MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2013 MARTIN DIVIŠ

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Posouzení vlivu různých vstupních surovin na provoz bioplynové stanice Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D. Vypracoval: Martin Diviš Brno 2013

3

4 PROHLÁŠENÍ: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Posouzení vlivu různých vstupních surovin na provoz bioplynové stanice vypracoval samostatně a použil jsem 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 bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Dne.. Podpis autora:..

5 PODĚKOVÁNÍ: Rád bych poděkoval panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D. za ochotu, odborné vedení a cenné připomínky během zpracování bakalářské práce.

6 Souhrn Bakalářská práce je zaměřena na vyhodnocení ekonomičnosti provozu bioplynové stanice v případě změny vstupních surovin. Práce se zabývá základními technologickými postupy provozu bioplynových stanic, popisem principu fungování, hlavních zdrojů pro výrobu bioplynu a způsoby jeho využití. Na modelovém příkladu bioplynové stanice v Lesonicích u Třebíče je pak srovnávací metodou posuzována výsledná ekonomičnost provozu při různých vstupních surovinách. Klíčová slova: bioplyn, bioplynová stanice, anaerobní fermentace, ekonomická bilance Abstract The bachelor thesis is focused on evaluation the economic rentability of biogas station, especially in case of changing of incoming material. It is dealing with basic technological processes in biogas stations, description of basic principals in this technology, main substrates for production of biogas and ways how to use biogas for stabilisation of economic profitability. It discusses overall economic profitability of model biogas station in Lesonice, district Trebic, by proposed changes in input substrates. Key words: biogas, biogas station, anaerobic fermentation, economic profitability

7 1 ÚVOD CÍL PRÁCE BIOPLYNOVÉ STANICE ÚVOD Historie BPS Technologie BPS Počet procesních stupňů Rozdělení podle sušiny v substrátu Způsob pohybu substrátu Rozdělení podle pracovních teplot Anaerobní fermentační proces Proces mikrobiálního rozkladu substrátu Legislativní podpora Typy substrátů pro zemědělské BPS Optimální složení surovinové směsi PRAKTICKÁ ČÁST - BPS v RS Lesonice, a.s Rolnická společnost Lesonice, a.s. rostlinná výroba Rolnická společnost Lesonice, a.s. živočišná výroba Bioplynové stanice Bioplynová stanice v Lesonicích Substráty spotřebované v BPS Lesonice v roce Analýza spotřeby surovin Vlastní výpočet ekonomický rozbor: ZÁVĚR SEZNAM ZKRATEK... 39

8 1 ÚVOD Jedním ze světových klíčových témat současnosti je bezesporu i energetická soběstačnost společnosti. S ubývajícími zásobami fosilních paliv se čím dál více dostává do popředí téma obnovitelných zdrojů. Mezi obnovitelné zdroje nesoucí obrovské množství energie, patří zejména energie sluneční a větrná. Nespornou výhodou těchto zdrojů je fakt, že jsou prakticky nevyčerpatelné. Nevýhodou je nicméně obtížnost jakkoliv tento typ energie uchovat a řídit tak jejich spotřebu. Jedním ze způsobů, jak uchovat energii Slunce, je její uložení ve formě cíleně pěstované biomasy pro další využití v bioplynových stanicích. Tak je možné si zajistit výrobu energie v závislosti na spotřebě na rozdíl od jiných energetických zdrojů tento fakt činí z technologie výroby bioplynu jeden z nejzajímavějších a nejprogresivnějších nových přístupů získávání energie. Další nespornou výhodou je možnost využít jako zdroje pro výrobu bioplynu i substráty, které jsou v různých odvětvích vnímány jako odpad. Ať už mluvíme o odpadu z rostlinné výroby např. ve formě rostlinných jinak nevyužitelných zbytků, odpadech z živočišné výroby, zpracovatelského průmyslu nebo různých typech komunálního odpadu. Jako substrát lze využít i energeticky plnohodnotné suroviny, jako jsou obiloviny, kukuřice nebo další produkty určené prioritně pro lidskou spotřebu. Zejména z důvodu zvyšující se životní úrovně obyvatel tzv. třetího světa a neustálému nárůstu populace na Zemi je v celosvětovém měřítku potravin nedostatek a proto je třeba hledat nové suroviny pro výrobu bioplynu

9 2 CÍL PRÁCE Bakalářská práce si klade za cíl popsat základní technologii výroby bioplynu a principů anaerobní fermentace a na modelovém přikladu bioplynové stanice ve společnosti Rolnická společnost Lesonice, a.s. srovnat vliv různých substrátů na efektivitu výroby. Samotná práce je rozdělená do tří částí první část je vypracována na základě dostupných literárních pramenů a je zaměřena na základní poznatky z oblasti výroby bioplynu a podmínek provozu, možnostmi využití substrátů, popisem jejich parametrů a shrnutím legislativy ČR týkající se BPS, druhá část popisuje konkrétní modelové příklady pro danou bioplynovou stanici a třetí část se zabývá návrhy na zvýšení efektivity výroby s měnícími se vstupními surovinami pro produkci bioplynu. Kromě teoretického základu, který využívá dostupné zdroje a snaží se zmapovat poznatky o technologii výroby, využití, historii, příslušné legislativě apod., obsahuje práce i komparativní analýzu, jejímž cílem je doporučit nejvhodnější substráty pro běžný provoz. Zohledňuje přitom i dostupnost těchto zdrojů, vliv na životní prostředí se zaměřením na erozi půdy, a zejména udržitelnost provozu, stejně jako udržitelnost výrobní plochy a dopady na kvalitu půdy, resp. možnosti jejího dalšího zpracování. Práce využívá dostupné literární zdroje, osobní zkušenosti autora s provozem a konstrukcí bioplynové stanice, osobní zkušenosti pracovníků firmy Rolnická společnost Lesonice, a.s. a podkladů, které byly touto společností zapůjčeny

