Bioplyn a bioplynové stanice Ing. Petra Dundálková Mendelova zemdlská a lesnická univerzita v Brn Ústav zemdlské, potravináské a environmentální techniky e-mail: xdundalk@mendelu.cz
Biomasa Definice: je souhrn látek tvoících tla všech živých organism, jak rostlin tak i živoich. tímto pojmem asto oznaujeme rostlinnou biomasu využitelnou pro energetické úely. energie má svj prapvod ve slunením záení a fotosyntéze, proto se jedná o obnovitelný zdroj energie.
Energetické využití biomasy Skupina Technologie Produkty Výstupy Spalování Spalování Teplo, elektina Chemické pemny Zplyování Rychlá pyrolýzy Olej, plyn, dehet, metan, pavek, metanol Elektina, teplo, pohon vozidel Chemické pemny ve vodním prostedí Zkapalování Esterifikace Olej Metylester epkového oleje (MEO bionafta) Pohon vozidel Anaerobní digesce Bioplyn, metan Elektina, teplo, pohon vozidel Biologické procesy Alkoholové kvašení Etanol Pohon vozidel Kompostování Teplo (z chlazení kompostu)
Smrnice Rady EU. 1999/31/EC o skládkách odpadu Ukládálenským státm EU vypracovat národní strategii o recyklaci, kompostování a produkci bioplynu omezení množství BRO ukládaného na skládky Konkrétn se požaduje snížit množství ukládaného BRKO na skládky: o 25% do r. 2005 (2010) o 50% do r. 2012 (2013) o 65% do r. 2016 (2020) ve srovnání s množstvím, které vzniklo v roce 1995 V nkterých lenských zemích je na skládky ukládáno více než 80% komunálního odpadu termíny posunuty na léta 2010, 2013, 2020
Využití bioplynu Je skladovatelný a po úprav mže být dodáván i do rozvodné sít zemního plynu Pohon motorových vozidel Kogeneraní výroba elektrické energie a tepla Využití v palivových láncích k pímé výrob elektrické energie
Anaerobní technologie(fermentace) Cílem je: 1. získání bioplynu (energetické využití) 2. snížení obejmu odpadu 3. snížení obsahu org. látek v bioodpadu Pednosti: Nízká energetická náronost technologie Vysoké objemové zatížení umožnné vysokou koncentrací biomasy Transformaci a zušlechtní organických látek do energeticky bohatého bioplynu (OZE) Nedostatky: Finann nároná technologie Horší kvalita odtoku (amoniakální dusík, fosfor) Povdomí oban
Anaerobní rozklad organických látek Hydrolýza Acidogeneze Acetogeneze Metanogeneze
Produkty anaerobní fermentace Konené produkty Vzniklá biomasa Plyny (CH 4, CO 2, H 2, N 2, H 2 S) Nerozložený zbytek organické hmoty - z hlediska hygienického a senzorického je nezávadný pro prostedí, tj. je stabilizován
Vlastnosti bioplynu Hlavní složky bioplynu Metan (CH 4 ), oxid uhliitý (CO 2 ) Pímsi v bioplynu dusík (N 2 ), vodík (H 2 ), sirovodík (H 2 S), kyslík (O 2 ), amoniak (NH 4 ), vyšší aromatické uhlovodíky a halogeny Výnosnost z 1 kg sušiny vzniká 500 l bioplynu Složení bioplynu Složka CH 4 CO 2 H 2 O H 2 S N 2 NH 3, CO, H 2 Objemové rozmezí % 50 85 15 50 1 3 0,1 1 1 3 stopy
Faktory ovlivující anaerobní procesy Ovlivující životní prostedí mikroorganism vlhké prostedí ( min 50%) ph zabránní pístupu svtla zabránní pístupu vzduchu (odsiení) stálá teplota písun živin (pro bunnou stavbu potebují: N sloueniny, minerální látky, stopové prvky hnj, kejda) velké kontaktní plochy inhibitory (org. kyseliny, antibiotika, dezinfekce)
