PROJEKT BIOPLYNOVÉ STANICE Radek Kazda Příspěvek přináší základní návrh zemědělské bioplynové stanice na zpracování kukuřičné siláže, uvádí její roční provozní bilanci a ekonomické zhodnocení. Klíčová slova: bioplyn, fermentace, bioplynová stanice, kukuřičná siláž ENERGETICKÉ VYUŽITÍ BIOPLYNU Současná energetická situace ve světě, Českou republiku nevyjímaje, se vyznačuje vysokou poptávkou po energiích a s tím souvisejícím silným nárůstem cen. Tento stav může být rozhodujícím momentem pro investory, kteří chtějí na této situaci profitovat a využít co nejvíce investičních pobídek při realizaci a provozování technologických zařízení na výrobu energií z obnovitelných zdrojů. Zemědělství je bezesporu odvětvím, které má pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů největší možnosti a předpoklady. Jedním z těchto velmi perspektivních obnovitelných zdrojů je bioplyn. V České republice je tradičně ve velké míře využívána anaerobní fermentace jako součást technologie komunálních ČOV. Bioplyn zde vyrobený je především používán pro vlastní potřebu provozů (vyhřívání reaktorů, vytápění objektů, ohřev teplé vody). Velmi dramatický rozvoj zažívá v současné době výstavba bioplynových stanic. Ta svoji dynamikou předčila i rozvoj využívání skládkového plynu, který byl dominantní zvláště v předchozích letech. V roce 2007 bylo k energetickým účelům využito 150,5 mil. m 3 bioplynu, což je o 20% více než v roce 2006 (122,9 mil. m 3 ). Nejvíce se na tomto růstu podílela produkce bioplynových stanic, kde objem vyrobeného bioplynu vzrostl na 28 mil. m 3. Energetický obsah veškerého využitého bioplynu v roce 2007 činil 3 188 631 GJ. Celkem v roce 2007 tvořil bioplyn podíl na hrubé výrobě elektřiny 0,24%, podíl na hrubé domácí spotřebě elektřiny 0,30% a podíl na výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů 6,31%. ZEMĚDĚLSKÉ BPS Zemědělské bioplynové stanice jsou takové bioplynové stanice, které zpracovávají materiály rostlinného charakteru a statkových hnojiv, resp. podestýlky. Na těchto bioplynových stanicích není možné zpracovávat odpady podle zákona č. 185/2001 Sb. o odpadech, ani jiné materiály spadající pod Nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 1774/2002 o vedlejších živočišných produktech. Na zemědělských bioplynových stanicích je možno zpracovávat zejména následující materiály: Živočišné suroviny: kejda prasat, hnůj prasat se stelivem, kejda skotu, hnůj skotu se stelivem, hnůj a stelivo z chovu koní, koz, králíků, drůbeží exkrementy, včetně steliva atd. Rostlinné suroviny: sláma všech typů obilovin i olejnin, plevy a odpad z čištění obilovin, bramborová nať i slupky z brambor, řepná nať z krmné i cukrové řepy, kukuřičná sláma i jádro kukuřice, travní biomasa nebo seno (senáže), nezkrmitelné rostlinné materiály (siláže, obiloviny, kukuřice) atd. Pěstovaná biomasa: obiloviny v mléčné zralosti čerstvé i silážované, kukuřice ve voskové zralosti čerstvá i silážovaná, krmná kapusta čerstvá i silážovaná, prutová biomasa (štěpky nebo řezanka z listnatých dřevin) atd. Hlavní důvody využití anaerobní fermentace organických materiálů, jejichž původ je v zemědělství, jsou: produkce kvalitních organických hnojiv, získání vedlejšího zdroje energie, odstranění negativního vlivu na pracovní a životní prostředí. Bc. Radek Kazda, ČVUT v Praze, radek.kazda@fs.cvut.cz /51 /