10 3 BIOPLYNOVÉ STANICE ÚVOD 3.1. Historie BPS První dostupné prameny týkající se využití bioplynu sahají až do 18. století, kdy roku 1770 přírodovědec A. Volta jímal bahenní plyn a zkoumal pokusy s jeho spalováním. První zmínky o využívání bioplynu jsou známé z konce 19. století, kde byl bioplyn z koňského hnoje používán pro pouliční osvětlení noční Paříže. Velkého rozmachu využívání anaerobního fermentačního procesu vedlo zjištění, že se tímto způsobem dají čistit odpadní vody a tento plyn jímat. Prakticky až do poloviny 20. století to byl jediný využívaný zdroj bioplynu. Od roku 1947, kdy bylo zjištěno, že potencionálním vhodným zdrojem pro výrobu bioplynu jsou také produkty zemědělství, zejména pak chlévská mrva, začal masivní rozvoj technologie bioplynových stanic (dále jen BPS) a jejich uvádění do provozu. V Německu bylo v letech instalováno kolem 50 bioplynových stanic. Nejvýznamnější z nich využívaly horizontální fermentory nebo systém dvou fermentačních věží a skladovací věže (typ Schmidt Eggersglüß) (Eder a Schulz, 2004). První technologie pro výrobu bioplynu na území České republiky byla BPS státního statku Třeboň s produkcí až tis. m 3 bioplynu za rok. V provozu byla od roku 1973 a hlavními substráty byly kejda prasat a odpadní vody z městské čistírny odpadních vod. Do roku 2002 nedošlo k zásadním investicím do další výstavby nových BPS a stav k roku 2002 byl pouhých 6 BPS na území České republiky (dále jen ČR). V současné době (k ) je na území ČR v provozu 415 BPS s celkovým instalovaným výkonem 306 MW, k masivnímu rozvoji tohoto odvětví došlo hlavně v letech Tento neustále pokračující trend popisuje obr. 1. (Hons, 1987; Krause a Špička, 2012; CZBA, 2013; ERÚ, 2013)

11 Obr. 1: Podíl bioplynu na výrobě el. energie z OZE, stav k (ERÚ, 2013) - 9 -

12 3.2. Technologie BPS Při výstavbě nových bioplynových stanic je k dispozici celá řada různých konstrukčních řešení, každá technologie má své výhody i nevýhody. Primárně lze BPS rozdělit podle toho, zda se jedná o jednostupňový nebo vícestupňový proces, podle procesní teploty a podle způsobu plnění - tedy zda se jedná o vsádkový nebo průtokový proces. Poslední základní rozdělení je na základě hodnoty sušiny substrátu rozlišujeme suchý a mokrý proces (Hons, 1987). Schematické rozdělení základních variant technologie výroby bioplynu anaerobní fermentací je popsána v tabulce I. Tab. I: Postupy výroby bioplynu podle různých kritérií. (Dvořáček et al., 2009) Počet procesních stupňů Technologie fermentačního procesu může být jednostupňová a vícestupňová. U jednostupňového procesu probíhají veškeré fermentační fáze v jednom místě a ve stejném čase. Toto prostředí vzniká neustálým promícháváním vstupujícího substrátu s masou uvnitř samotného fermentoru

13 Vícestupňová technologie předpokládá, že jsou fáze fermentace od sebe odděleny prostorově použitím většího počtu fermentačních nádrží nebo jsou jednotlivé fáze od sebe odděleny v jedné nádrži (Hons, 1987) Rozdělení podle sušiny v substrátu Suchý proces U suché fermentace tvoří reaktory haly, které lze hermeticky uzavřít a z kterých je plyn odváděn. Do hal se vsádkově naváží substrát, a dále se s ním již mechanicky nepohybuje. Materiál je podlahovým topením vyhříván a postřikem, tzv. perkolátem, skrápěn. Obvyklá délka procesu je 28 dnů, pro docílení kontinuity se doporučuje pracovat alespoň se čtyřmi fermentory. Po ukončení cyklu je substrát, tzv. fermentát, vyvezen a nahrazen novou biomasou (Krňávek a Pospíšil, 2010). Mokrý proces Mokrý proces zahrnuje tvorbu bioplynu z materiálu, který má obsah sušiny ve fermentoru do 12%. Patří mezi nejrozšířenější technologie zejména díky jednodušší manipulaci s materiálem, nižší provozní i pořizovací ceně v přepočtu na vyrobenou kwh a jednoduššímu řízení biologického procesu. Substráty s vyšším obsahem sušiny, jako jsou např. chlévská mrva, senáž, siláž nebo rostlinné zbytky, se musí v reaktoru nebo před vstupem do něj naředit procesní vodou nebo kejdou na odpovídající procento sušiny. Lehké materiály, případně dlouhá senáž, můžou z důvodu separace vytvářet plovoucí krusty. Vhodnost substrátu, resp. technologie, je třeba zvážit již před realizací BPS a vybrat takovou, která bude schopna podobné materiály zpracovávat (CZ Biom, 2007; VŠB, 2013) Způsob pohybu substrátu Vsázkový způsob batch proces: U vsázkového postupu se substrát do procesu přidá pouze jednou a v průběhu procesu se už žádný další substrát neodebírá ani nepřidává. Tato technologie předpokládá, že je k dispozici vedle fermentační nádrže ještě nádrž přídavná a

