1 ECONOMIC MODELLING OF BIOGAS PRODUCTION OLDŘICH MUŽÍK, ZDENĚK ABRHAM Research Institute of Agricultural Engineering Abstract: The contribution deals with modelling of biogas plants economy. The model of biogas plant economy computing works with given data on proceeded material, its amount and physical and chemical properties. On basis of these data is estimated biogas production and its energy yield. According to the proceeded material type and amount is also allocated the most suitable technology of anaerobic digestion and from it resulting investment costs. To determine operational costs the simplified estimation is used on basis of experiences of practise. After variant ordering of biogas utilization possibilities the model will estimate yields and calculate assuming return on investment. Keywords: biogas, biogas plant, anaerobic digestion, economy of biogas plant. 1. Úvod Jedním z cílů Evropské unie (EU) v oblasti energetiky je do roku 2010 pokrýt z obnovitelných zdrojů 12 % primární energetické bilance a 22% produkce elektrické energie. Biomasa tvoří v celkové bilanci OZE okolo 65%. Anaerobní digesce je jedním z perspektivních způsobů materiálového a energetického využití biomasy. Jde o dynamicky se rozvíjející technologie, při které dochází k přeměně surové organické hmoty na biologicky stabilizovaný substrát a bioplyn (BP). V České republice je v současnosti v provozu 12 zemědělských bioplynových stanic (BPS) a předpokládá se jejich výrazný nárůst. 2. Modelování ekonomiky bioplynových stanic Před rozhodnutím o výstavbě bioplynové stanice je mimo jiné nezbytně nutné provést podrobné propočty ekonomiky plánované stavby. Tyto propočty by měly rozhodnout o ekonomické realizovatelnosti stavby a měly by být provedeny odborníky v daném oboru. Tento krok s sebou ale sám o sobě přináší nezanedbatelné náklady, a je proto žádoucí vypracovat základní odhad ekonomiky zamýšlené stavby ještě před zadáním zakázky projekční kanceláři. Právě k tomuto účelu by měl sloužit model ekonomiky BPS vypracovaný ve VÚZT. 2.1 Vstupní údaje 2.1.1 Základní vlastnosti zpracovávaných materiálů Nejdůležitějšími údaji pro zjednodušený výpočet ekonomiky BPS jsou množství a vlastnosti zpracovávaného materiálu. Nejvýznamnějšími vlastnostmi materiálu pro anaerobní digesci jsou (Pastorek, 2004): podíl organických látek, obsah sušiny, ph poměr uhlíkatých a dusíkatých látek C:N. Z těchto údajů jsou odhadnuty jednak produkce bioplynu a potažmo výnosy plynoucí z jeho využití, tak i investiční náklady. Podíl organických látek a obsah sušiny jsou důležité
1 zejména pro určení produkce bioplynu. Pro optimalizaci surovinové skladby pal i ph a poměr C:N. Tyto základní vlastnosti materiálů vhodných pro anaerobní digesci včetně měrné produkce BP jsou uloženy v databázi materiálů, se kterou výpočtový model pracuje. Jako nutné vstupní údaje tedy postačí množství a druh zpracovávaného materiálu, ale pro zpřesnění výpočtu je dobré si základní vlastnosti uvedené v tabulce 1 nechat přesně stanovit. Příklad obsahu databáze materiálů je uveden v tabulce 1. Tab. 1: Základní fyzikální a chemické vlastnosti vybraných materiálů Materiál Organické látky [% suš.] Sušina [%] Poměr C:N ph Měrná produkce BP [m 3.kg -1 org. suš.] Kejda prasat 72-78 2-9 10-15:1 6,5-7,6 0,22-0,64 Kejda skotu 70-81 1-6 14-18:1 6,2-8 0,2-0,52 Kejda drůbeže 65-76 3-18 10:1 7-8 0,33-0,72 Čerstvě posečená tráva 80-92 15-25 12-25:1 6,0-6,5 0,64 Kuchyňský odpad 75-88 20-35 15-20:1-0,4-0,6 2.1.2 Investiční náklady Investiční náklady na vybudování BPS jsou závislé na celé řadě faktorů. Odvíjí se nejen od velikosti zařízení a instalované technologie, ale také podle toho zda je stavba realizována svépomocí nebo dodavatelsky a na podílu svépomocných prací. Podle zkušeností z dosavadní výstavby BPS v Německu se specifické investiční náklady na svépomocné stavby v závislosti na velikosti pohybují kolem 350-600 na velkou dobytčí jednotku (VDJ) a 550-1500.VDJ -1 u dodávaných zařízení. Investice na vybudování bioplynové stanice na zpracování tekutých materiálů je rozdělena přibližně takto (Schulz, 2004): stavební část (fermentor s izolací a ostatní stavby) 43%, kogenerace (kogenerační jednotka, plynovod a plynojem, náklady na připojení k síti) 23%, technologický ohřev (skladování odpadního tepla, vytápění fermentoru a napojení ostatních spotřebičů teplé vody) 17%, kejdové hospodářství (čerpací a míchací technika, potrubní vedení a vyvážecí technika) 13%, projektová příprava - 4% investičních nákladů. Ke stanovení celkových předpokládaných investičních nákladů je třeba nejdříve odhadnout náklady na vybudování stavební části. Tyto náklady se odvodí z množství zpracovávaného materiálu a tedy od velikosti fermentoru. Pro dimenzování bioplynové stanice je nejdůležitější, jaké množství materiálu má být zpracováno. V případě, že tyto údaje nejsou přesně k dispozici, je možné je odhadnout např. na základě měrné produkce exkrementů hospodářských zvířat nebo dle průměrných výnosů konkrétních plodin. I toto hodnoty jsou pro nejběžnější materiály zahrnuty v databázi. Potřebný objem fermentoru model spočítá z denního množství zpracovávaného materiálu a střední doby zdržení ve fermentoru. Střední doba zdržení materiálu ve fermentoru se u průtokových zařízení pohybuje mezi 20-30 dny. Z potřebného objemu fermentoru odhadneme investiční náklady na stavební část BPS dle měrných investic na 1 m 3 fermentoru, které jsou uvedeny v tabulce 2.
