39 kyslík O 2 31,9988 1, ,39 vodík H 2 2,0159 0, ,43 oxid dusný N 2 O 44,0128 1, ,25 sulfan H 2 S 34,0800 1, ,14 amoniak NH 3 17,0306 0, ,08 chlorovodík HCl 36,461 1, ,25 V majoritních složkách je poměrně velký rozdíl mezi reaktorovým a skládkovým bioplynem. Skládka odpadů, na rozdíl od reaktoru, není tělesem ideálně plynotěsným a procesy difúzní i vlivy měnícího se barometrického tlaku způsobí, že v plynu je naředěn zůstatek ze zreagovaného vzduchu anebo dokonce, že plyn obsahuje určitý podíl nezměněného přisátého vzduchu. Skládkový plyn tedy na rozdíl od plynu 22

23 reaktorového obsahuje vedle metanu a CO 2 i podíly vzdušného dusíku, může se vněm nalézat i argon (původem rovněž ze vzduchu) a nezreagovaný kyslík. Poměrné zastoupení obou hlavních složek bioplynu CH 4 a CO 2 můžeme v literatuře nalézt jako značně proměnné podle reagujícího substrátu v širokých mezích zjištěných obsahů metanu od 50 do 85 % obj. Různé prameny se obecně shodnou pouze v tom, že proteiny a lipidy poskytují vyšší výtěžky a vyšší koncentrace CH 4 oproti polysacharidům. Je zcela zjevné, že určení přesné hranice obsahu metanu a oxidu uhličitého v bioplynu podle použitého substrátu je dosti nereálné, neboť proces ovlivňuje mnoho dalších parametrů. Je to především skladba a stav přizpůsobení bakteriálních kultur a dále teplota, ph, typ reaktoru, zatížení reaktoru a podobné vlivy. Na těchto parametrech závisí nejen poměrné zastoupení CH 4 a CO 2 v bioplynu, nýbrž i celkový měrný výtěžek metanu vztažený na hmotnostní jednotku zpracovaného substrátu. Obsah metanu v reaktorovém bioplynu je ve stabilizovaném provozu biometanizace veličina rovněž stabilní a jeho kolísání o více než 2 % již signalizuje měnící se fermentační podmínky. Ve velké většině případů se obsahy metanu v reaktorovém bioplynu nalézají v užších rozmezích než je v předchozím odstavci uvedeno a pohybují se mezí % obj., zbývající objem, s výhradou velmi malého zlomku pro minoritní příměsi, je tvořen pouze oxidem uhličitým. Bioplyny s obsahem metanu analyzovaným v úrovni pod 55 % obj. by měly zavdávat příčinu k prověření procesu a tím i k možnému včasnému odhalení technologického problému U digesčních systémů pracujících bez tzv. předreaktorů probíhají acidogcnní procesy souběžně s biometanizací, a proto zde musí být např. stavy nežádoucí acidifikace prostředí přísně sledovány. Složky s vysokou koncentrací Metan - CH 4 - je to alkan bez barvy, bez zápachu, hořký s výhřevností 35,8 KJ m 3, málo rozpustný ve vodě. Je lehčí jak vzduch a v 5-14 procentní směsi se vzduchem je výbušný. V přírodě vzniká metan rozkladem rostlin nebo živočišných materiálů. Kromě bioplynu je metan důležitou složkou dalších plynů např. zemního plynu, báňského plynu, pyrolýzních plynů. Oxid uhličitý - CO 2 - je plyn bezbarvý, nehořlavý, bez zápachu, lehčí než vzduch. Za atmosférického tlaku sublimuje při teplotě 78,5 C. Je značně rozpustný ve vodě. Jeho obsah v bioplynu je značně proměnlivý, když maxima dosahuje na počátku metanogenní fáze a následně klesá rovnoběžně se stoupajícím obsahem metanu. Je 23

24 téměř netoxický, ale při koncentraci vyšší jak ppn dochází k bezvědomí a eventuelně k udušení. Celkové množství oxidu uhličitého stoupá v současnosti velmi výrazně, a proto je taky označován za nejvýraznější skleníkový plyn. Kyslík - bezbarvý plyn a nezbytný biogenní prvek. Kyslík je součástí vzduchu 21 %, vody - 88,81 % a přístupné části zemské sféry 47,3 %, kde je především obsažen v oxidech a kyslíkatých solích. I když v literatuře o skládkovém plynu je uváděno, že metanogenní fáze probíhá pouze za anaerobních podmínek, obsahuje bioplyn vždy alespoň nepatrné množství kyslíku, jako důsledek jeho pronikání svrchní vrstvou odpadů a překryvné zeminy. S ohledem na výrazné zpomalení až zastavení rozkladných procesů při případné intrifikaci kyslíku do tělesa skládky a na hrozící nebezpečí exploze při vytvoření zmíněného poměru smetaném se řadí kyslík mezi nejsledovanější plyny na skládce. Dusík - bezbarvý plyn, bez zápachu, bez chuti. Za běžných podmínek nereaktivní, lehčí než vzduch. Vyskytuje se zejména jako součást vzduchu, který ho obsahuje 75,5 %. V přírodě je důležitým biogenním prvkem. Jeho množství závisí na stáří skládky a na produkci ostatních plynů. Dusík přítomný v odebíraném plynu z tělesa skládky pochází pouze ze vzduchu, protože konverzí organicky vázaného dusíku N na N 2 vzniká zanedbatelné množství. Složky s nízkou koncentrací Merkaptan, sulfan - vznikají při rozkladu organických látek obsahujících síru. Vyznačují se intenzivním zápachem, tím výrazně ovlivňují bezprostřední okolí skládky. Sulfan spolu s amoniakem působí velmi korozívně na kovové součásti bioplynových čerpacích stanic a oba plyny jsou pro živé organismy velmi toxické. Amoniak lze čichem rozlišit již od koncentrace 30 ppm, koncentrace přes 5000 ppm pak rychle usmrcuje. Koncentrace ppm způsobuje lehkou otravu. Nejvyšší přípustné koncentrace pro ovzduší jsou pro amoniak 0,3 mg/m 3, pro sulfan 0,008mg.m3. Obsah sulfanu ve skládkovém plynu se pohybuje v rozmezí mg/m 3, ale v naprosté většině nepřesáhnou hodnotu 20mg/m 3. Halogenderiváty - poškozují ozónovou vrstvu atmosféry. Vodní pára v bioplynu se objevuje pokud je jímán ze skládek komunálního odpadu. Do skládkového tělesa se dostává při srážkách, je součástí některých odpadů. Hraje významnou roli při rozkladných procesech, zabezpečuje transport živin a mikroorganismů do všech míst ve skládce. 24