14 skladovací. Hlavní nevýhodou je nekontinuální výroba bioplynu, která se dá částečně eliminovat tím, že se pracuje se dvěma či více střídavě plněnými fermentory. Vsázkový způsob se v praxi příliš neosvědčil, používá se minimálně, typicky pak pro tzv. suchý proces. Velmi používaný je nicméně v laboratorním měřítku a téměř všechny laboratorní testy pracují právě s tímto typem technologie. Kontinuální (průtokový) způsob Většina bioplynových stanic na světě využívá právě průtokový způsob. Tento postup se vyznačuje tím, že je fermentor kontinuálně plněn, a zároveň odchází všechen degradovaný substrát do skladovací nádrže. Výhodou průtokového způsobu jsou kromě rovnoměrné výroby plynu i nižší pořizovací náklady oproti vsázkovému procesu. Nevýhodou tohoto systému je, že se může čerstvý substrát při smíchání dostat s již degradovaným materiálem z fermentačního prostoru do skladovací nádrže (Hons, 1987) Rozdělení podle pracovních teplot Pro každou skupinu mikroorganismů existuje soubor optimálních podmínek k růstu. Jedním ze základních předpokladů pro jejich optimální rozvoj je nastavení a udržení teploty. Obecně lze říci, že čím je teplota prostředí vyšší, tím biologické procesy probíhají rychleji. Pokud teplota vzroste nebo poklesne pod optimální hranici pro danou skupinu mikroorganismů, může to mít vliv na jejich metabolismus a v krajním případě i fatální důsledky pro jejich život. Skupiny bakterií, účastnících se degradace biomasy za vzniku bioplynu, lze rozdělit na základě jejich teplotního optima do třech základních skupin: psychrofilní, mezofilní, termofilní. Psychrofilní mikroorganismy využívají teploty do 25 C, pro výrobu bioplynu jsou tyto teploty nevhodné z důvodu nízkého výtěžku, procesy jsou významně zpomaleny. Odpadá však nutnost nahřívání substrátu a prostoru fermentoru. Mezofilní teplotní optimum 32 C až 42 C je pro proces výroby bioplynu nejvhodnější, dosahuje se při něm poměrně vysokého výtěžku bioplynu, a navíc je zachována dobrá fermentační stabilita. Nejvíce užívané metanogenní bakterie jsou mezofilní a mají své teplotní optimum kolem 40 C. Protože bakterie svojí činností

15 nevytvářejí dostatečnou tepelnou energii pro vyhřívání biofermentoru, je třeba při tomto způsobu zajistit dostatečnou tepelnou izolaci prostoru a externí vytápění, které udrží teplotu v optimu po celou dobu provozu. Termofilní proces se používá, např. pokud je třeba hygienizací substrátu zničit choroboplodné zárodky. Bakterie, které se v této technologii využívají, mají své teplotní optimum mezi 50 C a 57 C. Termofilní výroba je typická svými nároky na udržení mikrobiální stability a je velmi citlivá na výpadky bioreaktoru, dodávky substrátu, nebo změně v substrátové skladbě (Dvořáček, et al., 2009)

16 3.3. Anaerobní fermentační proces V přírodě se jedná o spontánní děj, kterým se přeměňuje organická hmota na jednodušší látky. Probíhá běžně v bažinách, v zažívacím traktu skotu a na skládkách biologického odpadu. Tento soubor na sebe navazujících procesů realizuje několik základních skupin anaerobních mikroorganismů, kde se produkt jedné skupiny stává substrátem pro další reakci. Výpadek jednoho článku tohoto degradačního řetězce má za následek narušení celého procesu. Výslednými produkty reakcí je bioplyn, jehož složení detailně popisuje tabulka II (CH 4, CO 2, H 2, N 2, H 2 S aj.), a fermentovaná biomasa, tzv. digestát (Vodrážka, 1999; Váňa, 2009;VŠB, 2013). Tab. II: Složení bioplynu. (VŠB, 2013)

17 Proces mikrobiálního rozkladu substrátu Anaerobní fermentační proces je možné rozdělit do čtyř po sobě jdoucích fázích, jak uvádí obr. 2. Hydrolýza Acidogeneze Acetogeneze komplexní organický materiál (celulóza, hemicelulózy, bílkoviny atd.) monomery a oligomery (cukr, peptidy, aminokyseliny atd.) jednodušší organické látky (kyselina mléčná, octová, oxid uhličitý, vodík) kyselina octová Metanogeneze metan + vodík Obr. 2: Schematický popis anaerobní fermentace; vlastní zpracování, sestaveno ze zdrojů (VŠB, 2013) Hydrolýza: V této fázi jsou hlavními činiteli hydrolytické extracelulární enzymy, které produkují do prostřední anaerobní bakterie (ne metanogenní). Enzymy přeměňují rozpuštěné i nerozpuštěné makromolekulární látky (bílkoviny, polysacharidy, tuky) na

