1/63 Využití biomasy ve zdrojích pro CZT

Transkript

1 1/63 Využití biomasy ve zdrojích pro CZT spalování biomasy bioplynové stanice

2 Spalování biomasy 2/63 Teplárna Třebíč - sever

3 CZT s využitím biomasy 3/63 biomasa jako palivo obnovitelná trvale udržitelné palivo sklízení ročních přírůstků CO 2 neutrální regionální model: pěstování, zpracování, produkce, využití v místě vícepalivové hospodářství: štěpka, piliny, sláma, traviny, energetická biomasa snížení rizikovosti dodávek paliv a výkyvů ceny

4 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 4/63 dostupnost paliva v přijatelné ceně analýza trhu, smlouvy o dodávce paliva, dlouhodobé kontrakty velmi problematické najít stabilní zdroj biomasy pro větší výkony biomasa: včera odpad dnes strategická surovina dopravní vzdálenost max. do km (velké zdroje až 100 km)

5 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 5/63 kvalitní projektová dokumentace náročná předprojektová a projektová příprava (nejsou k dispozici finance) příprava stavby, omezení víceprací efektivní kontrola provedení na stavbě

6 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 6/63 ekonomicky efektivní podnikatelský záměr konkurenceschopnost v provozu, ekonomika provozu samotná dotace na instalaci kotelny na biomasu nic nevyřeší projekty velmi citlivé na změnu ceny paliva odhad rozvojového potenciálu obce, budoucí výstavba (odpojování od CZT x připojování k CZT) zajištění odběru tepla, soustředěná výstavba kogenerace: snaha o maximální využití tepla

7 Pravidla úspěšných projektů (CZT) 7/63 lidský faktor místní autorita, která kotelnu prosadí spolehlivá obsluha

8 Výtopna na biomasu - schéma 8/63 1 Dovoz dřevního paliva 2 Hydraulický agregát, 3 Denní zásobník paliva 4 Hydraulický dopravník 5,6 Teplovodní kotle 7 Kontejner na popílek 8 Kontejner na popel 9 Rozvaděče 10 Řídící pracoviště 11 Oběhová čerpadla Výtopna 4 MW Kašperské hory

9 Spalovací zařízení na biomasu (CZT) 9/63 spalování na roštu (ve vrstvě) paliva s vysokou vlhkostí > 40 %, výkony do 50 MW, účinnost do 85 % několikanásobný přívod vzduchu (optimalizace), vícestupňové spalování fluidní spalování vznos částic paliva proudem spalin a vzduchu, vysoký přenos tepla a látky, cirkulační vrstva, účinnost % pouze 700 až 900 C, menší produkce NOx, rychlé spalování, vlhká biomasa cyklonové odlučovače

10 Roštové kotle na štěpku, piliny do 10 MW 10/63 oddělená spalovací komora velká spalovací a dohořívací komora velká akumulace šamot terciární vzduch

11 Roštové kotle na vlhkou biomasu 11/63 sekundární vzduch terciární vzduch předsušení paliva přívod a úprava paliva (hydraulický zavážecí lis) dohořívací komora odvod popela horkovodní kotel (trubkový výměník) 1 až 10 MW 95 až 100 C 0,3 až 0,6 MPa

12 Spalovací zařízení na slámu 12/63 kotel rozpojovač, rozdružovač balíků dohořívací komora rošt, popelník šnekový podavač

13 Spalovací zařízení na slámu (balíky) 13/63

14 Fluidní kotle spalování ve fluidní vrstvě 14/63 stacionární fluidní vrstva na roštu cirkulující fluidní vrstva, cyklon pro kotle menších výkonů

15 Zdroje tepla na biomasu 15/63 sklad paliva svoz paliva velkokapacitní vozy skládka (zastřešené haly, bez zastřešení), pohotovostní sklad velikost podle typu paliva, objem minimálně na 7 dní (v zimě) doprava a manipulace s palivem nakladač (podle typu paliv, zrnitosti), mostový jeřáb s drapákem

16 Zdroje tepla na biomasu 16/63 spalování, spalovací zařízení vlastní kotle (teplovodní, parní), rozložení výkonu do několika jednotek záložní kotel přívod spalovacího vzduchu, odvod tepla, spalin, popela šnekový podavač popela, filtry, cyklony (sláma), ohřev vzduchu, ventilátory teplosměnné plochy, napojení na CZT, předávací stanice, akumulátor

17 Provozní charakteristiky zdroje CZT 17/63 denní odběr tepla denní akumulátor měsíční a roční odběr tepla výkonová skladba kotlů, rozdělení instalovaného výkonu do více zařízení střídání provozu kotlů odběr elektrické energie povinný výkup, vyvedení výkonu

