Efektivní zhodnocení bioplynu

1. Úvod

Termín bioplyn je v současné technické praxi používán pro plynný produkt anaerobní methanové fermentace organických látek. Bioplyn je tedy plynná směs metanu a oxidu uhličitého, která v menší míře obsahuje další minoritní složky organického nebo anorganického charakteru. Poměrné zastoupení všech jeho složek závisí nejen na složení výchozího substrátu, ale také na způsobu výroby.

Energeticky využitelný bioplyn je vyráběn v bioplynových stanicích, čistírnách odpadních vod, ale také vzniká v tělesech komunálních skládek. Okruh surovin pro výrobu bioplynu je tedy poměrně široký, jedná se především o materiály, které jsou jak z ekonomického, tak z technologického hlediska nevhodné pro spalování. Vhodné suroviny vznikají především v zemědělství, jedná se o zbytkovou či cíleně pěstovanou biomasu a exkrementy hospodářských zvířat. Dalším důležitým zdrojem jsou také odpady z údržby zeleni a kaly z čistíren odpadních vod.

2. Využití bioplynu

Veškerá produkce bioplynu je spotřebovávána pro energetické účely v místě vzniku na výrobu tepla a elektrické energie převážně v kogeneračních jednotkách, které obvykle pracují s celkovou účinností až 80 %, přičemž 38 % tvoří elektrická energie a 42 % tepelná energie. Část z vyrobené elektrické energie (přibližně 5 – 10 %) je využita na míchání substrátu ve fermentoru a provoz bioplynové stanice, zbytek je pak prodáván do elektrické sítě za zvýhodněné ceny. Vyrobené teplo je využíváno pro produkci teplé užitkové vody, pro ohřev a vyrovnávání tepelných ztrát fermentorů (cca 10 – 15 %) či pro otápění provozních budov. I přes značné možnosti využití odpadního tepla bývá zhodnoceno maximálně 30 % odpadního tepla vyprodukovaného bioplynovou stanicí. Nadměrné ztráty odpadního tepla zhoršují tak celkovou energetickou bilanci procesu.

Efektivnějším způsobem využití bioplynu je jeho upgrading na plyn srovnatelný kvalitou a čistotou se zemním plynem, na tzv. biomethan, který lze srovnatelně použít jako zemní plyn transportovaný z ruských nebo norský nalezišť. Hlavní předností biomethanu je jeho vyskladnění do plynárenské sítě a následná distribuce až k místům lepšího využití, čímž dojde k efektivnímu spotřebování odpadního tepla a energetická účinnost vzroste (viz obr. 1). Tomuto uspořádání velmi pozitivně přispívá i hustá síť plynovodů v České republice, kterou je možné využít pro přepravu a distribuci vyrobených paliv. Mezi další výhodu pak patří např. skladovatelnost tohoto nosiče energie oproti elektřině a teplu.

Před použitím bioplynu jako biomethanu musí být z plynu odstraněny nežádoucí složky, především oxid uhličitý, voda a sulfan. Metody úpravy a čištění plynu na kvalitu zemního plynu jsou již v současnosti dobře vyřešeny a v zahraničí jsou zejména využívány metoda PSA, vodní tlaková vypírka, chemická absorpce. Srovnání jednotlivých metod úpravy bioplynu je naznačeno v tabulce 1. Na vyčištění bioplynu se spotřebuje 5 – 8 % energie obsažené v bioplynu v závislosti na použité metodě. V České republice prozatím není k dispozici funkční zařízení pro čištění bioplynu na kvalitu zemního plynu.

Tabulka 1: Srovnání parametrů jednotlivých čistících procesů [8]

Parametry	PSA	PWA	MEA
Absorpční proces	-	fyzikální	chemický
Předčištění1	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/m3]	0,25	< 0,25	< 0,15
Teplota [°C]	-	-	160
Regulovatelnost v % jmenovitého zatížení	+/- 10 – 15 %	50 – 100 %	50 – 100 %

1Obsah síry v plynu před použitím musí být menší než 500 mg/m³. Při vyšším obsahu sulfanu nutno zařadit primární odsíření. Upravený bioplyn lze vtláčet do plynárenské sítě.

Vhodně se jeví zejména středotlaká nebo vysokotlaká plynárenská síť, kde požadovaný vstupní tlak není příliš vysoký a je zajištěna dostatečná přepravní kapacita i odběr plynu. Upravený bioplyn na biomethan je zejména v Německu kondicionován přídavkem LPG, pomocí kterého se upraví výhřevnost a Wobbeho číslo na požadovanou hodnotu. Posledním krokem na cestě bioplynu do předávacího místa plynárenské sítě je regulace a měření tlaku a především odorizace, protože plyn je již v místní síti odorizován. Poté je biomethan využit stejně jako zemní plyn. Schéma celého procesu je uvedeno na obr. 2.

