NÁVRH FERMENTORU PRO DOMÁCNOST

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PROCESS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING NÁVRH FERMENTORU PRO DOMÁCNOST HOUSEHOLD FERMENTOR DESIGN DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. JAN ŠVEC Ing. LUCIE HOUDKOVÁ, Ph.D. BRNO 2012

2 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav procesního a ekologického inženýrství Akademický rok: 2011/2012 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Jan Švec který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Procesní inženýrství (3909T003) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem ě určuje následující téma diplomové práce: v anglickém jazyce: Návrh fermentoru pro domácnost Household fermentor design Stručná charakteristika problematiky úkolu: Stěžejní bod práce je navržení malého domácího fermentoru sloužícího k výrobě bioplynu z BRO produkovaného domácností, především tedy odpadu z kuchyně a zahrady. Návrh bude zahrnovat míchací systém, ohřívání a ostatní náležitosti pro efektivní provoz. V práci budou uvedeny způsoby využívání získaného bioplynu, pokyny k obsluze i odhad finanční stránky projektu. Fermentor tak bude pro domácnost představovat alternativu ke kompostování odpadu. Cíle diplomové práce: Zjištění množství bioplynu, které je možno vyprodukovat z kuchyňského a zahradního odpadu domácnosti (materiálová bilance na základě literární rešerše). Návrh fermentoru vhodného pro podmínky domácnosti (pro zadané množství bioodpadu). Návrh způsobu využívání získaného bioplynu (energetická bilance).

3 Seznam odborné literatury: Straka F., Bioplyn, GAS, Říčany, s. ISBN Schulz S., Eder B.; Bioplyn v praxi, HEL 2004, 167 s. ISBN Vedoucí diplomové práce: Ing. Lucie Houdková, Ph.D. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne L.S. prof. Ing. Petr Stehlík, CSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Ředitel ústavu Děkan fakulty

4 ANOTACE Cílem práce je návrh fermentaní jednotky speciáln uzpsobené pro provoz v domácnostech. Jednotka zpracovává kuchyský a zahradní biologicky rozložitelný odpad, pi požadavcích na co nejnižší poizovací i provozní náklady a náronost obsluhy. Pínosem této jednotky je výroba bioplynu, který bude pímo v domácnosti využit, a zpracování biologicky rozložitelného odpadu na kvalitní organické hnojivo. První ást je vnována popisu procesu anaerobní fermentace a shrnutí provozních podmínek, jež je nutné pro kvalitní fermentaci dodržovat. Hlavní ást se zabývá potenciálem výroby bioplynu v konkrétní domácnosti, pro kterou je jednotka navrhována, dále návrhem fermentaního zaízení, návrhy na využití získaného bioplynu a finanním zhodnocením celého projektu. KLÍOVÁ SLOVA anaerobní fermentace, bioplyn, návrh fermentaního zaízení, biologicky rozložitelný odpad ANNOTATION The aim of this thesis is to design a fermentation unit specially adjusted for household operating. Unit processes kitchen and garden biodegradable waste with requirements of low acquisition costs, operating costs and demands of service. Benefits of this unit are production of biogas, which will be utilized in household, and processed of biodegradable waste to nutritious manure. The first part of the work is aimed on description of anaerobic fermentation process and summary of operating conditions. The main part deals with potential of household and garden biodegradable waste for production of biogas and design of fermentation unit. Proposals for biogas utilization and economy of whole project are mentioned. KEYWORDS anaerobic fermentation, biogas, fermentation unit design, biodegradable waste

5 BIBILIOGRAFICKÁ CITACE ŠVEC, J. Návrh fermentoru pro domácnost. Brno: Vysoké uení technické v Brn, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce Ing. Lucie Houdková, Ph.D.

6 PROHLÁŠENÍ O PVODNOSTI Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Návrh fermentoru pro domácnost vypracoval samostatn s použitím odborné literatury a zdroj uvedených v seznamu, jenž je souástí této práce. V Brn dne 25. kvtna 2012 Podpis Bc. Jan Švec

7 PODKOVÁNÍ Rád bych touto cestou podkoval vedoucí diplomové práce Ing. Lucii Houdkové, Ph.d za odborné vedení, pipomínky a cenné rady pi realizaci této diplomové práce.

8 OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOL ÚVOD BIOPLYN Chemické složení a vlastnosti Výhevnost Výroba bioplynu Proces anaerobní fermentace Materiály vhodné k fermentaci Zaízení na výrobu bioplynu ízení procesu Mokrá fermentace Suchá fermentace Využití bioplynu NÁVRH FERMENTANÍ JEDNOTKY Požadavky na zaízení v domácích podmínkách Odpady vhodné k fermentaci produkované domácností Využití bioplynu a digestátu v domácnosti Materiálová bilance Výpoet produkce bioplynu Laboratorní stanovení hodnot obsahu sušiny a organické složky Vlastní výpoet produkce bioplynu Provozní podmínky fermentaního zaízení Návrh fermentaního zaízení Reaktor Ohev Izolace Míchání Plynojem Diskuze Kalová koncovka Úprava materiálu Zapojení celého zaízení a rozbhnutí procesu Využití bioplynu v praxi

9 3.12 Celkové poizovací a provozní náklady ZÁV R SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM PÍLOH

10 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK BP BPS BRO OV R SN ES IBC OS VL ZŽ Bioplyn Bioplynová stanice Biologicky rozložitelný odpad istírna odpadních vod eská republika eská státní norma Evropská smrnice Intermediate bulk container Organická složka Veškeré látky Ztráta žíháním 10

11 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOL Symbol Význam Jednotka c b cena vyrobeného bioplynu K c CH4 koncentrace CH 4 v bioplynu % c e cena elektiny K kwh -1 c p tepelná kapacita -1 J kg -1 K d prmr míchadla m D prmr nádrže m E energie MJ g gravitaní zrychlení m s -2 h rozdíl hladin v petlakové pojistce m H výška hladiny v nádrži m H 2 výška míchadla od dna nádrže m H b výhevnost bioplynu MJ m -3 m hmotnost substrátu kg m m hmotnost ohívaného média kg m D hmotnost denní produkce substrátu kg m d hmotnost denní dávky (substrát + edící kapalina) kg m os hmotnost organické složky denní dávky kg os den -1 n otáky míchadla s -1 n d poet dní v provozu o VL obsah sušiny v substrátu % o ZŽ obsah organické složky v sušin % p petlak v plynojemu Pa p b celková produkce bioplynu m 3 p bd denní produkce bioplynu -1 m 3 den pc m provozní náklady míchání K pc tr provozní náklady topné rohože K ph vodíkový exponent p CH4 mrná produkce CH 4 m 3 kg os -1 p CH4c celková produkce CH 4 m 3 P m Píkon elektromotoru míchadla kw P o píkonové kritérium P tr píkon topné rohože kw Q P c tepelný výkon potebný pro ohev celého objemu nádrže kwh 11

12 Symbol Význam Jednotka Qc teplo potebné pro ohev celého objemu nádrže J Q d teplo potebné pro ohev denní dávky J Q Pd tepelný výkon potebný pro ohev denní dávky kwh Q tr výkon topné rohože kw t 1 poátení teplota ohívaného média C t 2 konená teplota ohívaného média C t m doba denního provozu míchadla hod t tr doba denního provozu topné rohože hod Z celkový zisk K z t tepelné ztráty % hustota kg m -3 12

13 1 ÚVOD Tato práce je vnována návrhu fermentoru pro domácnost. Tedy návrhu zaízení zpracovávající biologicky rozložitelný odpad (BRO) a pemující energii v nm uchovanou na bioplyn. Chod zaízení je navrhován na principech anaerobní fermentace. Jako vstupní substrát je uren pouze materiál vyprodukovaný v domácnosti a na pilehlých pozemcích a zahradách. Cílem je navrhnout zaízení, které by odpad dokázalo zpracovat a domácnosti ušetit výdaje za zemní plyn. Zárove je nezbytn nutné posoudit ekonomickou stránku poízení a provozu takového zaízení. Domácnost se zahradou vyprodukuje pouze zanedbatelný zlomek odpadu oproti velkým bioplynovým stanicím. Stále však jde o pomrn velké množství, které je nutno njakým zpsobem zpracovat, a které obsahuje uritý energetický potenciál. Lepší ze dvou v souasnosti praktikovaných variant nakládání s domácím BRO je uložení na kompost. Kompostováním je odpad pemnn na humus a slouží jako hnojivo. Mnoho domácností se zahradou, a pedevším pímstských zahrádká, však nemá pro kompost dostatený odbyt. Na pozemcích bez pole nebo záhon nenachází kompost takka žádné využití. Odpad je zde však stále produkován pedevším sekáním trávy a z ovocných strom, a už jde o listí nebo poniené ovoce. Druhým zpsobem nakládání s BRO je jeho slouení s komunálním odpadem. V takovýchto pípadech zstává odpad bez využití a je svážen na skládky komunálního odpadu. Nkteré moderní skládky jsou sice vybaveny zaízením na jímání skládkového bioplynu a v nkterých mstech i obcích funguje svoz a zpracování BRO ukládaného do speciálních hndých popelnic. Odpad tedy nemusí skonit zcela bez využití. O pímém užitku pro obyvatele domu však nemže být e. Navrhované zaízení by mlo ešit problematiku nakládání s odpadem pi zachování kvalitních hnojivých úink odpadu a pitom získat urité množství bioplynu a dokázat ho využít. Návrh se vztahuje ke konkrétní domácnosti se zahradou a vychází z definovaných omezení. Draz je kladen pedevším na co nejnižší poizovací i provozní náklady zaízení, a zárove na co nejnižší nároky na obsluhu. V práci jsou popsány návrhy na využití plynu i zhodnocení finanní stránky projektu. Dále práce popisuje principy vzniku bioplynu, technologie a zaízení užívané v praxi. V hlavní ásti je proveden návrh samotného zaízení. Uvedeny jsou také výtžnosti z rzných materiál. 13