1 Tab. 2 Investiční náklady na zemědělské bioplynové stanice (Schulz, 2004) Specifická investice (Kč) Celková investice (Kč) Investice na VDJ 14 500 26 000 2 958 000 5 304 000 Investice na m 3 objemu fermentoru 7 250 11 600 2 610 000 4 176 000 Investice na vyrobenou kwh el 11-17 3 276 350 5 063 450 Z rozložení investičních nákladů na jednotlivé části BPS a nákladů na vybudování fermentoru model odhadne celkové investiční náklady. Investiční náklady se dají stanovit i přesněji pro každý konkrétní případ z cen jednotlivých komponent a stavebních prací. Takto odhadnuté investiční náklady se potom musí doplnit ručně do systému. 2.1.3. Provozní náklady Provozní náklady bioplynové stanice zahrnují odpisy, náklady na opravu a údržbu, spotřebu energie, osobní náklady na obsluhu a provozní režii. Odpisy Ke stanovení ročních nákladů na odpisy je nutné rozdělit investici do dvou částí technika a stavba, protože patří do jiných odpisových skupin. Pro zjednodušený výpočet model počítá s 60% investice na techniku a 40% na stavbu. Náklady na odpisy se pak stanoví podle zařazení jednotlivých částí do odpisových skupin: - stavební část patří do skupiny 4 s dobou odpisů 20 let, - technologické systémy patří do skupiny 2 s dobou odpisování 5 let. Opravy a udržování Výpočet nákladů na opravy a udržování vychází rovněž z investičních nákladů. Jednotlivé části investice mají odlišné nároky na opravy a udržování. Roční náklady na opravy a udržování se uvažují v následující výši: - stavební část 0,5 % z investičních nákladů stavební části - technologické systémy 4 % z investičních nákladů na technologické systémy. Pojištění Náklady na pojištění bioplynové stanice se počítají ve výši 0,5 % z celkového objemu investic. Osobní náklady obsluhy Osobní náklady na obsluhu vychází z osobních nákladů obsluhy na 1 hodinu a z celkové potřeby práce za rok. Dosavadní zkušenosti ukazují, že potřeba lidské práce je cca 30min. denně (Schulz, 2004). Náklady na energii BPS využívá pro svůj provoz vlastní energii, výsledná energetická produkce BPS je snížena o spotřebu energie pro vlastní provoz. Náklady na externí energii se tedy v těchto výpočtech neuvažují. Výsledky z praxe ukazují, že celkové roční provozní náklady bioplynové stanice se pohybují někde mezi 12-20% celkových investic. 2.1.4 Výnosy Při stanovení výnosů model vychází z měrné produkce BP pro konkrétní materiál či směs více materiálů a jeho množství. Údaje o měrné produkci BP a jeho složení z 1 kg organické sušiny jsou opět obsaženy v databázi materiálů a jejich vlastností. Příklad produkce BP z materiálů vhodných pro anaerobní digesci je uveden na obrázku 1.
