ENERGETICKO EKONOMICKÉ SROVNÁNÍ METOD INTENZIFIKACE BIOPLYNU

Transkript

1 ENERGETICKO EKONOMICKÉ SROVNÁNÍ METOD INTENZIFIKACE BIOPLYNU Ing. David Hrušťák Školitel: Prof. Ing. Pavel Ditl, DrSc. Abstrakt Článek se zabývá různými způsoby úpravy substrátu vedoucí ke zvýšení výroby bioplynu. Byly energeticky srovnávány metody intenzifikace produkce bioplynu dezintegrací substrátu mechanickým způsobem, ultrazvukem a termotlakou hydrolýzou. Tyto metody byly vzájemně porovnány z hlediska produkce bioplynu a metanu a rovněž z hlediska energetické náročnosti. Pro posouzení účinku úpravy substrátu byly experimenty srovnávány s neošetřeným substrátem, kdy se vzájemně porovnávaly jejich produkce bioplynu. Údaje potřebné pro hodnocení všech procesů byly získány z literatury [1]a také z vlastních pokusů, zejména pro případ ultrazvukové dezintegrace. Klíčová slova anaerobní fermentace, úprava substrátu, odpadní voda, bioplyn 1. Úvod Jedním z hlavních problémů dnešního průmyslově vyspělého světa je ochrana životního prostředí. Během několika posledních desetiletí se objem odpadních vod rychle zvýšil, a tím i snaha o využití aktivovaného kalu. Aktivovaný kal je nejčastěji používaný biologický materiál při průmyslovém čištění odpadních vod. Jeho zpracováním se usnadňuje přeměna rozpuštěných organických látek z odpadních vod na bioplyn. Fosilní paliva budou brzy vyčerpána a my musíme usilovat o snížení výroby energie z těchto zdrojů. Měli bychom se zaměřit na výrobu energie z alternativních zdrojů s důrazem na obnovitelné zdroje. Z tohoto důvodu anaerobní digesce je rovněž používána pro stabilizaci kalu z čistíren odpadních. Tím se snižuje množství kalu a roste bioplynová produkce. Úprava substrátu fyzikálními metodami má dopad na výrobu bioplynu. Použití těchto metod zvyšuje produkci bioplynu a tím lze dosáhnout i dobrého ekonomického výsledku. 2. Parametry pro úpravu substrátu 2.1. Substrát Jako substrát byl použit odpadní aktivovaný kal z čistírny odpadních vod. Vlastnosti substrátu jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1. Charakteristika substrátu Název Hodnota CHSK mg/l TS 38 g/l VS 26 g/l ph Specifikace metod úprav substrátu Mechanická úprava: k desintegraci zahuštěného přebytečného aktivovaného kalu se využilo rotujícího bubnu zahušťovací odstředivky. Desintegrace probíhá v proudu vystupujícího zahuštěného kalu pomocí lyzačního zařízení, které je součástí zahušťovací odstředivky.

2 Zahušťovací odstředivka je pak schopna přebytečný aktivovaný kal nejen zahušťovat, ale i desintegrovat. Ultrazvuková úprava: substrát byl sonifikován pomocí ultrazvukového generátoru (Branson, Danbury, CT, USA), pracující s frekvencí 42kHz pro různé doby ošetřování (10 až 120 min). Během sonifikace se substrát míchal a teplota se udržovala na 25 C. Tepelná úprava: substrát byl tepelně ošetřen v autoklávu při teplotě 121 C a tlaku 1,5 atm po dobu 30 min. Poté byl ochlazován na teplotu okolí po dobu 2 hodin Anaerobní digesce Fermentace probíhala v reaktoru o objemu 1 l a jeho pracovní objem byl 0,6 l. Vsádka reaktoru se skládala z kalu (ošetřeného a neošetřeného) a hnoje skotu v objemovém poměru 1:1. Přidáním HCl bylo upraveno ph na hodnotu 6,7. Před uzavřením byl reaktor profouknut heliem k odstranění vzduchu z reaktoru. Reaktor byl vyhříván na teplotu 37 C. Vygenerovaný objem plynu byl měřen pomocí kalibrované stříkačky. 3. Výsledky a diskuse Byly provedeny různé metody úpravy (mechanické, ultrazvukové, tepelné) substrátu. V důsledku různých úprav substrátu při optimálních parametrech pro mechanickou, tepelnou (121 C po dobu 30 min), ultrazvukovou (42 khz po dobu 120 min) byly vyhodnocovány produkce bioplynu a metanu. Bylo zjištěno, že úpravou substrátu se nejen snižuje velikost částic, ale také zvyšuje úroveň rozpustných proteinů. Se zvyšující se úrovní rozpustných proteinů by mohla být zlepšena účinnost anaerobní fermentace Vyhodnocení produkce bioplynu Tabulka 2. Vyhodnocení produkce bioplynu metody úprav produkce bioplynu [l/m 3 AK] produkce CH 4 [l/m 3 AK] koncentrace CH 4 [%] růst produkce bioplynu [%] 15,0 20,7 32,4