14 2 BIOPLYN Bioplyn je bezbarvý plyn s pevládajícím obsahem metanu a oxidu uhliitého vzniklý procesem anaerobní fermentace biologicky rozložitelných materiál. Toto je definice bžn užívaná jak laickou tak i odbornou veejností, nicmén jedná se pojem odkazující na pomrn široké pole význam. Jelikož termín bioplyn nijak blíže nespecifikuje materiál, vstupující do procesu, ani pesný prbh procesu fermentace, složení vzniklých plyn se od sebe mže velice lišit, pestože nesou stejný název. Do kategorie bioplyn lze zahrnout jakýkoli plyn vzniklý inností mikroorganism a to bez ohledu na jeho pvod. Podle zpsobu a místa vzniku se plyn oznauje jako zemní plyn, dlní plyn, skládkový plyn, kalový plyn a další. Pi až filosofickém zamyšlení lze za bioplyn považovat i vzduch, který produkují rostliny. Jak už však bylo eeno, v souasné technické praxi se pod pojmem bioplyn rozumí plynná sms vzniklá anaerobní fermentací z organických látek s pevládajícím obsahem metanu a oxidu uhliitého. [1; 2; 3] 2.1 Chemické složení a vlastnosti Princip vzniku bioplynu je ve všech pípadech stejný, avšak ve vlastnostech a chemickém složení se mže výrazn lišit. Rozdíly jsou zpsobeny procesními podmínkami a složením fermentovaného materiálu. Vždy se však jedná o majoritní složení metanu a oxidu uhliitého, které v ideálním pípad dosahuje % obsahu metanu a % oxidu uhliitého. Ve skutenosti se vyskytují další minoritní plyny. Bývají to zbytky vzdušných plyn jako dusík, kyslík, argon, nebo plyny vzniklé v pedchozích fázích procesu, nap. vodík, sulfan, oxid dusný, amoniak, chlorovodík, etan a nižší uhlovodíky atd. Porovnání složení plyn vyprodukovaných z rozdílných substrát je uvedeno v tab. 1. Složením se od reaktorového bioplynu výraznji liší bioplyn skládkový, který vzniká za mén vhodných podmínek. [2; 4] Tab. 1 Obecné složení bioplynu pro rzné druhy substrát [5; 6] Látka [% obj.] Kuchyský odpad Odpad z istírny odpadních vod Zemdlský odpad CH CO N O < 0,5 < 0,5 H 2 O H NH H 2 S [mg/m 3 ]

15 Zvýšená koncentrace minoritních plyn mže signalizovat problémy jako pítomnost nežádoucí chemické látky v materiálu nebo poruchy v procesu. Zvýšený obsah CO 2 ukazuje nedodržení optimálních podmínek pro anaerobní fermentaci, pítomnost O 2 je zpsobena netsnostmi a zavzdušováním pracovního prostoru. To mže být nebezpené z dvodu vytváení výbušné smsi metanu s kyslíkem. Pítomnost H 2 nemá negativní energetické dopady, ale znaí narušení rovnováhy mezi acidogenní a metanogenní fází (fáze budou popsány v kapitole 2.2.1), což mže být zpsobeno petížením reaktoru surovým materiálem. Pítomnost sulfanu je zpsobena rozkladem bílkovin, které jsou obsaženy zejména v exkrementech hospodáských zvíat. Hodnoty se liší podle druhu zvíete. Koncentrace sulfanu mohou být natolik vysoké, že je v nkterých pípadech nutno sulfáty ped koneným využitím z bioplynu odstranit. Dvodem je oxidace sulfanu pi spalování bioplynu, ímž se vytváí siln korozivní kyselina sírová. Ta výrazn krátí životnost zaízení. [4; 7] Tab. 2 Vliv substrátu na obsah H 2 S v bioplynu [1] substrát obsah H 2 S v bioplynu [mg/m 3 ] Devní odpad, papír, celulóza, rostlinný odapad < 100 Kaly z mstských istíren odpadních vod Živoišné odpady skotu Živoišné odpady drbeže a vep, odpady s vysokým obsahem protein Výhevnost Výhevnost bioplynu je pímo závislá na množství metanu ve smsi. Energetický význam minoritních plyn v bioplynu jako H 2 nebo H 2 S je prakticky zanedbatelný. Závislost výhevnosti na koncentraci metanu v bioplynu je znázornna v následujícím grafu (obr. 1). Porovnání spalovacích vlastností rzných plyn je v tab. 3. [4] 15

16 Obr. 1 Závislost výhevnosti bioplynu na koncentraci CH 4 [4] Tab. 3 Spalovací vlastnosti bioplynu v porovnání s dalšími plyny [4; 8; 9] Plyn Hustota [kg/m 3 ] Spalné teplo [MJ/m 3 ] Výhevnost [MJ/m 3 ] Bioplyn 60 % CH 4 1,2 21,53 20,67 Metan 0, ,819 35,883 Sulfan 1,54 25,71 23,70 Propan 2, ,242 93,215 Butan 2, , ,810 Oxid uhliitý 1, Výroba bioplynu Bioplyn vzniká procesem biologického rozkladu organických látek v anaerobních podmínkách za psobení metanogenních, acetotrofních a hydrogenotrofních mikroorganism. Jedná se o jedny z nejstarších živých organism na naší planet. Jsou schopny pežít pouze v prostedí bez pítomnosti kyslíku, který je pro n siln toxický, a to v jakékoli koncentraci. Kyslíku, objevujícímu se v atmosfée, se ale pizpsobit dokázali, a to díky symbióze s jinými aerobními organismy. Metanogenní kultury proto v dnešní dob nalézáme zásadn ve smsných kulturách. [4] 16

17 Proces vzniku bioplynu má mnoho názv, nejastji se oznauje jako anaerobní fermentace, anaerobní digesce nebo biometanizace. Proces probíhá samovoln v pírod nebo umle ve speciálních zaízeních bioreaktorech neboli fermentorech. [4] Proces anaerobní fermentace Proces tvorby bioplynu anaerobní fermentací lze rozdlit do ty fází uvedených v následující tabulce 4. Tab. 4 Základní produkty jednotlivých fází anaerobní fermentace [4] VSTUP I. fáze HYDROLÝZA II. fáze ACIDOGENEZE III. fáze ACETOGENEZE IV. fáze METANOGENEZE Vlhké organické látky Jednodušší organické sloueniny (monomery) Organické kyseliny Vodík Oxid uhliitý Kyselina octová Vodík Oxid uhliitý Kyselina octová Bioplyn Metan Oxid uhliitý Sulfan Další plyny Fermentovaný materiál Hydrolýza Proces zaíná ješt v kyslíkatém prostedí, které pro rozvíjející se hydrolytické mikroorganismy není toxické. V této fázi dochází k enzymatickému rozkladu polymer na jednodušší organické látky monomery. Nastartování procesu bývá asto iniciováno okovadlem, tzv. inokulumem. Nutná je vlhkost alespo 50 % hmotnostního podílu vloženého materiálu. [4] Acidogeneze V této fázi dochází k vytvoení anaerobního prostedí, a to díky kmenm fakultativních anaerobních mikroorganizm. Vznikají jednodušší organické látky a zaíná vznikat vodík (H 2 ), oxid uhliitý (CO 2 ) a kyselina octová (CH 3 COOH), které pozdji umožují metanogenním organismm tvorbu CH 4. [4] Acetogenze Specializované acetogenní kmeny bakterií pemní organické kyseliny na H 2, CO 2 a CH 3 COOH. [4] 17

18 Metanogeneze Metanogenní acetotrofní bakterie produkují metan a oxid uhliitý, a to pedevším rozkladem kyseliny octové. Hydrogenotrofní bakterie vytváejí metan z vodíku a oxidu uhliitého. Tato fáze probíhá pibližn 5x pomaleji než pedešlé ti fáze. [4] Na rozdíl od aerobního procesu se pi anaerobní fermentaci odbourává velké množství organické sušiny a materiál se sám významnji neohívá, vzniká však bioplyn jako doprovodný zdroj energie. [4] Pro rozklad uhlovodan obecn platí [4]: C a H b O c CO 2 CH 4 Zjednodušené atomové bilance [4]: glukóza C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2 kyselina octová CH 3 COOH CH 4 + CO 2 metanol 4 CH 3 OH 3 CH 4 + CO H 2 O Materiály vhodné k fermentaci Bioplyn je možno získávat prakticky ze všech typ biomasy, krom biomasy s pevládajícím podílem celulózy a ligninu [1]. Metan vzniká rozkladem protein, lipid a polysacharid. Pi rozkladu protein se však uvolují sirnaté složky, které musí být pro nkteré pípady koneného využití z bioplynu odstranny. Rozkladem lipid se dosahuje nejvtší výtžnosti metanu, bohužel ve fermentovaných materiálech nebývá ve vtším množství zastoupen. Rozklad polysacharid, obzvlášt obsažených ve fytomase, bývá nejvtším zdrojem tvorby metanu. Významná ást fytomasy lingnin je však pi tvorb metanu zcela neužitená a na produkci se nijak nepodílí. [4] Charakteristika materiálu vhodného k fermentaci [4]: Nízký obsah anorganických látek. Významný podíl biologicky rozložitelných látek. Obsah sušiny tvoící ideáln % pro pevné látky a 8 14 % pro kapalné látky. Maximální hodnota obsahu sušiny, pi které ješt probíhá anaerobní proces je 50 %. Významným parametrem je kyselost nebo zásaditost materiálu ph. Bhem procesu se hodnota ph mní, ale jako ideální je na vstupu materiál s neutrální hodnotou, tj. ph = 7 7,8. 18

19 Dležitým faktorem ovlivujícím vlastnosti bioplynu je pomr uhlíkatých a dusíkatých látek v materiálu. Ideální je pohybovat se okolo pomru 30:1. Výrazn dusíkaté materiály bývají exkrementy hospodáských zvíat, naopak mezi uhlíkaté se adí materiály rostlinného pvodu. Vhodného pomru C:N se dosahuje míšením materiálu rzných vlastností. Hodnoty pro vybrané materiály jsou uvedeny v následující tabulce 5: Tab. 5 Pomr uhlíku s dusíkem (C:N) jednotlivých materiál [4] Materiál C:N Kra 120 : 1 Piliny 500 : 1 Papír : 1 Odpad z kuchyn : 1 Odpad ze zeleniny 13 : 1 Tráva : 1 Odpad ze zahrady : 1 Listí : 1 Štpka : 1 Drbeží exkrementy 10 : 1 Movka 2 : 1 Kejda skotu 10 : 1 Sláma : 1 Materiál nesmí obsahovat žádné látky narušující proces fermentace. Jde o látky potlaující mikrobiální rozvoj, jako jsou pedevším antibiotika. Dále není vhodné používat materiál již v hnilobném rozkladu. Vhodnost materiálu mže být narušena jeho pedchozí úpravou nebo manipulací. Zejména pak dlouhodobým skladování materiálu, pi kterém již probhl proces aerobní fermentace (kompostování). Každý materiál vykazuje jiné výtžnosti bioplynu. Hodnoty výtžnosti pro vybrané materiály jsou uvedeny v tabulce 6. 19

20 Tab. 6 Pehled výtžk metanu vztažených na jednotku organické sušiny podle rzných zdroj [10] Surovina Skot nízkoenergetický výkrm Skot stedn energetický výkrm Skot vysokoenergetický výkrm Skot dojnice (550 kg) Skot jalovice Skot telata Skot hnj + stelivo Vepi (70 kg) vysokoenergetický výkrm Vepi (70 kg) stedn energetický výkrm Výtžnost [m 3 CH 4 /kg organické složky] St. hodnota nebo Min. hodnota Max. hodnota pouze 1 zdroj 0, , ,25 0,22 0,28 0,15 0,12 0,17 0,15 0,15 0,16 0,14 0,14 0,15 0,10 0,09 0,29 0,32 0,29 0,35 0,25 0,24 0,25 Prasnice se selaty 0,25 0,22 0,36 Selata (10 kg) * 0,38 0,36 0,41 Selata (23 kg) 0,36 0,36 0,37 Vepová kejda smsná 0,38 0,28 0,48 Vepová kejda + kal OV 0,35 0,30 0,40 Drbeží exkrementy (brojlei, kuice) Drbeží exkrementy (nosnice) 0,20 0,13 0,53 0, Tráva erstv seená 0,25 0,18 0,32 Travní senáž 0,28 0,23 0,48 Seno, stébelnaté trávy 0,24 0,19 0,29 Devní prutová biomasa 0,16 0,12 0,28 20