25 4.2 Vlastnosti bioplynu Výhřevnost Hlavní výhřevnou složkou bioplynu je metan (CH 4 ). V závislosti na původu bioplynu (druh biomasy, ze které vznikl) může obsahovat některé nežádoucí sloučeniny. Tyto komponenty mají především vliv na životnost vybraných technologických celků. Z hlediska legislativy ochrany ovzduší je nutno především věnovat pozornost dodržení emisních limitů sirnatých sloučenin v bioplynu. Proto jsou některé bioplynové stanice vybaveny i odsiřovacími systémy. Srovnání chemického složení a výhřevnosti různých druhů bioplynu uvádí následující tabulka. Tab. 2 Srovnání chemického složení a výhřevnosti různých druhů bioplynu Parametr Bioplyn jímaný ze skládky odpadů Bioplyn (ČOV) Bioplyn (prasečí kejda) Výhřevnost (MJ/m 3 ) 16,9 21,1 24,0 H 2 (%) CO (%) O 2 (%) N2 (%) C1-, F- (mg/m J ) NH 3 (mg/m J ) CO 2 (%) CH 4 (%) H 2 S (mg/m J ) Hodnota výhřevnosti bioplynu je určena obsahem metanu. Ostatní plyny v bioplynu mají prakticky zanedbatelný energetický význam. Spalné teplo suchého bioplynu má hodnotu stejnou jako výhřevnost. Složení bioplynu závisí na náběhu anaerobního fermentačního procesu Hranice zápalnosti Hranice zápalnosti metanu ve směsi se vzduchem je asi 5-15 % objemových. I takto relativně malá koncentrace metanu tvoří výbušnou směs. Zápalné teplota je určena stejnou hodnotou pro metan, tj C. Velmi důležitá je hustota metanu a bioplynu s 60 % podílem metanu (CH 4 ). Vzduch je lehčí než bioplyn, proto vytváří pro živočichy i člověka smrtelně nebezpečné prostředí v reaktorových nádobách, 25

26 prohlubeninách a podobně. Po separaci obou hlavních složek bioplynu (CH 4 a CO 2 ) klesá oxid uhličitý (CO 2 ) dolů Metanové číslo U plynného paliva určuje obsah metanu (obj %) spalované binární směsi metanu a vodíku ve zkušebním spalovacím motoru. Metanu je definičně přiřazeno metanové číslo 100 a vodíku metanové číslo 0. Metan jako palivo ve spalovacím motoru není náchylný ke klepání (jeho oktanové číslo je si 140), oproti vodíku, který je velmi náchylný ke klepání. Plynné palivo obsahující jiné složky než metan a vodík se proměřuje v definovaném zkušebním spalovacím motoru a porovnává se s binární směsí metanu a vodíku. Analýzou naměřených údajů je možné konstatovat přídavky propanu a butanu do zemního plynu nebo dusíku a oxidu uhličitého do plynné směsi Vlhkost plynu Plyny běžně užívané v technické praxi obsahují v reálných podmínkách obvykle určité množství vodní páry. Důležitou vlastností vlhké směsí plynů je to, že vodní pára může snadněji kondenzovat než jiné složky. Vodní pára v plynné směsi má vliv na její termodynamické a transportní vlastnosti. Veličiny, které nám určují vlhkost plynu jsou tlak vodní páry, absolutní vlhkost, relativní vlhkost, stupeň nasycení plynu, měrná vlhkost, molární vlhkost, hmotnostní zlomek vodní páry, molární zlomek vodní páry, objemový zlomek vodní páry, teplota rosného bodu, rosný tlak. 5. ZÍSKÁVÁNÍ BIOPLYNU ZE SKLÁDKY KOMUNÁLNÍHO ODPADU 5.1 Komunální odpad Komunálním odpadem se všeobecně i podle legislativy rozumí veškerý odpad, který vzniká na území obce při činnosti fyzických osob a při čištění veřejných komunikací prostranství. Obsahuje nejen kategorii odpadu ostatního, ale v malém množství též nebezpečného. Ačkoliv se na vzniku komunálního odpadu podílejí fyzické osoby, je podle naší legislativy od jejího vzniku v r původcem komunálního odpadu obec, která proto musí plnit zákonné povinnosti původců odpadů. 26

27 Pojem komunální odpad zahrnuje též výraz domovní odpad, což je odpad z domácností tvořený zbytky z kuchyně (kuchyňský odpad), obaly, odpad po úklidu apod. Místo pojmu kuchyňský odpad se dnes používá spíše pojmu bioodpad, což jsou jak kuchyňské zbytky, tak i další organické zbytky, např. rostlin. Kromě bioodpadu se nyní objevuje i termín biologicky rozložitelný komunální odpad, který zahrnuje veškeré organické odpady nacházející se v domovním odpadu, tedy včetně organického obalového odpadu, a ovšem i organický odpad z údržby zeleně. Objemný odpad je komunální odpad větších rozměrů, které nelze shromažďovat v nádobách na odpad do velikosti 1,1 m 3 (např. pračky, starý nábytek, televizory, klozetové mísy, větve za zahrádek). Nákupem nového kvalitnějšího nebo méně energeticky náročného výrobku se ten starý stává amortizačním odpadem, i když se prosazuje snaha donutit výrobce k jejich zpětnému odběru. Obalový odpad tvoří použité obaly. Odpad podobný komunálnímu odpadu, je odpad, který vzniká v nebytových objektech právnických nebo fyzických osob či správních orgánů, tedy v úřadech, školách, živnostech, průmyslu a který má charakter komunálního odpadu. Produkují ho občané jakožto zaměstnanci, tak i podnikatelé při provozování činnosti, kterou vykonávají v souladu se získaným živnostenským oprávněním. Odpad tvoří papír, lepenky, kartony, plasty, sklo, textil, zbytky potravin, drobné kovové i nekovové předměty. Tento odpad se shromažďuje a odváží jako komunální odpad, ovšem náklady na jeho odstraňování musí hradit jeho původce Komunální odpad v Katalogu odpadů Komunální odpad je v Katalogu odpadů jako skupina Komunální odpady (odpady z domácností a podobné živnostenské, průmyslové odpady a odpady z úřadů), včetně složek z odděleného sběru Složky z odděleného sběru (kromě odpadů uvedených v podskupině 15 01) Papír a lepenka Sklo Biologicky rozložitelný odpad z kuchyní a stravoven Oděvy Textilní materiály * Rozpouštědla * Kyseliny 27

