Elektrárny Energetické využití bioplynu z odpadních vod
Úvod Výroba a využití bioplynu jsou spojeny s anaerobní stabilizací čistírenských kalů, vznikajících při aerobním čištění komunálních odpadních vod. První čistírny odpadních vod s anaerobní stabilizací kalu byly v ČR v provozu již v polovině minulého století. Dnes prakticky každá čistírna nad 50 000 EO je vybavena touto technologií. Bioplyn vzniká bakteriálním rozkladem organické hmoty za nepřístupu vzduchu. Tento proces se nazývá anaerobní fermentace. Bioplyn je směs plynů, v níž podstatnou část tvoří metan (60-75 %) a zbytek je doplněn oxidem uhličitým (25-40 %) a malým množstvím dalších plynů jako vodík, dusík a sulfan. Hlavním nositelem energie je pouze metan a malé množství vodíku, CO 2 a ostatní příměsi jsou balastními plyny.
Produkce bioplynu v ČOV Čistírny odpadních vod pracují na principu mechanicko-biologického čistění. Čistící proces začíná hrubým předčištěním prostřednictvím lapáků štěrku a česlí, poté voda prochází přes lapáky písku a je přečerpána do usazovacích nádrží. Zde sedimentuje primární kal, který je po zahuštění dále zpracováván metanizací. Kaly jsou čerpány do vyhřívaných metanizačních komor, kde za anaerobních podmínek probíhá metanizace, přičemž se v horní části komor hromadí bioplyn, který je jímán plynojemy.
Produkce bioplynu v ČOV Schéma městské ČOV s anaerobní stabilizací kalu (1-usazovací nádrž, 2-aktivační nádrž, 3- dosazovací nádrž, 4-homogenizační nádrž, 5-vyhnívací nádrž, 6-plynojem, 7-ohřev kalu, 8- odstředivka, PrK- primární kal, PAK - přebytečný aktivovaný kal, RK- recyklovaný kal, KV kalová voda)
Produkce bioplynu v ČOV Při kontrole řádného průběhu fermentačního procesu je nutné vycházet z vnějších ukazatelů. Správně probíhající proces se projevuje vysokými výnosy plynu s malými denními výkyvy při stupních rozkladu sušiny okolo 50%. Další kontrolní opatření je denní kontrola teploty a měsíčně stanovení hodnot ph a obsahu sušiny v substrátu, jakož i obsahu H 2 S v plynu. Proces lze optimalizovat provedením následujících opatření: Zachovávat co nejpřesněji úroveň teploty. Kontinuální přísun substrátu. Nepoužívat velké množství studeného substrátu. Změny ve složení substrátu zavádět pomalu a postupně. Promíchávat často a dlouho. Rovnoměrný ohřev a správné rozdělování tepla ve vyhnívacím prostoru.
Produkce kalů v ČOV Zpracování a likvidace čistírenských kalů se stává jedním z nejdůležitějších a nejkritičtějších problémů čištění městských i průmyslových odpadních vod. V městských čistírnách odpadních vod představují kaly přibližně 1-2 % objemu čištěných vod, je v nich však zkoncentrováno 50 80 % původního znečištění. Existuje možnost intenzifikace produkce metanu přidáváním odpadních organických látek do surového kalu. Jednalo by se zejména o odpady z potravinářského průmyslu, případně zelené rostlinné zbytky. Úpravy zařízení pro tuto intenzifikaci nejsou náročné, půjde hlavně o rozmělnění materiálů a smíchání se surovým kalem.
Možnosti energetického využívání plynové kotle teplo pro otopy plynové motory pístové pohon generátorů kogenerační zajišťující i využití odpadního tepla. plynové turbíny a tzv. mikroturbíny plynové motory pohánějící kompresory chladících systémů plynové kotle ohřívající medium absorpčních chladicích systémů plynové hořáky imersní (odpařování, resp. zahušťování, např. odpadních vod) čištění bioplynu na kvalitu SNG (náhradního zemního plynu) a jeho vtláčení do sítě komprese bioplynu a event. jeho čištění pro pohon vozidel výroba elektřiny na palivových článcích mezi relativně nejnovější metody patří ORC-cykly, termofotovoltaika a výroba biovodíku
Možnosti využívání na ČOV Bioplyn je většinou na ČOV zpracováván procesem kogenerace, který zahrnuje kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Malá kogenerace využívá prioritně pístové spalovací motory a teplonosným médiem je zde teplá/horká voda. Kogenerační jednotka vyrábí elektřinu, která představuje nejvýznamnější zdroj tržeb a příjmů bioplynové stanice. Z hlediska ročního proběhu cca 8.000 hodin patří kogenerační jednotky mezi nejvytíženější zařízení bioplynové stanice. Pro ekonomicky úspěšný provoz je nutné pořizovat jednotky, které mají špičkové technické parametry, kvalitní a dostupný servis a předpoklady pro splnění legislativních podmínek.