Zdroj organických materiálů HLAVNÍ PRVKY BIOPLYNOVÉ STANICE Sběr a transport do příjmové nádrže musí s malými výkyvy odpovídat nominální výkonnosti strojní linky. Příjem a úprava materiálu Skladovací nádrže mohou být vybaveny zařízeními na separaci hrubých příměsí, na ředění vodou, zahušťování řídkého materiálu, předehřev materiálu, homogenizaci, automatické dávkování do fermentoru. Fermentor (reaktor) Reaktor je nejdůležitější součást strojních linek, která rozhoduje o kvalitní funkci celé strojní linky. Většina bioplynových stanic má reaktor válcový, betonový, kovový nebo plastový s osou svislou nebo vodorovnou. Řízený metanogenní proces znamená, že reaktor je vybaven míchacím zařízením, ohřevem, homogenizačním zařízením a dávkovacím zařízením. Bioplynová koncovka Bioplynová koncovka obsahuje potrubí na dopravu bioplynu, bezpečnostní zařízení proti zpětnému zahoření plynu, dmychadlo, zásobník (plynojem), regulační a kontrolní prvky, zařízení na úpravu bioplynu (čištění od H 2O, CO 2, H 2S, mechanických nečistot atd.), zařízení na konečné využití bioplynu (kogenerační jednotka), hořák zbytkového plynu. Kalová koncovka Kalová koncovka sestává z armatur, dopravních čerpadel, homogenizátorů, skladů, separačních zařízení (spádové síto, šnekový lis, dekantér, rotační síto, pásový lis). Chemické čištění s biologickým stupněm je účelné tam, kde odvod tekutých frakcí končí v blízké vodoteči. Radikálně však narůstá celková pořizovací hodnota a je účelné, když toto čištění můžeme vypustit a substrát použít jako hnojivo. Základní návrhové parametry NÁVRH BIOPLYNOVÉ STANICE Základní vstupní hodnotou pro výpočet je elektrický výkon kogenerační jednotky, který je volen 500 kw. Další parametry kogenerační jednotky jsou tepelný výkon 600 kw, celková účinnost 84% a roční doba provozu 8 000 h. Substrátem pro výrobu bioplynu bude kukuřičná siláž. Bioplyn má výhřevnost 23 MJ/m 3 (obsah metanu kolem 60%). Jeho roční spotřeba potom činí 1 640 000 m 3. Potřeba kukuřičné siláže při výtěžnosti bioplynu 190 m 3 /t bude 8 632 t/rok. To při výnosu kukuřice 32 t/ha odpovídá osevní ploše 270 ha. Hmotová bilance Do fermentoru vstupuje substrát s obsahem sušiny 32% v množství 8632 t/rok. Ten je ve fermentoru ředěn na obsah sušiny 12%. To je zajištěno cirkulujícím tekutým digestátem. Digestát je z fermentoru čerpán do koncového skladu digestátu, odkud je část odváděna v tekuté formě s obsahem sušiny 6% a zbytek, po separaci, v tuhé formě s obsahem sušiny 25%. /52 /
Hmotová bilance je přehledně zobrazena na následujícím obrázku. Bioplyn Kukuřičná siláž 32% sušina Fermentace 12% sušina Koncový sklad digestátu Tekutý digestát 6% sušina 6% sušina Separace 6% sušina Tuhý digestát 25% sušina Obr. 1 Hmotová bilance Energetická bilance Hlavními složkami vystupujícími v energetické bilanci jsou vyrobená elektřina a teplo. Část vyrobené elektřiny se využije k vlastní spotřebě bioplynové stanice. Jedná se hlavně o pohony míchadel, čerpadel a dávkovačů substrátu. Z vyrobeného tepla se část využije pro ohřev substrátu ve fermentoru. Tato hodnota bude uvažována 30%. Ostatní teplo bude uvažováno jako odpadní, tj. nebude dále využito. Energetická bilance je znázorněna na následujícím obrázku. Vlastní spotřeba elektřiny 6% Prodaná elektřina Kukuřičná siláž Fermentace Bioplyn 100% Kogenerační jednotka Vyrobená elektřina 38% Ztráty 16% Vyrobené teplo Vlastní spotřeba tepla 30% 46% Odpadní (prodané) teplo Obr. 2 Energetická bilance /53 /