28 * Zásady * Fotochemikálie * Pesticidy * Zářivky a jiný odpad obsahující rtuť * Vyřazená zařízení obsahující chlorofluorouhlovodíky Jedlý olej a tuk * Olej a tuk neuvedený pod číslem * Barvy, tiskařské barvy, lepidla a pryskyřice obsahující nebezpečné látky Barvy, tiskařské barvy, lepidla a pryskyřice neuvedené pod číslem * Detergenty obsahující nebezpečné látky Detergenty neuvedené pod číslem * Nepoužitelná cytostatika * Jiná nepoužitelná léčiva neuvedená pod číslem * Baterie a akumulátory, zařazené pod čísly , nebo pod číslem a netříděné baterie a akumulátory obsahující tyto baterie Baterie a akumulátory neuvedené pod číslem * Vyřazené elektrické a elektronické zařízení obsahující nebezpečné látky neuvedené pod čísly a Vyřazené elektrické a elektronické zařízení neuvedené pod čísly , a * Dřevo obsahující nebezpečné látky Dřevo neuvedené pod číslem Plasty Kovy Odpady z čištění komínů Další frakce jinak blíže neurčené Odpady ze zahrad a parků (včetně hřbitovního odpadu) Biologicky rozložitelný odpad Zemina a kameny Jiný biologicky nerozložitelný odpad Ostatní Směsný komunální odpad Odpad z tržišť 28

29 Uliční smetky Kal ze septiků a žump Odpad z čištění kanalizace Objemný odpad Komunální odpady jinak blíže neurčené Fyzikálně-chemické charakteristicky komunálního odpadu Objemová hmotnost komunálního odpadu (hustota) obvykle v kg/m 3, která se určuje vážením boxu o měřitelném objemu. Vlhkost odpadu (v % hmot.) porovnáním hmotností odebraných vzorků komunálního odpadu (1 až 2 kg dle velikosti frakce) v přirozeném (vlhkém) stavu a po vysušení na 105 C. Obsah spalitelných látek (obvykle v % hmot.) hmotnost, o kterou se zmenší hmotnost jednotky sušiny odpadu jejím spálením za stanovených podmínek. Spalné teplo odpadu (obvykle v MJ/kg nebo v MJ/m 3 ) množství tepla, které se vyvine dokonalým spálením jednotkového množství (např. kg či m 3 ) odpadu v kalorimetrické tlakové nádobě v prostředí stlačeného kyslíku pří teplotě 25 C a jestliže se spaliny ochladí na původní teplotu spalovaného odpadu a voda zůstane po spálení v kapalném stavu. Výhřevnost odpadu (rovněž v MJ/kg nebo v MJ/m 3 ) spalné teplo odpadu zmenšené o výparné teplo vody, která vznikne z odpadu během hoření a uvolní se, takže voda zůstává po spálení v plynném stavu. Obsah uhlíku, dusíku (a jejich poměr C : N), fosforu a vodíku. Obsah vybraných prvků se zaměřením se na toxické prvky. 5.2 Skládka odpadů Skládka je technické zařízení (stavba ve smyslu stavebního zákona č. 50/1976 Sb., o územním plánování a stavebním řádu a pozdějších novel) určené k ukládání předepsaných druhů odpadů za daných technických a provozních podmínek při průběžné kontrole vlivu na životní prostředí. Skládky se člení podle různých hledisek: Ve vztahu k úrovni terénu: - podúrovňové 29

30 - nadúrovňové - podzemní - svahové - násypové - kombinované Podúrovňové skládky jsou typické příkrými svahy a nutností odčerpávat veškerou průsakovou vodu. Ukládání dopadů do prohlubně též znesnadňuje kontrolu. Svahové skládky se zřizují v bývalých lomech, pískovnách a jílovištích, která obvykle hyzdí krajinu, a proto po uzavření a rekultivaci skládky zlepšují vzhled krajiny. Kromě toho je možný gravitační odtok průsakových vod a tím i kontrola dějů na skládce. Nejoblíbenější jsou nadúrovňové skládky násypové pro bezpečný provoz, snadnou dlouhodobou kontrolu a gravitační odtok průsakových vod. Jejich nevýhodou je zábor půdy. Z hlediska ochrany před srážkami: - otevřené - zastřešené Podle způsobu uložení odpadu: - sládka jednodruhová (tou je i oddělené skládkování více druhů odpadů na jedné skládce, odpady však nesmějí být smíchány, mohou však být v kontejnerech) - skládka vícedruhová - skládka sdružená (uložen komunální odpad, průmyslový odpad) Doporučují se jednodruhové sládky. Podle časového hlediska: - sládky připravované - skládky provozované - skládky s přerušovanou či ukončenou činností Z hlediska zabezpečení: - zabezpečené či řízené - nezabezpečené též divoké, černé či reliktní Od 90. let se povolují jen zabezpečené skládky. Podle třídy vyluhovatelnosti odpadů (vyhláška 383/2001 Sb.), kdy podle způsobu technického zabezpečení a provozování se dělí skládky na 3 skupiny: 30

