Hlavní sledované parametry při provozu bioplynové stanice Luděk Kamarád Wolfgang Gabauer Rudolf Braun Roland Kirchmayr 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 1z 21
Obsah Krátké představení Schematické spořádání bioplynové stanice Sledované parametry u vstupních substrátů Sledované parametry u fermentorů Sledované parametry u digestátu Sledované parametry u bioplynu Sledované parametry u kogeneračních jednotek Příklad kukuřičná vs. travní siláž 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 2z 21
IFA - Institut pro agrobiotechnologie Biotechnologie v rostlinné výrobě Analytická chemie Environmentalní biotechnologie Biotechnologie v živočišné výrobě Přírodní materiály a obalová technika www.ifa-tulln.ac.at 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 3z 21
Pracovní skupina Biogas Základní výzkum Optimalizace a zvyšování efektivity provozu bioplynových stanic Optimalizace procesu AD Konzultace = partner pro provozovatele BPS, průmyslové firmy a instituce státní správy 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 4z 21
Blokové schéma bioplynové stanice Substrát F1 Bioplyn F2 KJ El. energie Skladovací nádrž digestátu Tep. energie Digestát 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 5z 21
Substrát sledované parametry Mám zajištěn dostatek substrátu? Kvalita (obsah sacharidů, bílkovin a tuků) dostupnost pro mikroorg. Původ (souvisí s kvalitou) Sušina (%) Organická sušina (%), CHSK Struktura (velikost částic, je potřebná předúprava? -> jaká?) Organické zatížení fermentoru (kg org.sušiny/m 3 F*d -1 ) Dávkované množství (t/d nebo m 3 /d) Frekvence dávkování 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 6z 21
CHSK a sušina - základy Voda (%) Organická sušina (%) Popel = anorg. sušina (%) Sušina (%) CHSK (chem. spotřeba kyslíku) v oblasti bioplynu jako g/kg příp. g/l v oblasti odpadních vod mg/l: sumární parametr představující úplnou chemickou oxidaci vzorku pomocí dichromátu draselného lze stechiometricky spočítat Např. glukóza: 1 C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O 180 g + 192 g 264 g + 108 g 192 g O 2 na 180 g glukózy 1.067 g CHSK na kg glukózy 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 7z 21
Substrát - vlastnosti BP výtěžek m³/kg org. sušiny % Methan Poznámka Sacharidy 0,83 50 Okyselení Tuky 1,43 70 Fettschock Pěnění Bílkoviny 0,72 71 Ammoniak (ph) Pěnění Zdroj: ATV-DVWK-Regelwerk, Merkblatt ATV-DVWK-M 363, S. 10, Hennef, 2002, ISBN: 3-936514-11-9 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 8z 21
Fermentory - proces tvorby bioplynu Acidogeneze Organické kyseliny a alkoholy 13% Acetogeneze 17% H 2, CO 2 Komplexní organické sloučeniny Polysacharidy, Bílkoviny, Tuky 5% 20% 28% 72% CH 4, CO 2 Hydrolýza Jednoduché organické sloučeniny monosach., aminokys., mastné kyseliny 10% 35% Kys. octová (Acetát) Methanogeneze 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 9z 21
Fermentory - sledované parametry Teplota (mezofilní nebo termofilní provoz) Míchání Průměrná doba zdržení (HRT = V F /V dd ) Chemické parametry: Jednotka (Zdroj: Labor IFA-Tulln/UT; n = 167, DI Michael Laaber) Rozmezí hodnot Zelená Žlutá Červená ph [-] 7,5 8,1 7,1 7,5 < 7,1; > 8,1 Sušina [%] 3 9 < 3 > 9 Org. sušina [%] 2,4 5,5 < 2,4; 5,5 6,5 > 6,5 TKN [g/l] < 6 > 6 - NH4-N [g/l] < 5 > 5 - UAN * [mg/l] < 600 600 800 > 800 Kys. octová [mg/l] 0 1.000 1.000 3.000 > 3.000 Kys. propionová [mg/l] 0 250 250 1.000 > 1.000 VFA suma [g/l] 0 1.500 1.500 4.500 > 4.500 UFA suma ** [mg HAc /l] 0 2,5 2,5 20 > 20 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 10 z 21