18 nízkomolekulární látky rozpustné ve vodě. Produkty této fáze jsou především aminokyseliny, monosacharidy, mastné kyseliny a voda. Acidogeneze: Tato fáze se nazývá kyselá z toho důvodu, že produkty degradace nízkomolekulárních látek z předchozí hydrolytické fáze jsou jednodušší organické látky a při jejich fermentaci se tvoří různé redukované produkty v závislosti na typu substrátu a podmínkách prostředí. Při nízkém parciálním tlaku vodíku vzniká kyselina octová, H 2 a CO 2 a při vyšším tlaku vyšší organické sloučeniny, kyselina mléčná a další. Acetogeneze: V předposlední fázi dochází ke vzniku kyseliny octové jako hlavního produktu oxidace předchozích produktů, dále vzniká CO 2 a H 2. Kyselina octová vzniká také jako produkt acetogenní respirace homoacetogenních mikroorganismů. Vlivem činnosti těchto bakterií je možné rozložit i další přítomné sloučeniny, v některých případech jsou nesnadno degradovatelné. Je to např. kyselina propionová, organické kyseliny vyšší než octová, alkoholy nebo aromatické sloučeniny. V této fázi mj. vzniká činností minoritních skupin mikroorganismů sulfan a dusík. Metanogeneze: Poslední fáze fermentace je proces, kterého se účastní metanogenní bakterie. Zpracovávají některé jednouhlíkaté látky a kyselinu octovou. Vedle bakterií zpracovávající kyselinu propionovou jsou často limitujícím faktorem celého procesu anaerobní fermentace. Je to zejména z důvodu specifických nároků na substrát i životní podmínky (Žídek, 2004)

19 3.4. Legislativní podpora Základní legislativní rámec pro oblast obnovitelných zdrojů v ČR tvoří: - Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Je založen na garanci návratnosti investic a vztahuje se na určení výkupních cen elektřiny vyrobené na bázi OZE, kdy základním nástrojem je garantovaná cena na celou dobu technické životnosti zařízení. Na tento zákon přímo navazuje Zákon č. 165/2012 Sb. o podporovaných zdrojích energie. Tento nový zákon zpřísňuje podmínky využití podpor a zejména vytváří tlak na větší efektivnost využití energie biomasy (podpora pouze pro realizace využívající kombinovanou výrobu elektřiny a tepla). - Zákon č. 458/2000 Sb. o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích (energetický zákon), který byl novelizován zákonem č. 211/2011 Sb. (Sbírka zákonů ČR, 2000; Sbírka zákonů ČR, 2005; Sbírka zákonů ČR, 2011; Sbírka zákonů ČR, 2012). Tyto dva základní zákony se svými prováděcími vyhláškami dávají rámec výrobě a podpoře obnovitelných zdrojů energie (OZE) včetně bioplynu. Na základě těchto zákonů na konci každého roku vydává Energetický regulační úřad cenové rozhodnutí, kterým stanoví výši podpory, výši distribučních poplatků a některé další podmínky pro trh s energiemi vyrobených na bázi OZE. V roce 2011 byl schválen zákon o podporovaných zdrojích energie. Tento zákon do české legislativy implementuje závaznou Směrnici Evropského parlamentu a Rady 2009/28/ES. o podpoře energie z obnovitelných zdrojů ze dne 23. dubna Cílem této směrnice je naplnění cílů Evropské unie (dále jen EU) do roku 2020, které jsou specifikované jako dosažení 20% podílu energie z OZE na hrubé konečné spotřebě EU. Další vývoj produkce energií z obnovitelných zdrojů popisuje Národní akční plán modelovaný do střednědobého horizontu do roku Pro Českou republiku to znamená dvojnásobné navýšení využívání OZE pro výrobu elektřiny, tepla a biopaliv v dopravě v letech Cílem je vyrábět 13,5 % energie z OZE z celkové spotřeby energie v roce (MPO, 2010; MZe, 2012; Stupavský, 2012)

20 Tab. III: Odhad konečné spotřeby OZE v roce 2012, 2015 a návrh na rok (MPO, 2010) Hlavní výrobní plochou biomasy pro výrobu biopaliv se má stát zemědělská půda, druhotně lesní půda. Naplnění cílů akčního plánu tak ponese zvýšené zapojení českého zemědělství do energetické produkce až na jeden milion hektarů zemědělské půdy pro energetické účely. V současné době je v půdním fondu ČR 4,25 mil. ha zemědělské půdy a plánované navýšení je udržitelné i vzhledem k zajištění potravinové soběstačnosti. Velké rezervy lze najít např. ve využití ploch trvalých travních porostů, jejichž údržba je ročně dotována částkou 4,5 miliard korun. Jedná se o cca 1 milion ha bez faktické produkce biomasy. Zde se nachází prostor např. pro výrobu biomasy pro energetické účely. Následující tabulka IV ukazuje plochy využitelné pro OZE v závislosti na využití půdy na zajištění potravinové soběstačnosti (Kalaš, 2011; Stupavský, 2012)

21 Tab. IV: Disponibilní plocha půdy; *teoreticky využitelná půda pro OZE. (MZe, 2012)

22 3.5. Typy substrátů pro zemědělské BPS Zemědělské BPS jsou charakteristické tím, že zpracovávají materiály rostlinného původu a statkových hnojiv, resp. podestýlky. Podle zákona č. 185/2001 Sb. se v zemědělských BPS nesmí zpracovávat odpady a materiály, které spadají pod nařízení EP a Rady (ES) č. 1774/2002 o vedlejších živočišných produktech. Do zemědělských BPS se zpravidla využívá těchto vstupních surovin. Vedlejší produkty živočišné výroby: - kejda prasat, - hnůj prasat s podestýlkou, - kejda skotu, - kejda skotu s podestýlkou, - drůbeží exkrementy, - hnůj a podestýlka z chovu koní, - hnůj a stelivo z chovů ostatních hospodářských zvířat aj. Vedlejší produkty rostlinné výroby: - řepný chrást z krmné i cukrové řepy, - bramborová nať, slupky z brambor, případně nestandardní brambory, - plevy a odpady z čištění obilovin, - sláma (z obilovin, luskovin, olejnin apod.), - nezkrmitelné rostlinné materiály (siláže, zrniny) aj. Cíleně pěstovaná biomasa: - obiloviny v mléčné zralosti čerstvé i silážované, - kukuřice čerstvá i silážovaná, - krmná kapusta, čerstvá, případně silážovaná, - travní senáže, - cukrová (krmná) řepa, aj. (Edder a Schulz, 2004; MŽP, 2010)