3 produkce bioplynu produkce bioplynu [l/m 3 AK] Obr. 1. Produkce bioplynu Byl prokázán vliv ošetření substrátu na produkci bioplynu. Produkce bioplynu po anaerobní fermentaci z mechanicky (4205 l/m 3 AK), ultrazvukově (4413 l/m 3 AK), tepelně (4843 l/m 3 AK), upravených substrátů byla vyšší než u kontrolní fermentace (3657 l/m 3 AK). Rovněž produkce metanu byla vyšší po mechanické (2893 l/m 3 AK), ultrazvukové (3007 l/m 3 AK), tepelné (3390 l/m 3 AK) úpravě, kontrolní fermentace (2507 l/m 3 AK). Obsah metanu byl u všech fermentací okolo 70%. Z hlediska porovnání produkce bioplynu vykazuje nejlepší výsledky tepelná úprava Ekonomické hodnocení Pro porovnání metod úprav substrátu je nejdůležitější ekonomické posouzení procesu výroby bioplynu. V následující tabulce 3 je uvedena produkce bioplynu přepočítaná na růst výkonu vlivem úprav substrátu. Tento růst je vyčíslen jako nárůst elektrické energie vztažený na m 3 aktivovaného kalu. Ekonomická bilance je počítána pro čistírnu odpadních vod zpracovávající odpadní vodu od 1 milionu EO (ekvivalentních obyvatel). Tabulka 3. Produkce bioplynu vyjádřená v nárůstu tržeb za elektrickou energii metody úprav produkce bioplynu [l/m 3 AK] výhřevnost bioplynu [MJ/m 3 ] učinnost generátoru [%] elektrická energie [MJ/m 3 AK] 0 3,98 5,49 8,61 růst výkonu [kw/m 3 AK] 0 1,11 1,52 2,39 růst výkonu [%] ,0 120,7 132,4 výkupní cena el. energie [Kč/kWh] 2,42 2,42 2,42 2,42 nárůst tržeb za el. energii [Kč/m 3 AK h] 2,67 3,69 5,79 roční nárůst tržeb za el. energii [Kč]

4 Investiční a provozní náklady na zařízení jsou počítány v Kč/rok viz. tabulka 4. Tabulka 4. Investiční a provozní náklady metody úprav investice na zařízení a instalaci [Kč] odpisová skupina 3 10,5 10,5 10,5 roční odpis [Kč] roční náklady na provoz zařízení [Kč] Roční odpis zařízení je počítán dle daňových odpisů, odpisová skupina 3. Zisk za prodej elektrické energie, který vzroste díky úpravě substrátu, ukazuje tabulka 5. Tabulka 5. Zisk metody úprav zisk [Kč] Zisk z mechanické úpravy je Kč, úprava pomocí ultrazvuku přinese zisk Kč. Z těchto údajů vyplývá, že nejvýhodnější z úprav je tepelná úprava, zisk činí Kč. 4. Úpravy substrátu v praxi Pro energetické a ekonomické srovnání byla vybrána bioplynová stanice s kogenerační jednotkou o elektrickém výkonu 536 kw. Jako substrát pro výrobu bioplynu byla vybrána kukuřičná siláž. Stávající bioplynové stanice jsou provozovány podle obrázku 1. Obr. 2. Schéma stávající bioplynové stanice Vstupní substrát (kukuřičná siláž) se přivádí do fermentoru prostřednictvím drtiče. Vzniklý bioplyn je spalován v kogenerační jednotce, kde se vyrábí elektrická a tepelná energie. Elektrická energie je dodávána do elektrické sítě. Tepelná energie je využívána k vytápění fermentorů a přebytečné teplo může být distribuováno zákazníkům.

