MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2010 ONDŘEJ BRHEL

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BRNO 2010 ONDŘEJ BRHEL

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav aplikované a krajinné ekologie Metody výpočtu produkce bioplynu v bioplynových stanicích BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Vedoucí práce: Ing. Bohdan Stejskal, Ph.D. Vypracoval: Ondřej Brhel BRNO 2010

3 PROHLÁŠENÍ: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Metody výpočtu produkce bioplynu v bioplynových stanicích vypracoval samostatně a použil 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 AF MENDELU. Dne. Podpis zpracovatele.

4 Poděkování: Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Bohdanu Stejskalovi, Ph.D. za poskytnutí materiálů týkajících se bioplynových stanic a produkce bioplynu a za odborné vedení.

5 ABSTRAKT Ve své práci nejprve popisuji výrobu bioplynu a její jednotlivé technologické procesy. Dále pak představuji sledované parametry a také důležité definované veličiny při výrobě bioplynu. Zabývám se také kvalitou bioplynu a jejím ovlivněním. V další části mé práce uvádím jednotlivé technologické postupy a výpočty produkce bioplynu a porovnání jejího finančního zatížení. Klíčová slova: bioplyn, substrát, fermentace ABSTRACT My work deals with biogas production and its particular technological processes in the first part. Following parts of this work concerns with importing defined parameters during its production. I am also engaged in quality of biogas and influences on its production. At last I focus on particular technological procedures and calculations of biogas production and its financial demandingness comparison. Key words: biogas, substrate, fermentation

6 OBSAH 1. ÚVOD CÍL PRÁCE: BIOPLYN Vznik bioplynu Rozdělení bioplynu Výroba bioplynu Základní sledované parametry při výrobě bioplynu Definované veličiny při tvorbě bioplynu Kvalita bioplynu Vlivy na produkci plynu Výpočet množství vyrobeného bioplynu BIOPLYNOVÉ TECHNOLOGIE A ZAŘÍZENÍ Bioplynová technologie Bioplynová stanice VÝPOČTY PRODUKCE BIOPLYNU Výnosy z výroby bioplynu Příklady výpočtů pro zjištění výnosů z výroby bioplynu ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY:... 1

7 1. ÚVOD Odpady provázejí člověka po celou dobu civilizace. Vznikají při průmyslové činnosti, v zemědělství, dopravě a při běžném životě člověka. Příroda je v lokálním i globálním měřítku schopna bez ničivých následků pojmout pouze omezené množství odpadů. Proto je potřebné a z hlediska dalšího zdravého vývoje lidstva nutné, aby se člověk o své odpady postaral a omezil jejich škodlivé působení správným zneškodněním. Zamezení škodlivému působení odpadů v prostředí je jedna z možností, jak se s odpady vypořádat. Mezi odpady také patří zbytky zemědělské produkce, jako např. exkrementy ze živočišné výroby. Proto po období ropné krize se v 80-tých letech začaly za významné státní podpory realizovat experimentální bioplynové stanice pro zpracování zemědělských tuhých i tekutých odpadů. Po roce 1992 se státní podpora bioenergetického programu v resortu Ministerstva zemědělství zaměřila jiným směrem (oleoprogram, lihový program, ) a na program bioplynový nezbývaly finance. Výstavba bioplynových stanic v zemědělství se omezila na několik malých jednotek, financovaných z podnikových zdrojů. V komunální sféře však byla situace zcela odlišná. Komunální skládky tuhých domovních odpadů byly a jsou vybavovány systémy na získávání a využití bioplynu. I když se výstavba bioplynových stanic i v zemědělské sféře stále zlepšuje, pořád ještě za jednotlivými státy EU zaostáváme. Zemědělce vedou ke stavbě bioplynových stanic tři hlavní důvody: Získání bioplynu jako doplňkového zdroje energie. Získání kvalitního hnojivářského substrátu. Zlepšení pracovních a životních podmínek na farmě. Má práce se zabývá jednotlivými metodami výpočtů produkce bioplynu. Dále také popisuji jednotlivé složky, parametry a měřené veličiny týkající se bioplynu. Při výrobě bioplynu se dbá především na kvalitu. Proto zde také popisuji průběh výroby, jednotlivé vlivy na kvalitu bioplynu a množství vyrobeného bioplynu. 8

8 2. CÍL PRÁCE: Cílem práce je vypracovat literární přehled metod výpočtu produkce bioplynu, jejich vzájemné porovnání a určení nejlepší a nejlevnější alternativy vycházející z popsání jednotlivých výpočtových metod. Součástí cílů byl popis jednotlivých typů vstupních parametrů a uvedení příkladových výpočtů vlastní výroby bioplynu. 9

9 3. BIOPLYN Produktem anaerobní digesce je bioplyn. Můžeme se setkat i s jinými názvy pro tento plyn. Tyto pojmy blíže specifikují bioplyn především podle místa, kde vzniká, např: skládkový plyn, bahenní plyn, kalový plyn. Bioplyn je směs plynů s proměnlivým složením. Složení závisí na prostředí a využívaných substrátech. Jako průměr u bioplynu z bioplynových stanic lze uvést 65 % metan, 30 % oxid uhličitý, 5 % ostatní složky (dusík, vodík, vodní pára, stopy sulfanu).[8] 3.1. Vznik bioplynu Bioplyn může vznikat pouze při rozkladu organické hmoty. Proces, při kterém vzniká bioplyn a uvolňuje se energie, se nazývá vyhnívání neboli digesce. Vyhnívání je proces rozkladu stejně jako hoření, trouchnivění nebo trávení. K vyhnívání dochází pouze za určitých podmínek jako je vlhké prostředí, zamezení přístupu vzduchu a samozřejmě působení metanogenních bakterií při teplotě 0 C až 70 C. Při vyhnívání se neuvolňuje teplo, ale vzniká hořlavý plyn metan. K vyhnívacím procesům dochází na různých místech, jako jsou rašeliniště, močály, skládky, hnojiště, jímky odpadních vod, jímky kejdy. Podle výskytu tvorby metanu rozdělujeme plyny na plyny skládkové, bahenní, kalové nebo zemědělské. Pokud dochází k vyhnívání a tvorbě metanu ve vodě, můžeme tento jev pozorovat ve formě stoupajících plynových bublin. Při úniku metanu do vzduchu vlivem ozónu, radikálů a slunečního světla zoxiduje na oxid uhličitý a vodu. Vznik bioplynu se rozděluje do čtyř fází. V první fázi rozkládají anaerobní bakterie složitější makromolekulární látky na látky jednodušší, jako jsou cukry, aminokyseliny a voda. Tento proces se nazývá hydrolýza. V druhé fázi rozkládají acidofilní bakterie vzniklé aminokyseliny, cukry a vodu na organické kyseliny, oxidy a čpavek. Z produktů acidofilních bakterií vytvoří ve třetí fázi octotvorné bakterie acetáty, oxid uhličitý a vodík. V poslední čtvrté fázi teprve vytvoří metanové bakterie metan a jiné látky. Pro vznik bioplynu a k přežití bakterií je nutné splnit výše uvedené podmínky. Vlhkost prostředí je velmi důležitá pro život metanových bakterií. Ty mohou žít jen v dobře zalitém substrátu (alespoň 50% vlhkosti) a také jen v anaerobním prostředí tj. bez přístupu 10