31 - S-IO (inertní odpad) ukládané odpady musí vyhovět limitům II. tř. vyluhovatelnosti. Nutné nepropustné geologické podloží nebo těsnění. - S-OO (ostatní odpad) ukládané odpady musí vyhovět III. tř. vyluhovatelnosti nebo se jedná o odpady nehodnotitelé podle vyluhovatelnosti, např. komunální odpad. Nutné předepsané těsnění. - S-NO (nebezpečný odpad) ukládané odpady nemusí vyhovět limitům vyluhovatelnosti III. tř. (tj. překračují je). Nutné předepsané kombinované těsnění. Hodnocení vyluhovatelnosti odpadů spočívá ve zjišťování koncentrací předepsaných škodlivin ve vodním výluhu odpadu a zařazování do tříd vyluhovatelnosti daných limitními hodnotami. Za odpady, které nelze hodnotit podle výluhu, se považuje směsný komunální odpad a odpady s proměnlivými fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi. Např. odpady v uzavřených obalech (výbojková světla, ztvrdlé nátěrové hmoty v plechovkách, baterie), zbytky potravin, drcené autovraky atd. Na skládky S-OO lze ukládat i nebezpečný odpad, pokud je umístěn v uzavřením kontejneru nebo nádobě, jejich technické provedení splňuje požadavky inženýrské bariéry požadované pro Sládky S-NO nebo nebezpečný odpad, který je upraven stabilizací, takže jejich vodní výluh nepřekračuje hodnoty výluhové třídy č. III. 5.3 Vznik skládkového plynu Organické složky odpadu (především celulózu) rozkládají mikroorganizmy, které se rychle rozmnožují ze všudypřítomných spór. Skládka je vlastně biochemický reaktor, který úspěšně pracuje za určitých podmínek vlhkostních, teplotních a pro anaerobní fázi při nedostatku kyslíku. Tvorba skládkového plynu závisí na průběhu následujících fází: Fáze aerobní: Při ní dochází k oxidaci organických složek odpadu, tj. k rozkladu méně stabilních látek za vzniku CO 2 a H 2 O. Kyslík je spotřebován aerobními mikroorganismy, popř. vytěsněn vyprodukovaným CO 2. Fáze acidogenní: Ta vytváří podmínky pro rozvoj acidofilních mikroorganismů, vznikají kolonie těchto mikroorganismů, které enzymaticky transformují oxidační produkty předešlého procesu na mastné kyseliny aco 2. Dusičnany, pokud jsou přítomny, jsou redukovány na sulfidy. Tato fáze se dělí na časově krátkou, nestabilní a na stabilní fázi, která trvá asi 30 i více let. 31

32 Fáze dozrávání: Odumírání metanogenních bakterií nedostatkem potravy snižuje produkci metanu. Od povrchu se rozšiřuje kyslík. Organická hmota se pomalu rozkládá v procesu humifikace. Metan jako plyn se šíří půdou a může pronikat do sklepů a kolektorů inženýrských sítí na vzdálenost i několika set metrů od sládky. Oxid uhličitý poutá zapáchající plyny. Nutno zdůraznit možnosti nebezpečí výbuchu směsi metanu a vzduchu.oba plyny (CH 4 i CO 2 ) brání růstu kořenů rostlin, jsou tedy škodlivé fyziologicky, chemicky i fyzikálně. Podmínky možnosti vzniku skládkového plynu jsou dány objemem biologicky rozložitelné složky odpadu větším než 10 % a vlhkostí odpadu větší než 30 % hm. a dalšími. Pokud skládka splňuje některou z uvedených podmínek, je nutno posoudit možnosti vzniku plynu, jeho odvedení a odstranění. Každá skládka proto nemusí mít odplynění. Naopak starší uzavřené sládky, zejména velkoobjemové, aby se předešlo nebezpeční exploze nahromaděného plynu, se dodatečně vybavují odplyňovacím zařízením. Velkým zdrojem skládkového plynu je komunální odpad, neboť z jedné tuny odpadu může vzniknout 200 až 250 m 3 plynu. Pro úplnost nutno dodat, že i ve skládkách abiotických odpadů mohou vznikat plyny. 5.4 Odplyňovací systém Potřeba odplynění skládky se určuje na základě znalostí o uloženém množství a složení odpadu, tam kde to není známo, pak podle výsledků průzkumu výskytu plynů. Účelem odplynění skládky je odvádění vznikajících plynů tak, aby nemohly nekontrolovatelně unikat do okolí, nevznikal vnitřní přetlak plynů v tělese skládky nad limitní hodnotu 500 Pa a zabránilo se výbuchu nebo vznícení plynů. Skládky u nichž byl průzkumem prokázán vývin plynu, se podle intenzity tvorby plynu rozdělují do tří tříd. Pro skládky III. tř. musí být navržen odplyňovací systém. Volná ventilace plynu není přípustná, ale během skládkování není nutno plyn odsávat a spalovat pokud je těleso udržování plynotěsné a těleso skládky je překrýváno kompostem nebo je odplyňovací systém napojen na biooxidační filtrační jednotku. Odplyňovací systém skládky sestává zpravidla ze sběrné sítě plynu, svodné sítě plynu a zařízení pro odvod, využití a zneškodnění plynu. Konkrétní návrh 32

33 odplyňovacího systému se řídí místními podmínkami a nelze obecně určit optimální uspořádání. Sběrná síť plynu je určena k jímání skládkového plynu v tělese skládky a skládá se ze systému sběrných jímacích zařízení a sběrného potrubí s odvodněním Podle uložení sběrných jímacích prků se dělí na doplynění: svislé (vrty, jímací studny), vodorovné (drény, horizontální vrty), kombinované (svislé i vodorovné, popř. šikmé). Odplyňovací zařízení se staví buď průběžně jak se skládka zaplňuje, nebo až po dokončení skládky. Odvádění plynu je pasivní (únik vlastním tlakem) nebo aktivní (odsávání do sběrného a jímacího zařízení). Poměr účinnosti obou způsobů je 1 : 5. I tak se zachycuje jen 20 až 70 % produkovaného plynu. Vertikální odvodnění tvoří na nově zakládaných skládkách jímací studny na starých skládkách vrty. Odplyňovací studny se zakládají na dně skládky a postupně se podle výšky ukládaného odpadu průběžně prodlužují ocelovými posuvnými pažnicemi. Jímací studny plynu a vrty se navrhují o průměru od 600 do 1000 mm. Jejich středem se vede perforovaná trubka o DN 100 až 200 mm (perforace nejméně 5 % plochy povrchu), obsypaná kamenivem bez jílové frakce o doporučené zrnitosti 32/64 mm. Pro kameniva do drenážních plynových systémů nejsou vhodné materiály rozpustné v minerálních kyselinách (vápenec, drcený beton, atd.) a rozpadavé materiály (cihelná drť). Podíl rozpustnosti v minerální kyselině nesmí překročit 10 % hmotnosti. Vhodné jsou např. skleněné střepy. Studny jsou rozmístěny ve sponu 40 x 40 m, vrty na základě výsledků čerpací zkoušky (obvykle 40 x 40 až 60 x 60 m). U povrchu skládky se studna i vrt utěsňují jílovým těsněním o tloušťce min mm, odděleným od štěrkové výplně geotextilií. V této těsněné části se perforovaná trubka nahrazuje plnou. Vyvádí se na povrch a chrání se skruží s víkem. Tím se zabraňuje vnikání vzduchu do skládkového plynu a vytvoření směsi, která je výbušná. Horizontální odplynění tvoří jímací perforované potrubí, které je uloženo v jednotlivých vodorovných rovinách. Prví dvě úrovně jsou nad sebou nejprve po 5 m, s přibývající výškou skládky až po 10 m. Kapacitu horizontálních drénů lez zvýšit obsypanými perforovanými trubkami. Vlastní jímací potrubí se vede navzájem rovnoběžně ve vzdálenostech 20 až 30 m a minimálních sklonu 2 % z důvodu odvodu kondenzátu, protože do perforovaného potrubí se dostává též průsaková skládková voda, která se dovádí odvodňovačem sifónem. Z toho důvodu směřuje sklon jímacích 33