Faktory ovlivující anaerobní procesy zatížení vyhnívacího prostoru rovnomrný písun substrátu (aby nedošlo k petížení nadmrnému zatížení, zajistit písun substrátu v co nejkratších intervalech) odplyování substrátu (není-li plyn odvádn vzestup tlaku, bublinky, materiál nkolikrát denn promíchávat) Vliv technologických faktor - míchání substrátu - doba zdržení v reaktoru
Faktory ovlivující životní prostedí mikroorganism Teplota Rozdlení mikroorganism do teplotních tíd: rychlost probíhajících proces zastoupení jednotlivých druh mikroorganism stupe hygienizace ím vyšší teplota, tím jsou bakterie citlivjší na výkyvy teplot (zejména krátkodobé výkyvy) Psychrofilní Mezofilní Termofilní T optimální [ C] pod 20 25-35 nad 45 (V praxi najdeme nejastji mezofilní BPS)
Faktory ovlivující životní prostedí mikroorganism ph optimální hodnota ph slab alkalická (7,5) ovlivnno náhlou zmnou pivádného substrátu následkem inhibice metanogenních bakteriích toxickou látkou, teplotou, pebytkem mastných kyselin nerovnováhou celého procesu
Faktory ovlivující životní prostedí mikroorganism Složení substrátu vyvážený pomr C : N = 20 30 : 1 substrát musí mít velké kontaktní plochy (rozsekán, kalový strop) rozhodujícím faktorem pro volbu vhodné metody (zkvašování, kompostování) = OBSAH SUŠINY V MATERIÁLU pro bioplynové technologie optimální obsah sušiny 5 15 % nižší proces probíhá, ale s velkým množstvím vody vyšší substrát nejde erpat, mísit, promíchávat
Faktory ovlivující anaerobní procesy Zatížení vyhnívacího prostoru 1 kg os / m 3. den os = organická sušina udává maximální množství os na m 3 a den, které mže být dodáno do fermentoru, aniž dojde k pekrmení bakterií a zastavení procesu Závisí na: pedevším na úrovní teploty obsahu sušiny dob kontaktu nap. pi t = 35 C 0,5 1,5 kg os / m 3. den (lze zvýšit na 3 kg)
Faktory ovlivující anaerobní procesy Míchání substrátu umožní zabezpeení dobrého kontaktu mikroorganism se vstupním substrátem homogenizace reakní smsi uvnit reaktoru, aby došlo k rovnomrnému rozdlení teploty a substrátu v celém objemu reaktoru zabránní tvorby mrtvých zón v reaktoru míchání umožuje lepší oddlení bublinek bioplynu od ásteek suspenze, ímž se snižuje nebezpeí tvorby plovoucí vrstvy na hladin reaktoru
Faktory ovlivující anaerobní procesy Doba zdržení ovlivuje rychlost probíhajících reakcí požadovaný stupe vyhnití množství získaného plynu snížení zápachu vyhnívajícího kalu krátké doby vysoký plynový výkon (dochází pedevším k rozkladu snadno rozložitelných živin) nízký výnos plynu a nízký stupe rozkladu dlouhé doby klesá plynový výkon, zvyšuje se výnos plynu a stupe rozkladu
Faktory ovlivující anaerobní procesy Doba kontaktu = Objem nádrže / dodávané množství substrátu prmrná doba 35 51 dní Pi použití kejdy: Teplota procesu [ C] 20 25 30 35 45-55 Doba kontaktu [dní] 60-80 30-35 15-25
Bioplynové stanice Základní rozdlení bioplynových stanic, dle zpracovávaného substrátu: 1. Zemdlské 2. istírenské 3. Ostatní BPS
Zemdlské BPS zpracovávají materiály rostlinného charakteru a statkových hnojiv, resp. podestýlky není možné zpracovávat odpady podle zák.. 185/2001 Sb. o odpadech Je možno zpracovávat: živoišné suroviny - kejda prasat - hnj prasat se stelivem - kejda skotu - drbeží exkrementy... rostlinné suroviny - sláma obilovin a olejnin - plevy a odpad z ištní obilovin - bramborová a epná na a slupky - kukuiná sláma a zrno - travní biomasa a seno (senáže) - nezkrmitelné rostlinné materiály (siláže, obiloviny, kukuice)...
