Sláma jako substrát pro bioplynové stanice zpracovávající hnůj a její výtěžnost

Zemědělské zbytky ve formě hnoje a slámy představují významný, nicméně dosud nepříliš využívaný obnovitelný zdroj energie a cenné hnojivo.  Zvyšující se chov dobytka a přísnější požadavky resortů životního prostředí na nakládání s hnojem a kejdou souvisí s nižším výtěžkem metanu bioplynových stanic, které mají za hlavní vstupní surovinu hnůj, jehož lignocelulózní složení není optimální pro zpracování procesem anaerobní digesce. Tedy doposud tomu tak bylo. Dánská společnost Kinetic Biofuel A/S však předvedla patentovanou technologii předúpravy slámy, která umožňuje bioplynovým stanicím, specializujícím se na zpracování hnoje, používat slámu jako společný substrát s více než dvojnásobnou produkcí bioplynu.

Pobaltí je oblastí s intenzivní rostlinnou i živočišnou výrobou, což není bez následků pro životní prostředí. Emise metanu a amoniaku znečišťují podzemní a povrchové vody. Dochází tak k eutrofizaci vody, bujení řas a planktonu v Baltickém moři, které je jedním z nejrozsáhlejších brakických vnitrozemních moří. To je citlivě spravováno podle Konvence o ochraně baltského přímoří z roku 1992.

Podle nedávných výstupů vlajkového projektu Baltic Manure, sponzorovaného EU, který se zabývá nakládáním s hnojem a kejdou v Pobaltí, vyjma Ruska, je v těchto regionech ročně produkováno více než 187 tun hnoje a kejdy (dobytek, vepři, drůbež), pocházejícího z Polska, Dánska a severních oblastí Německa. Legislativa EU reguluje využití živočišného hnoje kvůli obsahu dusičnanů. Obzvláště při použití vepřového hnoje dochází k přílišnému obohacení fosforem. Dánsko je hlavním ze světových vývozců vepřového masa a podle dánské Statistické agentury převýšil v roce 2013 počet kusů vepřů 12 milionů. Dánská vláda je velmi nakloněna zvýšení produkce bioplynu a současně zmírnění dopadu produkce živočišné výroby a nastavila též cíl ročně zpracovávat 50 % celkového množství hnoje a kejdy do roku 2020.

Přestože anaerobní digesce patří k vhodným technologiím nakládání s hnojem, výrobě bioplynu a následnému použití digestátu jako organického hnojiva, zůstává potenciál bioplynu vyrobeného z hnoje nevyužitý. Pro farmáře je ekonomická stránka výroby bioplynu z hnoje jedním z problémů, který brzdí zvyšování kapacity. Přes štědré výkupní tarify dodávek tepla a elektřiny, je výtěžek bioplynu vyrobený z tuny hnoje v porovnání s rostlinnou vstupní surovinou velmi nízký. Při návštěvě bioplynové stanice Foulum v Dánsku, kde byl instalován a předveden systém předúpravy, to uvedl Dr. Tolben A. Bonde, specialista mikrobiální ekologie a zároveň dánský podnikatel s velkými zkušenostmi ve výzkumu a vývoji. Dr. Tolben A. Bonde je také zakladatelem společnosti CTO Biofuels Technnology ApS, která se specializuje na vývoj biopaliv a technologie výroby. Zároveň je ředitelem nově etablované společnosti Kinetic Biofuel A/S, která se zabývá patenty technologií na předúpravu slámy.

Sláma jako substrát

Pro hovězí a vepřový hnůj je při 8 - 10 % suchého obsahu typický výtěžek 15 - 25 Nm³ na tunu, zatímco drůbeží podestýlka je na tom lépe, výtěžek při 30 % suché složky je 30 - 100 Nm³ na tunu. Výtěžnost hnoje je v porovnání s rostlinnou vstupní surovinou (např. kukuřice nebo travní siláž), která dosahuje 33 % suché složky a výtěžnosti 160 – 220 Nm³ na tunu, velmi malá.