5 4.1. Ultrazvuková metoda Surová organická hmota je transportována přes drtič do ultrazvukového generátoru, kde dojde k úpravě. Průchodem přes ultrazvukový generátor dojde ke kavitaci substrátu. Při kavitaci dochází vlivem působení sil k destrukci organických látek až na buněčné struktury. Energie pro provoz ultrazvukového generátoru je přibližně 1% z vyrobené elektrické energie v kogenerační jednotce. Po tomto ošetření je hydrolyzovaná organická hmota dopravena potrubím do fermentoru. Obr. 3. Schéma bioplynové stanice s ultrazvukovým generátorem 4.2. Tepelná metoda Surová organická hmota je transportována z drtiče do hydrolyzéru, ve kterém dochází k tepelné hydrolýze. Hydrolyzér je tlaková nádoba vyhřívaná vodní párou. Pro výrobu páry je využíváno odpadního tepla z kogenerační jednotky prostřednictvím utilizačního výměníku. Provozní podmínky jsou: teplota vyšší než 133 C, tlak 3 bary a doba zdržení minimálně 20 minut. Hydrolyzér je propojen potrubím s expanderem. Po tepelné hydrolýze je hydrolyzovaná organická hmota přestřelena potrubím do expanderu. Během expanze dochází vlivem působení sil k destrukci organických látek až na buněčné struktury (parní exploze). Expander je připojen na kondenzátor, v němž kondenzuje vzniklá odpadní pára. Obr. 4. Schéma bioplynové stanice s tepelným zařízením

6 4.3. Ekonomické hodnocení Pro porovnání metod úprav substrátu je nejdůležitější ekonomické posouzení produkce bioplynu. Srovnání je ukázáno na bioplynové stanici se stejným množstvím vstupujícího substrátu. Následující tabulka ukazuje vliv úpravy substrátu na produkci bioplynu. Tabulka 6. Srovnání úprav substrátu elektrická energie bioplynová část kontrolní ultrazvuk tepelná výkon ,2 696,8 kw elektrická energie 1929,6 2315,5 2508,5 MJ/h účinnost generátoru % tepelná energie bioplynu MJ/h výhřevnost bioplynu MJ/m 3 produkce bioplynu 233,04 279,65 302,96 m 3 /h energie na provoz substrát míchání, čerpání - cca 10 % z výkonu - 536kW 53,6 53,6 53,6 kw výkon pro úpravu substrátu 5 3 kw kukuřičná siláž teoretická výtěžnost 216,4 216,4 216,4 m 3 /t zvýšení výtěžnosti o % teoretická výtěžnost zvýšená 259,68 281,32 m 3 /t množství potřebného substrátu 1,077 1,077 1,077 t/h 25,846 25,846 25,846 t/day prodej veškeré el. energie cena 4,12 4,12 4,12 Kč/kWh výkon ,2 696,8 kw tržby za prodej , , ,40 Kč/rok ekonomika nákup energie na provoz cena Kč/kWh potřebný výkon k provozu 53,6 58,6 56,6 kw náklady na energii , , ,00 Kč/rok investice Kč odpisová skupina 3 10,5 10,5 % roční odpis Kč/rok zisk , , ,40 Kč/rok rozdíl , ,40 Kč/rok zisk 100,0 117,8 129,5 %