1 1000 800 800 Produkce bioplynu [m 3. t -1 ] 600 400 245 360 200 150 25 36 65 90 0 kejda skotu prasečí kejda obsahy žaludků zeleninové odpady travní siláž kuchyňské odpady pšeničné odpady tuky a oleje biolog. původu Obr. 1 Měrná produkce bioplynu z čerstvého materiálu (Baserga, 1998) V případě, kdy není blíže specifikován způsob využití BP, počítá model se současnou výrobou elektrické energie a tepla z BP v kogenerační jednotce. Elektrická energie se dodává za garantovanou cenu do sítě a teplo se využívá pro vlastní potřebu. Garantovaná cena elektrické energie z bioplynu dodávané do sítě je podle Cenového rozhodnutí ERÚ č. 10/2005 ze dne 18.12. 2005 stanovena na 2980 Kč.MWh -1. Dalším zdrojem příjmů mohou být poplatky za likvidaci bioodpadů při kofermentaci. 2.1.5 Doplňující údaje způsob využití bioplynu Bioplyn je možné využívat podobně jako jiná plynná paliva. Mezi nejčastější způsoby využití bioplynu patří (Pastorek, 2004): přímé spalování (topení, sušení, chlazení, ohřev užitkové vody apod.), výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média (kogenerace), výroba elektrické energie, ohřev teplonosného média a výroba chladu (trigenerace), pohon spalovacích motorů nebo turbín pro získání mechanické energie, využití bioplynu v palivových článcích. Model umožňuje variantní zadání využití elektrické energie a tepla z kogenerace nebo přímé vložení očekávaných výnosů v případě jiného využití BP. Pro upřesnění výpočtu se v této fázi zadává, jestli bude elektrická energie dodávána do sítě nebo bude nahrazovat vlastní spotřebu. U využití tepla model nabízí 5 variant, a sice možnost využití tepla celoročně, pouze v topné sezóně nebo vůbec a jestli teplo nahrazuje vlastní zdroj tepla (kotel na hnědé uhlí), nebo externě dodávané teplo. Podobně se do systému vkládají i údaje o financování investice z vlastních zdrojů či na úvěr. Úrokovou míru je možné zadat také přímo, v opačném případě systém pracuje s předdefinovanou hodnotou. Modelové investiční náklady lze dodatečně snížit např. při
1 možnosti získat investiční dotace, při svépomocné výstavbě či při levnější přestavbě již existujícího objektu. Funkční schéma modelu je znázorněno na obrázku 2. Obr. 2 Funkční schéma modelu pro výpočet ekonomiky BPS 3. Výsledky modelování ekonomiky BPS Po zadání doplňujících (zpřesňujících) údajů model automaticky dopočítá ekonomickou návratnost investice (return on investment ROI) podle vzorce 1. ROI kde: I P r N pr I = [roky] (1) P r N pr náklady na pořízení investice (Kč), průměrné roční přínosy (Kč), roční provozní náklady (Kč). Tento výpočet však udává pouze statický pohled na investici. Neuvažuje se v něm ani s faktorem času, ani s časovou hodnotou peněz. Pro přesnější výpočet budoucích přínosů z provozu bioplynové stanice proto použijeme vztah, který vyjadřuje tzv. čistou současnou hodnotu hotovostních toků (net present value) NPV. a provoz viz vzorec 2 (Vašíček, 2005): NPV kde: IN T ž (1+r) -1 CF t T = ž t= 1 ( 1+ r) t CF. IN [Kč] (2) t celkové investiční náklady (Kč), doba životnosti zařízení (roky), odúročitel, hotovostní peněžní tok (cash flow), v každém t-tém roce je dán rozdílem očekávaných přínosů a výdajů na realizaci.
1 Obecně pro bioplynové stanice platí, že doba návratnosti investice do 5 let je velmi dobrá a do 10 let přijatelná. Po 15 letech provozu dosáhne většina hlavních prvků bioplynové stanice své životnosti a je potřeba počítat s vyššími náklady na opravy a údržbu. 4. Závěr Model ekonomiky BPS by měl sloužit především zemědělcům a dalším významným producentům zbytkové biomasy, kteří uvažují a vybudování BPS. Ještě před zadáním zpracování projektu odborníkům si mohou snadno ověřit jeho ekonomickou výhodnost. I po získání prvních výsledků lze dále měnit či upřesňovat vstupní a doplňující údaje podle potřeb uživatele. Uživatel si tak může ověřit více variant řešení a vybrat tu nejvhodnější. Model ekonomiky BPS nemůže nahradit práci kvalifikovaného projektanta, ale měl by uživatelům usnadnit rozhodování o budoucí investici a případně zamezit zbytečným komplikacím a chybným rozhodnutím. Příspěvek vychází z výsledků řešení výzkumného záměru MZE 0002703101 Výzkum nových poznatků vědního oboru zemědělské technologie a technika a aplikace inovací oboru do zemědělství České republiky. Příspěvek byl publikován ve sborníku z mezinárodní vědecké konference In Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering v Nitře v roce 2006. Literatura Banout J.: Optimalizace surovinové skladby, výrobní plochy a kalkulace provozních nákladů při výrobě kompostu. Doktorská disertační práce. ČZU. Praha 2005. Baserga U.: Vergäsung-Biogas aus organischen reststoffen und Energie-gras. Schweizer Landtechnik, 1998, č. 6. Schulz H., Eder B.: Bioplyn v praxi. HEL. Ostrava 2004. ISBN 80-86167-21-6 Pastorek Z., Kára J., Jevič P.: Biomasa obnovitelný zdroj energie. FCC Public. Praha 2004. ISBN 80-86534-06-5 Vašíček J.: Zásady ekonomického hodnocení energetických projektů. TZB-info 2005. http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=2565&h=219&pl=39 Váňa J.: Výroba a využití kompostů v zemědělství. Institut výchovy a vzdělávání MZe ČR. Praha 1997. ISBN 80-7105-144-6 Contact address: Ing. Oldřich Mužík, Ing. Zdeněk Abrham, CSc. Výzkumný ústav zemědělské techniky, Drnovská 507, Praha 6, 161 01, Česká republika oldrich.muzik@vuzt.cz, zdenek.abrham@vuzt.cz