23 Jak ukazuje obr. 3, jsou výtěžnosti bioplynu velice rozdílné v závislosti na použitém substrátu. Obr. 3: Výtěžnost bioplynu v závislosti na použitém substrátu. (VŠB, 2013) Skladbu a množství substrátu je nutné vždy určit na základě energetické výtěžnosti, resp. výtěžnosti bioplynu daného substrátu, na základě jeho aktuální dostupnosti, ceně a chemickém složení. K výpočtu optimálního složení je nutné zvážit řadu faktorů, většinu z nich popisuje přehledně tabulka V

24 Tab. V: Shrnutí substrátů. (Dvořáček et. al, 2009)

25 3.6. Optimální složení surovinové směsi Fermentační proces probíhá za pomocí několika druhů kultur mikroorganismů, které postupně zpracovávají vstupní substrát až na výsledný bioplyn. Jedná se tedy o živý proces, který je citlivý jak na kvalitu, tak na změnu podmínek prostředí (teplota, ph). Nevhodné podmínky pro život mikroorganismů mohou způsobit snížení výtěžku bioplynu, případně až úplné zastavení fermentačního procesu. Jedním z příkladů jsou vstupní substráty s větším množstvím dusíkatých látek, které mohou ve fermentoru působit negativně, a tím snížit produkci bioplynu. Nebezpečí hrozí u dávkování drůbežích podestýlek, jatečných odpadů, masokostní moučky a podobných materiálů bohatých na obsah dusíku. Negativní vliv je významným způsobem minimalizován přidáním vstupních surovin s vhodným obsahem dusíku, jako jsou kukuřice, hnůj či kejda. Pro optimální chod fermentoru je vhodné držet konstantní substrátovou skladbu a případné přechody mezi jednotlivými surovinami je třeba provádět pozvolna v řádech měsíců. Reakce na úpravu vstupních surovin a na zásadní změny ve složení směsi dané bioplynové stanice se velmi liší v závislosti na typu technologie, stabilitě fermentačního procesu a v neposlední řadě také na schopnosti a citu obsluhy (VŠB, 2013)

26 4 PRAKTICKÁ ČÁST - BPS v RS Lesonice, a.s Rolnická společnost Lesonice, a.s. rostlinná výroba Rolnická společnost Lesonice, a.s. (dále jen RSL) hospodaří mimo vlastních pozemků ještě na pozemcích dalších čtyř společností, které jsou vlastnicky propojeny. Jednotlivé firmy včetně jejich výměr: Rolnická společnost Lesonice, a.s. Kooperace Sádek, a.s. Rolnická společnost Rokytnice, a.s. V.O.Z.S. spol. s r.o. Klas Neslovice, a.s ha zemědělské půdy 388 ha zemědělské půdy vše v režimu EKO 570 ha zemědělské půdy 445 ha zemědělské půdy 845 ha zemědělské půdy Celkově obhospodařuje plochu ha zemědělské půdy, z toho je 388 ha v režimu ekologického zemědělství. Veškerou činnost vykonávají zaměstnanci RSL, ostatní společnosti nemají žádné zaměstnance ani technické vybavení. Pozemky se nachází v okruhu cca 50 km v nadmořské výšce od 210 m n. m. (Klas Neslovice, a.s.) do 600 m n. m. (Kooperace Sádek, a.s.), s průměrnými ročními srážkami 550 mm. Nosným programem rostlinné výroby je produkce obilovin, olejnin a pícnin, které jsou pěstovány jak pro živočišnou výrobu, tak pro energetické účely jako substráty do bioplynových stanic. V následujícím přehledu a v grafu obr. 4 je uvedena plodinová skladba a výměra jimi oseté plochy v roce Pšenice ozimá Pšenice jarní Řepka Ječmen ozimý Ječmen jarní Triticale na zrno ha 376 ha ha 86 ha 159 ha 131 ha

27 Žito na zrno Kukuřice na zrno Kukuřice silážní Žito na GPS Triticale na GPS Víceleté pícniny na orné půdě TTP TTP v režimu EKO 90 ha 258 ha 649 ha 60 ha 66 ha 150 ha 190 ha 388 ha Obr. 4: Podíl plodin na celkové oseté ploše v RSL. (RSL, 2013) Pícniny pěstované na orné půdě jsou buď určeny k výkrmu zvířat, nebo jako substrát do BPS. Pro potřeby BPS je cíleně na orné půdě pěstována především silážní kukuřice, obilniny na GPS nebo senáž. Obilniny na GPS se pěstují pouze na pozemcích erozně ohrožených, nebo pozemcích, na kterých není z jiných důvodu možné pěstovat kukuřici

28 Přímé náklady na tržní plodiny a průměrný výnos jsou uvedeny v tabulce VI. Vzhledem k tomu, že kukuřičná siláž není zatím obchodována jako tržní komodita, není v níže uvedené tabulce zmiňována. Nicméně, přímé náklady na výrobu činí Kč ha -1 při výnosu 42 t z ha. Tab. VI: Přímé náklady na plodiny. (RSL, 2013) Osetá plocha, přímé náklady na jednotlivé plodiny, realizační ceny a průměrný výnos tržních plodin Plodina Osetá plocha [ha] Průměrné přímé náklady na ha Cena za t komodit Průměrný výnos z ha Řepka ozimá 905, , ,1 Pšenice jarní 376, , ,0 Ječmen jarní 159, , ,4 Ječmen ozimý 86, , ,2 Řepka jarní 94, , ,1 Pšenice ozimá 1 136, , ,5 Žito 90, , ,2 Triticale 131, , ,0 Kukuřice zrno 258, , ,3-26 -