7 Následující graf ukazuje roční příjmy za elektrickou energii, náklady (energie na provoz zařízení a odpisy) a zisk. Obr. 5. Ekonomická bilance Tabulka ukazuje, že ošetření ultrazvukem má vliv na výkon generátoru. Zvýšení výroby povede k nárůstu přibližně 20% výkonu z 536 kw na 643,2 kw. Vzhledem k tomuto růstu se rovněž zvýší roční zisk za energii o ,60 Kč, což je 17,8%. Tepelnou úpravou bude docíleno zvýšení výkonu o 30%, z 536 kw na 696,8 kw. Tato úprava přinese zisk za energii ve výši ,40 Kč, což je 29,5%. Při úvaze prodeje odpadního tepla, které vyrobí kogenerační jednotka, bude ekonomická bilance ještě příznivější. Následující tabulka ukazuje srovnání prodeje tepelné energie. Tabulka 7. Zisk s prodejem tepelné energie kontrolní ultrazvuk tepelná prodej tepelné energie cena 0,51 0,51 0,51 Kč/MJ tepelná energie 1822,4 2186,9 1729,5 MJ/h tržby za prodej ekonomika , , ,36 Kč/rok zisk , , ,76 Kč/rok rozdíl , ,16 Kč/rok zisk 100,0 118,5 118,7 % Když se prodá veškerá možná energie, které se získají spálením bioplynu, zvýší se roční zisk o ,92 Kč, což je 18,5% při úpravě ultrazvukem, zatímco u tepelné úpravy bude zisk ,16 Kč, což je zvýšení o 18,7%. Investice do zařízení - ultrazvuku, vyjadřuje investiční náklady Kč, do tepelné úpravy vstupují investiční náklady ve výši Kč. Zařízení pro úpravy substrátu jsou zařazeny do odpisové skupiny 3. Energetické náklady na ošetření ultrazvukem se zvýší o 9,3%, zatímco při tepelné úpravě se zvýší jen o 5,6%.

8 5. Závěr Tyto závěry je možné vyvodit z teoretické analýzy: Bylo provedeno srovnání metod úprav substrátu na produkci bioplynu. Ze získaných hodnot produkce bioplynu vyplývá, že nejlepších výsledků bylo dosaženo tepelnou úpravou, což ukazuje tabulka 2. Produkce bioplynu byla poté vyjádřena elektrickou energií určenou k prodeji. Byla řešena ekonomická bilance úprav substrátu. Bilanci nejlépe vyjadřuje tabulka 5, kde je vidět růst zisku za prodej elektrické energie. Při bilancích bylo počítáno s čistírnou odpadních vod zpracovávající odpadní vodu od 1 milionu EO. Z výsledných hodnot lze vyvodit, že tepelnou úpravou substrátu lze docílit nejvyšších zisků za prodej elektrické energie. Mimoto byla provedena ekonomická bilance reálné bioplynové stanice, která má elektrický výkon 536 kw, uvedeno v tabulce 6. Z vypočtených dat pro ultrazvukové a tepelné dezintegrace vyplývá: Při využití ultrazvukové úpravy substrátu bude růst zisku za prodej elektrické energie činit ,60 Kč. Tato částka vyjadřuje nárůst o 17,8%. Zisk za elektrickou energii při tepelné úpravě je vyjádřen částkou ,40 Kč. Což představuje zvýšení zisku o 29,5%. Při prodeji elektřiny, ale i tepelné energie lze dosáhnout zvýšení zisku. Zisk z úpravy ultrazvukem představuje částku ve výši ,92 Kč, což je 18,5%. Zisk za tepelnou energii a elektřinu získaný z tepelné úpravy substrátu činí ,16 Kč, což je 18,7%. Seznam použité literatury 1. Jeongsik K., Chulhwan P., Tak-Hyun K., Myunggu L., Sangyong K., Seung- Wook K., Jinwon L.: Effects of Various Pretreatments for Enhanced Anaerobic Digestion with Waste Activated Sludge. Journal of bioscience and bioengineering, 95, 3, (2003). 2. Nah, LW., Kang, Y.W., Hwang, K.Y., and Song, W.K.:Mechanical pretreatment of waste activated[ sludge for anaerobic digestion process. Water Res., 34, (2000). 3. Li, Y. Y. and Noike, T.: Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment. Water Sci. Technol., 26, (1992). 4. CH4-Booster GmbH und Co. KG [online] [cit ]. Available on WWW: < 5. Patent WO/2008/011839, PUV