Bioplynové stanice. Miroslav Hutňan, Viera Špalková, Michal Lazor Nina Kolesárová

Transkript

1 Bioplynové stanice Miroslav Hutňan, Viera Špalková, Michal Lazor Nina Kolesárová Ústav chemického a environmentálneho inžinierstva, FCHPT STU, Radlinského 9, Bratislava Táto práca vznikla ako súčasť riešenia projektu SK00023 Vytvorenie centra excelentnosti pre využívanie obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku, ktorý je financovaný z prostriedkov Nórskeho finančného mechanizmu (NFM), EHP a Štátneho rozpočtu SR (

2 Obsah Bariéry rozvoja bioplynových staníc v SR Legislatíva ako výrazný nástroj rozvoja BPS Bioplynové stanice a ich rozdelenie Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Predstavenie BPS na spracovanie energetických plodín resp. biologicky rozložiteľného komunálneho odpadu.

3 Súčasný stav bioplynových staníc v SR Bioplynová stanica Hlavná surovina Inštalovaný el. výkon kwe AGROS s.r.o. Bátka hnojovica ošípaných, do r aj hydinový trus PPD Brezov VPP SPU, s.r.o. Kolíňany PD Kapušany hnojovica hovädzieho dobytka rôzne substráty, najmä hnojovica hospodárskych zvierat hnojovica hospodárskych zvierat, kukuričná siláž STIFI Hurbanovo kukuričná siláž Prevádzka od roku 6x

4 Bariéry rozvoja bioplynových staníc v SR malé skúsenosti s prípravou, výstavbou a prevádzkovaním bioplynových staníc, nerozvinutý trh tuzemských dodávateľov technologických a stavebných častí, nedocenenie environmentálneho a regionálneho prínosu bioplynových technológií. (Ministerstvo hospodárstva SR, 2007)

5 Bariéry rozvoja bioplynových staníc v SR Okrem týchto bariér je (resp. bola) v SR Okrem týchto bariér je (resp. bola) v SR významným problémom nedostatočná legislatíva v oblasti využívania obnoviteľných zdrojov energie a cenová politika vo výkupe energie z OZE.

6 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Dôležitosť existencie legislatívy podporujúcej využívanie OZE ilustruje príklad zo SRN, kedy legislatívne podmienky a jasná cenotvorba pri určovaní výkupnej ceny energie z OZE viedla k značnému rozšíreniu bioplynových staníc. V SRN je v súčasnosti v prevádzke takmer 4000 bioplynových staníc.

7 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Vývoj počtu bioplynových staníc v SRN Zákon o zásobovaní el. energiou Zákon o podpore využivania OZE na výrobu el. energie Revízia zákona o využívani OZE pri výrobe el. energie

8 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Ceny za el. energiu v SRN (Porsche, 2007) Zákon o podpore využívania OZE na výrobu el. energie Revízia zákon o podpore využívania OZE na výrobu el. energie

9 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Cena za el. energiu z OZE včr V ČR - na základe zákona 180/2005 o podpore výroby elektriny z OZE a o zmene niektorých zákonov (zákon o podpore využívania obnoviteľných zdrojov). V zákone 180/2005 sa rámcovo uvádza zachovanie minimálnych cien po dobu 15 rokov od uvedenia zariadenia do prevádzky resp. pre staršie zariadenia zachovanie minimálnych cien z r rokov od nadobudnutia účinnosti tohto zákona. Konkrétne ceny sa stanovujú každoročne cenovým rozhodnutím Energetického regulačného úradu ČR (ERÚ). Ceny stanovené pre nasledujúci rok nesmú byť nižšie ako je 95 % ceny v roku, kedy sa cena stanovuje. Prvýkrát sa takto ceny stanovili pre r