Smíchání různých typů hnoje s energetickými plodinami může významně zlepšit výtěžnost metanu, ale zároveň vést k distribuci dusíku v polích a jeho  vyluhování z půdy. Navíc je potřeba další půdy k pěstování energetických plodin, nebo dalších nákladů na jejich nákup, což není ekonomicky efektivní. Výnosnost může být nyní značně vylepšena použitím ostatních zbytků ze zemědělské produkce, např. slámy, jako směsného substrátu.

Dánští farmáři produkují velké množství slámy (5,5 – 6 mil. tun / rok). Zhruba třetina je použita jako palivo, další třetina jako podestýlka dobytka a jako krmení a zbytek je v podstatě nevyužitý. Cíle dánské vlády 50% výroby bioplynu z hnoje může být dosaženo použitím velkého množství slámy tak, aby došlo ke zvýšení výtěžnosti metanu a k zajištění ekonomiky bioplynové stanice.

Všechny ostatní zbytky s vysokou výtěžností, jako je například gastroodpad, jsou již široce využívané a tudíž rozebrané. Teoreticky má obilná sláma výtěžnost metanu od 240 do 320 Nm³ na tunu, její uplatnění v bioplynových stanicích bylo však doposud jen omezené. Stébla slámy mají lignocelulózní strukturu, jsou lehká, pevná, hydrofobní a odolná proti rozkladu. Výzvou je proto využití těchto předpokladů pro snazší mikrobiální proměnu. Úkolem však zůstává vyřešit problematiku rozřezaných a máčených stébel, které jsou po absorbování vody nevhodné k smíchání s hnojem či kejdou. Taková sláma zůstává na povrchu a vzniká krusta nebo způsobuje mrtvé zóny v reaktoru, ucpání potrubí či pumpy. Vzrůstá tak spotřeba elektřiny na pohon míchadel a pump, či přímo na lámání slámy nebo její maceraci.

Mechanická průmyslová předúprava

Technologické řešení, navržené společností Kinetic Biofuel, nabízí komplexní mechanický postup – lis na brikety, skládající se z dopravního pásu na balíky slámy, trhače, lapače pevných nečistot (např. kameny), cyklón (vírová odstředivka), filtru, sila a lisu na brikety. Samotný lis je zdánlivě standartní BP 65810 HD 1.5 tun za hodinu, od dánského výrobce C.F. Nielsena A/S. Slámové brikety však mají mnohem vyšší objemovou hustotu (okolo 550 kg / m³) než balík slámy (150 kg / m³), což znamená okamžitou úsporu na dovozu a skladování. Briketování také zachovává kvalitu slámy a zabraňuje jejímu znehodnocení, které by jinak mělo negativní dopad na výtěžek plynu, říká Torben.

Existují ale i jiné výhody. Briketovací proces má sám o sobě příznivý efekt na slámu a její vlastnosti. Ve zkratce může být tento proces popsán jako mechanicky navozená exploze páry, říká Torben a dodává, že C.F. Nielsenův lis na brikety byl přizpůsoben a patentován tak, aby tento vnitřní proces optimalizoval. Semleté a rozřezané částice jsou pod velkým tlakem stlačeny. Kinetická energie v momentě, kdy dochází k nárazu pístu a náhlému poklesu tlaku, spolu s vysokou teplotou způsobenou ztrátou kinetické energie způsobuje explozi páry, která narušuje vlákna slámy a její buněčné stěny. Suché částice slámy jsou schopné absorbovat velké množství vody a struktura buněk tak umožňuje enzymatickou a mikrobiální přeměnu. Slaměné brikety mohou být přednostně dopravovány do bioplynového fermentoru přímo z briketové linky, nebo mohou být před cestou do fermentoru dopraveny do mixovací nádrže a zde smíchány s tekutým hnojem.

Velkoobjemové výzkumné zařízení

Kompletní briketová linka, zahrnující dávkovací systém do fermentoru, byla instalována a testována v Aarhuském universitním výzkumném centru pro bioplyn (Aarhus University´s Biogas Research plant) ve Foulumu (Dánsko). Objekt byl postaven v roce 2007 a je jedním z největších svého druhu. Disponuje také svým vlastním výzkumem dobytka a plodin.