Možnosti využívání na ČOV prodej veškeré vyrobené elektrické energie do sítě výroba elektrické energie pro vlastní spotřebu prodej přebytků elektrické energie do sítě rozvodného podniku nebo jinému subjektu za dohodnutou cenu ostrovní / nouzový provoz pro zachování činnosti stanice využití tepla z kogenerace pro vytápění stanice či jiných subjektů obchodování s emisemi CO 2
Možnosti využívání na ČOV Provozní spolehlivost je nejdůležitější při výběru kogenerační jednotky. Pokud jednotka nepojede, přicházíme nejen o tržby za prodej elektřiny, ale platíme i za servis a náhradní díly. Provozování kogenerační jednotky hluboko pod jmenovitým výkonem snižuje účinnost. Tvorba bioplynu je živý proces, není tedy možné vždy dodávat dostatečné množství bioplynu pro vytížení kogenerační jednotky. Podle provozních zkušeností platí, že větší jednotky mají vyšší účinnost a že kogenerační jednotky není možné dlouhodobě provozovat pod 50% jejich výkonu. Z tohoto hlediska je lepší více menších jednotek. To má velkou výhodu v případě poruchy či odstávky kvůli servisu. V případě zaplnění plynojemů je možno nadbytečný bioplyn spalovat na hořácích přebytečného plynu.
Energetická bilance bioplynu v ČOV Celková účinnost přeměny energie obsažené v bioplynu se uvádí kolem 85% (35% elektrická a 50% tepelná). Výroba elektrické energie z bioplynu v kogeneraci s teplem je v ČR podporována podle zákona č. 180/2005 Sb. garantovanými výkupními cenami a zelenými bonusy pro výkup elektrické energie. Donedávna byla anaerobní stabilizace kalu, tj. snížení obsahu organických látek, chápána jako nevyhnutelné zlo spojené s čištěním odpadních vod, které odčerpává až 50 % provozních nákladů čistírny a vzniklý bioplyn slouží k vytápění komor či provozních budov. Zvýšení výkupních cen elektrické energie, vyráběné z obnovitelných zdrojů energie, však tyto činnosti velmi zvýhodnilo. Přes 50 % z celkového množství bioplynu využívaného k energetickým účelům, pochází z ČOV s anaerobní stabilizací kalu. Podle MPO je to 55 mil. m 3, z čehož se vyrobilo 70 GWh elektrické energie. Poměrně velký podíl vlastní spotřeby (80 %) je daný velkou spotřebou pro aerobní čištění odpadních vod. V případě tepla je spotřebováno vlastní čistírnou téměř 100 % hlavně na temperaci fermentoru.
Energetická bilance bioplynu v ČOV V rámci energetické statistiky MPO je sledováno energetické využití bioplynu u všech subjektů, které tuto technologii provozují. Zvlášť je vykazována výroba energie v kogeneračních jednotkách. Rozlišován je bioplyn z městských ČOV, průmyslových ČOV, ze zemědělských bioplynových stanic a skládkový plyn. Je třeba upozornit, že data o výrobě elektřiny z bioplynu, která jsou publikována ERÚ, jsou pouze za licencované subjekty, tudíž jsou nižší, než je skutečnost v ČR (řada ČOV nedodává elektřinu do sítě).
Energetická bilance bioplynu v ČOV Lokalizace městských ČOV s anaerobní stabilizací kalu podle množství bioplynu vyrobeného za rok: největší přes 1 mil. m 3 prostřední 0,5-1 mil. m 3 nejmenší do 0,5 mil. m 3
Podíl jednotlivých kategorií bioplynu na hrubé výrobě elektřiny v 2010
V tomto zákoně je v případě prodeje elektřiny do sítě využíván model zvýhodněné výkupní ceny elektřiny. Výše výkupních cen je podřízena podmínce garantované prosté návratnosti investice do 15 let. V případě, že vyrobená elektřina není dodávána do sítě (např. krytí vlastní spotřeby) je zaveden model podpor ve formě tzv. "zelených bonusů", tzn. navýšení tržní ceny elektřiny, hradí ji provozovatel regionální distribuční soustavy resp. přenosové soustavy ve prospěch provozovatele či majitele ČOV. Výše uvedené formy podpor nelze kombinovat, je nutné se rozhodnout pouze pro jednu z možností.
Minimální výkupní ceny elektřiny a zelené bonusy Cenové rozhodnutí ERÚ do 2008 byly rozlišovány bioplynové stanice podle termínu uvedení do provozu, od 2009 jsou rozděleny pouze do dvou kategorií podle typu používané biomasy, výkupní ceny od té doby zůstávají stálé, mění se pouze výše zeleného bonusu
Závěr Bioplynové stanice a výroba bioplynu mají řadu pozitivních a celospolečenských přínosů. Bioplyn je podle zákona č. 180/2005 Sb. hodnocen jako obnovitelný zdroj. Z hlediska obnovitelných zdrojů má ČR v bioplynu jeden z největších potenciálů. Pro obce a města znamenají bioplynové stanice efektivní způsob řešení zpracování bioodpadů, tím zamezení jejich ukládání na skládky. Zemědělcům bioplynové stanice nabízejí alternativu pro smysluplné využití půdy a novou podnikatelskou příležitost. Úpravou technologické linky ČOV: konfermentací, předúpravou desintegrací kalu či zvýšením teploty fermentace dochází ke zvýšení výroby bioplynu a lze tedy očekávat, že po zavedení intenzifikačních opatření, dojde k ročnímu nárůstu výroby bioplynu až o desítky milionů m 3.