Analýza ročního provozu bioplynové stanice

Informace o a plánované technologii a plánovaných parametrech bioplynových stanic (BPS) jsou běžně dostupné od dodavatel či prodejce. Existuje i mnoho studií proveditelnosti, s různě kvalitními předpoklady provozních parametrů. Ale jen obtížně je možné získat informace, které porovnávají plány a realitu. Jednou z mále výjimek je analýza ročního provozu BPS Suchohrdly u Miroslavi, kterou provedli experti ČEZ Obnovitelné zdroje, s. r. o.

Vyhodnocení provozu BPS jsou velmi užitečné pro ověření a optimalizaci chodu zařízení s cílem dosáhnout přinejmenším plánovaných hodnot ekonomické rentability projektu. Informace jsou významné jsou i pro upřesnění výpočetních modelů u projektů dalších BPS. Kompletní analýza BPS je nicméně proces náročný na přesné vstupní informace, složité je zejména měření množství a kvality vstupního substrátu.

Cílem vyhodnocení provozu BPS Suchohrdly u Miroslavi proto bylo analyzovat „pouze“ její výkon, výrobu a spotřebu za kalendářní rok. Měření elektrické energie bylo zajišťováno kalibrovanými a většinou fakturačními měřidly, což zaručovalo přesnost a důvěryhodnost vstupních údajů.

Na zelené louce

Analyzovaná BPS je původně stavbou na zelené louce, v bezprostřední blízkosti původního areálu živočišné výroby. V době její výstavby byl areál prázdný. Investor, soukromý zemědělec, si ale byl dobře vědom synergií, které skýtá provoz BPS ve spojení s živočišnou výrobou. Proto bezprostředně po výstavbě BPS provedl výstavbu a rekonstrukci stájí s cílem modernizovat a rozšířit vlastní živočišnou výrobu. V současné době tak je zemědělský areál, kromě BPS, využit i k chovu prasat s uzavřeným obratem stáda. Živočišná výroba produkuje základní vstupní surovinu pro BPS – vepřovou kejdu s denní produkcí v průměru 27m³.

Dalšími složkami vstupního substrátu jsou kukuřičná siláž, cukrovarnické řízky, obilí a GPS. Zdejší BPS se skládá ze dvou reaktorů, provozovaných paralelně, s jednotkovým reakčním objemem 1500m3, každý s vlastním dávkovačem tuhého substrátu o objemu 16 m3, společnou jímkou na tekutý substrát o objemu 40 m³ a centrální čerpací technikou. Technologii BPS dodala firma Weltec BioPower. Energetické srdce tvoří původně dvě, dnes již tři kogenerační jednotky o instalovaném elektrickém výkonu 2x175 kW a 1x180 kW. Kogenerační jednotky a technologickou periferii dodala firma TEDOM.

Trojice generátorů

BPS je osazena netradičně třemi motorgenerátory, což je pro vyhodnocování provozu poněkud komplikovanější, než u instalací s jednou kogenerací. Na druhé straně to poskytuje možnost sledovat výhody i nevýhody zvoleného řešení.

Hlavní výhodou více motorů je bezesporu možnost regulace výkonu BPS od asi 90 kW až po plný výkon 530 kW. Tento regulační rozsah není možné z technických důvodů u varianty s jedním generátorem dosáhnout. Tato výhoda nabývá ještě větší význam, pokud je požadavek na tzv. špičkování, nebo na tzv. ostrovní provoz kogenerace a přilehlých provozů. Ostrovní provoz pak zajišťuje napájení i v době, kdy je výpadek sítě. Tak je tomu i zde, neboť jedna kogenerační jednota je vybavena pro provoz v ostrovním režimu a slouží tak i jako záložní zdroj. Další výhodou vícenásobné instalace je i provoz motorů v ideálním režimu (tedy na plný výkon) s tím, že jen jeden stroj reguluje svůj výkon v závislosti na zvolené veličině (stav plynojemu, teplota, čas…). Stroje, které pracují na plný výkon, dosahují nejvyšší účinnosti, šetří provozní náklady a nejlépe využívají technický potenciál. A také je zřejmé, že výpadek jednoho stroje ze tří není taková „katastrofa“, jako výpadek jediného stroje.