21 Surovina Výtžnost [m 3 CH 4 /kg organické složky] St. hodnota nebo Min. hodnota Max. hodnota pouze 1 zdroj Kukuiná siláž (celá, v. zrna) 0,40 0,37 0,55* Kukuiná siláž 0,27 0,17 0,37 Kukuiná sláma 0,18 0,16 0,26 Pšeniná sláma 0,15 0,10 0,20 Žitná sláma * 0,27 0,27 0,31 Ovesná sláma 0,17 0,12 0,29 Jená sláma 0, Žito v mléné zralosti * 0,68 0,65 0,72 epková sláma 0, Obilní plevy * 0, epkové pokrutiny 0,60 0,58 0,62 Bramborová na 0, Bramborové slupky 0, Krmná epa * 0,60 0,58 0,62 Na z cukrové epy 0, Zelí 0,34 0,26 0,41 Odpad ze zeleniny 0,35 0,30 0,40 Odpad z ovoce 0, Kuchyský odpad 0,55 0,50 0,60 Celulózový odpad (papír, kartonáž) 0,14 0,09 0,27 Melasa 0, Odpadní glycerin 0,70 0,69 0,72 Syrovátka 0, Bachorové výkoly 0,34 0,28 0,40 Masokostní mouky 0,55 0,50 0,60 Odpadní tuk 0,85 0,70 1,00 * Hodnoty jevící se jako velice optimistické Zaízení na výrobu bioplynu Výroba bioplynu probíhá z pravidla ve velkých bioplynových stanicích (BPS), do kterých bývá z okolí svážen materiál urený k fermentaci. Bioplynové stanice se od sebe asto liší jak velikostí, tak i použitým zaízením. Existuje celá ada jednotek a jejich variací, které je možno do provozu zapojit tak, aby provozní podmínky celé stanice co nejlépe vyhovovaly fermentovanému materiálu. Vždy však u BPS mžeme 21

22 nalézt hlavní ásti popsané v následujících kapitolách. Celá bioplynová stanice je znázornna na obrázku 2. Píjem, úprava a dávkování materiálu Pro dosažení co nejvyšší výtžnosti bioplynu je nutno materiál pivádt do fermentoru vyseparovaný od nerozložitelných ástic a rozmlnný na drobnjší ástice pro zvtšení reakní plochy. Materiál se dále edí vodou nebo naopak zhušuje pro dosažení vhodného podílu sušiny. Ped píchodem materiálu do fermentoru je dobré jej pedehát a dávkovat v množství, které s malými výkyvy odpovídá jmenovitému výkonu reaktoru, pro který byl navržen. Za tímto úelem se zapojují automatická podávací zaízení, která zárove zajišují píjem homogenizovaného materiálu. [4] BPS lze rozdlit podle zpsobu dávkování materiálu na provoz [4]: Diskontinuální (dávkový) provoz je rozdlen na cykly, které odpovídají zdržení materiálu ve fermentroru (typické pro suchou fermentaci) Semikontinuální intervaly dávkování jsou kratší než doba zdržení materiálu ve fermentoru, bývá 1x až 4x denn Kontinuální používá se pro tekuté organické materiály s nízkým obsahem sušiny Reaktor Je hlavním zaízením BPS. Zde probíhá rozvoj mikrobiální kultury a tvorba bioplynu. Reaktor bývá kovový nebo plastový válcového tvaru s hlavní osou vertikální i horizontální. Vybaven je míchacím a ohívacím zaízením rzného provedení. [4] Bioplynová koncovka Bioplynovou koncovku tvoí zásobník bioplynu, popípad i zaízení na úpravu bioplynu (ištní od nežádoucích plyn a neistot). Bioplyn dále putuje do zaízení pro konené využití, což bývá nejastji kogeneraní jednotka. Dále bývají zaazeny regulaní, kontrolní a bezpenostní prvky, napíklad proti zptnému zažehnutí plynu. [4] Kalová koncovka Digestát (zfermentovaný materiál) koní v skladovacích nádobách. Mže být vyseparována kapalná frakce od tuhé, kdy je získáno tekuté hnojivo a odvodnný zbytek uložen na kompost. Variací kalové koncovky existuje celá ada. Odvíjí se podle zámru dalšího zpracování. [4] 22

23 Obr. 2 Model klasické bioplynové stanice, 1 - sklad vstupní suroviny, 2 - upravující a dávkovací zaízení, 3 - primární fermentor, 4 - sekundární fermentor, 5 - míchací zaízení, 6 - erpadlo, 7 - nádrž na zfermentovaný substrát, 8 - kogeneraní jednotka, 9 - zásobník bioplynu, 10 - odvod elektrické energie, 11 - odvod tepelné energie [11] ízení procesu Rozdlujeme dva typy fermentace oznaované jako mokrá fermentace a suchá fermentace. Pro mokrou fermentaci se používají materiály s obsahem sušiny max. 12%. V praxi se materiály obsahující vyšší podíl sušiny edí na požadované množství kejdou nebo vodou. Vhodná je také procesní voda vyseparovaná z digestátu. U suché fermentace je užíván materiál s obsahem sušiny %, v nkterých pípadech až 60 %. Podle vlastností substrátu a zvolené metody fermentace se liší zaízení i prbh procesu. Mokrá fermentace je znan rozšíenjší než fermentace suchá. [12; 13] Mokrá fermentace Pro optimální rozvoj bakterií je nutno v reaktoru udržovat stálou teplotu. Jedna z možností je ohev pímo v reaktoru. To se provádí nejastji teplou vodou, jež je vedena podél stn reaktoru v šroubovici topnými hady. Nevýhodou je obtížné ištní had. Druhým zpsobem používaným hlavn u velkých reaktor je ohívání materiálu v externích tepelných výmnících, ímž bývá zajištno i kvalitní míchání vsádky a zaízení lze snadnji oddlit pro ištní nebo opravy. 23

24 Fermentace zaíná probíhat už od 4 C. Je však vyzkoušeno, že tvorba bioplynu je nejvyšší pi uritých teplotách. Podle tchto teplot lze rozdlit provozování fermentroru do následujících oblastí: [1; 4]: psychrofilní C mezofilní C termofilní okolo 55 C ultratermofilní okolo 90 C (nepoužívá se) V závislosti na teplot se aktivují rzné kmeny metanogenních bakterií, kterým teplota prostedí nejvíce vyhovuje. To zapíiuje i rozdílné vlastnosti bioplynu. Za nižších teplot je obsah CH 4 v metanu vysoký, ale produkce bioplynu velice nízká. Naopak pi vysokých teplotách je nevtší produkce bioplynu, za to však nižší koncentrace CH 4. Vysokoteplotní proces je navíc nestabilní a nároný na pesnou regulaci teploty. Nejastji bývají fermentory provozovány v mezofilní oblasti. Produkce bioplynu v závislosti na teplot je znázornna v grafu na obrázku 3. Teplotu je nutné udržovat na konstantní hodnot. Pi výraznjším kolísání teplot dochází k narušení dynamické rovnováhy celého procesu. [4, 9] produkce bioplynu mezofilní oblast termofilní oblast teplota fermentaního procesu [C] Obr. 3 Závislost produkce bioplynu na udržované teplot bhem procesu [4] Krom zahívání je materiál nutno promíchávat. Míchání lze zajistit extern kalovými erpadly nebo vrtulovými míchadly pímo v nádrži. Míchadla mohou být rychlobžná, nebo pomalobžná s velkým prmrem míchací vrtule. [1] 24

25 Hlavní dvody promíchávání suspenze jsou [14]: Zabránní usazování hustých sediment na dn nádrže Omezení vzplývání lehkých ástic a tvorby pnového koláe na hladin, který znesnaduje odvod plynu Zajištní rovnomrné teploty v celém objemu Podpoení transportu hmot v bunném souboru mikroorganism Míchací zaízení bývá v provozu pouze po dobu krátkých period a reaktor je ponecháván vtšinu asu v klidu. Nepetržité míchání by se výrazn odrazilo v provozních nákladech a výsledná produkce bioplynu se nepetržitým mícháním nijak nezvýší. asový fond míchání se doporuuje mezi 5 až 20 %, klidové periody mohou být od 15 minut až po nkolik hodin. Optimálního nastavení lze asto docílit až individuáln pímo bhem provozu. Záleží pedevším na druhu substrátu. Správné nastavení míchacích cykl je velice významnou optimalizací. Pi nedostateném míchání dochází k snížení produkce bioplynu, pi stálém míchání výrazn stoupají provozní náklady. Vliv míchání je vyobrazen v grafu na obrázku 4. Z grafu vyplývá, že perušované míchání mlo na tvorbu bioplynu dokonce lepší vliv, než míchání nepetržité. [1; 4] Kumulativní produkce CH 4 [m 3 /kg sušiny sena] 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, doba zdržení ve fermentoru [dny] Obr. 4 Vliv míchání vsádky fermentoru na tvorbu bioplynu [1] 25

26 Pro dobrý chod reaktoru musí být dále zajištno rozmezí ph = 6,5 7,5 a vhodná skladba materiál, pie emž je snaha se co nejvíce piblížit ideálnímu pomru C:N, tj. 30:1. [4] Doba zdržení lehko rozložitelných materiál (takka ka veškerá zelená biomasa i vtšina dalších) v reaktoru se doporuuje mezi 25 až 30 dny. Produkce bioplynu v reálu pokrauje i po uplynutí této doby, avšak již ne v takovém množství a delší zdržení lze považovat za neekonomické. Vliv doby zdržení na produkci bioplynu je znázornn v následujícím grafu (obr. 5). Doba zdržení materiálu je dležitá informace pi navrhování velikosti reaktoru. [4] kumutativní produkce bioplynu (m 3 kg -1 ) denní produkce bioplynu (m 3 kg -1 d -1 ) doba zdržení ve fermentoru [dny] Obr. 5 Vliv doby zdržení materiálu ve fermentoru na produkci bioplynu [4] Svtlo na proces anaerobní fermentace má negativní vliv. Bakterie sice zcela nezahubí, ale proces dokáže zpomalit. Reaktory se konstruují jako zatemnné nádoby a výroba bioplynu tak probíhá po tm. [9] Materiál nerozpustný ve vod je nutno rozdrobit pro dosažení co nejvtších kontaktních ploch. Jedin tak dochází k využití celého potenciálu substrátu. [9] Významným faktorem je zatížení reaktoru. Tím je rozumno množství organické složky, vložené do fermentoru za den, na m 3 objemu nádrže. Pi pekroení maximálního zatížení dochází k petížení, tj. pesycení bakterií a zastavení procesu. Zatížení závisí pedevším na provozní teplot, obsahu sušiny a dob zdržení. Pi -1 provozní teplot 35 C 3 kg os m -3 den je doporuené zatížení 0,5 1,5 kg os m -3 den -1 a jako absolutní hranice se udává 5 kg os m -3 den. Ješt únosné jsou -1. [15] 26