Přehled celkové bilance Celkovou roční bilanci fermentace, kogenerační jednotky a celé BPS zobrazuje přehledně následující tabulka. Tab. 1 Celková roční bilance Fermentace Kogenerační jednotka Bioplynová stanice Kukuřičná siláž [t] 8 632 Vstup Cirkulovaný digestát [t] 28 773 Elektřina [MWh] 240 Teplo [MWh] 1 440 Bioplyn [tis. m 3 ] 1 640 Výstup Tekutý digestát [t] 3 180 Tuhý digestát [t] 5 452 Vstup Bioplyn [tis. m 3 ] 1 640 Olej [kg] 1 600 Výstup Elektřina [MWh] 4 000 Teplo [MWh] 4 800 Vstup Kukuřičná siláž [t] 8 632 Prodaná elektřina [MWh] 3 760 Výstup Odpadní teplo [MWh] 3 360 Tekutý digestát [t] 3 180 Tuhý digestát [t] 5 452 EKONOMIKA PROJEKTU Náklady Měrné náklady jsou závislé na mnoha skutečnostech (lokalita, dostupná infrastruktura, zpracovávaný substrát atd.). Přibližná závislost měrných investičních nákladů na instalovaném elektrickém výkonu je zobrazena na obrázku 3. Je z něj vidět, že optimální je stavět bioplynovou stanici od instalovaného výkonu 400 až 500 kw e. Obr. 3 Závislost měrných investičních nákladů na výkonu Provozní náklady na bioplynovou stanici bude tvořit servis a údržba kogenerační jednotky, servis a údržba pomocných zařízení (např. míchadla, čerpadla, dávkovače substrátu), mzda obsluhy a náklady na výrobu /54 /
kukuřičné siláže. Ke stanovení ročních nákladů je nutné údržbu rozepsat do dvou částí technika a stavba. Pro zjednodušený výpočet se počítá s 60% investice na techniku a 40% na stavbu. Na opravu techniky tedy počítáme se 4% z 60% celkové investice a na údržbu stavebních těles s 0,5%řiny1 celkové investice. Na pojištění bioplynové stanice se počítá s 0,5% celkového objemu investic. Náklady na výrobu kukuřičné siláže se zvolí podle normativů VÚZT. Příjmy Příjmy z provozu bioplynové stanice bude tvořit prodej elektřiny a případně část prodaného tepla. Výkupní ceny elektřiny z obnovitelných zdrojů stanovuje Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu. Z celkového ročního množství vyrobeného tepla 4 800 MWh bude 30% využito k ohřevu fermentoru. Část tepla je možno využít pro potřeby zemědělského podniku, např. pro ohřev teplé vody, vytápění budov, sušení obilí apod. Další možnosti využití odpadního tepla závisí na umístění zemědělského podniku. Ty se většinou nachází v blízkosti menších obcí, kde jsou minimální možnosti prodeje tepla. V tomto projektu proto nebude uvažován žádný prodej tepla. Celkové investice a roční náklady a výnosy uvádí následující tabulka. Hodnoty jsou uvedeny v tisících Kč. Tab. 2 Náklady a výnosy bioplynové stanice Ekonomické hodnocení projektu Investiční náklady 60 000 Roční výnosy Prodej elektřiny 15 490 Údržba techniky 1 440 Údržba stavebních těles 120 Roční náklady Výroba kukuřičné siláže 6 210 Pojištění 300 Ostatní náklady 300 Ekonomické hodnocení je provedeno metodou čisté současné hodnoty, metodou vnitřní výnosové míry a určením doby návratnosti. U čisté současné hodnoty se vyžaduje kladná hodnota, doba návratnosti do 10 let je přijatelná. Tab. 3 Výsledky ekonomického hodnocení Kritérium Hodnota Čistá současná hodnota NPV [tis. Kč] 21 640 Vnitřní výnosová míra IRR [%] 14,1 Doba návratnosti T n [roky] 9 Z výpočtu uvedených kritérií je, že z ekonomického hlediska je vhodné takový projekt realizovat. V tomto případě byl jako jediný výnos uvažován prodej elektřiny, a to za cenu 4 120 Kč/MWh. Minimální výkupní cena elektřiny, aby projekt byl ještě výhodný, tj. NPV = 0, je 3 450 Kč/MWh. V reálném případě by bylo možno zvýšit výnosy využíváním odpadního tepla. Možnosti prodeje tepla jsou ale vzhledem k umístění zemědělských podniků většinou značně omezené. Odpadní teplo je využíváno hlavně pro potřeby zemědělského podniku. Další výnosy by tak mohly tvořit úspory za elektřinu pro ohřev teplé užitkové vody, za uhlí nebo plyn pro vytápění objektů, za plyn pro sušení obilí apod. Také by mohlo dojít ke snížení investičních nákladů podniku využitím dotací. V současné době to umožňuje hlavně Program rozvoje venkova, který platí do roku 2013. POUŽITÁ LITERATURA 1 KÁRA, J, PASTOREK, Z, PŘIBYL, E (2003): Výroba a využití bioplynu v zemědělství, Praha. 2 KAZDA, R (2009): Projekt bioplynové stanice pro zemědělský podnik (bakalářská práce), Praha, 43 s. /55 /
/56 /