10 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Cena za el. energiu z OZE v ČR v r Druh obnoviteľného zdroja Výkupné ceny elektriny dodanej do siete v Kč/MWh Zelené bonusy v Kč/MWh Spaľovanie bioplynu v bioplynových staniciach kategórie AF Spaľovanie bioplynu v bioplynových staniciach kategórie AF Spaľovanie skládkového plynu a kalového plynu zčov po 1. januári 2006 Spaľovanie skládkového plynu a kalového plynu zčov od 1. januára 2004 do 31.decembra 2005 Spaľovanie skládkového plynu a kalového plynu zčov pred 1. januárom Spaľovanie banského plynu z uzatvorených baní AF1 predstavuje bioplynové stanice, kde sa spracovávajú cielene pestované energetické plodiny a kategória AF2 predstavuje bioplynové stanice, kde sa spracováva ostatná biomasa rastlinného aj živočíšneho pôvodu. Zelené bonusy sa vyplácajú v prípade, že producent nedodá elektrickú energiu do siete, ale ju spotrebuje v rámci svojho podniku.

11 Legislatíva ako výrazný nastroj rozvoja BPS Cena za el. energiu z OZE v SR V SR sa cena za energiu z obnoviteľných zdrojov energie stanovuje každoročne výnosom Úradu pre reguláciu sieťových odvetví SR (ÚRSO), čo nedáva dostatočnú istotu prevádzkovateľom bioplynových staníc resp. možných investorom. Prvýkrát cena za el. energiu vyrobenú z bioplynu - výnos ÚRSO 2/2005 na 2,50 Sk/kWh bez ohľadu na to z akých surovín bol bioplyn vyrobený. Výnos 2/2006 už rozdeľuje cenu za energiu z bioplynu z ČOV a skládok (2,56 Sk/kWh) a energiu z bioplynu z anaeróbnych fermentačných technológií (4,20 Sk/kWh pre zariadenia do 1 MW a 3,80 Sk/kWh pre zariadenia nad 1 MW). V najnovšom výnose 2/2009 sa stanovujú ceny na r nasledovne energia z bioplynu z ČOV a skládok 102,90 Eur/MWh, z bioplynu z anaeróbnych fermentačných technológií 146,72 Eur/MWh (do 1 MW) a 132,78 Eur/MWh (nad 1 MW).

12 Bioplynové stanice a ich rozdelenie Bioplynové stanice pracujú úspešne v krajinách Európskej únie či iných častiach sveta už niekoľko desaťročí. Spracovávajú širokú škálu organických materiálov od odpadov po materiály cielene pripravované. Na základe spracovaných surovín môžeme bioplynové stanice rozdeliť nasledovných skupín: poľnohospodárske BPS priemyselné BPS komunálne BPS

13 Bioplynové stanice a ich rozdelenie Poľnohospodárske bioplynové stanice Tieto zariadenia spracovávajú hlavne suroviny z poľnohospodárskej výroby. Medzi tieto materiály patrí najmä odpad (resp. vedľajší produkt) zo živočíšnej výroby hnojovica, hnoj či trus. K ďalším materiálom patria suroviny z rastlinnej výroby, ktoré tvorí rastlinný odpad, pozberové zvyšky a v posledných rokoch aj cielene pestované energetické plodiny.

14 Bioplynové stanice a ich rozdelenie Priemyselné bioplynové stanice Spracovávajú najmä odpady z rôznych priemyselných výrob. Väčšinou sa jedná o odpady z agropotravinárskeho priemyslu (výpalky z výroby liehu, odpadové oleje, odpady z bitúnkov, odpady z rôznych potravinárskych či farmaceutických fermentačných výrob...). Tieto bioplynové stanice sú realizované buď priamo v mieste, kde je spracovávaný odpad produkovaný alebo sú to stanice, kde sa odpad spracováva na zmluvnom základe.

15 Bioplynové stanice a ich rozdelenie Komunálne bioplynové stanice Tieto stanice sú budované zväčša s väčšinovým vlastníctvom obcí. Spracovávajú komunálne odpady, kde najväčší podiel tvorí biologicky rozložiteľný podiel komunálneho odpadu, odpad z reštaurácií a jedální a zelený odpad z údržby obecnej zelene.