27 Suchá fermentace Metoda suché anaerobní fermentace je urena pro materiály s obsahem sušiny 20 % a více. Proces probíhá bez zavodnní materiálu, tudíž výstupní zfermentovaný materiále není tekutý, jako u mokré fermentace, ale kompostního charakteru. Úinnou metodou je systém tzv. fermentaních koš a krycích zvon, kdy je materiálem naplnn velký drátný koš, který se posléze pikryje utsnným zvonem. Takto je materiál ponechán fermentaním procesm. Poté je koš vyprázdnn a celý proces se opakuje. Podobn funguje i v posledních letech astji užívaný garážový systém, kdy je materiál navezen do vzduchotsných garáží. Po ukonení fermentace je garáž vyprázdnna a je navezen nový materiál. Úinnost bývá zvýšena pravidelným postikem materiálu perkolátem (jímanou prosakující kapalinou). Model BPS s garážovým systémem je na obrázku 6. Výhodou suché fermentace je jednoduché zaízení a odpadají problémy spojené s nakládáním tekutého zfermentovaného odpadu. Odpad ze suché fermentace lze snadno upravit na kvalitní kompost. Nevýhodou je oproti mokré fermentaci nižší produkce bioplynu (až o polovinu) a vyšší náronost na prostor a manipulaci s materiálem. Další nevýhodou jsou pomaleji probíhající reakce. Jako velice výhodné se však jeví zalenní zaízení suché anaerobní fermentace do kompostáren. [4; 16] Obr. 6 Model BPS s garážovým systémem využívající principu suché fermentace, 1 biomasa, 2 namíchávací prostor, 3 fermentor, 4 plynojem, 5, 6 trigeneraní jednotka, 7a 8 výstup z trigeneraní jednotky (elektrická energie, teplo, chlad) [17] 27

28 Pro zpracování suchou fermentací jsou vhodné pedevším netekuté substráty [18]: slamnatý hnj z živoišné výroby travní senáž kukuiná siláž trávy z veejných prostranství prošlé ovoce a zelenina odpady ze supermarketu vytídné biologicky rozložitelné komunální odpady, odpady z potravináského prmyslu 2.3 Využití bioplynu Bioplyn nahrazuje jiná plynná paliva a využití je možné aplikovat všude tam, kde se plynného paliva využívá. Aby bylo možno zaruit bezproblémový provoz, zaízení pracující s plynem je zpravidla nutno pro použití bioplynu upravit. Pro nkteré zpsoby využití je také nutno upravit samotný bioplyn, tedy vyistit od nežádoucích plyn mechanických neistot. ištní bioplynu se provádí propíráním v rzných kapalinách nebo aktivním uhlí a závisí na jejich adsorpních a absorpních vlastnostech. Další možností odlouení nežádoucích plyn je pomocí molekulárních sít. ištní bioplynu se však výrazn promítá do náklad a asto zapíiuje ztrátový provoz. [4] Nejastjší zpsoby využívání bioplynu [4]: Pímé spalování Bioplyn lze spalovat v bžných kotlích bez nutnosti speciálních úprav. Problém bývá, pokud bioplyn obsahuje vyšší obsah sulfanu, který je nutné odstranit. Jinak je možno bioplyn spalovat bez dalších úprav a používat napíklad k ohevu vody, topení, sušení, vaení nebo svícení. Bžn jsou i k dostání modifikace hoák pro spalování bioplynu. [19] Kogenerace V R nejrozšíenjší zpsob. Jedná se o souasnou výrobu elektrické energie a tepla, piemž asi 60 % energie je pemnno na teplo, 30 % na elektrickou energii, zbylých 10 % tvoí ztráty. Jedná se tak o velice úinný zpsob pemny energie obsažené bioplynu. [19] Trigenerace Jde se o kombinovanou výrobu elektrické energie, tepla a chladu. Ke kogeneraní jednotce je pipojen absorpní chladící konvertor zajišující 28

29 výrobu chladu. Trigenerace je výhodná pedevším v letních msících kdy je menší poteba tepla a vyrobený chlad mže být použit napíklad ke klimatizaci budov. Jednotka tak mže bžet naplno bhem celého roku. [20] Motorové palivo, pohonná látka (auta, autobusy) Pro pohon dopravních prostedk je nutno bioplyn vyistit na kvalitu zemního plynu (pes 90 % CH 4 ), odsíit a zbavit mechanických neistot. V tomto zpsobu využívání bioplynu je velmocí Švédsko, kde ada mst vyrábný plyn a plyn získaný z istíren odpadních vod (OV) a skládek odpad upravuje a používá pro pohon vozidel mstské hromadné dopravy. [21] Dodávka do sít zemního plynu Pro dodávku do sít zemního plynu je bioplyn nutno vyistit od nežádoucích slouenin podobn jako pro pohon dopravních prostedk. Bioplyn poté odpovídá kvalit zemního plynu a je možno ho distribuovat do veejné sít. Také tento zpsob je rozšíen zejména v severských státech, ale i v Nmecku nebo Rakousku. Dodávka do sít zemního plynu musí být umožnna legislativou. [19; 21] V souasné dob jsou BPS v drtivé vtšin vybaveny kogeneraní jednotkou, ve které dochází k spálení bioplynu a výrob elektrické a tepelné energie. Provoz bývá ešen tak, aby získané energie pokryly nároky provozu celé BPS. Pebytek elektrické energie se prodává do sít. Nevyužitá tepelné energie mže být vedena do pilehlých objekt a sloužit napíklad k vysoušení deva nebo jiných komodit. Bioplynové stanice se staví v zemdlských oblastech, i u chovných farem, tedy v místech kde biologický odpad pímo vzniká a je nutno ho likvidovat. Odpadají tak náklady na transport materiálu a navíc v tchto lokalitách bývá i píležitost k využití zfermentovaného substrátu ve form hnojiva. [4] Zfermentovaný substrát je biologicky stabilizovaný a homogenizovaný a má vysoké hnojivé úinky. Nejjednodušší využití jeho vlastností je pímá aplikace na pdu. Další možností je oddlit tuhou frakci lisováním, sedimentací nebo odstedním a uložit na kompost. Tekutá frakce, která je také obohacená o živiny, mže být použita jako tekuté hnojivo. [9] 29

30 3 NÁVRH FERMENTANÍ JEDNOTKY Fermentor pro domácnost je navržen k využití BRO produkovaného konkrétní domácností. Odpadu vhodného k fermentaci z domu a zahrady je pomrn velké množství (viz. kap. 3.4) a ve vtšin pípad není jeho potenciál nijak využit. Množství posekané trávy nebo popadaných jablek se pohybuje v ádu set kilogram. Navržením fermentoru pro domácnost by veškerý materiál, který jinak koní na kompostu nebo v komunálním odpadu, byl efektivnji využit. Pro domácnost by fermentor znamenal pínos v podob bioplynu, pro který se nabízí ada využití. Aby takové zaízení mohlo být provozováno v domácích podmínkách, musí splovat adu specifických požadavk. Toho lze asto dosáhnout pouze nestandardním ešením. Jelikož se poítá s výrobou pouze jedné jednotky, ada ástí celého procesního zaízení je ešena kutilskou metodou, pedevším s ohledem na co nejnižší náklady. Stavba i provoz takového zaízení tak vyžaduje uritého kutilského ducha provozovatele. Hlavním zámrem této práce je zhodnotit, zda by realizace vhodn navrženého zaízení byla v podmínkách eské republiky provozuschopná a majiteli poskytovala uritý pínos. Pokud by závrem byly zjištny pozitivní výsledky a bylo by možné uvažovat o sériové výrob, nkteré ásti zaízení by pravdpodobn bylo možno navrhnout lehce odlišn a vhodnji. 3.1 Požadavky na zaízení v domácích podmínkách Domácí bioplynová stanice se bude od tch bžných znan lišit. Rozdíl bude nejen ve velikosti fermentoru, který bude nkolikanásobn menší, ale i v dalších ástech. Návrh se bude odvíjet pedevším od požadavk na co nejnižší poizovací i provozní náklady. Vyprodukované množství bioplynu bude tvoit pouze zlomek produkce klasických BPS. Využití bioplynu tedy bude také odlišné, ale stále platí podmínka rentabilního provozu, tedy získaný bioplyn by ml pokrýt náklady na provoz. Poizovací náklady by mli být co nejnižší, aby návratnost celé jednotky byla v co nejkratší dob. Jako smysluplnou dobu návratnosti lze považovat 6 let. Zaízení tedy bude navrženo co nejjednodušeji. Dalším významným požadavkem na návrh zaízení je co nejmenší náronost na obsluhu. Zaízení by mlo své majitele co nejménasov zatžovat a pohodln sloužit jako zdroj plynu. Také dávkování musí být nenároné a podobat se vyhazování odpadu do popelnice. Zvýšená náronost obsluhy by mohla potenciální provozovatele snadno odradit. 30

31 Jelikož se pedpokládá umístní zaízení na zahradách, v chatových oblastech i statcích, tedy v obydlených oblastech, je nutno vnovat zvýšenou pozornost vlivu zaízení na okolní prostedí. Pedevším jde o limitování zápachu. Absolutn nepípustné je jakékoli riziko pro okolí spojené s provozem zaízení. Jednotka nesmí ohrožovat provozovatele, sousední obyvatele ani jejich majetek. Základní podmínkou je nalezení vhodného zpsobu využití získaného bioplynu a nakládání s digestátem. Jelikož se jedná o energeticky bohatý plyn a odpadem je zde výživné hnojivo, zpsob využití obou medií se nabízí celá ada. 3.2 Odpady vhodné k fermentaci produkované domácností Materiál vhodný k produkci bioplynu najdeme v domácnosti hlavn na zahrad a v kuchyni. Ze zahrady Lze použít veškerý odpad organického pvodu. Pedevším tedy tráva, které lze ze zahrady pravidelným sekáním získat velké množství a bude zastupovat nejvtší ást nápln fermentoru. Velkou výhodou je možnost vkládání posekané trávy bez pedchozí úpravy. Posekaná tráva sekakou je pln vyhovující. Dále se jedná o popadané i otrhané listy strom a kvtin, uvadlé kvtiny, plevel, tenké vtve, atd. Velký pínos materiálu do procesu fermentace mají ovocné stromy. Velké množství ovoce je ponieno popadáním ze stromu na zem, zaínající hnilobou nebo ervivním i útokem jiných škdc. Úspšn lze takto znehodnocené ovoce využít pi procesu fermentace. Nárazov se vyskytuje mnoho dalších materiál vhodných k fermentaci jako nap. slupky oech, zbytky zemdlských rostlin atd. Pedevším jablka, ale i další materiály musí být ped vstupem alespo na hrubo nadrceny pro dosažení co nejvtší reakní plochy. Pro rostlinné odpady dobe poslouží štpkova, k nadrcení jablek a podobného materiálu je navrženo jednoduché zaízení popsané v jedné z následujících kapitol. Z kuchyn Kuchyský odpad pedstavuje druhou nejvtší oblast písunu materiálu vhodného k fermentaci. Jde pedevším o odpad ze zeleniny používané k píprav jídel, jako jsou slupky brambor, jádra paprik, zeleninové nat, ohryzky jablek, slupky od banán, odezky z hub ale také starý chleba, jedlé oleje atd. Použití zbytk jídel k fermentaci upravuje naízení 1774/2002 (ES). Jde pedevším o nutnost zalenní hygienizaní jednotky ped vstupem do bioreaktoru. V návrhu fermentoru pro domácnost se s takovým zaízením nepoítá, a proto nelze zbytky jídel jako fermentaní substrát doporuit. [22, 23] 31