Výzkum v plně zařízené bioplynové stanici je zaměřen na pokročilé technologie ke zlepšování výroby bioplynu, např. na optimalizaci bioplynového potenciálu, zlepšování metod předúpravy, technologické separace nutrientů, termální konverzi zbytkových vláken, zlepšování kvality bioplynu pro použití v dopravě a kvality přírodního plynu.

Výzkumná část zařízení se skládá ze čtyř 15 litrových a čtyř 200 litrových fermentorů, dvou neustále promíchávaných reaktorů s objemem 10 m³ (CSTR) a dalších dvou o objemu 30 m³. Všechny tyto fermentory se používají pro testovací a pilotní výzkum. Dále se zde nachází sekce, obsahující až šest nezávislých zařízení/soustav pro testování procesů, s plně zařízenou laboratoří a konferenčním prostorem. Jedním z nich je samostatná jednotka na testování spalování biomasy do 1 MW.

Hlavní bioplynová stanice, vybavená společností dánských designérů Xergi A/S, se skládá z hlavního fermentoru o objemu 1200 m³, sekundárního fermentoru o objemu 1500 m³ a dvou zásobníků plynu o objemu 1500 m³. Denní produkce bioplynu je cca 4800 m³, s průměrnou 15 denní retencí v hlavním fermentoru. Biologická pračka plynu se užívá k redukování sirovodíku, následně je bioplyn před stlačením na cca 200 mbar zchlazen za účelem kondenzace vodní páry. Vysoký vstupní tlak o 150 mbar je nutný pro dopravení do 12ti válcového plynového Jenbacherova motoru o výkonu 625 kWe, který je od bioplynové stanice vzdálen 1,5 km.

Stanice má také několik různých možností sběrných metod a předúpravy, jako jsou dvě nádrže o objemu 75 m³ na mastné zbytky (jedna z nich zahřívána), nádrž na kejdu o objemu 600 m³, dekantační centrifuga, která umožňuje separaci pevných látek s vysokým obsahem sušiny (25 až 30 %) od kapalných. Pro pevná skupenství je nainstalováno stacionární zařízení a od roku 2011 též předúpravní linka slámy společnosti Kinetic Biofuels. Je zde také nainstalován směšovací dávkovací modul, který promíchává surovou kejdu, tuky a pevné částice a před vstupem do fermentoru je ohřívá na cca 52 °C. Zařízení testují nejvyšší účinnost při různých stupních zahřívání a tím umožňují vymezit ideální teplotu pro dané procesy.

Dosažené výsledky

Ukázalo se, že výtěžnost plynu u slámových briket je až o 19 % vyšší, než u natrhané či macerované slámy. Vylouhováním slámových briket získáváme o 10 až 20 % bioplynové výtěžnosti více a výsledný digestát je kvalitnějším hnojivem s lepšími vlastnostmi. Briketováním vyřešíme přebytky slámy a ještě zdvojnásobíme výtěžnost bioplynu ve stanicích, které v současnosti používají hnůj jako hlavní surovinu.

Celkový výtěžek samozřejmě závisí na použitých technologiích a dalších faktorech. Za předpokladu kvalitních slaměných briket po 30 až 40 denní termofilní digesci je výtěžek metanu 250 Nm³ z jedné tuny briket. Dalším důležitým výsledkem při používání slaměných briket (před použitím hnoje) je snížení obsahu H₂S (téměř o 75 %). Mezním číslem je zpracování 100 000 tun kejdy za rok, přidáním 10 000 tun slámových briket, tedy 10% podílem v substrátu, kdy bioplynová stanice může zvýšit svou produkci bioplynu až o 160 % (z 2.5 milionu Nm³ na 6,5 milionu Nm³ za rok). Tato technologie by v blízké budoucnosti mohla pomoci spoustě bioplynovým stanicím, které používají jako hlavní vstupní surovinu hnůj. 

Článek byl publikován v časopisu BIOENERGY International 4/2015

*Časopis Bioenergy International  vydává švédská asociace pro biomasu Svebio. Členové CZ Biom (právnické osoby) dostávají jeden výtisk zdarma. Zajímá Vás jaké jsou další výhody členství v CZ Biom? Pro více informací prosím navštivte webové stránky CZ Biom. 

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

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?