Logika regulace výkonu na této konkrétní BPS je tedy nastavena tak, že dvě jednotky pracují trvale a třetí je spouštěna podle potřeby, ideálně ve špičkách. Přitom vždy jen jedna jednotka reguluje výkon podle nastavené určující veličiny.

Nevýhodami vícečetné kogenerace jsou vyšší investiční náklady, nižší elektrická účinnost a o něco složitější regulace a řízení BPS.

Zjištěné hodnoty

Disponibilita zdroje

V tabulce 1 jsou uvedeny výkony jednotlivých generátorů (označených KJ1, KJ2 a KJ3) za rok. Je zřejmé, že KJ1 byla v provozu trvale a současně plnila roli regulátora. Jednotky KJ2 a KJ3 se střídaly v roli špičkovacího zdroje. Zde je nutno vyzdvihnout zejména výkon jednotky KJ1. Ukázková hodnota využití průměrného jmenovitého výkonu na úrovni 98,3 % (průměrně 177 kW ze 180 kW) u kogenerace KJ3 nasvědčuje tomu, že tento zdroj opravdu pracoval v optimálním režimu po celý rok a nebylo téměř nutné jeho výkon za provozu regulovat.

Kogenerace „odpočívala“ během roku jen 130 hodin, což je zhruba pět a půl dne. Takto vysoká disponibilita svědčí o skvělé práci servisu a obětavému nasazení obsluhy, a to během celého roku včetně svátků. Provoz je sice v automatickém režimu, ale i tak potřebuje neustálý dozor, i když třeba vzdálený. Za výjimečné nasazení údržby a obsluhy se technika odmění skvělými výsledky.

Tab. 1 - Disponibilita a průměrný výkon kogeneračních jednotek za rok

Kogenerační jednotka	Provoz h/rok	Průměrný výkon kW/h
KJ1	8630	168
KJ2	8571	170
KJ3	7578	177
Celkem	24779	172

Průměrný výkon

Roční průměrný výkon kogeneračních jednotek, přepočtený z průměrných denních výkonů, byl 480 kW, se směrodatnou odchylkou 23,7. Ani jeden den nenastala situace, kdy by průměrný výkon byl nulový, což v případě instalace jedné kogenerace není nic neobvyklého. Jde například o situace zapříčiněné déle trvající opravou, nebo čekáním na dodání náhradního dílu, jehož výměna se předem neočekávala.

Průběh denních průměrných výkonů je znázorněn v grafu 1. Je patrné, že denní průměry nejsou příliš vyrovnané. Důležitá je ale průměrná hodnota (vyznačená zelenou přímkou na úrovni 480 kWh) a trend (znázorněný oranžovou křivkou). Trend jasně ukazuje na ustálení denních výkonů, což se projevilo ve zvyšování průměrného denního výkonu v záměru roku. Červené body v grafu vyznačují minimální a maximální dosažený průměrný denní výkon. Zajímavý analytický údaj je přepočet roční výroby elektřiny na objem reaktoru. Jde v podstatě o číslo definující výkonnost jednoho m3 reakčního objemu. Zahrnuje v sobě ale velké množství dodatečných provozních předpokladů a není možné se na něj dívat tak, že bioplynové stanice s horším číslem jsou špatné a naopak. Největší vliv na výši tohoto čísla má energetická hustota a rychlost rozkladu organického podílu vstupního substrátu a také schopnost technologie si poradit s vysokou průměrnou sušinou v reaktoru. Záleží také na zapracování reaktorů a kondici anaerobního procesu, která je limitním faktorem pro možné zatížení reaktoru.

Sledovaná BPS vygenerovala 1416,6 kWh brutto výroby na každý m3 reakčního objemu za rok. Jde opět o dobrý výsledek a porovnání si může udělat každý provozovatel BPS sám.

Výroba a spotřeba

U BPS jsou nejvíce sledovány údaje o celkové výrobě a spotřebě. Výrobu je třeba alespoň letmo analyzovat každý den. Podrobněji pak každý týden a detailně jednou měsíčně. Roční analýza už je jen pouhé konstatování ročního provozu, které již nedokáže odstranit případné průběžné nedostatky v provozu.