Další perspektivní využití biomethanu je v podobě motorového paliva pro pohon traktorů či automobilů. Toto využití je i dobrým nástrojem ke splnění střednědobých cílů České republiky, která se zavázala k nahrazení 10 % motorových paliv na bázi ropné suroviny alternativními palivy do roku 2020. Biomethan má vyšší energetický obsah ve váhové jednotce než ostatní biopaliva a jeho použití produkuje nejméně emisí skleníkových plynů.

Před použitím biomethanu jako motorového paliva pro pohon motorových vozidel je nutné jej komprimovat na tlak 20 – 30 MPa. Energie potřebná na stlačení biomethanu se pohybuje okolo 0,26 kWh/m³ upraveného bioplynu a tímto krokem klesne energie využitelná z bioplynu na cca 70 %, která je i tak oproti kogenerační jednotce vyšší i v případě stoprocentního využití tepla. V případě využití biomethanu pro pohon motorových vozidel i zde existují určité překážky a bariéry, např. nedostatečná infrastruktura plnicích stanic CNG v porovnání s hustou sítí čerpacích stanic na kapalné pohonné hmoty.

3. Současný stav v České republice

Významným zdrojem bioplynu v ČR jsou čistírny odpadních vod, ve kterých je 80 % čistírenských kalů zpracováno anaerobní stabilizací na bioplyn, což odpovídá produkci cca 60 – 70 mil m³ za rok. Hlavním zdrojem bioplynu jsou však exkrementy hospodářských zvířat, zemědělské zbytky a cíleně pěstované plodiny, které jsou fermentorovány ve více než 130 bioplynových stanicích s celkovou produkcí cca 100 mil m³ za rok. Nárůst počtu bioplynových stanic byl výrazně zaznamenám zejména v posledních dvou letech. Určitá část bioplynu je také získávána ze skládek komunálního odpadu (TKO). V současnosti je v ČR realizováno jímání skládkového plynu na celkem 24 skládkách TKO s celkovou roční produkcí 4 mil m³. Producentem nejmenšího množství bioplynu jsou průmyslové čistírny odpadních vod (cca 13) s celkovou roční produkcí přibližně 63 mil m³. Odhadovaná roční produkce surového bioplynu v ČR se pohybuje v rozmezí 200 – 230 mil m³.

Veškeré množství vyráběného bioplynu se spotřebovává pro energetické účely převážně v kogeneračních jednotkách na výrobu elektrické energie a tepla. Toto využití bioplynu v místě produkce je nejen v praxi osvědčené a nevyžaduje náročnou úpravu bioplynu, ale je také podporováno státem dotačními programy a příznivými výkupními cenami.

4. Závěr

V současné době je v České republice téměř veškerý vyprodukovaný plyn využíván pro energetické účely v kogeneračních jednotkách pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Využití bioplynu v místě produkce je již ověřené, nevyžaduje odstraňování CO₂ a dalších nežádoucích složek a je silně podporováno dotačními programy či povinným výkupem elektrické energie. Přitom úprava bioplynu na biomethan ať už pro účely vtláčení do plynárenské sítě nebo pro pohon motorových vozidel je mnohem efektivnější způsob využití bioplynu, při kterém se získá skladovatelný produkt, než výroba tepla a elektřiny v kogeneračních jednotkách. Tento způsob využití je zejména vhodný tam, kde není úplně využito odpadní teplo. Prozatím veškeré snahy upravovat bioplyn na kvalitu zemního plynu narážejí na nedostatečnou legislativu a nulovou podporu ze strany státu. Využití 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.

V řadě evropských zemí se v současnosti rozbíhají projekty, jejichž cílem je připravit technické a legislativní podmínky pro vyskladňování bioplynu a alternativních paliv do stávající plynovodní sítě. Značný náskok v této oblasti má již několik evropských zemí (např. Švýcarsko, Německo), ve kterých již v současnosti funguje řada bioplynových stanic, které dodávají plyn do nízkotlaké rozvodové sítě.

5. Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory MŠMT ČR, výzkumný záměr MSM 604 613 7304.

6. Použitá literatura

• [1] Straka F. a kol.: Bioplynu – druhé rozšířené vydání, Gas s.r.o., Praha, 2006
• [2] Šebor G., Pospíšíl M., Žákovec 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 možnosti 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
• [10] www.mpo.cz

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu