NOVÉ TRENDY VE VYUŽITÍ BIOPLYNU Jiřina Čermáková, Daniel Tenkrát Proces anaerobní fermentace je v dnešní době využíván v 30 zemědělských bioplynových stanicích a stovce čistíren odpadních vod v České republice. Veškerá produkce bioplynu je spotřebována pro produkci tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách, přičemž většina odpadního tepla bývá během roku nevyužita. Alternativní možností využití bioplynu je jeho úprava na kvalitu zemního plynu, tzv. biomethan. Tento příspěvek se zabývá procesem fermentace a srovnáním jednotlivých čistících metod bioplynu na biomethan. Klíčová slova: biomethan, bioplyn ÚVOD Bioplyn vzniká biologickým rozkladem organických látek v anaerobních podmínkách a tento proces se nazývá methanová fermentace, anaerobní digesce, biometanizace nebo biogasifikace. Dle technického předpisu TPG 902 02 termínem bioplyn je označován surový plyn produkovaný anaerobní fermentací různými druhy bioplynových stanic, a čistíren odpadních vod (ČOV). Za bioplyn není nepovaţován skládkový plyn, který můţe obsahovat širokou škálu škodlivých a jedovatých plynů a proto jej není moţné vtláčet do veřejných plynárenských sítí. Výsledkem methanové fermentace je vţdy směs plynů a fermentovaný zbytek organické hmoty. Plynná směs obsahuje především metan a oxidu uhličitý a v menší míře také další minoritní sloţky organického nebo anorganického charakteru, např. sulfan, dusík, čpavek, vodu, siloxany a jiné. Poměrné zastoupení všech sloţek bioplynu závisí nejen na sloţení výchozího substrátu, ale také na způsobu výroby. Bioplyn vzniká z organické hmoty, která zahrnuje jak rostlinou biomasu (fytomasu) a ţivočišnou biomasu, tak vedlejší organické produkty či organické odpady. Vhodnost materiálu pro anaerobní fermentaci můţe být významně narušena např. stopovým mnoţstvím neţádoucích příměsí (zpravidla potlačují vznik fermentačních bakterií) nebo nevhodnou manipulací či nesprávným předchozím zpracováním. Největší mnoţství methanu vzniká při fermentaci z rozkladu polysacharidů, lipidů a proteinů. Jedna z hlavních stavebních látek fytomasy je lignin, který je z hlediska methanogeneze balastním prvkem a tvorby methanu se téměř neúčastní, pokud není fyzikálně-chemickými procesy předem zpracován. Optimální obsah sušiny pro zpracování tuhých odpadů anaerobní fermentací je 22 aţ 25 %, u kapalných odpadů je v rozmezí 8 aţ 12 %. Dolní hranice obsahu sušiny v substrátu je dána pozitivní ekonomickou a energetickou bilancí procesu a zpravidla dosahuje hodnoty 3 5 %. Horní obsah sušiny je omezen mezí čerpatelnosti materiálu a fermentačním procesem a pohybuje se okolo 50 %. Dalším důleţitým parametrem v procesu fermentace je doba zdrţení materiálu ve fermentoru. Ţivočišná biomasa je snadno rozloţitelným substrátem a její kumulativní produkce bioplynu dosahuje maxima přibliţně ve třiceti dnech, poté je produkce bioplynu nízká a z ekonomického hlediska nevýznamná. Odbouratelnost organické hmoty v ţivočišné biomase činí 40 60 % a na jeho fermentaci obvykle stačí jeden fermentor s dobou zdrţení do 30 dnů. Jiná situace nastává v případě kukuřičné siláţe, kde vyšší podíl hůře rozloţitelné hemicelulózy prodluţuje hydrolyzní a acidogenní fázi rozkladu a doba zdrţení potřebná pro odbourání organické hmoty se prodlouţí na 50 140 dnů. V praxi je tato skutečnost řešena dvěma reaktory za sebou s dobou zdrţení 30-40 dní (celkem 60 80 dní). Rozloţitelnost organické sušiny u siláţované kukuřice dosahuje 60 90 %. Různé typy substrátů se také liší v produkci bioplynu jak vyplývá z tabulky 1. V okolí bioplynové stanice obvykle není dostatečné mnoţství jednoho substrátu a je tedy výhodná kofermentace různých substrátů. Při vhodném zvolení substrátů lze zlepšit produkci a výkon bioplynové stanice či zvýšit obsah sušiny nebo naopak. V současné době je většina bioplynových stanic provozována v mezofilním reţimu při teplotě cca 38 C. Aby bylo dosaţeno ţádoucí fermentační teploty, je nutné fermentor otápět. Na 1 m 3 objemu fermentoru je zapotřebí cca 200 500 kwh/rok energie pro ohřev a vyrovnání tepelné ztráty v závislosti na roční době (průměr 350 kwh/rok), coţ přibliţně odpovídá 10 15 % z celkově vyrobeného tepla v kogenerační jednotce. Další energie při fermentaci je spotřebovávána na provoz míchadla. Dobré promíchání je dosaţitelné při spotřebě energie 5 aţ 8 W/m 3 reaktoru za hodinu. Spotřeba energie na míchání je silně závislá na vlastnostech reagující suspenze Ing. Jiřina Čermáková, VŠCHT Praha, Technická 5, 166 28 Praha 6, jirina1.cermakova@vscht.cz / 21 /
a obsahu sušiny. Celková spotřeba elektrické energie na produkci bioplynu dosahuje cca 5 % z celkově vyrobené elektřiny v kogenerační jednotce. Tab. 1 Produkce bioplynu pro vybrané substráty Substrát Obsah sušiny [%] Organická sušina v sušině [%] Produkce bioplynu Obsah CH 4 m 3 /t org. m 3 /t vlhké v bioplynu sušiny hmoty [%] Hovězí kejda 8,8 85 280 21 55 Prasečí kejda 6 85 400 20,4 60 Siláţovaná kukuřice 33 96 586,1 185,3 52,2 Travní siláţ 35 89 583,8 182,3 54,1 Zbytky z krmení 34 92,5 585 184 53 Podestýlka pšeničná sláma 86 91,5 369 290 51 Ţito - zrno 87 90 1000 45 68 Kuchyňské odpady bohaté na tuky 18 92 761,5 126,5 61,9 Jednou z variant vyuţití bioplynu je jeho spotřeba pro energetické účely v místě vzniku na výrobu tepla a elektrické energie převáţně v kogeneračních jednotkách. Kogenerační jednotky obvykle pracují s účinností 80 %, přičemţ 38 % tvoří elektrická účinnost a 42 % tepelná účinnost. Vyrobené teplo je vyuţíváno pro produkci teplé uţitkové vody, pro ohřev fermentorů či pro otápění provozních budov. I přes značné moţnosti vyuţití odpadního tepla nebývá veškeré mnoţství zuţitkováno a tak dochází po většinu roku ke ztrátám energie. Schématické znázornění vyuţití bioplynu v kogenerační jednotce je zobrazeno v obrázku 1. Po odečtení provozních nákladů na výrobu bioplynu a ztrát způsobných kogenerační jednotkou při přeměně bioplynu na teplo a elektřinu lze vyuţít téměř 65 % energie z bioplynu při plném vyuţití tepla. Pokud není zajištěno vyuţití odpadního tepla lze z bioplynu vyuţít pouze 35 % energie. Fáze Proces Produkt Transport Siláž Produkce bioplynu Ohřev + Anaerobní digesce + míchání Bioplyn Využití bioplynu KJ Teplo Obr. 1 Vyuţití bioplynu v kogenerační jednotce Jinou moţností vyuţití bioplynu je jeho úprava na plyn srovnatelný kvalitou a čistotou se zemním plynem, na tzv. biomethan, který lze srovnatelně vyuţít jako zemní plyn transportovaný z ruských nebo norských nalezišť. Hlavní předností biomethanu je moţnost jeho vyskladnění do stávající plynovodní sítě a následná distribuce aţ k místům lepšího vyuţití, např. k vysoce účinným polygeneračním zařízením či plnícím stanicím na CNG, čímţ dojde k plnému vyuţití odpadního tepla a energetická účinnost vzroste. Schématické znázorněné vyuţití bioplynu jako náhradního zemního plynu je uvedeno v obrázku 2.. / 22 /
Fáze Proces Produkt Transport Siláž Produkce bioplynu Ohřev + Anaerobní digesce + míchání Bioplyn Produkce biomethanu Čištění Regulace tlaku Biomethan Vtláčení + distribuce Využití biomethanu Elektrárna Kotel Teplo Komprese Bio CNG Obr. 2 Vyuţití bioplynu jako náhradního zemního plynu ZPŮSOBY ÚPRAVY BIOPLYNU Dříve neţ lze vyrobený bioplyn pouţít jako náhradní zemní plyn, musí být zbaven neţádoucích sloţek, kterými jsou především sulfan, oxid uhličitý a voda. V reálném provozu jsou ověřeny a pouţívány metody zaloţené zejména na absorpčním a na adsorpčním principu. Další perspektivní metodou se jeví membránová separace, která má jiţ první komerční nasazení. Adsorpce Proces adsorpce vyuţívá Van der Walsových sil, které váţou molekuly odlučovaného plynu na povrch vysoce porézní pevné látky. Adsorpce zpravidla probíhá za zvýšeného