29 4.2. Rolnická společnost Lesonice, a.s. živočišná výroba Mimo rostlinnou výrobu se společnost zabývá živočišnou výrobou, konkrétně produkcí mléka a hovězího masa. Základní stádo dojného skotu čítá 470 ks dojnic plemen českého strakatého a holštýnského. Výroba hovězího masa je zastoupena žírem býků v počtu 360 ks a v ekologickém režimu pak kravami bez tržní produkce mléka v počtu 100 dobytčích jednotek. Veškerý dobytek je ustájen ve stlaném provozu a všechna produkce chlévské mrvy je zpracovávaná v BPS. Obr. 5: Provoz živočišná výroba, základní stádo dojného skotu. (RSL, 2013)

30 4.3. Bioplynové stanice Poslední oblastí, kterou se společnost zabývá a do které v posledních letech investuje, je oblast výroby energií. V roce 2012 uvedla do provozu druhou bioplynovou stanici v Krahulově s celkovým výkonem 999 kwh. Instalace byla cílena do areálu výrobny krmných směsí, kde je možné využít odpadní teplo k výrobě technologické páry. Pára vytvořená jako vedlejší produkt výroby elektrické energie je prodávána společnosti provozující výrobnu KS. První bioplynová stanice, která je v činnosti již od roku 2009, s celkovým instalovaným výkonem 998 kwh, se nachází v areálu společnosti v Lesonicích a poslouží jako modelový příklad pro další analýzy. (ADW, 2013) Bioplynová stanice v Lesonicích Obr. 6: Pohled na BPS Rolnické společnosti Lesonice, a.s. ve středisku Lesonice. (RSL, 2013)

31 Bioplynová stanice je situovaná v areálu Rolnické společnosti Lesonice, a.s. a je v provozu od roku Hlavní části technologie jsou: - vstupní betonová jímka o celkovém využitelném objemu 50 m 3, - příjmový box s objemem 405 m 3, - dva fermentory: betonové kruhové nádrže o průměru 20 m a výšce 6 m s celkovým pracovním objemem 2 x m 3, - dofermentační nádrž o průměru 33 m a výšce 8 m, s pracovním objemem m 3, - dvě otevřené ocelové koncové jímky o průměru 16 m a výšce 7,5 m o celkové kapacitě m 3, otevřená skladovací betonová jímka o průměru 36 m a výšce 8 m o celkové skladovací kapacitě m 3, - samostatná strojovna se třemi motorgenerátory, - trafostanice. Strop fermentačních a dofermentační nádrže je tvořen dřevěnou konstrukcí složenou z nosných trámů a deskového záklopu, na které je volně položena a po obvodu utěsněna gumotextilní elastická membrána. Dřevěná konstrukce rozděluje nádoby na dvě části. Ve spodní části probíhá fermentace, v horní části je jímán bioplyn, který vydouvá membránu do kupolovitého tvaru. Spodní část a svislé stěny těchto nádrží jsou zatepleny deskami z extrudovaného polystyrenu. Jednou z nejdůležitějších částí stanice je strojovna se třemi zabudovanými kogeneračními jednotkami. První z nich je jednotka typu TEDOM Quanto D770SP BIO o výkonu 716 kw, další dvě kogenerační jednotky TEDOM Cento T160 SP BIO, každá o výkonu 141 kw. Společně dosahují výkonu 998 kw. Ve strojovně je dále umístěno zařízení pro měření a regulaci procesu a další pomocné přístroje. Součástí výrobny je i místnost velínu a technická místnost. Stanici doplňují dále rozvody tepla pro fermentor a dofermentor, teplovod, vedení plynovodu a kondenzátu. Substrát je dodáván pomocí šnekového dávkovacího zařízení s kontejnerovým zásobníkem o objemu 50 m 3 s hydraulickým posuvným čelem pro každý fermentor. Míchání surovin ve fermentoru je prováděno pomaloběžným horizontálním míchadlem, vytápění zajišťuje systém potrubí napojený na chladící okruh kogenerační jednotky. Po zahřátí surovin na provozní teplotu (tj. cca 41 C) probíhá intenzivní anaerobní fermentace a tvoří se bioplyn. Z integrovaného plynojemu je bioplyn veden potrubím do

32 strojovny, zde je využit jako palivo k pohonu kogeneračních jednotek, které vyrábí elektrickou energii a teplo Substráty spotřebované v BPS Lesonice v roce 2012 V následujícím přehledu jsou uvedena množství substrátu spotřebovaného v modelové bioplynové stanici za rok V substrátové skladbě byla spotřebována veškerá dostupná chlévská mrva, rostlinné zbytky po čištění obilovin, cukrovarské řízky (přebytky z krmivové základny) a čerstvá píce. Pouze u siláže a senáže je možné navýšit spotřebu, resp. navýšit produkci, ostatní komodity jsou vedlejší produkty jiných výrob a jejich množství je limitované. kukuřičná siláž chlévská mrva senáž rostlinné zbytky po čištění obilovin rostlinné zbytky po čištění máku čerstvá píce cukrovarské řízky nestandardní pšenice procesní (odpadní) voda z dojírny t t t 228 t 24 t 150 t 50 t 3 t t Obr. 7: Substrátová skladba a energetický výnos - BPS v RSL (RSL, 2013)

