TECHNOLOGIE ANAEROBNÍHO ZPRACOVÁNÍ BIOMASY A VEDLEJŠÍCH PRODUKTŮ ZE ZEMĚDĚLSKÉ A POTRAVINÁŘSKÉ VÝROBY

Transkript

1 TECHNOLOGIE ANAEROBNÍHO ZPRACOVÁNÍ BIOMASY A VEDLEJŠÍCH PRODUKTŮ ZE ZEMĚDĚLSKÉ A POTRAVINÁŘSKÉ VÝROBY Eduard Janča, Jaroslav Kára Příspěvek se zabývá stanovením výtěžnosti bioplynu (dále jen BP) ze směsi substrátů křídlatky s exkrementy hospodářských zvířat. Cílem bylo navrhnout během laboratorních pokusů vhodné provozní podmínky ve fermentoru (obsah sušiny, ph, podíl složek substrátu, teplotní režim) pro průběh metanogenního vyhnívání, poté stanovit jeho kvalitu a posoudit vhodnost využití takto vyrobeného BP. Toto měření bylo řešeno v rámci projektu NAZV Klíčová slova: bioplyn, křídlatka, biomasa, anaerobní digesce, fermentor ÚVOD Technologií anaerobní fermentace můžeme zabezpečit ekologické palivo pro výrobu tepla, elektrické energie i provoz mobilních zařízení. Konkurenceschopnost BP bude stoupat se zvyšujícími se cenami energií a environmentálními požadavky společnosti. Systémy anaerobního vyhnívání umožňují substituci neobnovitelných energetických zdrojů a tím se omezuje antropogenní nárůst skleníkového efektu. Například u fytomasy, ve srovnání s postupy termické konverze, jde u anaerobní digesce o snížení produkce CO 2 více a navíc nedochází ke znehodnocení rostlinných živin, zejména dusíku. Je možné předpokládat, že anaerobní digesce energetické biomasy bude v tomto třetím tisíciletí součástí akumulačních biotechnologických cyklů propojených na další systémy ekologické výroby energií. V záměrech EU je do roku 2010 zabezpečit produkci bioplynu s celkovou roční produkcí energie 630 PJ, což představuje zdvojnásobení produkce dnešní. Tento bioplyn by umožnil substituci 15 Mt fosilních paliv při produkci tepla a elektrické energie [1]. Biomasa je látka biologického, tj. rostlinného nebo živočišného původu. V souvislosti s jejím energetickým využitím se za biomasu obvykle považuje: o odpadní a palivové dřevo, o obilní a řepková sláma, o rychle rostoucí rostliny, pěstované cíleně pro energetické využití, o bioplyn (z odpadů živočišné výroby). Protože se dosud neustálila jednoznačná definice pojmu energetická biomasa, považuje se někdy za energetickou biomasu také: o komunální odpad, o nemocniční odpad, o skládkový plyn (ze skládek odpadů, z čistírenských kalů). Mezi hlaví výhody využití biomasy v energetice patří: o obnovitelnost (nevyčerpatelnost) zdroje energie, na rozdíl od fosilních paliv, o z hlediska produkce tzv. skleníkových plynů, především CO 2, se považuje biomasa za neutrální palivo (CO 2 se sice při spalování uvolňuje, ale přibližně stejné množství CO 2 je fotosyntézou při růstu biomasy z atmosféry spotřebováno), o zanedbatelný nebo malý obsah síry, o zvyšuje nezávislost na dovozu primárních energetických zdrojů, o biomasa je odpadní látkou, což je výhodou z hlediska ekonomického (cena) a odpadového hospodářství, o pěstování biomasy zlepšuje sociální poměry (zaměstnanost) venkova při transformaci zemědělství (převod potravinářské produkce na průmyslovou) a přispívá k ochraně životního prostředí, zemědělské půdy, převážně k odstranění devastace půdy průmyslovou a důlní činností. Přes uvedené výhody se energetické využití biomasy dosud nerozšířilo tak, jak by bylo žádoucí. Příčinou jsou některé problémy, které dosud nejsou vyřešeny: o cena biomasy může často přestoupit vlivem zpracování a dopravy cenu fosilních paliv, o spolehlivost dodávky do energetické výrobny může být nižší než u ostatních paliv, Ing. Eduard Janča, Ing. Jaroslav Kára, CSc., TF ČZU v Praze, Kamýcká 129, Praha, ejanca@tf.czu.cz