32 3.3 Využití bioplynu a digestátu v domácnosti Bioplyn mžeme v domácnosti využít, kdekoli lze využít zemní plyn. Zemní plyn nejastji slouží k vytápní bytu, ohevu vody nebo v kuchyni k vaení na plynovém sporáku. Množství bioplynu z domácího fermentoru však nebude velké a na vytápní domu nebo ohev vody stait nebude. Obvyklé využití plynu v BPS, tj. spálení plynu v kogeneraní jednotce, je z ekonomického hlediska také nereálné. Nedá se také poítat s konstantním písunem plynu. Plyn bude dostupný po omezenou dobu, než se veškerý spotebuje. Znovu k použití bude pipraven až po najímání uritého množství. Pro tyto podmínky je vhodné spalování plynu na vaii, tedy pro potebu vaení. Vai je z pravidla v provozu jen krátce a s dlouhými prodlevami, bhem kterých se plyn mže doplnit. V praxi by to vypadalo napíklad tak, že u sporáku by byl jeden z vai napojen na bioplynový jíma. Další možné využití je spalování na zahradním plynovém grilu. Tento typ gril je v R stále rozšíenjší. Zaízení na výrobu bioplynu bude provozováno pouze v letním pololetí, tedy v grilovací sezón. Tento zpsob využití by byl také nejlepším ešením, pokud by produkce bioplynu byla nízká pro pravidelné vaení a staila by pouze k obasnému grilování. Bioplynem by také bylo možné topit v zahradních saunách se speciálním plynovým kotlem. Saunování je stále populárnjší a provoz pomrn drahý. Krom bioplynu z procesu fermentace vychází také odpad tvoený zfermentovaným materiálem. Jelikož se jedná o výživné organické hnojivo, nejlepší zpsob nakládání s tímto odpadem je využití jeho hnojivých vlastností pímo na záhonech nebo u vtších farem na poli. Digestát je tekutého charakteru se znaným množstvím organické hmoty. Pi kvalitním prbhu fermentace by ml jen minimáln zapáchat. 3.4 Materiálová bilance Navržení rozmr fermentoru a výpoet výtžnosti bioplynu jsou založeny na údajích o BRO zjištných materiálovou bilancí bžného chodu domu se zahradou, obydleného tylennou rodinou. Data byla sbírána bhem jednoho týdne, kdy veškerý odpad vhodný k fermentaci byl pravideln vážen a zaznamenáván. Pro odpad ze zahrady pak byl interval sledování dvoutýdenní. Dm je obýván tymi osobami. Zahrada o rozloze m 2 je standardn osázena zelení. Na pozemku se nachází 10 vzrostlých jabloní a zatravnná plocha iní pibližn 900 m 2. Sledování probíhalo v msíci srpnu. Listí bylo sesbíráno a zváženo až koncem listopadu, po opadání drtivé vtšiny listí. Zjištno tak bylo celkové množství na podzim spadeného listí z jednoho stromu. 32

33 Podle tohoto przkumu byla odvozena produkce odpadu v celém roce. V následující tabulce 7 jsou uvedeny hlavní složky BRO. Ostatní materiály se neobjevují ve vtším množství nebo se vyskytují náhle a nepravideln, a nelze s nimi konstantn poítat. Tab. 7 Množství BRO vyprodukovaného vybranou domácností Zahrada Název Hmotnost Doba aktivního vzniku odpadu Odpad z kuchyn 2,8 [kg/týden] celoron 52 týdn Tráva erstv seená 90 [kg/2týdny] duben - záí 24 týdn Zahradní odpad 8,4 [kg/2týdny] duben - záí 24 týdn Jablka 108 [kg/2týdny] srpen - íjen 12 týdn Listí 67 [kg/podzim] íjen - listopad 8 týdn Je však teba brát zetel na rozdílnost jednotlivých domácností a jejich možnosti. Data tak budou pro každou z nich jiná. 3.5 Výpoet produkce bioplynu Množství bioplynu produkovaného fermentorem bylo stanoveno teoreticky, výpotem z tabulkových hodnot. Ješt ped výpotem byla laboratorn stanovena chybjící data o obsahu sušiny a organické složky jednotlivých materiál, která byla pro výpoet stžejní Laboratorní stanovení hodnot obsahu sušiny a organické složky Hodnoty obsahu sušiny a organické složky (ztráty žíháním), (obr. 7), byly laboratorn stanoveny pímo z odebraných vzork materiál, které by v praxi pedstavovaly reálné plnící substráty. Byla tak ovena tabulková data, která se od sebe podle zdroj mnohdy liší, nehled na to, že nkteré materiály jsou specifické a data potebná pro výpoet produkce BP nebyla vbec nalezena. Pro další postup tedy bylo toto mení nezbytn nutné. Popis vzork je uveden v tabulce 8, výsledky jsou pak zpracovány v tabulce Obr. 7 Složení organických materiál [24]

34 NÁVRH FERMENTORU PRO DOMÁCNOST Laboratorní stanovení a výpo et hodnot probíhal dle norem [25; 26]: 26 SN EN 14346, Charakterizace odpad - Výpo et sušiny stanovením podílu sušiny nebo obsahu vody SN EN 15169, Charakterizace odpad - Stanovení ztráty žíháním v odpadech, kalech a sedimentech Tab. 8 Popis vzork podrobených laboratornímu stanovení obsah sušiny a organické složky Vzorek Jablka Popis upravená strouháním pro lepší podmínky fermentace Odpad z jablek po úprav moštováním jablka po procesu moštování, tzn. rozsekána na dr, ochuzená o ást odvedené š ávy Tráva erstv se ená posekaná seka kou, bez další úpravy Spadané listí Odpad ze zeleniny Zahradní odpad uschlé listí shrabané na podzim mix salátu, petrželové nat, slupek z mrkve a celeru (do zkušební misky byl vložen materiál o co nejvyšší možné mo homogenint ) zelené listí, stonky, vytrhaný plevel v etn ko ínk, seschlé byliny (do zkušební misky byl vložen materiál o co nejvyšší nejvyšš možné homogenint ) Obr. 8 Nalevo: sušina z jednotlivých vzork ; Napravo: popeloviny z jednotlivých vzork ; Vzorky od levého ho horního rohu: rohu: jablka moštovaná, jablka strouhaná, tráva, listí, odpad ze zeleniny, zahradní odpad 34

35 Tab. 9 Výsledky mení obsahu sušiny a organické složky Vzorek Obsah sušiny ve vzorku [%] Obsah organické složky v sušin [%] Jablko moštované Jablko strouhané Tráva erstv seená Uschlé listí Odpad ze zeleniny Zahradní odpad Vlastní výpoet produkce bioplynu Pro uvedené množství a typ substrátu s použitím laboratorn stanovených hodnot a vybraných tabulkových dat o výtžnosti bioplynu byl proveden výpoet produkce bioplynu. Údaje o výtžnosti rzných materiál jsou k nahlédnutí v tab. 6. Výpoet byl proveden v programu Maple13 a je souástí této práce jako píloha na CD. V programu je možné zmnit vstupní parametry a snadno tak získat výsledky pro individuální pípady. Pi výpotu bylo zjištno, že provozovat zaízení celoron nemá význam. Výhodnjší je pouze sezónní provoz pibližn od dubna do konce listopadu, kdy je k dispozici více substrátu. Následující výpoet tak bude proveden pouze pro sezónní provoz. Množství odpadu bhem provozní sezóny je zobrazeno v tabulce 10, v tabulce 11 jsou hodnoty potebné pro výpoet produkce bioplynu. Tab. 10 Množství BRO v provozní sezón Odpad Msíce v provozu (1 msíc 30 dní) Celková hmotnost [kg] Odpad z kuchyn 96 Tráva erstv seená 1157 Zahradní odpad 108 Jablka 694 Listí 67 Celková hmotnost [kg]

36 Tab. 11 Údaje potebné pro výpoet produkce bioplynu Substrát Hmotnost [kg] Obsah VL a ZŽ [%] VL ZŽ Výtžnost metanu [m 3 CH4 kg ZŽ -1 ] Kuchyský odpad ,55 [10] Tráva erstv seená ,25 [10] Zahradní odpad ,15 [27] Jablka ,40 [10] Uschlé listí ,22 [28] kde: (1) p CH4c celková produkce metanu [m 3 ] m hmotnost substrátu [kg] p CH4 mrná produkce metanu [m 3 kg -1 sušiny ] o VL obsah sušiny v substrátu [%] o ZŽ obsah organické složky v sušin [%] Po dosazení hodnot z tabulky do rovnice (1) získáme produkci CH 4 za sezónu. Ta v tomto pípadiní 115 m 3. Pro zjištní objemu získaného bioplynu je nutno provést pepoet pomocí objemové koncentrace CH 4 : (2) p b produkce bioplynu [m 3 ] p CH4c celková produkce CH 4 [m 3 ] c CH4 koncentrace CH 4 v bioplynu [%] Pi pedpokladu 60 % obsahu CH 4 v bioplynu pak celková produkce z odpadu domácnosti iní 192 m 3 bioplynu za sezónu. Pi uvažování stejné ceny 1 m 3 metanu a 1 m 3 zemního plynu lze urit orientaní hodnotu plynu. Ceny plynu za m 3 se liší podle dodavatele a vybraného tarifu. K roku 2012 lze prmrnou cenu zemního plynu zaokrouhlit na 17 K m -3 [29]. Hodnota vyrobeného bioplynu pak je K. 36