16 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Desatoro bioplynových staníc (Biom CZ) Zásada č. 1. Precízna príprava projektov Zásada č. 2. Dostatok kvalitných vstupných surovín Zásada č. 3. Výťažnosť bioplynu z jednotlivých materiálov Zásada č. 4. Včasná a priebežná spolupráca s miestnou samosprávou a občanmi Zásada č. 5. Spoľahlivá a overená technológia Zásada č. 6. Optimalizácia investičných a prevádzkových nákladov Zásada č. 7. Voľba vhodnej kogeneračnej jednotky Zásada č. 8. Využitie odpadového tepla Zásada č. 9. Nakladanie s digestátom, možnosť využitia ako kvalitného hnojiva Zásada č. 10. Ďalšie možnosti využitia bioplynu

17 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS K zásadám uvedeným vyššie by sa žiadalo dodať minimálne jednu ďalšiu, ktorá má pre prevádzku bioplynovej stanice zásadný význam a to je - zásada správnej technologickej praxe. Prevádzkovateľ môže mať k dispozícii bioplynovú stanicu s kvalitnou technológiou aj dostatok kvalitných surovín a predsa môžu nastať problémy s prevádzkou bioplynovej stanice. Správna technologická prax súvisí najmä s dávkovaním substrátov a so sledovaním prevádzky bioplynovej stanice.

18 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS V súvislosti s dávkovaním substrátov je dôležíté, aby dávka mala čo najmenší negatívny vplyv na činnosť anaeróbneho reaktora. Suroviny sa líšia nielen pomerom C:N, ale napr. aj tým, v akej forme sa organický uhlík nachádza. V prípade, že organický uhlík je biologicky pomalšie rozložiteľný a na jeho spracovanie je potrebná hydrolýza a acidifikácia, vplyv dávky suroviny na činnosť reaktora bude iný ako keď sa jedná o biologicky ľahko rozložiteľný uhlík. Ak je vplyv dávky na priebeh anaeróbnych procesov výrazný, je vhodné resp. nutné rozdeliť dávkovanie do viacerých dávok.

19 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Po nadávkovaní suroviny väčšinou dochádza k prudkému zvýšeniu produkcie bioplynu, čo nie vždy je existujúci plynojem schopný akumulovať. Vtedy dochádza k odvodu bioplynu do atmosféry, v lepšom prípade na horák zvyškového plynu. Optimalizácia dávkovania môže mať teda pozitívny vplyv aj na efektívne využitie produkovaného bioplynu. Dôležitý je aj obsah dusíka v surovine. Pri vysokom pomere C:N je potrebné surovinu kombinovať so surovinou s nízkym pomerom C:N. Vysoký obsah dusíka v surovine znamená vysoký obsah amoniakálneho dusíka v kalovej vode, čo môže inhibovať proces produkcie metánu.

20 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Pre správnu technologickú prax je dôležité aj sledovanie procesovo-technologických parametrov bioplynovej stanice a najmä anaeróbneho reaktora. Medzi najčastejšie sledované parametre anaeróbneho raktora patrí teplota a produkcia bioplynu. Či reaktor pracuje v mezofilných alebo termofilných podmienkach, pre jeho bezproblémový chod dôležité je, aby teplota bola stabilná.

21 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Ďalším s dôležitých parametrov, ktoré je potrebné v anaeróbnom reaktore merať je ph, ktoré je optimálne v neutrálnej oblasti. Pri použití substrátov s vyšším obsahom dusíka sa ph môže blížiť až k hodnote 8. Pre stabilitu metanizácie by sa ph nemalo dostať pod hodnotu 6,5.

22 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Informácie o produkcii bioplynu nie sú dôležité len kvôli materiálovej, energetickej resp. ekonomickej bilancii procesu. Zmeny v produkcii bioplynu dávajú informáciu aj o zmenách v činnosti reaktora. Zníženie produkcie bioplynu pri nezmenenom dávkovaní suroviny môže svedčiť o problémoch anaeróbneho reaktora. Preto je meranie množstva bioplynu dôležité aj z hľadiska indikácie problémov v priebehu anaeróbnych procesov. Meranie množstva produkovaného bioplynu je pritom častým slabým miestom na bioplynových staniciach. Preto by sa prevádzkovateľ mal zamerať na zakúpenie kvalitného a spoľahlivého plynomeru. Ak meranie bioplynu indikuje jeho zníženú produkciu, často už zmeny v anaeróbnom reaktore nastali.