18 Provozní charakteristiky zdroje CZT 18/63 využití špičkového kotle (ZP) x akumulace možnost využití akumulace: pro zimní špičky snížení instal. výkonu pro léto snížení cyklování kotle

19 Solar + biomasa v CZT 19/63 Kotelna na biomasu Akumulátor: pro snížení instalovaného výkonu v zimě pro omezení startů v přechodovém období

20 Ekonomické parametry investice 20/63 lokální zdroje pro budovy kotel na kusové dřevo: 1 až 3 tis. Kč/kWt kotel na pelety: od 5 do 20 tis. Kč/kWt (v závislosti na kvalitě, původu, dodávce) kotel na štěpku: od 5 do 15 tis. Kč/kWt soustavy CZT, výtopny zdroj tepla: 5 až 10 tis. Kč/kWt včetně CZT: 15 až 25 tis. Kč/kWt náklady na CZT zhruba % celkových nákladů

21 Ekonomika využití biomasy (CZT) 21/63 cena biomasy konkurence: stavebnictví, zemědělská výroba, vývoz biomasy do zahraničí malý trh = velké výkyvy, nabídka poptávka 2005: výkup elektřiny z biomasy, spoluspalování velkých množství biomasy s uhlím v kondenzačních elektrárnách (účinnost využití biomasy pouze 20 %) 2009: výstavba kondenzačních bioelektráren, vysoké zelené bonusy zvýšení ceny biomasy pro všechny subjekty

22 Zásady využití biomasy (CZT) 22/63 teplárenská výroba elektřiny a tepla nepodporovat kondenzační bioelektrárny na zelené louce podporovat využití energie biomasy v KVET nahrazovat biomasou uhlí ve stávajících teplárnách využít záměrně pěstované biomasy

23 Plzeňská teplárna 23/63 energoblok na biomasu elektrický výkon 11,6 MW tepelný výkon 35 MW 14 t/h biomasy, t/rok náhrada t/rok hnědého uhlí štěpka z rychlerostoucích dřevin, tráva, vojtěška, řepková a obilná sláma, odpad z lesů a pil, mláto z pivovaru dovoz z okruhu 80 km

24 Výtopna Žlutice 24/63 zdroj tepla původně blokové uhelné kotelny 2002: centrální zdroj tepla výtopna na biomasu kotel 2,5 MW na dřevní odpad kotel 1,8 MW na dřevní odpad a balíky slámy kotle 2 x 1,8 MW pouze na slámu palivo piliny, dřevní odpad z těžby dřeva, štěpka z náletů, vlhkost do 50 % sláma (obilná, řepková), energetický šťovík, vlhkost do 18 % ročně 4 až 4,5 tisíc tun paliva (polovina sláma)

25 Výtopna Žlutice zavážení dřevní hmoty 25/63

26 Výtopna Žlutice zásobník paliva 26/63

27 Výtopna Žlutice sláma uskladnění 27/63

28 Výtopna Žlutice zavážení paliva 28/63

29 Výtopna Žlutice rozdružení balíků 29/63

30 Výtopna Žlutice kotlové výměníky 30/63

31 Výtopna Žlutice rozvod tepla 31/63 teplovodní rozvod teplotní úroveň 105 / 65 C tři sídliště: 700 bytů městské objekty: školy a školky, obchodní dům, pošta, lékárna, policie, farní úřad celkem 12 km teplovodů 70 % města bez plynofikace

32 Výtopna Žlutice cena tepla 32/63 Cena tepla ČR 361,50 398,32 460,02 463,54 542,85 579,87 Žlutice 357,00 378,00 388,50 476,70 486,15 533,01 množství dřevní štěpky v ČR: tun spalováno (2009): tun 13 nových projektů (2011) tun 24 nových záměrů ( ) tun zvýšení ceny dřevní štěpky hledání alternativ

33 Biomasa pro výtopny 33/63 orientace na jiná paliva než štěpku obilná sláma zbylá po sklizni zrna cíleně pěstované energetické rostliny zajištění paliva dlouhodobými kontrakty od spolehlivých dodavatelů svozové vzdálenosti překrývání oblastí

34 Biomasa zdroje plánované /63

35 Bioplynové stanice 35/63

36 Přeměna biomasy 36/63 rozklad za přístupu vzduchu - spalování C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + uvolněná energie Q rozklad bez přístupu vzduchu C 6 H 12 O 6 3 CH CO 2 bioplyn

37 Proces tvorby bioplynu 37/63 metanové kvašení / anaerobní digesce biochemický proces tvorby metanu přeměna organických látek přes řadu meziproduktů na metan a CO 2 řada na sebe navazujících fyzikálních, fyzikálně-chemických a biologických procesů směsná kultura metanogenních mikroorganismů rozkládá postupně za podmínek bez přístupu vzduchu (bez kyslíku) vyšší uhlovodíky (organické látky) a produkují energii potřebnou pro jejich metabolismus produkt jedné skupiny bakterií je substrátem pro druhou skupinu metan CH 4 a oxid uhličitý CO 2 jsou vedlejší produkty procesu