10 vzduchu. Pokud je v substrátu obsažen kyslík, musí ho aerobní bakterie nejdříve spotřebovat. Při vysokých teplotách bakterie hynou a při teplotách pod bodem mrazu přestávají pracovat. Teplota je pro tvorbu metanu velmi důležitá. Obecně platí, že čím vyšší teplota, tím rychleji nastává rozklad a tím vyšší je produkce plynu a tím nižší je obsah metanu v bioplynu. Bakterie můžeme rozdělit do tří skupin: psychrofilní největší účinnost dosahují při teplotách pod 20 C, mezofilní teploty od 25 C do 35 C, a termofilní teploty nad 45 C. Dalším důležitým faktorem pro práci bakterií je hodnota ph. Ta by se měla pohybovat okolo hodnoty 7,5. U kyselých substrátů se této hodnoty dosahuje přidáním vápna. Ke správné účinnosti působení bakterií musí být dodržen správný přísun živin. Bakterie totiž neumí rozkládat tuky, celulózu, uhlovodíky nebo bílkoviny. Pro správnou funkci potřebují rozpustné dusíkaté sloučeniny, minerální látky a stopové prvky. Tyto látky jsou obsaženy především v hnoji a v kejdě. Při tvorbě bioplynu musí být materiály, jako sláma nebo tráva, rozloženy na velkých kontaktních plochách pro rychlejší vyhnívání. Pro rychlost vyhnívání je také důležité jakými prostředky materiály ošetřujeme. Výzkumy prokázaly, že některé desinfekční prostředky mají vliv na rychlost vyhnívání i v malém poměru a jiné neškodí a nezpomalují rychlost vyhnívání ani ve vysokých koncentracích. Pro tvorbu bioplynu je potřeba pravidelně dodávat substrát v pravidelných intervalech. Nejlépe jednou nebo dvakrát denně nikoliv týdně. Substrát je uložen ve vyhnívacích nádržích, které se musí pravidelně promíchávat. Promíchávání je nutné kvůli udržení přibližně stálého tlaku. Pokud by se substrát nepromíchával, neodváděl by se ze substrátu plyn a metanové bakterie by nevykazovaly požadovaný výkon.[5] 3.2. Rozdělení bioplynu Výsledkem metanové fermentace neboli digesce je vždy směs plynů a fermentovaný zbytek organické látky. Pro tuto směs plynů, obsahujících vždy dva majoritní plyny (metan CH4 a oxid uhličitý CO2) a v praxi početnou, avšak objemově zanedbatelnou řadu minoritních plynů, se ustálily různé názvy podle jejich původu nebo místa vzniku. Tak rozeznáváme: 1) Zemní plyn - vznikl anaerobním rozkladem biomasy nahromaděné v dávných dobách; je energeticky nejhodnotnější, obsahuje 98 % metanu. Je klasifikován jako neobnovitelný zdroj energie. 2) Důlní plyn - původ jeho vzniku je obdobný jako u zemního plynu. Energetické využití má omezené jen na vhodné lokality, pro svoji výbušnost ve směsi se vzduchem 11

11 resp. kyslíkem je velmi nebezpečnou příčinou důlních, ale i povrchových havárií. 3) Kalový plyn - vzniká anaerobním rozkladem organických usazenin v přírodních i umělých nádržích, uvolňuje se ze dna oceánů, moří, jezer, močálů, rybníků, které se pravidelně nečistí, ale i v biologickém stupni čistíren odpadních vod, rýžovištích, rašeliništích. Intenzita jeho vývinu i chemické složení jsou značně variabilní. Je to způsobeno variabilitou procesních podmínek, za kterých vzniká. 4) Skládkový plyn - většina skládek komunálního odpadu obsahuje % organických materiálů, ze kterých může za vhodných podmínek anaerobní fermentací vznikat po mnoho let skládkový plyn s velmi proměnlivým složením. Jeho povrchové výrony jsou velmi nebezpečné, proto je žádoucí skládkové plyny získané při odplynění skládek komunálního odpadu využít k energetickým účelům nebo likvidovat bezpečnostním hořákem.[9] 5) Bioplyn - obecně lze tento název použít pro všechny druhy plynných směsí, které vznikly činností mikroorganizmů. Tím je vyjádřeno, že všechny druhy bioplynů anaerobního původu vznikají principiálně stejným způsobem, ať probíhá metanogenní proces pod povrchem země, v zažívacím traktu živočichů, zvláště přežvýkavců, ve skládkách komunálních odpadů, v lagunách nebo v řízených anaerobních reaktorech. V technické praxi se ustálilo použití názvu bioplyn pro plynnou směs vzniklou anaerobní fermentací vlhkých organických látek v umělých technických zařízeních (reaktorech, digestorech, lagunách se zařízením na jímání bioplynu, atd.).[10 stary.biom.cz/clen/jso/a_lfg.html] 12

12 3.3. Výroba bioplynu Technologie výroby Proces výroby biolynu je závislý na příslušných mikroorganismech. Proto musíme dbát na to, aby měly bakterie co nejlepší podmínky pro rozklad jednotlivých látek. Hlavním činitelem, který ovlivňuje činnost bakterií, je teplota. Anaerobní procesy jsou z hlediska teploty rozděleny na psychrofilní, mezofilní a termofilní (viz. Vznik bioplynu). Procesy termofilní Termofilní procesy probíhají při teplotách 45 C až 60 C. Jsou velmi rychlé a dosahují vysokého stupně rozkladu, ale vzniklý bioplyn obsahuje menší množství metanu. Termofilní procesy jsou velmi náročné na změny teploty. Snášejí denní výkyvy maximálně 1 C. Tento proces je tedy velmi energeticky náročný. Stálou teplotu udržujeme například hygienizací substrátu. Procesy mezofilní Nejběžnější mezofilní procesy probíhají při teplotě kolem 38 C. Dokážou pracovat s většími výkyvy teplot až do 3 C. Jsou tedy méně energeticky náročné, ale jsou také pomalejší a dochází k nižšímu stupni rozkladu a tím i menší produkci bioplynu.[3] 3.4. Základní sledované parametry při výrobě bioplynu Sušina Optimální obsah sušiny pro zpracování pevných odpadů je %, v případě tekutých odpadů 8 14 %. Tekuté odpady s obsahem sušiny menším než 3 % jsou zpracovávány anaerobní fermentací s negativní energetickou bilancí (proces je udržován na požadované provozní teplotě za předpokladu dodávky doplňkového tepla z externího zdroje). Pozitivní energetická bilance je dosahována zpravidla až při sušině tekutých odpadů vyšší než 3-5 %. Horní hranici optimálního obsahu sušiny tekutého odpadu tvoří vždy mez čerpatelnosti materiálu. Absolutní hranice obsahu sušiny, při které ještě probíhá anaerobní 13