tlaku a desorpce (regenerace sorbentu) při sníţeném tlaku. PSA - Pressure Swing Adsorption Před pouţitím této metody je nutné surový bioplyn nejprve odsířit a vysušit aţ na poţadované koncentrace, které činí maximálně 500 mg/m 3 sulfanu a 0,2 g/m 3 vody v bioplynu, jinak dochází k trvalému poškození zařízení. Odsířený vlhký plyn je stlačen na potřebný provozní tlak cca 4 7 barů, přičemţ dojde k jeho ohřátí z 25-35 C na 60 90 C a který je následně zchlazen na teplotu 10 aţ 20 C, přičemţ se odloučí zkondenzovaná voda a plyn je částečně vysušen. Takto vyčištění plyn se přivádí zespodu do adsorbéru, který obsahuje molekulové síto tvořené velmi jemně rozemletým uhlíkem v extrudované podobě. Na tomto adsorbentu se zachycuje CO 2 a zbytkové koncentrace H 2O, H 2S a NH 3 a rovněţ malé mnoţství methanu. Z horní části adsorbéru vychází upravený bioplyn s koncentrací methanu 96 98 %. Po nasycení adsorpčního materiálu je bioplyn veden do druhé sady adsorbérů a dochází k regeneraci sorbentu. Absorpce Absorpce je zaloţena na rozdílné rozpustnosti methanu a neţádoucích plynů (CO 2, H 2S a NH 3 v pracích kapalinách. Podle způsobu pohlcení plynů se jedná buď o fyzikální nebo chemickou absorpci. / 23 /
Vodní tlaková vypírka Pressure Water Absorption (PWA) Surový bioplyn je dvoustupňově stlačen na pracovní tlak 4 7 barů a ochlazen na 15 C a poté přiveden na dno absorpční kolony. Plyn je v koloně protiproudně skrápěn vodou o teplotě 5 nebo 25 C. V absorpční koloně se do vody rozpouští kyselé a basické sloţky, přičemţ při niţší teplotě je absorbováno jejich větší mnoţství. Stejný účinek má také zvýšený tlak. Vyčištěný plyn obsahuje aţ 96 % methanu, 1 2 % CO 2 a zbytek tvoří kyslík a dusík. Plyn je zcela nasycen vodní párou, a proto musí být před dalším pouţitím vysušen, případně musí být odstraněny zbytkové koncentrace síry na aktivním uhlí. Proces tlakové vypírky neodstraní z bioplynu N 2 a O 2, které mohou být dále odstraněny na aktivním uhlí nebo pomocí membránových procesů. Odpadní voda je přiváděna do regenerační kolony, kde dochází v prvním stupni k uvolnění zbytkového mnoţství methanu, které se přimíchává k surovému bioplynu před druhým kompresním stupněm. Tím klesnou ztráty methanu pod 2 %. Do desorpční kolony je přiváděn vzduch, který po průchodu kolonou obsahuje asi 30 % CO 2 a 0,1 % H 2S. Odpadní plyn je odsiřován např. pouţitím biofiltru a vypouštěn do atmosféry. Chemická vypírka Narozdíl od vodní tlakové vypírky jsou neţádoucí plyny odstraňovány chemickou reakcí. Výhodou tohoto procesu je vyšší selektivita a rozpustnost plynů i při atmosférickém tlaku. Nejčastěji pouţívaným sorbentem je monoetanolamin (MEA), který je naředěn vodou na maximální koncentraci 50 %. Vstupní surový bioplyn je stlačován pouze na cca 50 kpa, aby byl překonán odpor skrápěcí kolony, a protiproudně skrápěn prací kapalinou (MEA). Obohacený bioplyn s koncentrací methanu 96 99 % odchází hlavou kolony. Regenerace sorbentu probíhá v desorpční koloně za zvýšené teploty, při které se část vody odpaří. Základní parametry jednotlivých čistících procesů jsou srovnány v následující tabulce 2. Z tabulky je patrné, ţe při procesu vypírky methanolaminem vzniká biomethan s nejvyšším obsahem methanu a dochází k nejmenším ztrátám methanu. Tento proces spotřebovává i nejméně elektřiny na provoz absorbérů, ale je zde nutné další teplo na ohřev kolony na pracovní teplotu a regeneraci sorbentu, coţ je značně energeticky náročné a spotřeba energie dosahuje aţ 0,5 kwh/m 3 surového bioplynu. Na vyčištění bioplynu se spotřebuje 5 8 % energie obsaţené v bioplynu v závislosti na pouţité metodě. Tab. 2 Srovnání parametrů jednotlivých čistících procesů Parametry PSA PWA MEA Absorpční proces - fyzikální chemický Předčištění 1 ano ne ano Pracovní tlak [bar] 4-7 4-7 atmosférický Ztráty methanu 3 10 % < 1 % < 0,1% Obsah methanu v plynu > 96 % > 97 % > 99 % Spotřeba elektřiny [kwh/m 3 ] 0,25 < 0,25 < 0,15 Teplota [ C] - - 160 Regulovatelnost v % jmenovitého zatíţení +/- 10 15 % 50 100 % 50 100 % 1 Obsah síry v plynu před pouţitím musí být menší neţ 500 mg/m 3. Při vyšším obsahu sulfanu nutno zařadit primární odsíření. Po vyčištění lze upravený bioplyn vtláčet do plynárenské sítě. Vhodně se jeví zejména vtláčení do středotlaké nebo vysokotlaké plynárenské sítě, kde výstupní tlak plynu z čistícího zařízení je dostatečný a není nutná další komprese plynu a náklady spojené s kompresí a distribucí plynu jsou tak minimální. Úprava bioplynu na biomethan má velkou výhodou oproti kogeneračním jednotkám, není zde poţadavek na vyuţití odpadního tepla a energie vyuţitelná z bioplynu vzroste na 74 %. Nespornou výhodou je také moţnost skladování biomethanu oproti elektrické energii a teplu. Jedny z nejvýznamnějších bariér pro vtláčení biomethanu do plynovodní sítě jsou nedostatečné ekonomické a technické podmínky výkupu biomethanu z provozu bioplynových stanic v České republice. V současné době lze biomethan bez větších problémů spotřebovávat jako motorové palivo pro pohon traktorů či automobilů. Před jeho / 24 /
pouţitím je nutné biomethan komprimovat na tlak 20 30 MPa. Energie potřebná na stlačení biomethanu se pohybuje okolo 0,26 kwh/m 3 upraveného bioplynu a tímto krokem klesne energie vyuţitelná z bioplynu na cca 70 %, která je i tak oproti kogenerační jednotce vyšší. V případě vyuţití biomethanu pro pohon motorových vozidel i zde existují určité překáţky a bariéry, např. nedostatečná infrastruktura plnicích stanic CNG v porovnání s hustou sítí čerpacích stanic na kapalné pohonné hmoty. ZÁVĚR V současné době je v České republice téměř veškerý vyprodukovaný plyn vyuţíván pro energetické účely v kogeneračních jednotkách pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Takovéto vyuţití bioplynu v místě produkce je jiţ osvědčené a nevyţaduje odstraňování CO 2 a dalších neţádoucích sloţek a je silně podporováno dotačními programy či povinným výkupem elektrické energie. Přitom úprava bioplynu na biomethan ať uţ pro účely vtláčení do plynárenské sítě nebo pro pohon motorových vozidel je mnohem efektivnější způsob vyuţití bioplynu, při kterém se získá skladovatelný produkt, neţ výroba tepla a elektřiny v kogeneračních jednotkách. Tento způsob vyuţití je zejména vhodný tam, kde není úplně vyuţito odpadní teplo. Prozatím veškeré snahy upravovat bioplyn na kvalitu zemního plynu naráţejí na nedostatečnou legislativu a nulovou podporu ze strany státu. Vyuţití bioplynu v dopravě závisí ve značné míře na rozvoji zemního plynu v dopravě, především na vybudování sítě čerpacích stanic pro CNG a výrobu a prodej vozidel na CNG. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory MŠMT ČR, výzkumný záměr MSM 604 613 7304. POUŽITÁ LITERATURA [1] Straka F. a kol.: Bioplynu druhé rozšířené vydání, Gas s.r.o., Praha, 2006 [2] Šebor G., Pospíšíl M., Ţákovec M.: Technicko-ekonomická analýza vhodných paliv v dopravě, Praha, 2006 [3] Klinski S.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, IE-Leipzig, ISBN 3-00-018346-9, Leipzig, 2006 [4] Tenkrát D., Prokeš O.: Plynná paliva z alternativních (obnovitelných) zdrojů a moţnosti jejich přepravy a distribuce ve stávající plynovodní síti, Chem. Listy, 2008 [5] Tentscher W.: Anforderung und Aufbereitung von Biomas zur Einspeisung n Erdgasnetze, Gas Erdgas, 2007 [6] Persson M.: Evaluation of Upgrading Techniques for Biogas, October 2003 [7] Beil M.: Biogasaufbereitung eine Einführung, Biogasaufbereitung zu Biomethan, 6. Hanauer Dialog, 2008 [8] Weidner E.: Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007 2008, Institut Umwelt-, Sicherheits-, Energietechnik, 2008 [9] Schulz H., Eder B.: Bioplyn v praxi, Teorie projektování stavba zařízení příklady, HEL, 2004 / 25 /
/ 26 /