38 Etapy 38/63 hydrolýza probíhá v aerobním prostředí (vzdušný kyslík ze vsázky) předpokladem je dostatečná vlhkost > 50 % hmotnostního podílu enzymatický rozklad polymerů (polysacharidy, proteiny, lipidy) na jednodušší organické látky monomery (cukry, aminokyseliny, mastné kyseliny) acidogeneze materiál může obsahovat ještě zbytky vzdušného kyslíku dochází definitivně k vytvoření anaerobního prostředí, odstranění zbytků O 2 zajišťují kmeny anaerobních mikroorganismů

39 Etapy 39/63 acetogeneze mezifáze, acidogenní kmeny bakterií transformují vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou (CH 3 COOH), H 2 a CO 2 metanogeneze metanogenní bakterie rozkládají kyselinu octovou na CH 4 a CO 2 (acetotrofní), nebo produkují CH 4 z H 2 a CO 2 (hydrogenotrofní) energetická bilance 90 % energie se uvolňuje jako chemická energie metanu CH 4 zbytek se uvolňuje v průběhu chemické reakce jako teplo (ztráty) v přírodě: bahnité rybníky (neřízený proces), v průmyslu: bioreaktory s řízeným vstupem surovin (řízené podmínky)

40 Podmínky 40/63 teplota hlavní činitel - určuje úroveň látkové přeměny, a tím i množení mikroorganizmů. ovlivňuje hlavní technologické parametry, tj. množství a složení bioplynu. rozsah teplot je poměrně široký 10 do 60 C má vliv na druhy bakterií

41 Podmínky 41/63 mikroorganismy psychrofilní: 20 až 30 C mezofilní: 30 až 40 C většina provozovaných bioplynek v ČR se pohybuje v rozmezí C bakterie málo citlivé na změny, snadné udržení procesu 37 C je teplota zažívacího traktu přezvýkavců (stejný proces) termofilní: 40 až 55 C nejvyšší aktivita, největší výtěžek bioplynu, nutné vyhřívání, % energie, podle izolace

42 Podmínky 42/63 doba zdržení závislá na teplotě, optimální doba pro zdržení substrátu psychrofilní 40 až 100 dní mezofilní 25 až 40 dní termofilní 12 až 25 dní vlhkost ph min obsah 50 % v substrátu optimálně okolo 7,5 sledovat při spoludigesci kyselých substrátů (zpracování potravin)

43 Podmínky 43/63 dodatkové látky bakterie potřebují dusíkaté látky, minerály a stopové prvky pro svůj metabolismus hnůj, kejda: látky jsou přítomny v dostatečném množství dusík pomáhá udržovat ph přeměnou na čpavek neutralizuje kyseliny příliš mnoho N 2 výrazná produkce čpavku, toxicita optimální poměr C:N 20:1 až 40:1

44 Podmínky 44/63 velikost částic nesmí být příliš veliké - doprava materiálu čerpadly dostatečný povrch, aby se bakterie dostaly všude, urychlení tvorby bioplynu nutné drcení u spoludigestovaných substrátů (tráva) míchání substrátu odvádění plynu, zlepšení metabolismu mikroorganismů odvodem plynu, omezení nárůstu tlaku promíchání mikroorganismů do čerstvého substrátu zajištění rovnoměrné teploty omezení tvorby sedimentů

45 Materiál 45/63 suroviny pro produkci bioplynu jakákoli zkvasitelná organická hmota exkrementy hospodářských zvířat kejda, slamnatý hnůj, močůvka, mokrý organický materiál složení kejdy je závislé na typu farmy, druhu chovaných zvířat, vliv na výtěžnost lidské exkrementy čistírenské kaly (ČOV) odpady jiného původu jatečné odpady, tukový průmysl, potravinářské odpady (pivovary, škrobárny), mlékárenské odpadní vody, kuchyňské odpady, zelená biomasa kukuřice, tráva přídavek pro zvýšení produkce

46 Materiál 46/63

47 Materiál 47/63 sklad kukuřičné siláže

48 Druhy BPS 48/63 malé (Asie) 100 až 1000 t/rok, reaktor 5 až 100 m 3 špatná ekonomika, vysoké náklady, žádný ohřev, žádné míchání střední (farmy) 1000 až t/rok, reaktor 100 až 800 m 3 vlastní odpad, produkce elektřiny do sítě centrální svozový systém ve střediskové obci velké (průmyslové) > t/rok, ekonomické zpracování digestátu na hnojiva