Hodnoty brutto a netto výroby jednotlivých kogeneračních jednotek uvádí tabulka 2. Je zřejmé, že čím vyšší je průměrné využití plného výkonu, tím nižší je procento vlastní spotřeby kogenerační jednotky. Vlastní spotřeba z větší části není závislá na výkonu kogenerační jednoty. Rozdíl mezi KJ1 a KJ2 je asi 1,7 %, a to v roční výrobě rozhodně není zanedbatelné. V tomto parametru tak jedna velká kogenerace předčí tři menší, ale pouze v případě, že také bude provozována na plný výkon.

Z netto výroby kogenerační jednotky si ještě před prvním fakturačním měřením „ukrojí“ svou část i vlastní technologická spotřeba BPS (spotřeba nutná pro produkci bioplynu), která v tomto případě činila necelé 2 % z brutto výroby. Následuje ostatní spotřeba BPS (spotřeba z pohledu produkci bioplynu nedůležitá) a ostatní spotřeba přilehlých provozů (chov prasat) – celkem tedy 9,2 % (včetně ztrát na transformaci) z brutto výroby. Po odečtu všech ztrát a spotřeb v rámci celého areálu zemědělské výroby se do sítě dostává 80,15 % z brutto výroby. Vlastní spotřebu kogenerace a technologie BPS je třeba pečlivě sledovat. V tomto případě šlo o velice přijatelnou hodnotu asi 7,5% z brutto výroby. Nicméně jde o spotřebu, která snižuje fakturované množství elektrické energie bez nároku na zelený bonus.

Tab. 2 – Výroba a vlastní spotřeba kogeneračních jednotek za kalendářní rok

Kogenerační jednotka	Brutto výroba (kWh)	Vlastní spotřeba (%)	Netto výroba (kWh)
KJ1	1 449 662	5,99	1 362 840
KJ2	1 458 958	5,88	1 373 220
KJ3	1 341 271	4,29	1 283 760
Celkem	4 249 891	5,41	4 019 820

Závěry z analýzy

Bioplynové stanice jsou stabilní výrobní zdroje s možností regulace nebo špičkování. Navíc to jsou energetické zdroje, které mají silný sociálně ekonomický efekt. Jejich provozování totiž přináší nabídku pracovních příležitostí, a to většinou na venkově, kde je to nejvíce třeba. Bioplynová stanice prostřednictvím platby za provoz, převážně za vstupní suroviny, ponechává část provozních tržeb přímo v místě instalace. Tyto faktory odlišují BPS například od fotovoltaických elektráren.

Popsané vyhodnocení provozu však nemělo za cíl porovnávat různé obnovitelné zdroje, ale podrobit analýze disponibilitu, výkon, výrobu a spotřebu konkrétní bioplynové stanice. Ukázalo se, že posuzovaný zdroj dosahuje velice dobrých provozních parametrů. Ty u kogeneračních jednotek dosáhli v roce 2010 špičkových úrovní především o oblasti disponibility, kdy kogenerační jednotka Kj1 vykázala 8630 provozních hodin za rok. Dalším skvělým výsledkem bylo dosažení průměrného výkonu 177kW u kogenerace KJ3 s instalovaným výkonem 180 kW. Za zmínku stojí i celkový průměrný výkon 480 kW se směrodatnou odchylkou 23,7. Tato hodnota ukazuje na nízký rozptyl průměrných denních výkonů kolem průměru a překvapivě nebyl ani jeden den s nulovým výkonem. Další zajímavý údaj pro porovnání s jinými BPS je hodnota 1416,6 kWh jako brutto výroba elektrické energie na každý m3 reakčního objemu za rok.

Všechny tyto výsledky však byly a jsou podmíněny kvalitní a obětavou prací obsluhy, která zasahovala bez odkladu při jakémkoliv výpadku a která dobře prováděla údržbu technologie. Svůj podíl na úspěšném provozu má také instalovaná technologie a kvalitní servis.

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