13 fermentace, je 50 %. Heterogenní vlhkostní pole v pevném organickém materiálu způsobuje, že v praktickém provozu je metanogeneze tlumena postupně a nikoliv rázově. To je velmi významný faktor mající význam především při zpracování velkých objemů materiálů jako například skládek komunálních odpadů.[11] Organická sušina Při anaerobní fermentaci dochází k rozkladu 50% až 70% organických látek ze substrátu. Obsah organické sušiny nám vypovídá o odbourané organické části. Můžeme tedy určit zda je už substrát plně využit nebo jestli pro dosažení lepšího stupně rozkladu musíme prodloužit dobu kontaktu. Podle organické sušiny můžeme také určit zatížení reaktoru. To nám udává kolik organického materiálu přidávat do systému, aby nedošlo k jeho zahlcení.[5] Amonný dusík Amonný dusík vzniká zároveň s plynným dusíkem při rozkladu reakcemi vázaného dusíku. Ten se vyskytuje ve formě aminokyselin nebo ve formě močoviny. Jeho význam je dán hlavně jeho toxicitou. V závislosti na ph a teplotě se může disociační rovnováha přesunout z disociované NH 4 OH na nedisociovanou formu NH 3. Ten působí na mikroorganismy v reaktoru toxicky. Za inhibiční mez se stanovuje obsah NH 4 5g.l -1. [5] ph ph ovlivňuje přdevším růst a funkci mikroorganismů. Ideální hodnota pro růst metanogenních bakterií je od 6,5 do 7,5. PH však může v průběhu fermentace kolísat. [5] Poměr C:N Významným parametrem pro hodnocení vhodnosti materiálů pro anaerobní fermentaci je poměr uhlíkatých a dusíkatých látek. Za optimální se považuje pásmo kolem 30 : 1. Vysoký obsah dusíkatých látek se může projevit negativně na složení bioplynu (obsahuje minoritní obsah plynů jako například amoniaku NH3, oxidu dusného N2O, ). Mezi materiály s vysokým obsahem N patří exkrementy všech druhů hospodářských zvířat, opačný extrém (vysoký obsah C) tvoří materiály rostlinného původu. V praxi se optimálního poměru C : N dosahuje míšením různých materiálů. [10] 14

14 CHSK Chemická spotřeba kyslíku je množství kyslíku, které se spotřebuje na oxidaci organických látek ve vzorku. Poněvadž dochází i k oxidaci velmi odolných látek, je tato koncentrace vždy větší než koncentrace BSK. Ke stanovení se jako silné oxidovadlo používá dichroman draselný nebo u pitné vody manganistan draselný.[5] BSK 5 Biologická spotřeba kyslíku nám ukazuje kolik látek v substrátu je schopno rozkladu pomocí mikroorganismů. Měření biologické spotřeby kyslíku můžeme provádět v rozmezí patnácti dní.[5] Nižší mastné kyseliny Jedná se o dvou až pětiuhlíkové karboxylové kyseliny vznikající při rozkladných procesech v reaktoru. Jejich nadbytek způsobuje inhibici látkové přeměny metanogenních bakterií. Informace o koncentraci nižších mastných kyselin ve fermentoru má tedy velký význam.[5] 3.5. Definované veličiny při tvorbě bioplynu Výroba bioplynu je definována několika veličinami. Plynový výkon Plynový výkon je množství plynu vznikající v bioplynové stanici. Udává se denním objemem vyrobeného plynu připadajícího na 1 m 3 vyhnívací nádrže nebo na jednu dobytčí jednotku. Poznámka: Klíč k výpočtu dobytčích jednotek je uveden v tabulce 1. [1] Výnos plynu Výnos plynu je celkové množství plynu získané ze substrátu během doby kontaktu, vztažené na jednotku objemu vyhnívací nádrže, na jednu dobytčí jednotku nebo na 1 m 3 čerstvé kejdy. Množství získaného plynu se udává většinou z 1 kg organické sušiny, poněvadž musí být zohledněn podíl obsahu vody v substrátu. Na výnos má vliv především složení živin v substrátu a stupeň rozkladu. [1] 15

15 Stupeň rozkladu Stupeň rozkladu udává, kolik procent organické sušiny bylo rozloženo během doby kontaktu. Úplný rozklad je možný pouze v případě, že substrát neobsahuje lignin. Ten totiž neumí metanové bakterie rozložit. Úplný rozklad se v praxi nevyžaduje, poněvadž by potřeboval velmi dlouhou dobu kontaktu. Ta je zapříčiněna tím, že rychlost rozkladu není konstantní, ale po počátečním vzestupu znatelně klesá, a také tím, že v půdě musí zůstat určitý podíl organické hmoty pro tvorbu humusu. Tato organická hmota je tvořena především z ligninu a celulózy. Literatura udává hodnoty stupně rozkladu mezi 30% a 70%. Nejlépe je dosažení stupně rozkladu mezi 40% a 60%. [1] Doba kontaktu Doba kontaktu ve fermentoru má spolu s teplotou velký vliv na stupeň rozkladu, výnos plynu a plynový výkon. Krátké doby kontaktu zvyšují plynový výkon, neboť se nejprve rozkládají snadno rozložitelné živiny. To je však spojeno nízkým výnosem plynu a nízkým stupněm rozkladu. Naopak dlouhé doby kontaktu jsou spojeny s klesáním plynového výkonu a zvyšováním výnosu plynu a stupně rozkladu. Průměrná doba kontaktu se liší při použití kejdy jakožto substrátu dle teploty procesu. Při teplotě procesu od 20 C do 25 C je doba kontaktu přibližně dní, při teplotě od 30 C do 35 C přibližně dní a při vysoké teplotě, tj. asi 45 C až 55 C je doba kontaktu asi 15 až 20 dní. Literatura udává průměrnou dobu kontaktu 51 dní. Doba kontaktu závisí na druhu substrátu. Jednotlivé substráty potřebují různě dlouhou dobu kontaktu. [1] Čistý výnos plynu Množství plynu, které zůstane z hrubého výnosu po odečtení energie potřebné pro podporu pocesu se nazývá čistý výnos plynu. Literatura uvádí, že u dobrých, moderních a stoprocentně fungujících stanic činí čistý výnos 65% až 70% hrubého výnosu.[1] 16

16 3.6. Kvalita bioplynu Kvalita bioplynu je určena poměrem metanu a neužitečného oxidu uhličitého. Kvalitnější bioplyn obsahuje mnohem větší množství metanu než oxidu uhličitého. Dosažitelný průměrný poměr metanu ve skládkovém plynu činí okolo 50% až 75%. Obsah metanu závisí na následujících kritériích.[10] Průběh procesu Průběh procesu záleží na použitých bioplynových stanicích. Rozdíly mezi jednostupňovou a dvoustupňovou stanicí jsou značné. U jednostupňových stanic probíhá anaerobní rozklad v jednom jediném stupni a plyn je proto smíšený plyn. Zatímco u dvoustupňových stanic probíhá výroba ve dvou stupních. V prvním stupni vzniká plyn s vysokým obsahem oxidu uhličitého a jiných energie uvolňujících plynů. Proto se plyn z první fáze procesu odvádí samostatně. V druhém stupni dvoustupňové stanice vzniká plyn obsahující více metanu. Poměr metanu v plynu vzniklém ve druhém stupni může činit až 80%. [1] Skladba živin v substrátu Kvalita a hlavně množství metanu v plynu je závislé na obsahu živin v substrátu. Substrát obsahující hodně bílkovin je mnohem horší než substrát obsahující více tuků. Ze substrátu s více bílkovinami se vyrobí plyn s mnohem menším množstvím metanu než ze substrátu obsahujícím tuky. [1] Teplota substrátu Pro větší množství metanu v bioplynu je vhodnější spíše chladnější fermentace. Fermentace za vyšších teplot v praxi ukazuje, že poměr metanu a CO 2 je nižší než za fermentace chladnější.[1] Složení bioplynu a hlavně poměr metanu v bioplynu je stěžejním faktorem pro hospodárnost bioplynové stanice. V bioplynu má značný podíl kromě obsahu CO 2 a metanu také sirovodík H 2 S. Tato látka je pro jisté části linky, jako například motor, plynoměry, motory, velmi nebezpečná, poněvadž způsobuje korozi. Z tohoto důvodu je nutné bioplyn odsiřovat. Sirovodík je silně zapáchající plyn, jehož přítomnost v plynu je díky této vlastnosti snadno rozpoznatelná. Obsah sirovodíku v plynu je závislý na přítomnosti bílkovin a je zastoupen většinou v poměru 17