33 Z tříletého provozu BPS lze usuzovat, že současná substrátová skladba je ustálená a je možné za těchto podmínek udržet trvalý neměnný provoz Analýza spotřeby surovin Tabulka VII uvádí jak reálná data z účetnictví Rolnické společnost Lesonice, a.s., tak tabulkové hodnoty a teoretické výpočty výtěžnosti bioplynu. Reálné údaje jsou o spotřebě substrátu a jeho ceně, ostatní jsou dopočítané nebo tabulkové. Na výrobě elektrické energie se nejvíce, a to zásadním způsobem viz obr. 7, podílí kukuřičná siláž, chlévská mrva a senáž. Ostatní vstupní suroviny mají na výrobu elektrické energie pouze malý vliv v řádech procent. Stejně jako v případě chlévské mrvy je i jejich dostupná zásoba využita ze 100%. Není možné zásadně zvýšit jejich podíl v substrátové skladbě, a proto se budeme dále zabývat pouze těmi komoditami, jejichž množství jsme schopni ovlivnit. Tab. VII: Spotřeba substrátů v modelové BPS v roce (RSL, 2013) Spotřeba v roce 2012 Substrát množství substrátu v čerstvé hmotě [t] množství substrátu v čerstvé hmotě [%] výtěžnost bioplynu [m 3. t -1 ] vyrobeno bioplynu [m 3 ] vyrobeno bioplyn [%] vyrobeno el. en. [MWh]. cena t [Kč] cena vyrobené MWh [Kč] Siláž , , , Chlévská mrva , , , Senáž , , , Rostl. zbytky po čištění 228 0, ,3 108, Odpad máku 24 0, ,3 22, Zelená hmota (jetelotráva) 150 0, ,2 20, Cukrovarské řízky 50 0, ,1 6, Pšenice nestandardní 3 0, ,1 4, Celkem ,7-31 -

34 Z výše uvedeného vyplývá, že dva nejdůležitější a zároveň nejdostupnější substráty jsou kukuřičná siláž a senáž. Kukuřičná siláž je na výrobě elektrické energie zastoupena 61,3 % a nákladově na výrobě jedné kwh částkou 2,0 Kč. Procentický podíl senáže na výrobě elektrické energie pak činí 17,4 % při nákladech 2,7 Kč kwh -1. Nákladově je výhodnější kukuřičná siláž než senáž, nicméně, na výrobu senáže pro účely BPS je možné využít trvalé travní porosty, které doposud nejsou intenzivně využívané. V případě, že se tyto pozemky začnou intenzivně obhospodařovat, je možné pro účely výroby travních senáží využít 140 ha trvalých travních porostů. Tato senáž nahradí kukuřičnou siláž spotřebovávanou v BPS a následně dojde ke snížení oseté plochy silážní kukuřicí. Uvolněná orná půda je v tom případě disponibilní pro osev tržními plodinami. K výpočtu nákladů na intenzivní obhospodařování TTP je možné použít data z tabulky VIII. Tab. VIII: Přímé náklady na obhospodařování TTP. (RSL, 2013) Přímé náklady na 1 ha TTP v Kč/ha Osiva 333 Hnojiva Chemie 400 PHM služby sklizeň polní práce služby doprava ostatní 500 Celkem

35 4.5. Vlastní výpočet ekonomický rozbor: Při výpočtu nových nákladů, které vzniknou společnosti při intenzivním obhospodařování 140 ha TTP použijeme náklady uvedené v tabulce VIII. Na základě těchto dat je možné vypočítat, že náklady budou činit Kč. Při předpokládaném hektarovém výnosu 20 t bude ze zmíněných 140 ha vyprodukováno tun travních senáží. Vzhledem k průměrné výtěžnosti bioplynu, jak uvádí tabulka V, se fermentačním procesem v BPS vytvoří m 3 bioplynu. Množství m 3 bioplynu teoreticky odpovídá výtěžku z tun kukuřičné siláže. Při průměrném výnosu 42 t kukuřičné siláže na 1 ha, by toto množství bylo vyprodukováno na 62 ha orné půdy. Úspora nákladů na výrobu silážní kukuřice z 62 hektarů, kdy náklady na jeden ha činí Kč, je Kč. Při osetí 62 ha orné půdy tržními komoditami v osevní skladbě společnosti, jak uvádí tabulka VI, a ze které vyplývá vážený průměrný náklad Kč na ha, bude mít podnik zvýšené náklady na tržní komodity o Kč. Zároveň při průměrných vážených tržbách z ha, jak vyplývá z tabulky VI, které jsou Kč celkové tržby dosáhnou Kč. Celkový teoretický zisk společnosti po výše uvedených změnách je Kč jak uvádí tabulka IX

36 Tab. IX: Náklady, příjmy a úspory při záměně kukuřičné siláže za travní senáž a osetí volných ploch tržní plodinou. (dle údajů RSL, 2013) náklady v Kč na ha příjmy a úspory v Kč na ha travní senáž kukuřičná siláž tržní plodiny celkem čistý zisk V níže uvedených grafech je znázorněna substrátová skladba před a po teoretické úpravě za účelem dosažení co největších zisků. Obr. 8.: Graf substrátové skladby současného a navrhovaného stavu. (RSL, 2013)