37 3.6 Provozní podmínky fermentaního zaízení V této kapitole jsou stanoveny provozní podmínky, které je teba pi návrhu fermentaního zaízení dodržet. Ped samotným konstrukním návrhem je nutno zvážit zvolení suché i mokré fermentace. Výhody a nevýhody obou metod jsou shrnuty v následující tabulce 12. Tab. 12 Výhody a nevýhody mokré a suché fermentace [4, 16] Mokrá fermentace Suchá fermentace Výhody Vyšší výtžnost bioplynu Pomrn jednoduché dávkování i vyprazdování fermentoru Materiál není teba ped dávkováním edit vodou Odpadem je pouze zfermentovaný tuhý zbytek Nevýhody Χ Χ Je nutná úprava materiálu ped vložením do fermentoru (poteba zedit, rozmlnit) Nepíliš výhodný tekutý odpad Χ Χ Velice složité provedení pro semikontinuální provoz (dávkování, vyprazdování) Obtížnjší zajištní prohátí celého objemu Výhody suché fermentace uvedené v tabulce jsou pro provoz zaízení v domácích podmínkách velice zásadní. Pi suché fermentaci dochází k snížení požadavk na pedúpravu materiálu, což se promítne nejen na ase ale i cen. Ješt významnjší výhodou pak je získání tuhého zfermentovaného substrátu, se kterým je mnohem snadnjší nakládání (uložení na kompost nebo pímá aplikace v jako hnojiva). Provedení systému suché fermentace je však v domácích podmínkách prakticky nereálné. Systém naráží pedevším na pevn daný požadavek semikontinuálního provozu. Problém spoívá v zajištní anaerobního prostedí uvnit reaktoru pi pravidelném dávkování a odebírání substrátu. Z toho dvodu byla i pes uvedené nevýhody nakonec zvolena metoda mokré fermentace. Zaízení bude provozováno v mezofilní oblasti. Oproti termofilní oblasti jsou výtžky bioplynu nižší, ale náklady na udržení teploty okolo 55 C by pevyšovaly nad zvýšenou výtžností plynu. Termofilní bakterie jsou navíc citlivjší na výkyvy teploty. Fermentor tak bude vyhíván na 35 C. Míchání bude sepínáno v krátkých intervalech s delší dobou klidových period. V praxi to bude znamenat nastavení spínae pouze na 1 minut míchání 1x za hodinu. 37

38 Aby nedocházelo k náhlému petžování fermentoru, je nutné dávkování po ástech. To se týká zejména posekané trávy, která je k dispozici jednou za as ve velkém množství. Objem posekané trávy, je nutno rozdlit a dávkovat nejlépe denn po malém množství. Pi dávkování fermentoru je nutno respektovat maximální hladinu nápln a stejný objem, který je do fermentoru pidán, musí být také vypuštn. 3.7 Návrh fermentaního zaízení V následujících kapitolách jsou popsané komponenty zaízení. Zmínné jsou i dvody, které vedly k jejich výbru a jsou uvedeny poizovací náklady Reaktor Reaktor bude navržen jako tzv. prázdný, což znamená bez vnitní vestavby nebo výpln. Vestaveb se užívá pedevším pro velmi tekutý substrát bez hrubších ástic, které mohou vést k ucpávání reaktoru. [1] Objemu fermentoru Fermentaní nádoba musí být schopna pojmout množství materiálu, odpovídající produkci 30 dn. Pi nedostatené velikosti nádoby bude nutno vypouštt digestát díve, kdy ješt není dostaten vyerpán potenciál pro tvorbu plynu, nebo naopak nebude možno fermentovat veškerý odpad a ást ukládat na kompost. Oba tyto scénáe se negativn promítnou na celkové produkce bioplynu. Pi návrhu objemu je nutno poítat s edící vodou, kterou se zajistí tekutost výsledné suspenze. Tekutost je pro správné fungování zaízení nezbytná. Návrh vychází z msíce srpna/záí, kdy je fermentor nejvíce zatížen (viz tab. 10). Objem fermentoru byl stanoven na základ experimentu. Vzorky jednotlivých substrát byly vloženy do nádoby v pomrech odpovídajícím skuteným podmínkám. Do zkušební nádoby byla postupn pidávána voda, dokud nebylo dosáhnuto dostatené tekutosti suspenze. Kritériem byla bezproblémová míchatelnost. V tabulce 13 jsou zaznamenány výsledky, na obrázku 9 je náhled do zkušební nádoby se substrátem. 38

39 Tab. 13 Experimentáln získaná data pepotená na skutené podmínky Simulace stavu ve fermentoru Pepoet na skutenost Substrát Pomr Hmotnost substrátu [kg] Objem edící vody Objem suspenze Hmotnosti substrátu [kg/30dn] Objem edící vody Objem suspenze Tráva 1 0,3 192,9 Odpad ze 0,09 0, zahrady 2,5 4 litr litry Jablka 1,2 0,36 231,4 Odpad z kuchyn 0,06 0, litr 2568 litr Z tabulky 13 vyplývá, že požadovaný objem fermentaní nádrže by ml být alespo l, tedy 2,5 m 3. Výbr nádoby Obr. 9 Zkušební nádoba se vzorky substrát Jako materiál nádoby je zvolen plast z dvod prevence vzniku koroze, nižší poizovací cen a snadnjší manipulaci. Akoli potebný objem nádrže byl v pedchozí kapitole stanoven na l a na trhu se takto objemné nádrže objevují, použitím by vzrostli náklady na provoz, nároky na prostor a pedevším poizovací cena. Ta se už pro nádrž o objemu l pohybuje 39

40 okolo K a poizovací cena nádrže na l je cca K, tedy píliš vysoká. [30] Jako nejvhodnjší byla zvolena nádrž IBC o objemu 1000 l s vnitní plastovou nádobou v kovové kleci usazená na plastové palet. Vybavena vstupním otvorem v horní ásti nádrže a výpustným ventilem s klapkovým kohoutem. IBC nádrž lze bžn obstarat od cca K. Vhodné je poídit nádrž s klecí se svislým uspoádáním jak je zobrazeno na obrázku 10. Dvodem jsou lepší podmínky pro instalaci topného tlesa (bude popsáno dále). Hlavní parametry [31; 32]: Objem: l Objem po hrdlo: l Délka: mm Šíka: mm Výška: mm Prmr víka: 150 mm Prmr ventilu: 50 mm Váha: 60 kg Cena: K Obr. 10 IBC kontejner, objem litr [33] Provedení jednotlivých typ se od sebe liší pedevším v úpravách materiálu plastové nádoby a materiálu palety (devo, plast, kov). Nevýhodou této nádrže je krychlový tvar, u kterého lze pedpokládat obtížnjší promíchání celého objemu a vznik mrtvých míst v rozích nádoby. Druhým nedostatkem je nedostatený objem. Tyto nevýhody jsou však vykompenzovány hlavní výhodu nádrže a tou je oproti jiným nádržím výrazn nižší cena. Použití nádrže menšího než požadovaného objemu zapíiní omezení množství materiálu, které bude možno k fermentaci použít. To se odrazí v nižší produkci bioplynu. Na druhou stranu dojde i k snížení provozních náklad. 40

41 Dávkovací roura Po výbru nádoby je nutno ji upravit pro poteby fermentoru. Jde pedevším o zavedení dávkovací roury, která zajistí možnost kontinuálního dávkování materiálem bez narušení anaerobního prostedí. Nákres zavedení roury je na obr. 11. Obr. 11 Nárt zavedení dávkovací roury Roura bude na konci opatena víkem. Prmr roury by ml být dostatený pro pohodlné dávkování substrátu. Tímto dávkovacím otvorem lze také sledovat výšku hladiny. Upravená výtžnost bioplynu v závislosti na objemu nádrže Nejvtší objem na jednotku hmotnosti ve fermentoru zabírá tráva, která pi míchání vykazuje nejvtší komplikace. Tráva tak bude jediným substrátem, který bude na vstupu omezován a pebytek klasicky ukládán na kompost. To se negativn projeví na celkové produkci bioplynu, která poklesne. Bhem experimentu, provedeném pro urení ideálního objemu nádrže, bylo mimo jiné zjištno, že veškerý substrát bez trávy zabírá v nádrži pouze 0,514 m 3. Zbylý objem z 1 m 3 pro trávu je tak 0,486 m 3. To odpovídá hmotnosti 45,6 kg trávy. Tato pípustná hmotnost vložené trávy platí pro msíce srpen a záí. V msících duben ervenec, kdy se nepoítá s jablky, je ve fermentoru pro trávu k dispozici 0,94 m 3, což se rovná pibližn 88,2 kg trávy. Celkové množství zfermentované trávy za sezónu je tak z dostupných kg sníženo na 444,1 kg. Po pepotení rovnice (1) s dosazením nové hodnoty hmotnosti trávy je sezonní produkce metanu 77,1 m 3. To odpovídá podle rovnice (2) konené produkci 128,5 m 3 bioplynu za sezónu. Hodnota tohoto množství plynu pi cen 17 K m -3 [29] je 1 310,7 K. Z experimentu také vyplývá, že objem nádrže pravdpodobn nebude dostaující pro veškerý objem listí, které podobn jako tráva vykazuje problémy pi míchání. Vliv listí, které se nevejde do fermentoru, je na celkovou produkci bioplynu zanedbatelný. 41

42 Výpoet zatížení fermentoru Ze zjištného množství substrátu je nutné stanovit denní písun organické složky. Ten je pro každý fermentor omezen, aby nedocházelo k petžování. Substráty, jako napíklad trávu, která se seká v uritých periodách, je tak nutno rozdlit a dávkovat denn po malém množství. kde:! (3) m OS celková hmotnost organické složky denní dávky [kg os den -1 ] m D denní produkce substrátu [kg] o VL obsah sušiny v substrátu [%] o ZŽ obsah organické složky v sušin [%] Hodnoty dosazované do vzorce (3) i výsledné množství organické složky jsou uvedeny v tabulce 14. Tab. 14 Denní hmotnostní dávka organické složky substrátu Substrát Denní produkce [kg] Sušina [%] Organická složka v sušin [%] Hmotnost org. složky [kg os den -1 ] Odpad z kuchyn 0, ,08 Tráva erstv seená 6, ,37 Zahradní odpad 0, ,13 Jablka 7, ,93 Listí* 4, ,75 Celkem: 2,51 * Posouzení zatíženosti fermentoru je vztaženo k msíci srpnu/záí kdy je produkce odpadu nejvtší. Listí tedy není do celkového soutu zahrnuto. Pi provozní teplot 35 C je doporuené zatížení 0,5 1,5 kg os m -3 den -1. Ješt únosné jsou 3 kg os m -3 den -1 a jako absolutní hranice se udává 5 kg os m -3 den -1. [15] Z rovnice (3) vychází hmotnost denní dávky organické sušiny na 2,51 kg os den -1. Tomu pro veškerý produkovaný odpad odpovídá nádrž ideáln o objemu 2,5 m 3. Pro zvolený objem nádrže 1 m 3 je 2,51 kg os den -1 stále vyhovující a k petžování fermentoru by nemlo docházet. Zvolený objem 1 m 3 je tak v tomto smru pln vhodný pro veškerý produkovaný odpad. Pi fermentaci listí bude docházet k vtšímu zatížení reaktoru, poád však bude pod doporuenou hranicí 5 kg os m -3 den