17 0,5% až 1%. Přítomnost sirovodíku se musí pravidelně kontrolovat a měřit. K měření obsahu sirovodíku v plynu se používá Drägerova trubička. Ve skládkovém plynu jsou obsaženy i další plyny. Typickými zástupci jsou molekulární kyslík, dusík a vodík a stopové množství amoniaku. Procentuální koncentrace těchto prvků činí asi 6% až 8%. Čerstvý plyn obsahuje také vodní páru a další látky, proto se musí bioplyn vysušovat. [1] 3.7. Vlivy na produkci plynu Na kvalitu a výnos plynu má největší vliv prostředí, potřebné pro množení a růst mikroorganismů. Jak již říkal L. Paster: Mikrob neznamená nic, prostředí znamená všechno. Proto je produkce plynu závislá na tom, co dodáváme do fermentoru. Technické faktory Látky, které složením ani strukturou neodpovídají kejdě a obsahují velké množství škodlivých či nežádoucích látek, musí být před fermentací speciálně upraveny. V praxi se úprava provádí jen u biologických odpadků a balených produktů. Předúprava kalu se provádí za použití michadla nebo ponorného řezacího čerpadla. Substráty se do fermentoru většinou dostávají smícháním s kejdou v přípravné nádrži. Jedná se především o nekapalné látky jako siláž, zeleninové odpady, výtlačky a tuhý hnůj. Tukové kaly a kapalné látky lze přímo dávkovat čerpadlem do fermentoru. Aby bylo zaručeno dobré promíchání, měl by materiál do fermentoru vstupovat co nejblíže michadlům. Na použité substrátové směsi závisí určení volby dalších přísad. Musí být použity takové směsi a přiměsi, aby zajistili možnost manipulace čerpadla a hydraulické zvládnutí fermentoru. V prvé řadě jde o obsah sušiny ve směsi. Odpady vykazují velké rozdíly v podílu vody a organické sušiny. Za použití kejdy jako základního substrátu jsou odpady kofermentovány v tzv. mokrém procesu (tzn. obsah sušiny menší než 12%). Odpady relatib vně suché jsou však limitovány omezenou možností využití. Tento problém lze vyřešit oddělením pevné a kapalné složky po fermentaci. Řídká složka se pak přidá zpět do čerstvého substrátu bohatého na sušinu. Tím se zvýší podíl vody. Na to je potřeba pamatovat př dimenzování fermentoru. Výtěžek plynu ovlivňuje nejen technika, ale také faktory prostředí limitující podíl kofermentátů. [1] 18

18 Faktory substrátu Organické odpady jsou vhodné ke kofermentaci se zvířecími exkrementy. Zvláště u monosubstrátů (látek velmi jednostranně složených) slouží kejda jako základní substrát pro stabilní fermentaci. Základním předpokladem je zajištění dostatečně velké množství živin a stopových prvků. Kosubstráty způsobují změnu složení kejdy co do obsahu sušiny, živin i škodlivin. Při fermentaci nehrají škodliviny prakticky žádnou roli, ale při použití kejdy jako hnojiva už ano. Denní objem plynu vyrobeného ze smíšeného substrátu se bude v závislosti na jedntlivých faktorech lišit. Produkce plynu je také velmi ovlivněna biologoickými poruchami. Ty lze snížit na minimum odpovídajícími stavebními zařízeními a kvalitním způsobem provozu bioplynové stanice.[1] Produkce skládkového plynu je kromě složení odpadu a technických faktorů závislá také na: vlhkosti a homogenitě odpadu, hloubce a stářím skládky, typu systému pro sběr skládkového plynu, přítomností látek inhibujících mikrobiální život, infiltrací kyslíku do tělesa skládky a způsobem zakrytí skládky, srážkách, teplotě, ph ve skládce a atmosférickém tlaku. [2] Vliv teploty Teplota ovlivňuje anaerobní procesy tak, jako i ostatní biochemické procesy. S rostoucí teplotou vzrůstá i rychlost probíhajících procesů. Dlouhodobá změna teploty má však za následek změnu zastoupení jednotlivých druhů mikroorganismů. Tvorba metanu probíhá v širokém pásmu teplot od 5 do 95 C. Většina anaerobních reaktorů však pracuje při teplotě 30 až 40 C v části mezofilní a při teplotě 45 až 60 C v oblasti termofilní. Obecně lze říci, že pro udržení stability procesu je třeba zachovat konstantní teplotu. [6] 3.8. Výpočet množství vyrobeného bioplynu odpadů: Existují tři základní způsoby výpočtu množství vyrobeného bioplynu z organických a) Výpočet podle tabulkových údajů. Tyto údaje bývají získávány z experimentálních pokusů, nebo analýzou literárních údajů. 19

19 b) Výpočet podle předpokládaného úbytku organické sušiny zpracovávaného materiálu (Předpokladem použití této metody je znalost měrné produkce bioplynu z jednotkového množství sušiny zpracovávaného materiálu, lze opět využít tabulky, nebo výsledky laboratorního pokusu) c) Výpočet podle chemického složení materiálu Protože se v reaktorech stále více zpracovávají směsné materiály (například exkrementy + fytomasa nebo vytříděný organický podíl komunálních odpadů, ), používá se v takovém případě výpočet produkovaného bioplynu každé jednotlivé složky (uhlohydráty, tuky, bílkoviny) zvlášť. [3] Stanovení maximální teoretické výtěžnosti metanu Výtěžnost metanu závisí na druhu substrátu, hlavně na jeho oxidačním stupni. Oxidační stupeň je množství dostupných elektronů, které má molekula substrátu k dispozici. Měřítkem oxidačního stupně látky je např. průměrné oxidační číslo uhlíkového atomu POXČ. Čím je POXČ vyšší, tím je vyšší výtěžnost metanu. Mezní hodnoty dosahují sloučeniny CO 2 a CH 4. Z hmotnostně energetické bilance procesu vyplývá, že POXČ je úměrné teoretické chemické spotřebě kyslíku látky na množství organického uhlíku: POXČ = 4 1,5*CHSK/C org. Takže maxilmální teoretická výtěžnost metanu je CHSK SUBSTRÁTU = CHSK METANU Skutečná výtěžnost je ale nižší, protože CHSK zahrnuje i část biologicky nerozložitelnou, a protože část CHSK se spotřebuje na růst nové biomasy. Odstraněná CHSK se vypočte jako součet CHSK metanu a CHSK biomasy, kde CHSK odstraněná je skutečně odstraněná část substrátu v průběhu metanizace. Z tohoto vstahu můžeme stanovit produkci biomasy. Maximální teoretickou výtěžnost metanu vyjádřenou jako hmotnostní množství metanu na hmotnostní jednotku přivedeného substrátu Y CH4/s spočítáme jako Y C/ s=0,25 CHSK [g.g -1 ] [6] Výpočet teoretické koncentrace metanu v bioplynu Koncentraci metanu v bioplynu můžeme vypočítat za znalosti POXČ a CHSK. %CH 4 = 18,75 CHSK/C org nebo %CH 4 POXČ 4 = * [6] 20