Zemdlské BPS pstovaná biomasa - obiloviny v mléné zralosti, erstvé i silážované - kukuice ve voskové zralosti - kukuice vyzrálá - krmná kapusta - prutová biomasa (štpky nebo ezanka z listnatých devin z rychloobrátkových kultur anebo z prkles)
istírenské BPS zpracovávají pouze kaly z biologických istíren odpadních vod a jsou organickou souástíistírny odpadních vod anaerobní digesce je využívána za úelem stabilizace kalu vznikajícího v OV nejsou ureny ke zpracovávání bioodpad slouží pouze jako souást kalového hospodáství OV jako celku nevstupují sem jiné materiály než kaly z OV, žump a septik a odpadní voda
Ostatní BPS zpracovávají ostatní vstupy mohou zpracovávat bioodpady uvedené v tab. 4, v píloze 3, pípadn substráty uvedené v odstavci 5.1 a 6.1 Metodického pokynu, odpady z prvovýroby v zemdlství, zahradnictví, myslivosti, rybáství a výroby a zpracování potravin, nap: odpady ze zpracování masa, ryb a jiných potravin živoišného pvodu odpady z výrob a zpracování ovoce, zeleniny, obilovin, jedlých olej, kakaa, kávy, odpady z konzervárenského a kvasniného prmyslu odpady z výroby cukru, z mlékárenského prmyslu odpady z pekáren a výroby cukrovinek
Ostatní BPS pokud zpracovávají vedlejší živoišné produkty musí plnit další ustanovení jako je nap. hygienizace suroviny/odpad (pasterace, vysokoteplotní hygienizace)
Ostatní BPS odpady ze zpracování deva a výroby desek, nábytku, celulózy, papíru a lepenky odpady z kožedlného, kožešnického a textilního prmyslu odpady ze zaízení na zpracování (využívání a odstraování) odpadu, z OV pro ištní vod mimo místo jejich vzniku, komposty komunální odpady (odpad z domácností a podobné živnostenské, prmyslové odpady a odpady z úad), vetn složek z oddleného sbru odpady ze zahrad a park BRO z kuchyní a stravoven
Funkní schéma BPS
Technickéešení BPS Bioplynová stanice se skládá ze souboru jednotlivých objekt, které lze rozdlit na: Nádrže pro skladování tekutých odpad zejména kejdy Zásobník (skládka) pro skladování tuhých odpad - chlévské mrvy Zásobník pro kofermentované materiály (nap. odpady z veejného stravování) Homogenizaní jímka Reaktor - fermentaní nádrž Nádrž pro dofermentaci Biofiltr (pro zachycení a redukci produkované pachové zátže) Skladová jímka zpracované, smsi Zásobník bioplynu (plynojem) Zaízení pro úpravu bioplynu Zaízení pro využití bioplynu energoblok Transformaní stanice (VN/NN) Obslužné komunikace a zpevnné plochy v areálu BPS Provozní budova (kancelá, sociální zaízení, dílna údržby, garáž pro techniku a mechanizaci)
Zásobník pro skladování tuhých odpad
Reaktor
Reaktory vejité anaerobní reaktory válcové anaerobní reaktory horizontální vyhnívací nádrž jednoduchá vertikální vž
Kogeneraní jednotka
Využití bioplynu SPALOVÁNÍ zužitkování bioplynu v Bunsenovu hoáku na dmýchadlovém hoáku VYTÁP NÍ BIOPLYNEM a) kotle s atmosférickými hoáky pro malý výkon od 10-30 kw b) s dmýchadlovými hoáky pro vtší výkon Na kotle s vyrovnávajícími zásobníky je napojeno vytápní domu, ohev fermentoru, zásobování užitkovou vodou
Využití bioplynu KOGENERACE TEPLA A EL. ENERGIE V tomto pípad je bioplyn využíván jako pohonná hmota pro spalovací motor pohánjící generátor pro výrobu síového naptí (stídavý proud, resp. tífázový). Odpadní teplo z chlazení motoru a výfukové plyny lze využít pro vytápní. Pro výrobu proudu se nabízejí 2 metody: 1) Výroba orientovaná podle poteby roste-li poteba, roste i výroba 2) Rovnomrná výroba motor bží vtšinou 24 h denn se stejným zatížením.
Využití bioplynu ZÁSOBOVÁNÍ PLYNOVODNÍ SÍT pímé zásobování plynovodní sít bioplynem. je možno až od objemu 50 m 3 /h výroby. plyn je nutno ped dodáním do sít odvodnit a odsíit a musí být oddlen CO 2
Literatura František Straka: Bioplyn píruka pro výuku, projekci a provoz boplynových stanic, íany 2003 Heinz Schulz, Barbara Eder: Bioplyn v praxi, Ostrava 2004 Peter Lechner: Kommunale Abfallentsorgung, Facultas, Wien 2004 M. Laaber, R. Braun und R. Kirchmayr: Biologische Prozessoptimierung von Biogasanlagen. Input, Informationsmagazin der ARGE Kompost und Biogas, 1/06, Linz 2006 D. Hornbachner, G. Hutter, D. Moor: Biogas-Netzeinspeisung, Berichte aus Energie - und Umweltforschung, 19/2005