34 potrubí vždy k té straně skládky, kde je jímka průsakových vod nebo k odvodňovacímu zařízení položenému v nejnižších místech skaldy. Při nebezpečí většího sedání se sklon potrubí zvyšuje na 5 7 %, neboť při malých sklonech by se mohlo plynové jímací potrubí zaplnit vodou a bráni odvodu plynu. U starých skládek se ovšem vodorovné drény mohou zakládat až v konečné vrstvě tělesa skládky pod těsnící vrstvou. Kombinované odplynění se používá zejména u vysokých skládek a je to kombinace vertikálního a horizontálního způsobu odplynění. Jeho výhoda je v dokonalejším zachycení skládkového plynu a proto je nejvhodnější. V tělese skládek s provozovaným odplyňovacím systémem musí být drenážní systém průsakové vody trvale plynotěsný a zabezpečený vodními uzávěry. Svodná síť plynu je tvořena potrubím s odvodňovači, síťovými (páteřními) svody odvádějícími plyn ze sběrné sítě mimo těleso skládky a dále mimo těleso skládky regulačními šachtami, hlavním řadem plynu a odvodňovací šachtou. Svodná síť v tělese skládky může být řešena jako samostatná, která odvádí plyn odděleně od průsakové vody, nebo jako společná, kdy se ve společném potrubí odvádí jak průsaková voda, tak i skládkový plyn. V tomto druhém případě je technicky náročnější odvedení průsakové vody mimi těleso skládky a plynotěsné zajištění vodním uzávěrem správná funkce odplyňovacího systému. Ale i ve svodném potrubí odvádějícím jen plyn vznikají kondenzáty, zvláště v zimě, proto se pokládá svodné potrubí ve střechovitém sklonu 2,5 až 5 % (podle intenzity sedání) a do nejnižšího místa lomu potrubí se vkládá odvodňovač kondenzátu. Je to jednoduchý vodní přepad sifón, kterým se kondenzovaná tekutina dovádí drenáží do jímky průsakových vod. Jinak je nebezpeční zaplnění celého profilu vodou. Odběr plynu z jímacích studní se navrhuje jako: spodní (odběr umístěn nad ně skládky), mezivrstvový (odběr umístěn na mezivrstvě uloženého odpadu), vrchní (odběr uložen v rekultivační vrstvě nad těsněním skládky nebo v povrchu odpadu pod těsněním skládky). Spodní a mezivrstvový odběr se navrhuje v případě jímání plynu ještě před uzavřením skládky pří významném vývinu plynu a možností jeho energetického využití, dále u skládek umístěných v blízkosti osídlení. Sběrné jímací drény ze studní a vrtů se musí napojovat na svodné potrubí pružným způsobem, aby se vyloučil vliv sedání tělesa skládky. Svodné potrubí se ukládá na podklad z tříděného písku asi 1 m široký, chráněný geotextilií, a stejným materiálem se i obsypává. 34

35 Podle konstrukce se svody dělí podle ČSN na individuální a síťové (páteřové). Individuální svody napojují jednotlivé jímací studně plynu, popř. vrty samostatným svodným potrubím na regulační šachty, které jsou mimo těleso skládky. Výhodou je odsávání plynu z ještě neuzavřené skládky a na základě analýzy plynu v jednotlivých studních (vrtech) možnost optimalizovat sací podtlak. Síťové nebo též páteřové svody odvádějí skládkový plyn z jednotlivých sekcí a pouze pro celou sekci je možno na základě analýzy plynu upravovat sací podtlak buď z regulační šachty nebo z čerpací stanice skládkového plynu, popř. se někdy v hlavě jímací studny plynu umisťují regulační armatury. Regulační šachty plynu slouží k regulaci tlaku odsávaného skládkového plynu a buď sdružují několik přípojek individuálních svodů od jímacích studní (vrtů) anebo jsou napojeny jednotlivé sekce sběrných tras plynu. Jsou vybaveny armaturami pro regulaci sacího podtlaku, neboť plyn se ve skládce nevyvíjí rovnoměrně v důsledku ukládání různorodého odpadu a jeho různé intenzity biologického rozkladu. V šachtě je možnost odběru vzorků plynu pro jeho analýzu z jednotlivých studní (vrtů) nebo části tras. Regulační šachty se umisťují na korunu hráze skládky, popř. pod hráz, zejména při napojení na síťové svody. Šachty jsou z betonu, PE nebo kovu s protikorozní úpravou, opatřeny víkem a podle potřeby uzamykatelné. Další části svodné sítě plynu je hlavní řad plynu, kterým se skládkový plyn odvádí od regulačních šachet, popř. síťových (páteřních) svodů plynu, a přivádí plyn do čerpací stanice nebo do filtrační jednotky. Odvodňovací šachta plynu je zařízení pro odloučení kondenzátu ze svodného plynovodu a ze zařízení čerpací stanice. Zpravidla je vybavena uzávěrem oddělujícím sběrný systém plynu od potrubí, které odvádí kondenzát do jímky průsakové vody. Pokud není možný gravitační odtok, pak se kondenzát přečerpává buď do tělesa skládky nebo do nádrže průsakových vod. Základním podkladem pro dimenzování vertikálních i horizontálních sběrných jímacích zařízení, svodného potrubí svodů a potrubí hlavního řadu plynu, tedy trubky a potrubí perforované i plnostěnné, je prognóza největších objemů odčerpávaného plynu. Sběrná síť se dimenzuje tak, aby při minimálních tlakových ztrátách bylo celoplošné rozdělení podtlaku (při aktivním odplyňování) nebo přetlaku (při pasivní ventilaci) co možná nejrovnoměrnější. Nejvyšší rychlost plynu se doporučuje 5 m.s -1. Z hlediska zanášení potrubí nečistotami je nutné volit nejmenší DN 75 mm. Směrem 35