20 4. BIOPLYNOVÉ TECHNOLOGIE A ZAŘÍZENÍ 4.1. Bioplynová technologie Postupy řešení bioplynových stanic lze rozlišovat z různých hledisek. Podle způsobu plnění: dávkový a průtokový postup, dále podle toho, zda je proces jednostupňový či vícestupňový, a konečně podle konzistence substrátu: pevný nebo kapalný. Dávkový způsob U dávkového způsobu se fermentor naplní najednou. Dávka pak vyhnívá do konce doby kontaktu, bez toho, aby se další substrát přidával nebo odnímal. Produkce plynu po naplnění roste, až dosáhne maxima a poté klesá. Po skončení doby kontaktu se vyhnívací nádrž najednou vyprázdní. Přitom se asi 5 až 10% vyhnívacího kalu nechá v nádrži, aby se nová dávka naočkovala již zapracovanými bakteriemi. Aby bylo možné fermentor naplňovat i vyprazdňovat jedním ráze, musí být vedle vyhnívací nádrže i nádrž přípravnou a skladovací, a to o stejné velikosti. To dávkový způsob přirozeně prodražuje. Nevýhodou také je, že než se obsah přípravné nádrže přemístí do vyhnívací nádrže, uplyne dlouhá doba, během níž už v přípravné nádrži dochází k procesu rozkladu, což s sebou nese ztráty na dusíku a metanu. Z těchto důvodů se například v Německu po mnoho let dávkový způsob vůbec nepoužívá. Tato metoda je vzužívána hlavně při laboratorních pokusech. Je totiž optimální z hlediska hygienického, neboť nedochází k mísení s čerstvým substrátem. [1] Metoda střídání nádrží Tato technologie pracuje se dvěma vyhnívycími nádržemi: přípravné nádrže, která pojme substrát získaný za 1 až 2 dny. Prázdná vyhnívací nádrž se pomalu, ale rovnoměrně plní, zatímco v druhé probíhá vyhnívací proces. Když je první nádrž plná, tak se obsah druhé nádrže přesune do skladovací nádrže a následně se tato vyprázdněná nádrž začne plnit z přípravné nádrže. Mezitím se vyhnilý kal ze skladovací nádrže průběžně vyprazdňuje. Její kapacita by měla být větší než kapacita jedné vyhnívací nádrže. Tento postup se vyznačuje velmi rovnoměrnou výrobou plynu a dobrým hygienizačním účinkem, neboť během celé doby vyhnívání není doplňován čerstvý substrát. Nevýhodou jsou opět vysoké pořizovací náklady a oproti systému s jedním fermentorem vyšší tepelné ztráty. Dalším problémem je, že nádrž se musí při vyprazdňování provzdušňovat. [1] 21

21 Průtokový systém Tento způsob je využíván většinou bioplynových stanic na světě, a to buď v čisté formě, nebo v kombinaci se zásobníkovým způsobem. Tento způsob se liší tím, že vyhnívací nádrž je stále plná a vyprazdňuje se pouze příležitostně kvůli odstranění usazenin. Z malé přípravné nádrže je čerstvý substrát většinou jednou až dvakrát denně dodáván do vyhnívycí nádrže, přičemž zároveň odchází odpovídající množství vyhnilého substrátu přepadem do skladovací nádrže. Výhodou je rovnoměrná výroba plynu, dobré vytížení vyhnívacího prostoru, a tím také cenově příznivá konstrukce s nízkými tepelnými ztrátami. Kromě to lze proces automatizovat například prostřednictvím časového spínače na plnicím čerpadle. Nevýhodou je to, že může dojít ke smíchání čerstvého substrátu s vyhnilým materiálem, čímž se znehodnotí hygienizační efekt. [1] Metoda se zásobníkem U zásobníkové metody jsou fermentor i skladovací nádrž spojeny do jedné nádrže. Při vyvážení se malý zásobník vyprázdní až na malý zbytek, který je nutný k naočkování další náplně. Poté se kombinovaná nádrž plní z přípravné nádrže nebo stálým přítokem kejdy přes přirozený přepad. Výhodou jsou především nízké náklady. Kromě toho je provoz jednoduchý a přehledný. Nevýhodou jsou vysoké tepelné ztráty, a proto jsou tato zařízení provozována většinou v oblastech s nižšími teplotami. [1] Kombinovaná průtoková metoda se zásobníkem Kombinovaná průtokovo-zásobníková zařízení reprezentují současný nejvyšší vývojový stupeň bioplynové technologie. K průtokovému fermentoru jsou připojeny dříve otevřené skladovací nádrže na vyhnilou kejdu opatřené fóliovým poklopem nebo pevným krytem, a to s cílem zabránit ztrátě dusíku a získat dodatečný bioplyn. Praxe ukázala, že při době skladování asi 7 měsíců, pochází 20 až 30% celkového výnosu plynu ze skladovací nádrže. Tato nádrž není zpravidla ani izolovaná, ani ohřívaná nebo promíchávaná, takže náklady na dodatečný zisk plynu jsou relativně malé.[1] 22

22 Jednostupňový nebo vícestupňový proces Vyhnívání substrátu a výroba bioplynu lze provádět jednostupňově nebo vícestupňově. Při jednostupňovém procesu probíhají čtyři fáze vyhnívacího procesu. V první fázi přeměňují anaerobní bakterie makromolekulární organické látky na nízkomolekulární sloučeniny. Ve druhé provedou acidofilní bakterie další rozklad na organické kyseliny, oxid uhličitý, sirovodík a čpavek. Ve třetí vytvoří octotvorné bakterie acetáty, oxid uhličitý a vodík. A konečně ve čtvrté fázi metanové bakterie vytvoří v alkalickém prostředí metan, oxid uhličitý a vodu. U vícestupňového postupu se dají pokusy různé fáze vyhnívacího procesu oddělit buď použitím většího počtu vyhnívacích nádrží, nebo oddělením ve vyhnívacím prostoru. Vícestupňové stanice jsou velmi nákladné, a proto připadají v úvahu v praxi jen dvoustupňové. Na některých zařízeních se čerstvá kejda se předehřívá ve vnitřní první komoře přes plochy výměníku tepla od vyhnilé kejdy a probíhá zde první, kyselá fáze. Druhá, alkalická fáze nastává pak v zahřívaném hlavním vyhnívacím prostoru.[1] Proces s tuhými substráty Proces s tuhými substráty, například s hnojem, způsobuje v praxi značné problémy především při dopravě do fermentoru a průchodu fermentorem. V současné době se provádějí pokusy s použitím tuhého substrátu v Triesdorfu v Německu.[1] 4.2. Bioplynová stanice Při zřízení bioplynové stanice a její zprovoznění musíme dbát velké ohledy na přípravu po stránce technické, ekonomické a organizační. Pro mou práci je nutné se zaměřit především na stránku technickou a ekonomickou. Neboť musíme znát alespoň přibližnou velikost jednotlivých zařízení pro správné výpočty při získávání základních vstupních parametrů. Ekonomická stránka věci je také velmi důležitá, protože tvorba bioplynu za vysokých nákladů a nízkých výnosů je zbytečná a silně prodělečná. Využití bioplynu v bioplynových stanicích a další produkty výroby bioplynu Bioplyn se využívá i v bioplynových stanicích jako technologické palivo v provozech, souvisejících s jeho výrobou (např. pro vyhřívání vyhnívacích nádrží), pro výrobu tepla v plynových kotlích a také jako motorové palivo pro stacionární motory kogeneračních jednotek, vyrábějících teplo a elektrickou energii. V některých případech je nutné předčištění 23

