je použitelný ke kogenerační výrobě elektrické je skladovatelný a po úpravě může být použit i v rozvodech pro zemní plyn

Transkript

1 Využití bioplynu Bioplyn - hořlavý a energeticky bohatý plyn je použitelný ke kogenerační výrobě elektrické energie a tepla, je skladovatelný a po úpravě může být použit i v rozvodech pro zemní plyn je použitelný k pohonu vozidel je využitelný v palivových článcích k přímé výrobě elektrické energie.

2 Standardní spalné teplo látky (Superior calorific value) je rovno standardní spalné entalpii, kde voda je v kapalném stavu (voda vzniklá spálením látky) Výhřevnost látky (Inferior calorific value) je rovna standardní spalné entalpii, kde voda je v plynném stavu (je nižší o výparné teplo vody)

3 Výhřevnost CH4 = 802,82 kj/mol 35,8 MJ/Nm3 9,94 kwh/nm3 1 Nm 3 bioplynu (65,6 % CH4) (energetický potenciál) - výhřevnost 23,5 MJ/Nm 3 6,528 kwh/nm 3 z 1 Nm 3 BP (65,6 % CH4) se může využít: elektrické energie tepelné energie 2,2 kwh el průměr 33,7 % využití (max.41%) 3,54 kwh tep (54,2 % využití)

4 Využití pouze tepla

5 Kogenerační využití bioplynu teplo a elektrický proud Plynový motor JENBACHER s generátorem elektrického proudu generátor plynový motor

6

7 sedla ventilů hlava válce

8

9 ÚČOV Praha Kogenerační jednotky MWM Deutz (celkový počet jednotek na ÚČOV 5) Každá znich má elektrický výkon 0,964 MWe a tepelný výkon 1,489 MWt.

10 Buňky kogeneračních jednotek na BPS (izolované tepelně a proti hluku) výfuk sání

11 Buňky kogeneračních jednotek na BPS (izolované tepelně a proti hluku)

12 Sání a výfuk motoru

13 výfuky motorů

14 Prvky bioplynového rozvodu (vždy žluté)

15 Stoly na chlazení motorů (maření přebytečného tepla)

16

17

18

19 Středotlaký kotel na výrobu páry pro hygienizační jednotku

20 Středotlaký kotel na výrobu páry pro hygienizační jednotku

21 Řízení motoru podle produkce bioplynu a měření kvality bioplynu

22 Kontinuální měření kvality bioplynu CH4 CO2 O2 H2S

23 Kontrola a centrální řízení provozu celé BPS

24 Vizuální kontrola provozu

25 Konec přednášky

26 Rizika exploze při výrobě bioplynu Dolní mez výbušnosti pro metan je 5 % obj. v kyslíku nebo vzduchu Horní mez výbušnosti pro metan je 15 % obj. v kyslíku nebo vzduchu Po iniciaci této směsi počátečním impulsem dojde k zapálení (výbuchu) (iniciace je zahřátí směsi na autoiniciační teplotu, stačí zahřát nepatrný objem, exotermická reakce nastartuje a rychle se šíří) Aktivní zdroje iniciace dle ČSN EN : Elektrická jiskra Mechanická jiskra Statická elektřina Samovznícení

27 Bezpečnost při zacházení s bioplynem Rozsah ochranných opatření: Zóna Zdroje iniciace musí být spolehlivě vyloučeny 0 V normálním provozu Při očekávaných poruchách Při výjimečných poruchách 1 V normálním provozu Při očekávaných poruchách 2 V normálním provozu

28 Statická elektřina Zóna 0 a 1 Požadavky na antistatické vlastnosti plastových poklopů daných ČSN Poklop na anaerobním reaktoru UASB pro čištění vod (s volnou hladinou) antistatický plast nárosty oxidované síry ze sulfanu v bioplynu

29 Zušlechtění bioplynu - odstranění CO2 Biomethan kvalita zemního plynu Energie obsažená vbioplynu ve formě CH4 zejména její tepelná složka není všude využívána úplně Využití je omezeno lokálními podmínkami a obtížnostmi distribuce Převedení bioplynu na biomethan a jeho vtláčení do sítě zemního plynu je řešení, jak využít energii CH4 tam, kde je potřeba, využívá se již existující distribuční soustavy Použití stlačeného biomethanu (RCNG) pro pohon vozidel ekologický provoz, nezávadné výfukové plyny, důležité zejména v městském provozu