2 o sezónnost pěstování energetických rostlin vyžaduje skladování v poměrně velkém rozsahu, pokud není skladována volně na místě výskytu, o zatím poměrně nízká účinnost a malý výkon dostupných zařízení pro energetické využití biomasy, o dosud neukončený vývoj některých zařízení pro zpracování a dopravu biomasy, o nebezpečí úniku škodlivých látek při některých technologických pochodech (prach, NOx, pevné a kapalné odpady). S energetickým využitím biomasy jsou proto spojena rizika: o pro výrobce ( zpracovatele) riziko při zavádění s 2. až 8. ročním cyklem (např. otázka uplatnění na trhu), o riziko nedostatečné technologické infrastruktury, nevhodné a tím též neekonomické dopravy a zpracování biomasy, o riziko provozovatele energetické výrobny spočívající v zajištění dlouhodobé spolehlivé dodávky biomasy a v nedostatku zkušeností se skladováním a zpracováním biomasy (lze snížit při použití biomasy ve vícepalivových systémech), o riziko investora při financování nové (nevyzkoušené) technologie, infrastruktury, zejména dosud při nevyjasněné situaci subvencování využití biomasy, o riziko dodavatele technologie spočívající v nedodržení harmonogramu stavby, spolehlivosti a technických vlastností nového zařízení [2]. BP vzniká při rozkladu organické hmoty za nepřítomnosti vzduchu (kyslíku) a dodávce tepelné energie dle vztahu: C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2... b i o p l y n BP se skládá ze směsi plynů obsahující 50 až 75% CH 4, 30 až 45% CO 2 a 1 až 3% minoritních plynů (např.: N 2, H 2 S a H 2 ). Výhřevnost BP se pohybuje mezi 18 až 25 MJ. m -3, přičemž pokud je vyčištěn a zůstane téměř čistý metan, jenž má výhřevnost 35,8 MJ. m -3, můžeme jím nahrazovat zemní plyn, který obvykle obsahuje 99,9 % metanu. Existuje celá řada modelů, kterými lze popsat anaerobní metabolismus, počínaje nejstarším dvoufázovým (zahrnuje acidogenní fázi - produkce mastných kyseliny a metanogenní fázi - metanogeny přeměňují tyto kyseliny na BP) a konče dnes nejuznávanějším čtyřfázovým modelem zahrnujícím čtyři hlavní skupiny mikroorganismů, které jsou zastoupeny ve fázích anaerobního rozkladu[3]: Hydrolýza rozklad makromolekulárních látek Acidogeneze rozklad na jednodušší látky (kyseliny, alkoholy, atd.) Acetogeneze probíhá oxidace vyšších produktů acidogeneze (H 2, CO 2 a kyselinu octovou) Metanogeneze působení metanogenních bakterií (CH 4 ) Faktory, které ovlivňují anaerobní stabilizaci : Teplota - teplota je jedním z hlavních činitelů, které určují úroveň látkové přeměny, a tím i množství mikroorganizmů. Podle toho, které mikrobiální rody a druhy se podílejí na tvorbě bioplynu ve fermentoru, se proces dělí na: 1. psychrofilní (10 až 20 C), 2. mezofilní (20 až 40 C), 3. termofilní (50 až 55 C)