23 (odsíření) bioplynu před jeho spalováním, aby byly sníženy emise oxidů síry do ovzduší. Oproti spalování biomasy jsou výroba a využití bioplynu obtížněji realizovatelné, zejména pro vysoké investiční náklady a tím i vysokou cenu vyrobené energie. Pro racionální využití bioplynu je potřeba pečlivě vybrat pro výstavbu bioplynové stanice vhodnou lokalitu s vysokou a celoročně stálou poptávkou po teple a pokud možno i po elektrické energii z kogenerační jednotky. Mimo bioplynu je produktem takovéto bioplynové stanice odvodněný vyhnilý kal. Tuhý anaerobní zbytek je kompostu podobný materiál, který však může ještě obsahovat kousky plastů a jiných příměsí. Tento materiál může být použit na zakrytí skládek, nebo po smíchání s dřevní štěpkou spalován ve velkých kotlích na biomasu. Další možností je separace zbylých příměsí a výroba kompostu pro komunální potřeby (péče o veřejnou zeleň). V případě, že konečný produkt splňuje hygienické normy pro aplikaci v zemědělství, je možné jej využít jako organické hnojivo i tam. Sušina organické frakce tuhého domovního odpadu přechází při anaerobní stabilizaci obvykle z 50 % (ale jsou technologie s podílem až 80%) na bioplyn, 32 % kapalné hnojivo, 8 % kompost a 10 % zůstává jako nerozložitelný zbytek. Domovní odpad musí být před dávkováním do reaktoru upraven. Úprava spočívá v dezintegraci odpadu, odstranění příměsí, jako jsou sklo, kovy, kameny, plasty apod. a zahřátí upraveného odpadu na teplotu 70 C po dobu jedné hodiny, nebo na 60 C po dobu 2,5 hodiny, s cílem zneškodnění patogenních mikroorganismů a semen plevelů. Anaerobní fermentace je soubor dílčích na sebe navazujících biologických procesů mnoha druhů anaerobních mikroorganismů. Rozklad organických látek až na bioplyn vyžaduje jejich koordinovanou metabolickou součinnost, kde produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé, (hydrolýza, acidogeneze, acetogeneze, metanogeneze). To znamená, že při řízené fermentaci musí být zabezpečeny vhodné fyziologické podmínky pro činnost anaerobních mikroorganismů. [7] Získávání a výpočet jednotlivých parametrů Získávání substrátu a výpočet objemu fermentoru Při dimenzování bioplynové stanice je nejdůležitější vědět, jaké množství hnoje, respektive kejdy a rovněž konfermentátů má být zpracováno. Odhad předpokládaného množství kejdy lze provést dle hodnot uvedených v tabulce 1. Kvůli závislosti výtěžku plynu na druhu zvířat a formě chovu je nutno počítat s množstvím kejdy od jednotlivých druhů 24

24 odděleně. Je třeba také zjistit, zda a v jakém množství mají být zpracovávány přísady, jako například tuhý hnůj, tráva nebo jiné organické materiály. 1. Denní produkce kejdy =počet zvířat. denní produkce odpadů podle druhu zvířat 2. Objem fermentoru = denní produkce kejdy. střední doby kontaktu Příklad dobytčích jednotek chov mléčného skotu Denní množství kejdy = 50 l / (den. dobytčí jednotka). 100 dobytčích jednotek = 5000 l/den= = 5m 3 /den Objem fermentoru při teplotě vyhnívacího prostoru 35 C Průtokové zařízení: Objem = 5m až 30 dní = 100 až 150m 3 Průtokové zařízení se zásobníkem: Objem = 5m až 80 dní =250 až 400m 3 25

25 Tabulka 1: Klíč k výpočtu dobytčích jednotek (DJ) (podle Zemědělského zápisníku KTBL, vydání 19., 1998/1999, směrnice VDI 3472) druh zvířete počet DJ na 1 zvíře hovězí dobytek telata a mladý dobytek do jednoho roku 0,3 mladý dobytek, stáří 1 až 2 roky 0,7 Jalovice ( starší 12 let), krmný skot,krávy 1 chovní býci, tažní voli 1,2 prasata selata cca 12 kg 0,01 selata od cca 12 do cca 20 kg 0,02 selata a mladá prasata ve volném výběhu od 45 kg do cca 60 kg, krmná prasata 0,06 mladá prasata ve volném výběhu od 45 kg do cca 60 kg, krmná prasata 0,16 chovná prasata 0,16 ovce ovce do stáří 1 roku 0,05 ovce starší než 1 rok 0,1 koně koně do stáří 3 roků a poníci 0,7 koně starší než 3 roky 1,1 počet zvířat na 1 drůbež DJ krmná kuřata a mladé slepice (1.věková skupina, max. hmotnost 1200 g) 420 krmná kuřata a mladé slepice (2 a více věkových skupin, max. hmotnost 800 g) 625 nosnice (na 1 místě stejná po celý rok, max. hmotnost 1600 g) 310 nosnice (na 1 místě se vystřídají 2 a více, max. hmotnost 1500 g) 330 pozn. 1 DJ odpovídá 500 kg živé váhy [1] Zjištění obsahu sušiny a organické sušiny Obsah sušiny a organické sušiny ve fermentovaném materiálu je nutný pro stanovení odhadu očekávaného množství bioplynu. V následujícím rozboru jsou pro ulehčení údaje v litrech totožné s údaji v kilogramech 3. Množství organické sušiny = obsah organické sušiny. množství kejdy 26

26 Příklad 2. Obsah sušiny v kejdě 10,65% Při 78% organické sušiny v sušině obsahuje kejda 8,3 % organické sušiny. Tzn. 1m 3 kejdy obsahuje 83 kg sušiny. U výše uvedeného chovu mléčného skotu s počtem 100 dobytčích jednotek (čemuž odpovídá 5m 3 /den kejdy) se denní množstvi sušiny vypočítá: Množství organické sušiny = 83 kg/m 3. 5m 3 /den = 415 kg/den organické sušiny [1] Výpočet denní produkce plynu Očekávané množství bioplynu lze vypočítat ze zjištěného množství kejdy a příslušné velikosti obsahu organické sušiny, je-li znám ještě denní výnos plynu na 1 kg organické sušiny nebo lze-li použít odpovídající hodnotu z tabulky 2. Znásobíme-li číslo udávající množství organické sušiny číslem udávaícím očekávaný objem vyrobeného plynu na 1 kg organické sušiny, dostaneme číslo udávající denní produkci bioplynu. 4. Denní množství plynu = denní množství organické sušiny. specifický výnos plynu Pozn.: Rovnice platí pouze tehdy, když je výroba plynu plynulá a rovnoměrná Příklad 3. Denní množství bioplynu = 415 kg org. sušiny/den. 0,32 m 3 plynu/kg. org. sušiny = = 132,8 m 3 /den Z toho lze odvodit specifickou výrobu bioplynu o průměru 1,328 m 3 na dobytčí jednotku a den. 27

27 Tabulka 2 Šíře kolísání složení různých druhů kejdy a hnoje a výnosu bioplynu při době kontaktu 30 až 35 dní v mezofilní teplotní oblasti (podle údajů z literatury a výsledků vlastních měření) hovězí druh zvířat dobytek prasata slepice substrát kejda tuhý hnůj kejda trus % sušiny 7 až až 40 2,5 až až 34 % org.sušiny v sušině 44 až až až 80 kg.org. sušiny/dj/den 3 až 5,4 2,5 až 4 5,5 až 10 hodnota ph 6,2 až 8 6,5 až 7,6 7 až 8 % surového vlákna v sušině 12 až % surového tuku v sušině 2 až % surových proteinů v sušině 10 až % uhlovodíků v sušině celkem dusíku g/l 3,3-9,9 3,9 až 8 17 výnos plynu l/kg org. sušiny až až 722 plynový výkon m3/dj/den 0,56-1,5 1,5 až 2,9 0,6 až 1,25 3,5 až 4 plynový výkon v průměru 1, ,88 3,75 [1] Objem jímky na kejdu Celková kapacita nádrže by měla postačit na 180 až 200 dní. Vzhledem k tomu by pro provoz se 100 dobytčích jednotek produkujících denně okolo 5m 3 kejdy měl být k dispozici skladovací prostor o objemu 900 až 1000 m 3. U průtokových zařízení se zásobníkem může být objem fermentoru s malými srážkami (na zbytkové množství kejdy pro očkování nové dávky) započítán do objemu skladovacího prostoru. Dostatečný skladovací prostor má rozhodující význam při anaerobním zpracování kejdy, neboť podíl rychle působícího dusíku při bioplynové technologii vzrůstá, takže s je nutno zacházet s kejdou zcela cíleně, aby se zabránilo vyplavování dusičnanů. [1] 28