Nižší mastné kyseliny a organické zatížení Fermenter 1 5000 4500 NH4-N UAN Essigsäure Propionsäure ph UVA total Beschickung CSB 10 9 NH4-N, Undissoziierter Ammoniak, Essigsäure, Propionsäure [mg/l 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 CSB- Raumbelastun g NH4-N ph 8 7 6 5 4 3 Essigsäur 2 ph [-], Undissoziierte Säuren ges. [mg/l], Beschickung CSB [kg/m³.d] 500 1 UVA total UAN 0 0 12.7.04 31.8.04 20.10.04 9.12.04 28.1.05 19.3.05 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 11 z 21 Datum Propionsäure
Fermentory organické zatížení ots-raumbelastung (Laaber 2005) 60 50 rel. Häufigkeit [%] 40 30 20 10 0 < 2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 < 8 org. Raumbelastung [kg ots /(m³ FV d)] 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 12 z 21
Skladovací nádrž a digestát Stupeň rozkladu (úbytek org. sušiny, CHSK a obsah nižších mastných kyselin, zbytkový potenciál tvorby bioplynu) Byla celková doba zdržení v systému dostatečná? Jakým způsobem chci digestát využívat? Obsah NH 4 -N, TKN Další chem. parametry související s aplikací na zem. půdu 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 13 z 21
Bioplyn sledované parametry Množství vyprodukovaného bioplynu (Nm 3 /h) Složení bioplynu (obsah methanu, H 2 S) Odpovídá vyprodukované množství (Nm 3 /kg org. sušiny) předpokladům? Materiálová bilance Směs methanu (CH 4 ) a oxidu uhličitého (CO 2 ) Vodík, (H 2 S: ~0,3%) Stopy N 2, CO, NH 3, ostatní sloučeniny Obsah methanu: 50-75% závisí na substrátu, ph, stavu procesu a teplotě Hustota: 1,2 kg/m³ Výhřevnost methanu: Ho = 39,3 MJ/Nm³ Výhřevnost bioplynu (65% CH 4 ): H o = 25,6 MJ/Nm³ (H u = 21,5 MJ/Nm³) Mez výbušnosti: 5,4-13,9% CH 4 ve vzduchu Teplota vznícení 700 C 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 14 z 21
Kogenerační jednotka El. a tepená účinnost KJ Množství vyrobené a prodané el. energie (kwh el /a) Množství vyrobené a prodané tep. energie (kwh tep /a) Lokalizace KJ Kapacita plynojemu Plánování servisních prací Dvě menší nebo jedna velká KJ? Jak co nejlépe využít energii, která je k dispozici? 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 15 z 21
Materiálová bilance 500kW el. Kukuřičná siláž vs. travní siláž BPS monitorována 2 roky Denní sběr dat Zpracování roční materiálové bilance 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 16 z 21
Materiálový tok pouze kukuřičná siláž Unit: t ww. d -1 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 17 z 21
Materiálový tok Kukuřičná siláž (48%), Travní a jetelová siláž (52%) Unit: t ww. d -1 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 18 z 21
Výsledky Doba zdržení, Produkce bioplynu Doba zdržení Jednotka Kukuřičná sil. Kukuřičná, travní a jetelová siláž F1 d 63,40 33,73 F2 d 65,08 34,76 Produkce bioplynu F1 Nm Gas3 m FV -3 d -1 2,96 2,43 F2 Nm Gas3 m FV -3 d -1 0,55 0,81 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 19 z 21
Aerobní vs. anaerobní zpracování AEROBE ENERGIETRANSFORMATION Mikrobielle Biomasse Substrat Chemische Energie 100 % ~50 % ~50 % Transformierte chemische Energie Restsubstrat ANAEROBE ENERGIETRANSFORMATION 5-10 % Mikrobielle Biomasse Substrat Chemische Energie 100 % ~90-95 % BIOGAS Energbi4.Cdr Restsubstrat 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 20 z 21
Děkuji za Vaši pozornost Kontakt: Tel: +43-2272-66280-517 Fax: +43-2272-66280-503 E-Mail: ludek.kamarad@boku.ac.at www.ifa-tulln.ac.at www.codigestion.com Literatura: [1] Resch, C., Braun, R., Kirchmayr, R., 2008, The influence of energcrop substrates on the mass-flow analysis and the residual methane potential at a rural anaerobic digestion plant, Water Science and Technology, Vol 57, 1, 2008, 73-81 [2] W. Gabauer, G. Voitl, R. Waltenberger, P. Bock, R. Braun, R. Kirchmayr, 2008, Microbiological monitoring of all biogas plants in the province of Lower Austria, Vth International Symposium on Anaerobic Digestion of Solid Wastes and Energy Corps, Hammamet, Tunisia, May 2008 2.12.2009 Energyfuture AT-CZ, Brno 2009 / IFA Tulln 21 z 21