30 Výhody biomethanu kvalita srovnatelná se ZP => možnost vyskladnění do plynovodní sítě => palivo pro pohon vozidel (CNG) hustá síť plynovodů v ČR vyšší účinnosti energetického využití oproti bioplynové stanici (kogenerace) regulovatelný a skladovatelný zdroj energie stálý zdroj obnovitelný zdroj -> neutrální z hlediska emisí CO 2 nedostatečná legislativa omezený potenciál čištění a úprava plynu velké investiční náklady Nevýhody biomethanu

31 Metody odstraňování CO2 z bioplynu Tlaková vodní vypírka Chemická vypírka Adsorpce změnou tlaku (PSA) Membránové metody Kryogenní rektifikace

32 Tlaková vodní vypírka CO2 z bioplynu zjednodušené technologické schéma Stlačený surový bioplyn je protiproudně veden do vypírací kolony, kde se ve studené vodě přednostně rozpouští CO2, Ten je v desorpční koloně odstraněn uvolněním tlaku a provzdušněním, regenerovaná čistá voda se vrací do absorpce

33 Proces je založen na výrazně vyšší rozpustnosti CO2 ve vodě rozpustnost CH 4 ve vodě rozpustnost CO 2 ve vodě

34 Schématické znázornění procesů při absorpci

35

36

37

38 Chemická vypírka CO2 z bioplynu Kromě vody jsou k dispozici také další promývací kapaliny poskytující mnohonásobně vyšší rozpustnost absorbátu oproti vodě. Porovnání promývacích (absorpčních) činidel větší kapacita a selektivita činidla vzhledem k adsorbátu = vazební síly = nárůst energetické náročnosti desorpce nutné nalézt kompromis mezi kapacitou, selektivitou a ekonomickou výhodností regenerace. Kapacita vody je v porovnání s ostatními chemickými nebo fyzikálními promývacími činidly nejnižší, avšak je nejdostupnější a nejlevnější.

39 Chemická vypírka CO2 z bioplynu název absorbát složení tlak (bar) teplota ( C) Voda CO 2,H 2 S, NH 3 H 2 O Purisol CO 2,H 2 S, N-Methylpyrrolidon > Rektisol CO 2,H 2 S, NH 3, COS, HCN Selexol CO 2,H 2 S, NH 3, COS Methanol > Polyethylenglykol -ether Genosorb CO 2,H 2 S, NH 3, H 2 O Tetraethylenglykol - dimethylether >7 0 40

40 Glykolová pračka bioplynu

41 Aminové vypírání CO2 z bioplynu název absorbát složení Tlak (bar) Teplota ( C) MEA CO 2, H 2 S, COS, CS 2 2,5n monoethanolamin, >1 cca 40 DEA CO 2, H 2 S, COS, CS 2 2n-3n diethanolamin MDEA CO 2, H 2 S N-methyldiethanolamin > MEA je toxický, nutná regenerace, udávaná životnost roztoku cca 10 let úniky zcela minimální, dopad na životní prostředí zcela minimální (riziko téměř nulové) nutnost ochrany proti korozi (agresivita roztoku MEA) Lze použít i jiná činidla.

42 Chemická vypírka CO2 z bioplynu MEA (monoetanolamin) Hrubé technologické schéma aminové pračky Surový bioplyn je protiproudně veden do vypírací kolony, kde se ve vypírací kapalině rozpouští CO2, Ten je v desorpční koloně odstraněn vyvařením, regenerovaná kapalina se po ochlazení vrací do absorpce

43 Amínová pračka

44 Prozesswärmeerzeugung Variante: Auskopplung Abgaswärme

45 PSA (Pressure Swing Adsorption Adsorpce se změnou tlaku) Adsorpce na molekulových sítech Pro výrobu molekulových sít se nejprve jemně rozemele černé uhlí a poté je vytlačováno (extrudováno) s přidanými polymerními částicemi s určitou velikostí. Při následném termickém zpracování se polymery rozkládají, vznikají mikropory podle velikosti polymerní částice, v nich se při adsorpci mohou vázat sorbované látky. Adsorpce se změnou tlaku - PSA Adsorpční proces probíhá pod tlakem. Použité molekulové síto se regeneruje snížením tlaku a evakuací.