3 Faktor ph - Rozsah ph pro bakterie je v rozmezí 4,5 až 8,0. Lze říci, že u většinu bakterií je optimální rozsah pro metanizaci mezi 6,5 až 7,6 ph. Pokles pod uvedený interval může nastat v případě, kdy produkce mastných kyselin produkovaných acidogenními mikroorganizmy je vyšší než jejich spotřeba v acetogenní a metanogenní fázi. To může být způsobeno např. přetížením procesu nebo působením různých inhibitorů procesu (antibiotika, dezinfekční prostředky). Kyslík (O 2 ) - Vyloučení pronikání do prostoru, kde se provádí fermentační proces, právě zmiňovaného kyslíku je jednou ze základních podmínek celého procesu. Kyslík na metanogenní bakterie působí inhibičně. Sušina kejdy - v praxi je sušina omezena dvěma faktory: čerpatelností a uchováním pohyblivosti disperzních fází, což je zárukou obnovování hraničních ploch substrátu, a tím i vzniku metanu. Horní mez z obou hledisek tvoří 10 až 12 % sušina. Spodní hranice obsahu sušiny je neméně vážným technologickým problémem; při sušině 2 až 3 % se musí jalově zahřívat ve fermentoru při metanogenezi. velké množství vody. Nadbytek vody v kejdě vytváří další velký problém při výrobě bioplynu, protože je zvýšen podíl kalové vody. To je jak technologicky, tak i ekonomicky nevýhodné. Vyhnívací doba - Vyhnívací doba je dána rychlostí vývinu plynu a požadovaným stupněm vyhnití (odbourání organických látek). Ideální je, když kontinuální průtok organické hmoty je takový, že se rovnají přítok organické hmoty za den a množství hmoty rozložené za tutéž dobu. Při vyšším přívodu kejdy se ztrácí energie odplavením nevyužité organické hmoty. To znamená nižší produkci bioplynu. Křídlatka (reynoutria) je invazní rostlina, jejíž invazní schopnosti jsou založeny především na snadné regeneraci z oddenků a úlomků lodyh, na značném množství nadzemní biomasy, které rostlina produkuje, na mohutném kořenovém systému a pravděpodobně také na pozorované alelopatii. Kolonizuje zejména člověkem ovlivněná místa (sídla, komunikace, skládky atd.) a okolí větších vodních toků, obr.1. Dalším problémem je její obtížná likvidace. Na stanovišti postupně vytváří svoji monokulturu a tím dochází k redukci místní biodiverzity. Může mít zvláště zhoubný vliv ve zvláště chráněných územích, ale nežádoucí je i ve volné krajině. V negativním vlivu na okolní vegetaci vidím velký problém této rostliny, a proto je její využití pro výrobu bioplynu značně zkomplikována. Aby křídlatka mohla být použita pro bioplynovou stanici, je nutné ji předem nadrtit, obr.2. Jelikož se jeví jako kontroverzní plodina, která má vynikající výnos biomasy (30 až 40 t. ha -1 ), jak zelené hmoty, tak sušiny po dozrání, je tato rostlina zajímavým artiklem pro bioplynové stanice. Obr.1: Porost křídlatky Obr.2: Rozdrcená křídlatka Měření probýhalo na pracovišti VÚZT v Praze Ruzyni, kde bylo zřízeno experimentální zařízení pro zjišťování optimálních parametrů anaerobních metanogenních procesů. Měření spočívalo v tom, že se namíchal poměr kejdy s křídlatkou v předem nadefinovaném složení, tab.1. a 2. Vzorek, který měl obsah sušiny v našem případě 8 %, byl námi brán, jako 100 % substrát. Kejda pro nás představovala složeninu z 50 % kejdy (hovězí a vepřová kejda v poměru cca 1:1) a z dalších 50 % již vyvřelého fugátu. Jako neutralizační činidlo bylo použito vápenného hydrátu. Číslo kyselosti u vzorků o vyšší kyselosti kolem ph 4-5,5 bylo upravováno na ph 7,9. Teplota kultivace byla nastavena u malých fermentorů na 44 C a u velkých fermentorů na 46 a 55 C. V laboratorních pokusech jsme hledali vhodné směsi biomasy pro výrobu BP na malých zařízeních o objemu 3 l. Malých fermentorů je v laboratoři k dispozici celkem 9, obr.3. Sada fermentorů je umístěna ve vyhřívané vodní lázni. Z každé nádržky vede pryžová hadice o průměru 10 mm, kterou je odváděn vznikající bioplyn do vodního

4 plynojemu (obr.4.) sestávajícího z devíti sekcí. Každá sekce má objem rovněž 3 l a jsou na boku opatřeny stupnicí pro odečítání produkce bioplynu. Na pracovišti jsou i dva fermentory o objemu 2 x 100 litrů. Obr.3: Laboratorní fermentory o objemu 3 l Obr.4: Schéma vodního plynojemu Tab. 1: Podílový obsah zkoumaných složek z hmotnostního procenta sušiny při zakládání pokusných šarží do malých fermentorů (teplota 44 C) Fermentory o obsahu 3 l % kejdy (50 % kejda + 50 % fugát) % zkušebního substrátu z křídlatky 1a a a a a a Tab. 2: Podílový obsah zkoumaných složek z hmotnostního procenta sušiny při zakládání pokusných šarží do velkých fermentorů Fermentory o obsahu 100 l % kejdy (50 % kejda + 50 % fugát) % zkušebního substrátu z křídlatky 1a (teplota 46 C) a (teplota 55 C)