43 3.7.2 Ohev Jako nejvhodnjší zpsob ohevu byla zvolena elektrická topná rohož používající se ve stavebnictví jako vyhívání podlahy nebo pro ochranu venkovních ploch ped ledem a snhem. K takovéto topné rohoži lze pipojit termostat s idlem pro sledování a regulaci teploty. Výhodou je snadná úprava rohože dle dispozic plochy a jednoduchá regulovatelnost. Rohož bude umístna na obvodových stnách o celkové ploše cca 4,4 m 2. Instalace až po horní okraj není nutná, jelikož nádrž nebude nikdy naplnna až po hrdlo. Pro co nejvyšší penos tepla je nutné topný kabel pipevnit pímo k nádrži. Bude tak eliminováno vytvoení vzduchové mezery, která by fungovala jako izolace. To výrazn ulehí zvolení nádrže se svislým uspoádáním vnjší míže. Ideální by bylo protáhnout kabel pímo pod míží. K nádrži je možno rohož fixovat tepeln odolnou páskou nebo lepidlem. Jako nejvhodnjší byla zvolena topná rohož EKOHEAT WAY 300 4m 2 /1200W urená pro vytápní venkovních ploch (obr. 12). Parametry [34]: Výkon: W (300W/m 2 ) Naptí: 230 V Délka: 8 m Šíka: 0,5 m Plocha: 4 m 2 Délka pipojovacího vodie: 8 m Cena: K Obr. 12 Topná rohož EKOHEAT WAY 300 [34] Termostat slouží k regulaci teploty uvnit nádrže. Teplota je kontrolována zavedeným externím idlem. idlo bude zavedeno do prostoru nádrže utsnným pouzdrem ve stn. Termostat bude nastaven na teplotu 35 C. Jako vhodný byl vybrán manuální termostat Thermoval CU 518 (obr. 13). 43

44 Parametry [35]: Max. zatížení: W Rozsah ízení teploty: C Délka externího idla: 8 m Dodáván s krytem umožující instalaci v prostorech s vysokou vlhkostí. Cena: K Obr. 13 Termostat Thermoval CU 518 [35] Výpoet doby ohevu Pro informaní poteby je možno výpotem stanovit dobu ohevu na provozních 35 C. Výpoet je pouze orientaní a zanedbává tepelné ztráty do okolí, ohev vlastní nádrže, vliv míchání na penos tepla a další faktory, kterými by se výpoet stal velice pracný. Pro zjednodušení je jako ohívané médium uvažována voda. Vycházíme ze základní rovnice [36]: kde: " # $ % $&' ' ( (4) Q c teplo potebné pro ohev celého objemu nádrže [J] m m hmotnost ohívaného média [kg] c p tepelná kapacita vody [J kg -1 K -1 ] (t 2 - t 1) rozdíl poátení a konené teploty [ C] Objem nádrže je litr. Pi uvažování naplnní vodou bude hmotnost 998 kg. Tepelná kapacita vody pi 20 C je 4 181,7 J kg -1 K -1 [36]. Jako poátení teplota je uvažováno 20 C (teplota vody z vodovodu). Po dosazení do rovnice (4) zjistíme potebné teplo 62,6 MJ, což se rovná 17,4 kwh. Dobu potebnou pro ohev potom vypoítáme z rovnice: ' )* " + " )* (5) 44

45 kde: t tr Q Pc Q tr - doba provozu topné rohože [hod] - tepelný výkon potebný pro ohev celého objemu nádrže [kwh] - výkon topného tlesa [kw] Výkon topné rohože je 1,2 kw. Orientaní as pro ohev celého objemu nádrže pak vychází na 14 hodin a 30 minut Izolace Jelikož je médium v nádrži ohíváno, je nutné nádrž zaizolovat a snížit tak unikání tepla pes stny nádoby. Zaizolování nádrže se kladn projeví na provozních nákladech. Plocha obvodových stn, kde se izolace primárn vyžaduje, je pibližn 4,4 m 2, po pitení plochy horní strany 1,2 m 2 je celková plocha vyžadující zateplení 5,6 m 2. Jako vhodná izolace byla vybrána lamelová rohož PAROC Lamella Mat AluCoat z kamenné vlny vyztužená hliníkovou fólií z vnjší strany (obr. 14). Rohož je urená mimo jiné k izolování malých nádrží a zásobník. Lamelové rohože jsou posouzeny jako neholavé - Tída A2 -s1, d0 dle EN [37]. Parametry [37]: Tlouška: 40 mm Šíka: mm Délka: mm Plocha: 6 m 2 Max. provozní teplota: 600 C (na stran hliníkové fólie max. 80 C) Cena: 750 K (125 K/m 2 ) Obr. 14 Izolace PAROC Lamella Mat Alu Coat [38] 45

46 3.7.4 Míchání Fermentor bude míchán mechanicky tílopatkovým míchadlem se šikmými lopatkami (obr. 15). Pro pohon je zvolen elektromotor. Obr. 15 Tílopatkové míchadlo s šikmými lopatkami [39] Z dvodu snazšího zajištní anaerobního prostedí bude vstup míchadla do fermentoru umístn v boní stn pod provozní hladinou. Schéma míchacího zaízení je znázornno na obrázku 16. Obr. 16 Nárt míchacího zaízení instalovaného na nádrži 46

47 Nutnost použití více míchadel nad sebou lze zjistit ze závislosti [40]:, -./ (6) Aby bylo možné použít vztah (6) i další rovnice, byl prmr nádrže D peveden ze tvercového prezu na kruhový. Ze vztahu (6), kde H je výška hladiny v nádrži, vychází pomr 0,9. Použití pouze jednoho míchadla je tak dostaující. Výška míchadla ode dna nádrže H 2 je stanovena dle vztahu (7) [41]:, -./ (7) Pi zvoleném pomru 0,25 by mlo míchadlo být instalováno ve výšce pibližn 250 mm ode dna. Píkon míchadla Pro pesný výpoet je nutno znát údaje o míchaném médiu. Pro zjednodušení je uvažováno míchání vody. kde: Píkon míchadla lze urit ze základního vztahu [40]: 6 # 6 7 $8$9 : ; < (8) P m píkon elektromotoru míchadla [W] P o píkonové kritérium [-] hustota [kg m -1 ] n otáky míchadla (vychází z otáek motoru) [s -1 ] d prmr míchadla [m] Píkonové kritérium se volí podle použitého míchadla. Pro míchání je zvoleno axiální tílopatkové míchadlo se šikmými lopatkami. Píkonové kritérium je dle [39] po odetení z grafu P o = 1,05. Hustota vody je 998 kg m -1. Otáky míchadla jsou pedbžn zvoleny na 900 min -1. Prmr míchadla je stanoven dle následujícího vztahu [40]: -./.0 43= 5 ; (9) Kde D pedstavuje prmr nádoby a pro výpoet je zvolena hodnota pomru 5. Po dosazení do vztahu (9) vyjde prmr míchadla 200 mm. Po dosazení všech hodnot do rovnice (8) byl získán píkon míchadla W. 47

48 Na základ vypoteného výkonu byl zvolen elektromotor AIS 100 L6 1,5kW, varianta B3 patkový (obr. 17). Obr. 17 Elektromotor AIS 100 L6 1,5kW, B3 [42] Parametry [42]: Rozmry motoru v mm [42]: Výkon: 1,5 kw Otáky: 925 ot min -1 Naptí: 230 V Jmenovitý proud: 3,95 A Hmotnost: 25,8 kg Cena: K Motor míchadla je zapojen do sít pes asový spína s nastavitelnými periodami míchání. Cena spínací zásuvky se pohybuje okolo 200 K. Zavšení motoru Motor bude pipevnn k ocelové konstrukci (schematicky znázornné na obr. 18) zavšené ke kleci nádrže. Pi návrhu je uvažován tlak od rotujícího míchadla smrem ven z nádrže. To bude zapíiovat zvedání celého míchacího zaízení. Tento tlak je eliminován protažením závsných tyí až k protilehlé stran nádrže a upevnním konstrukce ke kleci šrouby. Konstrukce bude vyrobena z ocelového profilu se tvercovým prezem (jekl). 48

49 Spojka Obr. 18 Konstrukce pro zavšení elektromotoru Výstupní hídel motoru a hídel míchadla budou spojeny jednoduchou spojkou. Rotaní pohyb bude penášen pomocí per. Axiální posunutí bude jištno šrouby. Z dvodu tlaku od míchadla smrem ven z nádrže jsou hídele míchadla a elektromotoru v kontaktu. Spojka je znázornna na obrázku 19. Obr. 19 Spojení výstupního hídele elektromotoru a hídele míchadla Ucpávka hídele Jak je vidt na schematickém obrázku 16, hídel vstupuje do nádrže boní stnou pod hladinou v nádrži. Vstup hídele do nádrže je nutno utsnit aby nedocházelo k prosakování tekutiny ven z nádrže. Návrh ucpávky s popisem je znázornn na následujícím obrázku

50 Obr. 20 Ucpávka hídele míchadla varianta A, 1 stna nádrže, 2 tsnní, 3- tsnící kroužky, 4 matice, 5- ložisko, 6 pojistný kroužek, 7 víko, 8 šroub s válcovou hlavou s vnitním šestihranem Kostka je vyrobená z duralu pro prevenci vzniku koroze a nižší hmotnosti. Tsnící kroužky jsou stlaeny maticí. Dojde tak k jejich roztažení a utsnní prostoru. Závit bude mít jemné stoupání pro pesnjší nastavení tlaku na tsnící kroužky a proti povolování. Jako varianta je na následujícím obrázku 21 navržena podobná ucpávka s použitím gufera, vymezovacího kroužku a ložiska. 50

51 Obr. 21 Ucpávka hídele míchadla varianta B, 1 stna nádrže, 2 tsnní, 3 - gufero,4 - vymezovací kroužek, 5 pojistný kroužek, 6 ložisko, 7 víko, 8 šroub s válcovou hlavou s vnitním šestihranem Míchadlo Míchadlo je svaeno dle nákresu na obrázku 15 a po svaení vyváženo. Spojení s hídelem je rozebíratelné z dvodu možného opotebení lopatek a snadné výmny míchadla. Materiálem míchadla i hídele je konstrukní ocel ošetena povrchovou antikorozní úpravou pozinkováním. Smr otáení je zvolen takový, aby nedocházelo k povolování šroubu. Nárt je na obrázku 22. Obr. 22 Upevnní míchadla k hídeli 51