46 Hrubé technologické schéma adsorpce se změnou tlaku (PSA) Cyklus procesu lze rozdělit do čtyř fází: Adsorpce pod tlakem (1) Desorpce snížením tlaku v protiproudu (2) Desorpce pomocí evakuace (3) Nárůst tlaku surového plynu a produktu (4)

47 Pressure swing adsorption

48 Membránové metody Oddělování složek plynu v důsledku rozdílných rychlostí permeace pomocí tenké membrány. Pro výrobu membrán jsou k dispozici různé materiály. Nejdůležitější skupinu materiálů představují polymerní materiály, které jsou využívány v 90 % případů. Mezi ně patří materiály jako polysulfon, polykarbonát nebo polydimethylsiloxan. (relativně levné) nevýhody: omezená selektivita, vyšší selektivita = nižší permeabilita, omezená teplotní a chemická odolnost nutnost předúpravy bioplynu Polymerní membránou, např. z acetátu celulózy, prochází oxid uhličitý a sulfan mnohem rychleji (faktor 20 resp. 60) než methan. Anorganické materiály membrán: zlepšení nedostatků, avšak velmi nákladné materiály

49 Princip membránových separací Protože metan také prostupuje membránou, dochází při jednoduchém modulovém uspořádání k velké ztrátě metanu. Pro snížení ztráty metanu je navzájem propojováno více membránových jednotek. Podle dostupných údajů je při dvojstupňovém modulovém uspořádání je výtěžek methanu cca 85 % a obsah metanu v produktu je 95 % obj. Zvýšením počtu membránových modulů se na jedné straně zvyšuje výtěžek methanu, na druhé straně rostou investiční náklady na zařízení. vysoký tlak výhody z pohledu následného vtláčení methanu do distribuční sítě

50 p i CH 4 CO 2 H 2 O H 2 S NH 3 N 2 O 2 Bioplyn Methan Membrána (aromatický polyimid) CO 2 -v permeátu

51 Schéma dvoustupňové membránové separace oxidu uhličitého z bioplynu

52 Membránové technologie Bruck/Leitha

53 až 500 kg/d biomethanu plnící stanice pro traktory od r. 2009

54 Technologické schéma kryogenní rektifikace Stlačení plynu na 80 barů, ochlazení, odloučení kondenzátu, další ochlazení, vstup do rektifikační kolony, kapalný podíl vstupuje do další dělící kolony (vypadává CO 2, odplyn recyklován); plyn z první kolony stále znečistěn CO 2 ochlazení na -80 až -110 C, další dělící stupeň

55 Biomethan může být vtláčen do distribuční sítě zemního plynu nebo do zásobníků stanic pro zásobování vozidel pohonnými hmotami

56 Vozidlové plynové motory různé aplikace český výrobce TEDOM motory pro dopravní techniku nacházejí uplatnění: v autobusech, nákladních vozech, železničních motorových vozidlech stavebních a zemědělských strojích a také v říčních a pobřežních lodích. Nákladní automobily Autobusy Vlaky Lodě

57 Liberec 5 autobusů TEDOM C12 G

58 Trutnov (Osnado spol. s r.o., člen ARRIVA) Autobus TEDOM C12 G

59 Třebíč 3 autobusy TEDOM C12 G

60 Bratislava 20 autobusů TEDOM C12 G

61 Varna 10 autobusů TEDOM C12 G

62 Bristol, Anglie Bio-bus Foto Wessex Water (Bath, England), Julian James Photography Biobus (40 míst) je poháněn přímo biomethanem, první cestující nastoupili Nádrže na stlačený biomethan jsou na střeše, pohon plynovým spalovacím motorem. Na jednu nádrž je dojezdová vzdálenost 300 km a emise CO2 o 20 30% nižší než srovnatelný dieselový motor, bez dalších nebezpečných exhalací, navíc CO2recyklovaný snižující uhlíkovou stopu.

63 Čistírna odpadních vod z města Bristolu umístěná v Avonmouthu provozovaná firmou GENeco zpracovává 75 million m 3 (19,815 million gal) odpadních vod ročně a t organického odpadu z domácností, supermarketů a výrobců potravin. Anaerobní fermentací je přemění na 17 million m 3 (4491 million gal) biomethanu. Foto Wessex Water (Bath, England), Julian James Photography Stanice na úpravu bioplynu a plnící zařízení pro Biobus je přímo na ČOV. Pro jednu cestu Biobusu 300 km dlouhou stačí biomethan vyrobený z roční produkce odpadních vod a odpadů od 5 obyvatel. Biobus jezdí s ostatními autobusy na lince z Cribbs Causeway v jižním Gloucestershire do Stockwoodu v Bristolu, která převáží cestujících každý týden.

64 Autobusy na bioplyn Malmo, Švédsko