5 GRAFY NAMĚŘENÝCH HODNOT Obr.5: Kumulativní produkce bioplynu (fermentory o objemu 3 l) Obr. 6: Množství CH 4 v bioplynu (fer. o objemu 3 l) Obr. 7: Množství CO 2 v bioplynu (fer. o objemu 3 l) 46 C 55 C Obr. 8: Kumulativní produkce BP (fer. o objemu 100 l) Obr. 9: Množství CH 4 a CO 2 v BP (fer. o objemu 100 l) VÝSLEDKY A DISKUSE Měřením se prokázalo, že je produkce BP vyšší v malých fermentorech a při mezofilním procesu, viz obr. 5 a obr. 8. Po přepočtu je produkce bioplynu z 1 kg substrátu s přídavkem křídlatky menší, než u samotné kejdy, ale

6 obsah CH 4 se ve stabilizované fázi vyhnívání pohybuje okolo 75 % v malých fermentorech, viz. obr. 6 a 65 % ve velkých, viz. obr. 9. Produkce metanu je tedy prakticky stejná jako ze samotné kejdy, což je pro energetické využití křídlatky zajímavé. V jediném poměru, a to 10 % kejda + 90 % křídlatka se produkce bioplynu prakticky neprojevila, viz. obr. 5. Jak lze vidět na obr. 9 při větší teplotě kultivace je rychlejší náběh procesu a i obsah CH 4 je vyšší ze začátku, než u teploty nižší. Naproti tomu je proces vyčerpán dříve u anaerobního vyhnívání při teplotě kultivace 55 C než je tomu tak u procesu s nastavenou teplotou vyhřívání na 46 C. Je tedy na zvážení, zda-li se vyplatí proces zahřívat na vyšší teplotu a počítat s dřívějším ukončením anaerobního cyklu a nebo proces zahřívat na nižší teplotu a počítat s delší dobou zdržení. Optimálním poměrem se dle našeho měření jeví 70 % kejdy + 30 % křídlatky, u kterého jsme dosahovali produkce BP 190 l.kg -1 sušiny a 70 % obsahu CH 4 po celou dobu měření. ZÁVĚR Pro širší technologické aplikace v praxi mohou tyto laboratorní pokusy přispět k rychlému a správnému rozhodnutí v provozním měřítku, kdy se výsledek projeví jak ekonomicky ve snížení investičních nebo provozních nákladů, tak ekologicky ve zkrácení doby přípravy podkladů pro nové technologie, doby ověřování technologie v kontinuálním uspořádání a v rychlosti zapracování a účinnosti plnoprovozních anaerobních reaktorů. Z ekonomického hlediska se provoz na výrobu BP počítá z pořizovacích nákladů a výnosů, které závisí především na produkci a schopnosti zužitkování energií. Životnost bioplynových stanic se podle dnešních odpisových sazeb stanovuje na 14 až 16 let, avšak bez pořizovacích dotačních podpor ve výši cca 40 % by bioplynové stanice nemusely pracovat s patřičným ziskem. Vše závisí na schopnosti ekonomicky zhodnotit i ostatní produkty vznikající při výrobě BP. Lze tedy konstatovat, že fermentační proces otevírá zcela nové možnosti pro zemědělství, či potravinářství a to jak využitím BP, tak i nabídkou služeb a zahrnuje tak v sobě nové zdroje příjmů z nových forem organizace. POUŽITÁ LITERATURA [1] JOSSART, J.M.: Stanovisko AE BIOM k dokumentu Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie a k dokumentu AGENDA Sborník Biomasa pro energii v obcích a městech ČR s využitím zahraničních zkušeností. Praha: CZ BIOM, [2] CITYPLAN S.R.O.: Příručka pro regionální využití biomasy. CityPlan s.r.o., Praha: EKIS ČEA, [3] DOHÁNYOS, M., A KOL.: Anaerobní čistírenské technologie. Praha : NOEL 2000, [4] KÁRA, J.: Bioplyn. In: Sborník Zemědělská technika a biomasa. Praha, VÚZT , s ISBN