36 k čerpací stanici se průměry potrubí úměrně zvětšují v závislosti na přepravovaném množství. Objekt čerpací stanice skládkového plynu se buduje jako dočasná stavba v provedení průmyslového kontejneru, umístěného na odpovídajícím základu. Konstrukce musí vyhovovat svou pevností danému zatížení, být nehořlavá a mít dostatečnou tepelnou izolaci. Všeobecné zásady pro stavební řešení, bezpečnostní a protipožární řešení, elektrické zařízení, větrání a vytápění jsou dány ČSN Čerpací stanice plynu je tvořena: strojně-technickou čerpací soustavou, plynovými čerpadly (ventilátory, dmychadla) s potrubím, kterými se odsává skládkový plyn (podtlakem cca 50 kpa), armaturami, zabezpečovacím, filtračním a odvodňovacím zařízením, systémem měření a regulace, technologií pro odvodnění plynu, technologií pro čistění nebo jiné zpracování plynu. Ve speciálních zařízeních se odstraňují vodní pára, sirovodík, chlorovodík, fluorovodík a od metanu se odděluje CO 2, popř. dusík. Skládkový plyn se čistí postupy: Adsorpce na aktivním uhlí. Adsorpce pomocí vody nebo fyzikálních či chemických rozpouštědel. Využití skládkového plynu záleží na jeho kvalitě (složení) a množství. Složení plynu z jednotlivých částí tělesa sládky není vždy stálá a kromě toho obsahuje stovky stopových látek, o kterých je známo, že jsou intenzivně zapáchající, jedovaté, karcinogenní atd. Pro energetické využití skládkového plynu je možno navrhovat uživatelský systém jak individuální, tak v různých kombinacích. Ve zvláštních případech může být součástí uživatelského zařízení i vlastní čerpání plynu. Vhodné složení skládkového plynu ho dovoluje využít pro hořáky přímotopné, ponorné, pro nepřímé ohřevy k výrobě páry, horké vody, teplé užitkové vody, pro motorgenerátory pro výrobu elektřiny, pro kogenerační systémy pro výrobu elektřiny a tepla, pro turbinové systémy (vhodné až pro tělesa skládek nad 3 5 mil m 3 odpadu, pro výrobu čistého CO 2, pro čistící a kompresní systémy pro výrobu stlačeného náhradního zemného plynu (CSNG) atd. 36

37 Kde není možné energetického využití, protože se jedná o nekvalitní skládkový plyn, tam je nutno je ekologicky zneškodnit, což se děje bioaktivními filtračními jednotkami (tzv. biooxidační filtry) nebo spalovacím zařízením. Navrhují se různé typy biologicky aktivních filtrů, které mají více funkcí. Např. biofiltr kokso-kompostový umístěný v tělese skládky zajišťující plynotěsnost sběrných jímacích zařízení, odbourává metan i další stopové složky ve skládkovém plynu. Zbytkový plyn však musí být na povrchu filtru tak rozptýlen, aby ho nebylo možno ani zapálit. Požaduje se povrchová koncentrace metanu v těsném kontaktu s materiálem filtru za bezvětří nevýše 0,3 % obj. Pro spalování přebytků skládkového plynu se navrhují různé typy hořáků a spalovacích prostorů. Vysokopecní spalovací zařízení se osazuje na betonový základ, situovaný na volném prostranství ve vzdálenosti nejméně 5 m od sousedních objektů se zajištěným výstupem spalin ve výšce nejméně 5 m. V zařízení se musí skládkový plyn dokonale spalovat, což vyžaduje teploty 1000 až 1200 C a časovou prodlevu 0,3 s. Spalování při teplotách 800 až 1000 C je možné jen při dodržení předepsaných limitních hodnot emisí daných zák. č 86/2002 Sb., o ochraně ovzduší a dalších technických podmínkách. Vyžaduje se spalování metanu v rozmezí 30 až 65 % obj. s regulačním rozsahem 20 až 100 % jmenovitého výkonu. Přívodní potrubí musí být opatřeno protišlehovými pojistkami. Aby se zabránilo neoprávněné manipulaci je třeba zařízení oplotit. 6. MĚŘENÍ PRODUKCE A KVALITY BIOPLYNU NA KONKRÉTNÍ SKLÁDCE ODPADU 6.1 Úvod do projektu Jedná se o projekt odplynění STKO Mutěnice-Hraničky. Projekt odplynění řeší jímání skládkového plynu pomocí jímacích vrtů a jeho dopravu svodným jímacím potrubím z plochy I. etapy skládkování. Základní údaje charakterizující stavbu V rámci odplynění I. etapy skládkové plochy bylo vyvrtáno 6 odplyňovacích vrtů. 37

38 Vrty jsou rozmístěny na ploše I. etapy skládkování tak, aby v místě vrtu byla co nejvyšší mocnost odpadního materiálu a zároveň také tak, aby se vrty vzájemně podtlakově neovlivňovaly. Účel V tělese skládky STKO Mutěnice- Hraničky vzniká vlivem rozkladu naskladněných biomateriálů v podmínkách bez přístupu vzduchu skládkový plyn. Jeho složení sestává především z metanu, kysličníku uhličitého, dusíku a ostatních stopových prvků. Využitím a spálením tohoto bioplynu se zabrání jeho unikání do atmosféry, kde může přispívat díky obsahu CH 4 a CO 2 k tvorbě skleníkového efektu. Tvorba skleníkového efektu má za následek globální oteplování planety. Energetické využití bioplynu je realizováno prostřednictvím kogenerační jednotky TEDOM. Kogenerační jednotka je zařízení pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Zdrojem mechanické energie pro pohon generátoru je pístový spalovací motor, upravený pro pohon plynnými palivy. Motor kogenerační jednotky pohání synchronní generátor, který mění mechanickou energii na energii elektrickou. Vlivem umístění kogenerační jednotky není ekonomicky ani technicky možné využívat tepelnou energii, proto je na místo kogenerační jednotky používáno názvosloví energetické zdrojové soustrojí EZS. EZS TEDOM se vyznačují vysokou provozní spolehlivostí. Díky kompaktnímu blokovému provedení jsou minimalizovány nároky na umístění. Nízká hlučnost jednotek je zaručena protihlukovým krytem. Výkon jednotky je plynule měnitelný v rozsahu 0 100%. Jednotka je možno regulovat dle libovolného parametru (nejčastěji obsah O 2, CH 4 v bioplynu). 38