37 5 ZÁVĚR Na základě analýzy různých vstupních substrátů BPS v Rolnické společnosti Lesonice bylo zjištěno, že největšího pozitivního vlivu na ekonomiku provozu bude dosaženo záměnou kukuřičné siláže za odpovídající množství travní senáže pěstované na dosud extenzivně využívaných TTP. Popsanou záměnou bude docíleno zvýšení tržeb z prodeje komodit, zatímco tržby za elektřinu vyrobenou v BPS zůstanou nezměněny. Tohoto efektu bude dosaženo následujícími změnami v substrátové skladbě a v osetých plochách. Uvažovaných t nově vyprodukované travní senáže, vzhledem k výtěžnostem bioplynu, nahradí t kukuřičné siláže, čímž se uvolní 62 ha orné půdy. Podmínkou je, že travní senáž, bude vypěstována na TTP, které doposud byly využívány extenzivně. Při této změně bude moci společnost uvolněných 62 ha orné půdy využít pro komerční plodiny. Při započtení nákladů a tržeb spojených s vypěstováním zmíněných t travní senáže, snížením osetých ploch silážní kukuřice o 62 ha, a pěstováním komerčních plodin na této ploše, dojde k pozitivní ekonomické bilanci. Výsledkem je navýšení zisku o cca Kč ročně při současném navýšení obratu o cca Kč. Dalším neopomenutelným přínosem, je přínos ekologicko společenský. Vzhledem k rozbouřené vnitro společenské debatě, týkající se energie z obnovitelných zdrojů a jejich nešetrných zásahů do přírody, ať jde o ornou půdu zabranou fotovoltaickými elektrárnami, anebo poškozování půdy erozí, která je znásobena zvětšením ploch osetých kukuřicí, společně s rapidním nárůstem počtu BPS v ČR, může být pro daný zemědělský podnik velkou devizou snížení osetých ploch silážní kukuřicí z 649 ha na 587 ha, tedy o 10%. V odborných kruzích je v souvislosti s BPS obecně diskutovaným tématem bilance uhlíku. V tomto kontextu je pozitivní vliv zejména v důsledku zintenzivnění péče o trvalé travní porosty. Při navýšení produkce biomasy se navýší i produkce organického uhlíku

38 Výše uvedené změny reflektují i Národní akční plán, který předpokládá navýšení energií z OZE právě ve spojitosti s využíváním biomasy z trvalých travních porostů. Podobný pozitivní efekt lze předpokládat i u dalších zemědělských podniků provozujících BPS, které disponují volnou, respektive méně intenzivně využívanou plochou (většinou TTP) a budou schopni s pozemky naložit obdobně, jako v modelovém příkladu

39 POUŽITÁ LITERATURA 1) ADW, 2013: www stránky společnosti, dostupné na: < cit ) CZ Biom, 2007: Spolehlivá a ověřená technologie bioplynové stanice, dostupné na:. < cit ) CZBA, 2013: dostupné na: < cit ) Dvořáček T. (et. al), 2009: Průvodce výrobou a využitím bioplynu, dostupné na: < uzitim_bioplynu_2.pdf>, cit ) Eder B., Schulz H., 2004: Bioplyn v praxi. Hel, Ostrava. 6) Energetický regulační úřad, 2013: dostupné na: < cit ) Hons P., 1987: Výroba a využití bioplynu v ČSSR. Český výbor zemědělské společnosti a společnosti potravinářského průmyslu ČSVTS, Praha. 8) Informace zaměstnanců z RSL, ) Kalaš, P. J., 2011: Biomasa a bioplyn v ČR, Sborník konference Bioenergie (Biomasa, Bioplyn), Praha. 10) Krause J., Špička J., 2012: Vývoj a podpora zemědělských bioplynových stanic v ČR. Prezentace, dostupné na: < cit ) Krňávek B., Pospíšil L., 2010: Suchá fermentace alternativní výroba bioplynu, dostupné na: < cit ) MPO, Národní akční plán pro energii z obnovitelných zdrojů, dostupné na: < cit ) MZe, 2012: Akční plán pro biomasu v ČR na období , Ministerstvo zemědělství, Praha, ISBN , dostupné na: < cit

40 14) MŽP, 2010: Metodický pokyn k podmínkám schvalování bioplynových stanic před uvedením do provozu, dostupné na: < LE/oued-metodika_schvalovani_BPS pdf>, cit ) Sbírka zákonů ČR, 2000: 458/2000 Zákon ze dne 28. listopadu 2000 o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon). 16) Sbírka zákonů ČR, 2005: 180/2005 Zákon ze dne 31. března 2005 o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů). 17) Sbírka zákonů ČR, 2011: 211/2011 Zákon ze dne 9. června 2011, kterým se mění zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon), ve znění pozdějších předpisů, a další související zákony. 18) Sbírka zákonů ČR, 2012: 165/2012 Zákon ze dne 31. ledna 2012 o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů. 19) Stupavský V., 2012: Zelená podpoře tepla pro zdroje na biomasu a bioplyn zajistí nižší náklady spotřebitelů. Biom.cz [online] ISSN: , dostupné na: < cit ) Váňa J., 2009: Bioplynové stanice na využití bioodpadů. České ekologické manažerské centrum, dostupné na: < cit ) Vodrážka Z., 1999: Biochemie. Academia, Praha, kniha III. 22) VŠB, 2013: dostupné na: < cit ) Žídek M., 2004: Anaerobní digesce zvolených substrátů na laboratorním fermentoru. Energie z biomasy III seminář, Brno, dostupné na: < cit

41 6 SEZNAM ZKRATEK BPS EKO EP ERU EU GPS KS MPO MZe OZE PHM RSL TTP bioplynová stanice ekologické Evropský parlament Energetický regulační řad Evropská unie Ganzpflanzenschrot krmné směsi Ministerstvo průmyslu a obchodu Ministerstvo zemědělství obnovitelné zdroje energie pohonné hmoty Rolnická společnost Lesonice, a.s. trvalé travní porosty