28 Stanovení výkonu blokové teplárny Výběr vhodné blokové teplárny silně závisí na výrobě plynu a musí se výkonu výroby plynu přizpůsobit. Jednak proto, aby bylo možné zužitkovat objem výroby pokud možno v plném rozsahu, a také proto, aby nemuseli motory pracovat na částečný výkon. V praxi se využívají dva rozdílné způsoby. V prvním případě je agregát sladěn s výrobou plynu tak, že pracuje téměř 24 hodin denně. Při tomto způsobu postačí jen relativně malý objem plynojemu. U velkých stanic se spíše využívá druhý způsob. Jsou instalovány dvě blokové teplárny, přičemž první pracuje ve 24hodinovém provozu a druhá ve špičkách odběru proudu (dojení, příprava šrotu, provoz dmýchadla, atd.)u tohoto způsobu je však nutný mnohem větší mezisklad plynu. Příklad 4. Výpočet elektrického výkonu blokové teplárny: Zadání: Výkon má postačit k tomu, aby ve 24hodinovém provozu byla zužitkována výroba plynu ve stanici dimenzované na 100 dobytčích jednotek. Denní výroba plynu = 132,8 m 3 bioplynu/den Činitel využití bioplynu k výrobě proudu: 2,0 kwh el /m 3 bioplynu Denní výroba proudu = 132,8 m 3 /den. 2,0 kwh el /m 3 = 265,6 kwh el /den Elektrický výkon blokové teplárny = 265,6kWh el /den : 24 hod/den = 11,1kW Pozn.: V praxi se v tomto případě aby byla zaručena ostatečná rezerva užívá blokových tepláren o výkonu 12 až 17 kw. Pro přibližnou kalkulaci lze použít empirické pravidlo: Na 12 až 15 m 3 bioplynu/den je třeba počítat 1 kw výkonu blokové teplárny Na 1 kw instalovaného výkonu je u blokových tepláren o výkonu 13 až 50 kw (plynové zážehové motory, respektive motory se zapalováním vstřikem) třeba počítat s pořizovacími náklady ve výši 500 až 700 eur. [1] 29

29 5. VÝPOČTY PRODUKCE BIOPLYNU 5.1. Výnosy z výroby bioplynu Jako příklady pro výpočty výnosů z výroby bioplynu budu i nadále používat stanici zpracovávající kejdu od 100 kusů mléčného skotu. U této stanice byl denní výtěžek plynu okolo 132,8m 3. Výpočet výroby proudu V zemědělských bioplynových stanicích se získaný bioplyn využívá téměř výhradně jen pro výrobu proudu. Vyrábí se spalováním v Ottových motorech nebo motorech se spalovacím vstřikem spojených přírubou s generátorem. Účinnost těchto motorů se značně liší. Následující tabulka 3 uvádí jaké denní, respektive roční množství energie ve formě proudu a odpadního tepla lze očekávat ve výše uvedené stanici pro 100 kusů dobytka. Pokud chceme použít motor se spalovacím vstřikem, musíme ještě připočítat dodatečné náklady na zapalovací olej. Při činnosti proudu ve výši 30% je z 1 litru topného oleje možno vyrobit 3,0 kwh proudu, který při dodání do sítě přinesou zisk 0,30 euro. Příklad: Předpokládáme 60% podíl methanu v bioplynu, obsah energie v bioplynu tak činí okolo 6,0 kwh/m 3. Dále je třeba zohlednit rozdílnou elektrickou a tepelnou účinnost v blokové teplárně. V následujícím výpočtu vyjdeme z toho, že nahraditelný odběr proudu pro vlastní spotřebu činí kwh/rok. Cena proudu je 0,10 euro/kwh. Provoz bioplynové stanice spotřebuje 40 kwh na dobytčí jednotku a rok, čili 4000 kwh/rok. Při srovnání plynových zážehových (Ottových) motorů a dieselmotorů se zapalovacím vstřikem je třeba zohlednit, že posledně jmenované motory vyžadují vyšší pořizovací náklady, ale zato mají většinou delší provozní životnost. 30

30 Tabulka 3 Užitek z náhrady odběru proudu a z dodávek proudu do sítě, generátor s plynovým zážehovým (Ottovým) motorem a dieselmotorem se zapalovacím vstřikem (100 kusů mléčného skotu) ottův motor dieselmotor roční výroba plynu m m3 obsah energie př 6,5 kwh/m kwh kwh součinitel účinnosti elektrický 25% 35% součinitel účinnosti tepelný 55% 50% roční výroba proudu kwh kwh výroba proudu bez zapalovacího oleje kwh roční výroba tepla kwh kwh náhrada vlastního odběru proudu kwh/rok kwh/rok spotřeba proudu bioplynovou stanicí 4000 kwh/rok 4000 kwh/rok proud dodávaný do sítě kwh/rok kwh/rok výnos výroby proudu z bioplynu náhrada vlastního odběru proudu euro/rok euro/rok potřeba zapalovacího oleje 870 euro/rok prodej proudu 3 870,8 euro/rok 7 797,03 euro/rok celkový výnos 6 870,8 euro/rok 9 927,03 euro/rok [1] Výnos z odpadního tepla Při vužití odpadního tepla v blokové teplárně jde dosáhnout průměně 55% tepelné účinnosti u Ottových motorů, respektive 50% u dieselmotorů se zapalovacím vstřikem. Pokud to vztáhnem k přísunu 1 m 3 bioplynu, jako paliva to znamená, že z blokové teplárny lze odebrat 3,30 kwh/m 3, respektive 3,00 kwh/m 3 užitečného tepla. Část tepla, která se nespotřebuje pro samotný prces, lze využít pro jiné účely. Jeho hodnota závisí na tom, zda se najde platící odběratel. Vytápění obytných domů a stájí může vést ke značným úsporám za náklady na vytápění. 31