49 Schéma bioplynové stanice 49/63

50 Součásti bioplynové stanice 50/63 fermentory míchadlo kogenerace

51 Bioplyn 51/63 složení 50 až 70 % CH 4, hlavní energetická složka, čím vyšší obsah, tím vyšší výhřevnost 30 až 50% CO 2 (balast, snižuje výhřevnost, nemá energetický obsah) H 2 < 1 % (žádoucí složka) H 2 S (sirovodík) < 1 %, vzniká při rozkladu bílkovin, jedovatý, korozivní pro kovové plochy (nesmí do spalovacích motorů = koroze), nutno odstranit NH 3 (čpavek) < 1 %, korozivní účinky N 2 < 1 %

52 Bioplyn 52/63 výhřevnost 18 až 25 MJ/m 3 (zemní plyn 34,1 MJ/m 3, čistý metan 35,8 MJ/m 3 ) bioplyn 60 až 75 % výhřevnosti ZP není třeba upravovat bioplyn na vyšší obsah dostatečně výhřevný jako palivo pro KJ zemní plyn: 98,2% CH 4 ; 0,1 % CO 2

53 Bioplyn 53/63 využití BPS zdroj energie - plyn pro kogenerační jednotky (plynové turbíny) kombinovaná výroba elektrické energie a tepla likvidace organického odpadu s vysokou vlhkostí (rostlinný, živočišný odpad) zemědělské farmy, čistírny odpadních vod snížení produkce pachů (negativní vliv na ŽP) hygienizace

54 KVET z bioplynu 54/63 energetické využití bioplynu zásadní pro ekonomickou efektivitu bioplynové stanice zážehové plynové motory (pouze bioplyn), vznětové motory (vstřik zapalovacího oleje) roční využití nad 7500 hodin rozložení výkonu do více jednotek zvýšení spolehlivosti provozu x účinnost x zvýšení investičních nákladů

55 Využití tepla 55/63 využití pro vlastní proces spotřeba tepla pro vlastní procesy bioplynové stanice závisí na: tepelné ztrátě fermentorů druhu teplotního procesu fermentace (mezofilní nebo termofilní) spotřeba tepla pro technologické ohřevy zemědělských BPS pohybuje v rozmezí % (není kritické) využití přebytků problematické v místě výstavby, místní faktory teplovody, výměníkové stanice, napojení na objekty v bezprostředním okolí, napojení na soustavy CZT, sušárny produktů rostlinné výroby, aj. podmínky poskytnutí podpory: efektivní využití definovaného % tepla

56 Využití elektřiny 56/63 využití pro vlastní proces spotřeba elektřiny pro vlastní procesy: pohon dopravníků, čerpadel, míchadel osvětlení poměr vlastní spotřeba elektřiny 5 až 10 % využití přebytků do sítě hlavní tržba z provozu BPS el. přípojka, obou směrné měření

57 Ekonomika investiční náklady 57/63 rozdělení nákladů stavba 25 až 40 % technologie výroby bioplynu 30 až 45 % kogenerační jednotka 20 až 30 % ostatní 5 až 15 % absolutní náklad 70 až 110 mil. Kč/MWe

58 Ekonomika provozní náklady 58/63 rozdělení nákladů suroviny 55 až 80 % údržba 4 až 8 % údržba kogenerační jednotky 10 až 20 % ostatní 5 až 10 % absolutní náklad 12 až 16 mil. Kč/MWe.rok životnost 20 let

59 Bioplynové stanice využití ORC 59/63 připojení ORC na spalinový výměník KJ roční využití ORC odpovídá využití KJ (> 8000 hodin)

60 Bioplynová stanice + ORC 60/63

61 ESO Kněžice 61/63 energeticky soběstačná obec bioplynová stanice s KJ 330 kwe / 405 kwt produkce elektrické energie do sítě, 17 % spotřebuje BPS produkce tepla pro obec kotle na biomasu celkem 1,2 MW K1: 800 kw (balíková sláma, šťovík), účinnost 85 %, 225 kg/h K2: 400 kw (dřevní štěpka, dřevní odpad), účinnost 84 %, 170 kg/h akumulace tepla 50 m3 stabilizace dodávek tepla omezení maření výkonu KJ

62 Bioplynová stanice ESO Kněžice 62/63

63 ESO Kněžice 63/63 napojení na CZT obce teplovodní rozvod, bezkanálové uložení, předizolované potrubí napojeno 149 domů (95 % obce) délka rozvodu 6 km ztráty tepla rozvodu 40 % celoroční dodávky tepla: dlouhý rozvod malá výkonová hustota krytí ztrát produkcí tepla z bioplynové stanice tlakově nezávislé předávací stanice, napojené na centrální dispečink cena tepla 270 Kč/GJ (v otopné sezóně) / 135 Kč/GJ (mimo sezónu)