39 Základní koncepce stavebně technického řešení stavby Odplynění tělesa skládky je provedeno pomocí šesti odplyňovacích vrtů, které jsou napojeny na společný páteřní řád. Páteřní řád je napojen na čerpací stanici bioplynu TEDOM, kde je umístěno dmychadlo, které bioplyn ze skládky nasává. Přeprava bioplynu z vrtů je tedy zajišťována jímacím potrubím, které dopravuje bioplyn k jeho využití do kogenerační jednotky. Rozmístění nových odplyňovacích vrtů je znázorněno na výkresu situace odplynění skládky Mutěnice-Hraničky. Příloha č Popis a provedení technologických částí Provedení odplyňovacích vrtů Podkladem k rozmístění jímacích vrtů na povrchu skládky bylo zaměření stavu tělesa skládky. Hloubka vrtání byla určena na základě zaměření dna tělesa skládky a jejího současného stavu. Hloubky vrtů byly zvoleny tak aby k jílovému těsnění, drenáži a těsnící fólii, které tvoří dno skládky byla bezpečná rezerva minimálně 5m. Hloubky vrtání jednotlivých vrtů jsou uvedeny na výkrese hloubek vrtů. Vlastní vystrojení vrtů je provedeno ocelovým nerezovým potrubím o ø154x2mm. Nerezové potrubí je zde zvoleno záměrně na základě zkušeností z jiných provozů, a to hlavně z důvodu větší pevnosti a menší náchylnosti na teploty, které ve skládce vznikají při biodegradačních procesech. Toto potrubí je ve spodní části, která má funkci jímání bioplynu, perforované. Perforace je optimálně volena tak, aby se potrubí nezasypalo štěrkovým obsypem a aby byla zachována potřebná pevnost potrubí. 39

40 Vrchní část potrubí je neperforovaná a to v délce 2 metrů. V neperforované vrchní nadzemní části je umístěn boční odvod bioplynu, na kterém je namontován kulový ventil na regulaci odebíraného množství bioplynu z vrtu v závislosti na jeho kvalitě. Vrchní část potrubí je ukončena montovaným záhlavím vrtu, na kterém je umístěn vzorkovací ventil pro průběžné měření podtlaku ve vrtu a pro sledování kvality jímaného bioplynu. Neperforovaná spodní část vršku potrubí má hlavně těsnící funkci a je umístěna v jílové těsnící vrstvě. Vrty jsou obsypány štěrkovou vrstvou frakce 32-63mm, která má zabránit vniku odpadu do jímacího potrubí a zabraňuje možnému zalepení perforace. Odplynění skládky STKO Mutěnice-Hraničky je znázorněno na výkrese. Příloha č. 2. Jímací potrubí bioplynu Jako jímací potrubí pro přepravu bioplynu je zvoleno umělohmotné potrubí HDPE, páteřní řád je o ø160mm, jednotlivé přívody od vrtů ø110mm. Situace umístění jímacího potrubí je znázorněna na celkové situaci odplynění skládky. Jímací potrubí bioplynu je umístěno na ploše povrchu skládky. V místech vedení jímacího potrubí bioplynu na povrchu skládky jsou po jeho dokončení zakázány přejezdy těžké mechanizace z důvodu možnosti poškození potrubí. Detail provedení vrtu je znázorněn na výkrese. Příloha č. 3. Napojení vrtů na jímací potrubí bioplynu Jednotlivé vrty jsou napojeny dvoucoulovou vzduchotechnickou savicí na své přívody o ø110mm, které dále pokračují do páteřního řádu. Na páteřní řád jsou tyto přívody napojeny rozebíratelným spojem vzduchotechnickou savicí, 40

41 aby v případě nutnosti skládkování v místě vedení svodného potrubí šly jednotlivé přívody od páteřního řádu oddělat a přechodně odnést. Detail napojení vrtů na páteřní řád je znázorněn na výkrese. Příloha č. 4. Odloučení kondenzátu spádování potrubí, kondenzační šachty Vlivem rozdílných teplot a délky jímacího potrubí se z jímaného bioplynu uvolňuje kondenzát. Tento kondenzát je zapotřebí z jímaného bioplynu odstranit. Na nově vybudované trase odplynění je hlavní odloučení kondenzátu umístěno před čerpací stanicí v kontrolní šachtě. Bezpečnostní opatření Všichni pracovníci, kteří zasáhli do prací na budování odplynění byli proškoleni a seznámeni s provozními a bezpečnostními zásadami práce na skládce Mutěnice-Hraničky. Skládkový bioplyn je nedýchatelná a ve směsi se vzduchem výbušná směs plynů. Z ostatních hygienických hledisek je skládkový bioplyn nejedovatý. Díky obsahům H 2 S a mastných kyselin má sice nepříjemný zápach. Ovšem tyto složky jsou přítomny v nízkých koncentracích a nepůsobí dráždění a přecitlivělost. Při jakýchkoliv pracích na skládce je přísně zakázáno kouřit či manipulovat s otevřeným ohněm. V případě vznícení plynu unikajícího z vrtu je nutné provést jeho okamžité hašení. Díky nízké rychlosti hoření je nejvhodnějším hasebním postupem použití vlhké hasící houně, kterou přes vrt přehodíme z návětrné strany. Při vrtání odplyňovacího vrtu je zakázáno do vrtu vstupovat a pracovníci jsou povinni se zde pohybovat se zvýšenou opatrností. Při nadýchání bioplynem je nutno postiženou osobu přepravit mimo nebezpečnou oblast na čistý vzduch. V případě mdlob (nadýchání CO 2 ) je třeba neprodleně zahájit umělé dýchání. 41

42 6.3 Kogenerační jednotka TEDOM Cento T160 SP BIO NOC Základní charakteristika Kogenerační jednotky TEDOM řady Cento se řadí mezi stroje středních a vyšších výkonů na bázi plynových motorů, které vycházejí ze vznětových vozidlových motorů. Tvoří řadu výkonů v rozsahu od 40 do 300 kw el. Uspořádání kogenerační jednotky dle této technické specifikace je v kontejnerovém provedení, které obsahuje soustrojí motor-generátor, kompletní tepelné zařízení jednotky včetně tlumiče výfuku a elektrického rozváděče (řídícího a silového). Kogenerační jednotka dle této technické specifikace je určena pro provozování na palivo bioplyn, pro venkovní provoz, se synchronním generátorem, určená pro paralelní provoz se sítí o napětí 400 V, pro teplovodní okruhy 90/70 o C a plní emisní limity dle nařízení vlády č. 352 z Základní technické údaje jmenovitý elektrický výkon 160 kw maximální tepelný výkon sek. okruhu 177 kw příkon v palivu 420 kw účinnost elektrická 38,2 % účinnost tepelná 42,1 % účinnost celková (využití paliva) 80,3 % spotřeba plynu při 100% výkonu 64,6 Nm 3 /h spotřeba plynu při 75% výkonu 53,0 Nm 3 /h spotřeba plynu při 50% výkonu 37,8 Nm 3 /h 42