31 Příklad: Pro vytápění bytu (150 m 2 obytné plochy) a pro ohřev pitné vody pro byt a provozní budovy je zapotřebí cca kwh/rok užitečného tepla. Při účinnosti výroby a rozvodu tepla ve výši 80% činí roční spotřeba energie z paliva cca kwh, čemuž odpovídá 5000 l topného oleje. Stanice pro 100 kusů dobytka přináší, při 55% tepelné účinnosti výtěžek tepla ve výši 438 kwh/den, po odečtení 293kWh/den pro proces tak zůstácá 145 kwh/den užitečného tepla (což odpovídá kwh za 200 dní) pro domovní vytápění. Toto množství však pro vytápění obytných prostor nestačí, zbývající spotřeba se zpravidla pokryje nasazením dodatečných substrátů se zvýšenou schopností výroby plynu, což následně znamená také vyšší produkci odpadního tepla. Při ceně 0,25 euro/l tak využití odpadního tepla přináší úsporu v hodnotě 1250 euro/rok. Tato hodnota odpovídá výnosu z využitého tepla ve výši 12,5 euro/rok. dobytčí jednotka. Kofermentace Výnos z bioplynové stanice lze kofermentací zlepšit. Zpracováním mnohých substrátů lze jednak zvýšit výrobu bioplynu a jednak lze získat náhrady za likvidaci organických odpadů. Substráty, které se (na rozdíl od tuku, škrobu a cukru) nerozloží úplně, lze využít také jako hnojivo. [1] 5.2. Příklady výpočtů pro zjištění výnosů z výroby bioplynu Při zjišťování hospodárnosti různých bioplynových stanic musíme myslet na to, že každá konkrétní situace se v jednotlivých provozech liší. Například se liší poměr mezi náhradou odběru proudu pro vlastní potřebu a prodejem proudu nebo také míra využití odpadního tepla. Uvedu zde několik příkladů na prokázání mnohostranosti výpočtů hospodárnosti. 32

32 Chov jatečných prasat v počtu 100 kusů, výhradně využití a prodej proudu Výpočet zisku bude výcházet z následujících údajů: Jateční prasata: 715 míst Počáteční hmotnost: 30 kg Konečná hmotnost: 110 kg Průměrná hmotnost: 70 kg Jateční prasata/dobytčí jednotka: 7,15 Dobytčí jednotky celkem: 100 Výtěžek plynu: 0,480 m 3 /kg organické sušiny Produkce kejdy: cca 4,5 m 3 /den Vlastní spotřeba proudu bioplynové stanice: cca 4000 kwh/rok Spotřeba proudu pro provoz a domácnost: cca kwh/rok Činitel přeměny energie bioplynu na elektrickou energii: 2,0 kwh el /m 3 bioplynu Hospodárnost bioplynové stanice ve výkrmnách jatečních prasat závisí především na spotřebě vody a druhu krmiva, tím také na obsahu sušiny v kejdě. Výnos z výroby bioplynu dosahuje v daném případě 40,15 až 84,30 euro za rok na 1 dobytčí jednotku. Za příznivých podmínek (obsah sušiny 8%) je dle tabulky 4 nutná investice skoro euro, aby byla dosažena rovnováha mezi výnosy a náklady. Za výše uvedených podmínek je přijatelná investice dokoonce jen euro. Tato hodnota však nedokáže zajistit ani pokrytí nákladů vlastního příkonu při využití bioplynu k výrobě proudu. Z těchto výpočtů vyplývá, že výroba bioplynu jen pro výrobu proudu není hospodárná výroba bioplynu možná. [1] Chov mléčného skotu v počtu 100 dobytčích jednotek, využití a prodej proudu, vedlejší efekty, částečné využití odpadního tepla Pro uvedení této varianty výpočtu jsme vzali jako jednotný činitel přeměny energie bioplynu na elektrickou energii průměrnou hodnotu 2 kwh el /m 3 bioplynu. Budou-li roční náklady ve výši 15,1% investic (bez započtení pracovních nákladů), budou za výnosu z výroby bioplynu ve výši 115,45 euro na rok a dobytčí jednotku maximální náklady na pořízení bioplynové stanice 115,45 : 0,151 = 765 euro/dobytčí jednotku, jak je uvedeno v tabulce 4. To znamená, že pro hospodárnost uvedené bioplynové stanice pro 100 dobytčích jednotek musí být její provoz levnější než euro. Stanice vybudované 33

33 s investičními náklady 350 až 750 euro na dobytčí jednotku pracují za dané situace hospodárněji Tabulka 4 Náklady na výrobu biolynu při rozdílných investičních nákladech (bez pracovních nákladů na provoz stanice) celkové investiční náklady na bioplynovou stanici ( pro 100 DJ) specifické náklady v euro/dj náklady zařízení pro 100 DJ v euro roční níklady v euro/rok odpisy stavby: 40% na 20 let odpisy techniky: 60% na 10 let úročení 8 % opravy aúdržba stavby: 0.5 ze 40% opravy aúdržba techniky: 4% ze 60% pojištění: 0.5% roční níklady v euro/rok specifické roční náklady v euro/rok. DJ 60,4 90,6 120,8 151 roční náklady v % investic 15,10% [1] Chov mléčného skotu v počtu 100 dobytčích jednotek, kofermentace 2t trávníkové seče/den, využití a prodej proudu, vedlejší efekty, částečné využití odpadního tepla V tomto příkladu budem věnovat pozornost provozu s kofermentací (kejda + tráva). V literatuře se uvádí množství bioplynu na 1 kg organické sušiny mezi 0,3 až 0,8 m 3. Samozřejmě v závislosti na druhu trávy, stupněm jejího rozmělnění a jejím růstovém stádiu. V tomto případě budeme uvažovat při obsahu organické sušiny ve výši 150 kg na 1 tunu čerstvé hmoty a získaném objemu plynu 0,415 m 3 /kg organické sušiny výtěžek asi 62 m 3 /t čerstvé hmoty. U trávníkové seče sice stoupá specifický výnos plynu, ale celkové množství plynu stoupá jen nepatrně díky malému podílu organické sušiny. 34

34 I když je v tomto případě počítáno 5 tun kejdy a 2 tuny trávy, je více jak polovina výtěžku plynu z trávy. Vedle výtěžku z výroby plynu lze z náhrad za likvidaci odpadů (7,50 euro/t) získat další příjem ve výši 5475 euro. Ve finančním zhodnocení nebyla zohledněna zvýšená hnojivá hodnota získaná přidáním trávy. Pro hnojení je však změna složení živin významným faktorem především na plošně omezeném rozvozu, neboť hrozí nebezpečí přehnojení. Výsledek finančního hodnocení kofermentace kejdy s trávou ukazuje, že už při přídavku 30% trávy se rentabilita procesu značně zvašuje. To dokazuje tabulka 5. Kofermentace travní fytomasy je výhodná z důvodu, že při údržbě obecní zeleně, sportovních zařízení a velkých zahrad je nutno likvidovat velké množství této hmoty. Tabulka 5 Výnos z výroby bioplynu v chovu mléčného skotu se 100 dobytčích jednotek, provoz s kofermentací 2 tun trávy/den, využití a prodej proudu, vedlejší efekty, částečné využití odpadního tepla celkový výnos z proudu euro/rok 9 294, ,40 celkový výnos z odpadního tepla euro/rok výnos z vedlesjších efektů euro/rok náhrada za likvidaci odpadů euro/rok zvýšení výroby bioplynu kofermentací euro/rok ,8 celkový výno euro/rok 22916, ,2 [1] Chov mléčného skotu v počtu 100 dobytčích jednotek, kofermentace tuku z lapačů tuku (1m 3 /den), využití a prodej proudu, vedlejší efekty, částečné využití odpadního tepla Při fermentaci kejdy lze z 1 m 3 substrátu očekávat 20 až 30 m 3 bioplynu. Následující výpočet nám ukáže, že přidáním 15 až 20 % tuku je možno podstatně zvýšit výrobu plynu. Objem bioplynu vyrobeného z 1 kg organické sušiny: 1,6 m 3 Organická sušina z 1 m 3 tuku z lapačů: 15,6 % = 156 kg Denní objem výroby bioplynu na 1 m 3 tuku z lapačů: 250 m 3 /den Z výpočtu vychází další zvýšení výroby bioplynu o m 3 za rok. Pokud použijem činitele přeměny energie bioplynu na elektrickou energii ve výši 35