23 Niektoré aspekty návrhu a prevádzky BPS Veľmi dobrým ukazovateľom na kontrolu prebiehajúcich anaeróbnych procesov je koncentrácia nižších mastných kyselín (NMK). Zo sledovania činnosti bioplynových staníc vyplýva, že anaeróbne procesy môžu prebiehať bez problémov aj pri koncentrácii NMK niekoľkotisíc mg/l. Dôležitý je trend vývoja koncentrácií NMK. Ak začínajú rasť, znamená to, že organické kyseliny sa kumulujú v anaeróbnej zmesi a metanogénne mikroorganizmy ich nestíhajú spracovať. Problém môže byť v preťažení anaeróbneho reaktora alebo v inhibícii procesu metanizácie niektorou zložkou substrátu alebo produktom rozkladu. Stanovenie koncentrácie NMK je dnes už pomerne jednoduchou analýzou vyžadujúcom minimálne prístrojové vybavenie.

24 Bioplynová stanica na spracovanie cielene pestovaných energetických plodín Prvá bioplynová stanica navrhnutá výlučne na spracovanie cielene pestovaných plodín v SR bol a vybudovaná v Hurbanove. Anaeróbny miešaný reaktor s objemom 2450 m 3 spracováva denne cca 20 t kukuričnej siláže so sušinou približne 30 %. Denné vyprodukované množstvo bioplynu s obsahom metánu 55 % v množstve 4200 m 3 je spaľované v kogeneračnej jednotke s elektrickým výkonom 300 kw. Denná produkcia elektrickej energie vyše 7200 kwh je vedená do verejnej elektrickej siete. Vyprodukované teplo v množstve vyše kwh za deň je využívané na ohrev samotného anaeróbneho reaktora, na ohrev fóliovníkov na pestovanie zeleniny a v období september - december sa využíva na sušenie kukurice.

25

26 Prvá BPS na energetické plodiny v SR Pripojenie na el. sieť Teplo využívané vo fóliovníkoch Silážne jamy BPS Teplo využívané pri sušení kukurice

27 Bioplynová stanica na biologicky rozložiteľný komunálny odpad BIOGAS WIEN Bioplynová stanica BIOGAS Wien bola daná do skúšobnej prevádzky koncom roka Vznikla v spolupráci Viedenského magistrátu a rakúskych firiem MA 48 a WKU. Zariadenie mechanicky spracováva biologické komunálne odpady a biochemickou transformáciou z nich získava bioplyn.

28 BIOGAS WIEN Z približne ton/rok zvyškov jedál, odpadov z kuchýň, trhovísk, obsahu kontajnerov s biologickým komunálnym odpadom z centrálnej Viedne sa produkuje v prvom stupni Biogas Wien využiteľná energia. V druhom stupni výstavby je možné zvýšiť ročnú kapacitu na ton/r.

29 BIOGAS WIEN Ročná produkcia bioplynu je cca Nm 3 /r, produkcia energie cca MWh/rok. Vyrobené teplo sa používa na ohrev objektov bioplynovej stanice a diaľkovým teplovodom sa vedie do asi 600 domácností. Objem anaeróbneho reaktora 2600 m 3. Vzniká asi 6000 t/rok fermentačného zvyšku, ktorý sa mieša s ďalšími materiálmi a využíva sa na výrobu kompostu. Investičné náklady na prvú fázu výstavby 13,5 mil. Euro

30 BIOPLYNOVÁ STANICA BIOGAS WIEN Vykládka zberných vozidiel Tuhé biologické odpady Drvič Vykládka cisterien Tuhé látky Bubnové sito Piesok Ľahká frakcia Fakľa Tekutá fáza Zásobník na tekuté odpady Vypúšťanie ťažkých frakcií Zásobník suspenzie Zásobník procesnej vody Suspenzia Výmenník tepla Ťažká frakcia piesok Opätovné získavanie tepla Hygienizácia Výmenník tepla Ľahká frakcia Anaeróbny reaktor Kompresor bioplynu Fermentačný zvyšok Zásobník na zvyšok Plynojem Bioplynový motor El. prúd Tepelná centrála Odstredivka Ďiaľkové vyhrievanie Substrát do kompostu Odpadová voda