52 3.7.5 Plynojem V praxi se používá celá ada provedení plynojem. Neastji jsou konstruovány jako kovové válcové, dvouplášové gumotextilní nebo kovové s gumotextilní membránou. Pro vhodné zvolení objemu plynojemu je nejprve nutno stanovit denní produkci bioplynu: kde: > 9 > (10) p bd - denní produkce bioplynu [m 3 den -1 ] p b - celková produkce bioplynu [m 3 ] - poet dní v provozu n d Množství vytženého bioplynu je 128,5 m 3. Plyn je produkován pibližn od dubna do listopadu, tj. 240 dn. Podlením hodnot v rovnici (10) získáme prmrnou produkci bioplynu za den. Ta se rovná 0,535 m 3 den -1. Objem plynojemu se stanoví podle denní produkce a zpsobu využívání. Podle množství produkovaného bioplyn lze pedpokládat jeho využití k vaení, tzn. denní odbr plynu. Plynojemu by i tak ml mít rezervu na dva až ti dny. Z toho vyplývá objem 1-1,5 m 3. Pro jímání bioplynu je navržen mokrý plynojem. Ten bude sestaven z do sebe zapadajících sud. Pro dosažení potebného objemu bude nutno zapojit více plynojem za sebou. Poet bude záviset na objemu sud. Schéma plynojemu je na obrázku 23. Hlavní nevýhodou tohoto typu používaného na velkých BPS je zamrzání vody v zimních msících. Navrhované zaízení je pes zimu odstavené, takže tento problém odpadá. Nevýhodou je kolísání tlaku pi rzných objemech plynu zachyceném v plynojemech. 52

53 Petlaková pojistka Fermentor Spotebi Obr. 23 Mokrý plynojem složený ze sud Pojistka proti vysokému petlaku v nádrži a možnému vysunutí sud bude vytvoena vodním sloupcem v hadici napojené na plynojem. Pi rstu tlaku nad kritickou hodnotu se voda vytlaí z hadice a dojde k odpuštní plynu. Nárt takové pojistky je na schematickém obrázku 23. Sudy zárove vytváí tlak. Ten by ml odpovídat tlaku v rozvodné síti zemního plynu, který je okolo 2 kpa [43]. Tlak lze regulovat pidáním závaží na sudy. Potebná hmotnost závaží se stanoví podle rozdílu hladin v petlakové pojistce h. Rozdíl hladin je zobrazeným na obrázku 23 a lze zjistit následujícím odvozeným výpotem [44]:?@ 8A kde: h - rozdíl hladin v petlakové pojistce [m 3 ] p - petlak v plynojemu [Pa] - hustota vody [kg m -3 ] g - gravitaní zrychlení [m s -2 ] (11) Požadovaný petlak v nádrži je Pa, hustota vody je 998 kg m -3, gravitaní zrychlení 9,81 m s -2. Po dosazení hodnot do vzorce (13) získáme potebný rozdíl hladin 0,204 m. Sudy se tedy zatíží tak, aby rozdíl hladin v pojistce byl pibližn 20 cm. 53

54 3.7.6 Diskuze Pro adu konstrukních úprav by šlo nalézt vhodnjší ešení. Pi návrhu je však kladen draz na poizovací náklady a je poítáno s výrobou pouze jedné jednotky. ada významných konstrukních zmn by mohla být navrhnuta pi sériové výrob. Upraven by mohl být napíklad návrh ucpávky hídele míchadla, která by mohla být ešena jako plastový odlitek. Uvažovat by se dalo i o zmn mechanického míchání za míchání hydraulické. Použitím vhodného kalového erpadla by nebylo nutné ešit ucpávku a pepojením výstupní hadice by se dal pohodln odpouštt digestát. Takové ešení je znázornno na schematickém obrázku 24. Pvodn bylo s touto možností poítáno i pi provedeném návrhu. Ani po oslovení dvou pedních eských výrobc erpadel však nebylo vybráno vhodné erpadlo. V levnjší kategorii kalových erpadel jsou pouze erpadla ponorná. Z použití ponorného kalového erpadla však bylo ustoupeno z dvodu možného ucpání, které nejde vylouit. Pi uzavené míchané nádrži by to zpsobilo znaný problém a musel by být perušen celý proces. Uvažovat by také šlo o použití zubového erpadla nebo erpadla s rotujícími písty. Sedimentaní nádrž Fermentor erpadlo Obr. 24 Schéma zapojení hydraulického míchání pomocí erpadla Dalším vhodnjším ešením by byla náhrada mokrých plynojem za gumotextilní plynojemný vak. Ten lze na zakázku nechat vyrobit v libovolném požadovaném objemu a snadná by byla i regulace tlaku. Cena 1 kusu takového plynojemu vyrobená profesionální firmou se však pohybuje okolo tisíc K. Schéma gumotextilního plynojemu je na obrázku

55 Závaží Fermentor Plynojem Spotebi Obr. 25 Schéma zapojení gumotextilního plynojemu 3.8 Kalová koncovka Pi zvolení metody mokré fermentace bude zfermentovaný zbytek v podob husté kapaliny. Nabízí se nkolik návrh na nakládání s tímto odpadem. Prioritn se pedpokládá využití jeho hnojivých úink. Jako nejvhodnjší zpsob lze doporuit kal odpouštt do k tomu urené nádoby vyhovujícího objemu. V tomto návrhu dobe poslouží klasický sud opatený víkem zabraující šíení pípadného zápachu do okolí. V této nádob bude kal ponechán v klidu úinkm gravitaní sedimentace. Tím se zajistí usazení tuhé frakce u dna nádoby. Tekutinu, takto zbavenou neistot, lze využít k zalévání záhon i kvtin. Tekutina již neobsahuje žádné vtší tuhé ástice a zárove je bohatá na živiny do ní uvolnné. Tekutina také mže být použita k ední nov vkládaného materiál. Pi provozu zaízení pak odpadá produkce tekutého odpadu, který se recyklem vrací zpt do zaízení. Po vyrovnání hladiny sedimentu a kapaliny se nádoba vyprázdní a sediment uloží na kompost, pípadn poslouží jako tuhé hnojivo. Tento zpsob se jeví jako nejlevnjší a asov nejmén nároná metoda. Dalším zpsobem je užívat k hnojení pímo zfermentovaný kal bez jakékoli úpravy. Zde by se však muselo poítat s hrubšími ásticemi v tekutin, které by nemusely být žádoucí. Pípustnou možností je také vypouštní kalu pímo do kanalizace. Takové nakládání však nemusí být ve všech lokalitách zcela legální a je teba záležitost probrat s píslušnou správou kanalizací. Pokud hnojivo komern nevyužíváme a zužitkujeme jej jen pro vlastní poteby, nemusíme se ídit zákonem. 156/1998 Sb. o hnojivech ve znní pozdjších pedpis. [4] 55

56 3.9 Úprava materiálu Materiál je nutno ped dávkováním do fermentoru rozmlnit na co nejmenší ástice. Zvýší se tak plocha pro aktivitu bakterií a tím se zvýší i produkce bioplynu. Tráva posekaná sekakou nevyžaduje již další úpravu, ale ostatní odpady asto ano. Kuchyský odpad smíchaný s vodou lze rozmixovat v klasickém kuchyském mixéru, nebo lze vedle fermentoru instalovat kuchyský drti odpadu. K úprav tenkých vtví plevele a podobných rozmrnjších rostlinných odpad lze využít štpkovae, který odpad rozmlní na ástice okolo 1 cm. Nkteré štpkovae by mohli zvládnout i podrcení jablek. Pokud takový štpkova není k dispozici, dá se pro úpravu jablek doporuit jednoduchá výroba speciálního zaízení, nebo úprava velkého množství napíklad v drtii kuchyského odpadu po jednom kusu je prakticky nereálná. Pro drcení jablek bylo navrženo jednoduché mechanické zaízení zobrazené na následujícím obrázku 26. Obr. 26 Vlevo: Štpkova pro drcení vtví a dalšího rostlinného odpadu [47]; Vpravo: Návrh jednoduchého nástroje pro úpravu jablek 56

57 3.10 Zapojení celého zaízení a rozbhnutí procesu Zapojení celého procesního zaízení je uvedeno na obrázku 27. Reaktor je zde umístn na vyvýšeném míst, což však není podmínkou. Usnaduje se tak vypouštní digestátu, který se po otevení kohoutu samovoln pepouští do sudu. Obr. 27 Domácí bioplynová jednotka, 1 fermentor, 2 dávkovací roura, 3 topná rohož a izolace fermentoru, 4 míchací zaízení zavšené na fermentaní nádrži, 5 mokré plynojemy, 6 petlaková pojistka, 7 sporák, 8 sedimentaní nádrž na digestát piklopená výkem Pro urychlení nabhnutí procesu anaerobní fermentace je vhodné použít inokulum (okovací látka). Doporuuje se fugát (stabilizovaný digestát po anaerobní fermentaci) z již zabhlé BPS, kombinace fugátu s kejdou hospodáských zvíat, nebo alespo kejda samotná. [45] Pozornost je teba vnovat dob, kdy budou obyvatelé domácnosti delší dobu mimo domov (nap. z dvodu dovolené). Pro potlaení tvorby bioplynu, se nabízí dva zpsoby nebo jejich kombinace. Úplné zastavení procesu (tím je myšleno nap. vypnutí míchání nebo vypuštní fermentoru) se z asových i ekonomických dvod nedoporuuje. Celý proces by se musel znovu nabíhat. K poklesu produkce bioplynu dojde pi snížení frekvence míchání (nap. na 2x denn). Úinnjší by mohlo být snížení provozní teploty. Tato oblast zmrazení procesu není píliš prozkoumána. Vhodné ešení by bylo poteba experimentáln odzkoušet až bhem provozu Využití bioplynu v praxi Pro využívání bioplynu v praxi je nejprve nutno zjistit energii obsaženou v denní produkci. Ta bude pi navrhování vhodného zpsobu využívání plynu rozhodující: 57

58 B >, (12) kde: E - energie [MJ] p bd - prmrná denní produkce bioplynu [m 3 den -1 ] H b - výhevnost bioplynu [MJ m -3 ] Množství bioplynu je 0,535 m 3 den -1. Výhevnost je uvažována 20 MJ m -3. Energie bioplynu iní denn 10,7 MJ, to se rovná 3 kwh. Toto množství plynu je dostaující k pohodlnému využívání k vaení. Energetická hodnota denn vyrobeného bioplynu odpovídá 1 hodin vaení na sporáku se dvma hoáky o prmru 55 mm a 75 mm s výkony 1 kw a 1,8 kw [46]. Používat bioplyn k vaení je pravdpodobn nejvhodnjší zpsob využití. Plynojem je také možné pipojit k plynovému zahradnímu grilu. Zajímavé by bylo bioplynem vytápt saunu s plynovým kotlem. V rozvojových zemích, kde jsou malé bioplynové stanice více rozvinuté, bioplyn nahrazuje ohništ a bžn se používá k vaení, ale i k svícení (obr. 28). [15]. Obr. 28 Dvouhoákový plynový vai spalující bioplyn a plynová lampa požívané v rozvojových zemích [15] 58