43 Motor K pohonu jednotky je použit plynový spalovací motor TB 168 GV TW 86, výrobek firmy TEDOM s.r.o. počet válců 6 uspořádání válců v řadě vrtání zdvih mm zdvihový objem cm 3 kompresní poměr 11 : 1 pracovní otáčky 1500 min-1 spotřeba oleje normal/max 0,3/0,7 g/kwh max. výkon motoru 170 kw Generátor Zdrojem elektrické energie je jednoložiskový synchronní generátor ECO 38-1LN/4, výrobek firmy Mecc alte spa, Itálie, s parametry generátoru dle uvedeného přehledu. výkon generátoru 250/200 kva/kw cos ϕ 0,8/1 Účinnost v pracovním bodě 95,7% zapojení statorového vinutí do hvězdy max. pracovní teplota 40 C napětí 400 V frekvence 50 Hz jmenovité otáčky 1500 min-1 krytí IP 21 Tepelný systém Tepelný systém kogenerační jednotky je tvořen dvěma nezávislými okruhy, sekundárním (SO) a technologickým (TO). Tepelný výkon SO je určen k využití v topné soustavě uživatele, nebo je mařen chladící jednotkou SO (pokud je produkce tepla nežádoucí). Tepelný výkon TO je mařen vlastní chladící jednotkou. Sekundární okruh - představuje okruh, kterým je zajištěno vyvedení hlavního tepelného výkonu jednotky (získaného chlazením spalovacího motoru a spalin) do topného systému. SO pracuje s teplotami vratné vody od 65 do 70 o C. Dodržení limitních hranic 43

44 je bezpodmínečně nutné pro bezporuchový chod jednotky. Části sekundárního okruhu umístěné ve venkovním prostoru (propojovací potrubí) musí být zabezpečeny proti zamrznutí dostatečnou koncentrací etylenglykolu ve vodním roztoku. Okruh není osazen oběhovým čerpadlem. Parametry sekundárního okruhu jednotky: tepelný výkon okruhu jmenovitá teplota kapaliny vstup / výstup teplota vratné vody min / max jmenovitý průtok tlaková ztráta při jm. průtoku max. prac. přetlak hydraulický objem okruhu v kogenerační jednotce jmenovitý teplotní spád 1) průtok vztažen k médiu etylen-glykol koncentrace 35 % ve vodním roztoku 177 kw 70/90 o C 65/70 o C 2,5 1) kg/s 30 kpa 600 kpa 60 l 20 K Není-li žádoucí využívat tepelný výkon okruhu, je tepelný výkon sek. okruhu odváděn chladící jednotkou pro nouzové chlazení (výměník voda-vzduch). Technologický okruh - představuje úplný okruh chlazení plnící směsi spalovacího motoru. Teplotní úroveň kapaliny tohoto okruhu bezprostředně ovlivňuje vychlazení plnící směsi spalovacího motoru a tím dosažení základních technických údajů kogenerační jednotky. Okruh pracuje s teplotami chladící kapaliny (na vstupu do chladiče plnící směsi) od 35 do 55 o C, přičemž nejnižší teplotě odpovídá jmenovitý elektrický výkon. S nárůstem teploty plnící směsi (např. vlivem teploty vzduchu venkovního prostředí) pak výkon klesá. Různým teplotám chladící kapaliny technologického okruhu odpovídá i elektrický výkon kogenerační jednotky. Chladící jednotka pro předávání tepelného výkonu okruhu do venkovního prostředí (výměník voda - vzduch) je instalována na střeše kontejnerové skříně. Základní parametry vlivu teploty chladící kapaliny tohoto okruhu jsou uvedeny v následujících tabulkách. *teplota vratné vody okruhu 35 C 45 C 55 C teplota plnící směsi 45 C 55 C 65 C elektrický výkon 160 kw 147 kw 134 kw *teplota vratné vody okruhu je informativní údaj teplota chl. kapaliny vstupující do spal. motoru min / max hydraulický objem okruhu 35/55 o C cca 50 l 44

45 Palivo, přívod plynu Technické parametry uvedené v této specifikaci jsou platné pro bioplyn skupiny č.1 o dále uvedených vlastnostech. obsah metanu (výhřevnost 23,4 MJ/Nm 3 ) 65 % tlak plynu 2 10 kpa max. změna tlaku plynu při změnách spotřeby 10 % max. teplota plynu 30 o C Plynová trasa kogenerační jednotky je sestavena v souladu s TPG G a obsahuje čistič plynu, sestavu dvou nezávislých elektromagnetických rychlouzavíracích ventilů s odvzdušněním mezikusu pro uzavření přívodu plynu při vypnutí jednotky, nulový regulátor tlaku plynu a kovovou hadici pro připojení ke směšovači spalovacího motoru. Pro správný provoz jednotky je požadována plynová přípojka o patřičné dimenzi s přiměřeným akumulačním objemem, aby nedošlo k poklesu tlaku plynu v rozvodu v době skokového odběru plynu, zakončená ručním plynovým uzávěrem a opatřená tlakoměrem. Dále je nutné vhodným způsobem realizovat odvětrání mezikusu elektromagnetických ventilů. Spalovací a ventilační vzduch Nevyužitelné teplo (vysálané z horkých částí) je z prostoru kontejneru odváděno ventilačním vzduchem, který do kogenerační jednotky vstupuje otvory ve stěně kontejneru a kontejnerovou skříň opouští v protilehlém prostoru. Proudění ventilačního vzduchu zajišťuje ventilátor uvnitř kontejnerové skříně. Vstupní i výstupní otvor ventilace je opatřen protidešťovou žaluzií. Část vzduchu je uvnitř kontejnerové skříně oddělována od ventilačního vzduchu a použita jako spalovací vzduch. nevyužitelné teplo odvedené ventilačním vzduchem 26 kw množství spalovacího vzduchu 674 Nm 3 /h jm. množství ventilačního vzduchu 7700 Nm 3 /h teplota venkovního vzduchu min / max -20/35 o C 45