Biomasa pro energii (2) Technologie

Vhodných technologií pro výrobu tepla a elektřiny z biomasy je mnoho. Výběr té nejvhodnější záleží na její dostupnosti, ceně, spolehlivosti, efektivitě, vlivu na životní prostředí a dalších kritériích. V tomto dílu seriálu představíme jen několik základních technologií.

Využití energie biomasy

- spalování
- chemické přeměny	- suché procesy	- pyrolýza
		- zplyňování
	- mokré procesy	- chemické
		- biologické	- kvašení
			- fermentace

Termická přeměna biomasy

Nejjednodušší metodou pro termickou přeměnu biomasy je spalování za dostatečného přístupu kyslíku. Tato technologie je dokonale zpracovaná a pro investory představuje minimální riziko. Produktem je tepelná energie, která se následně využije pro vytápění, technologické procesy nebo pro výrobu elektrické energie. Spalování většinou nevyžaduje předběžnou speciální úpravu biomasy. Je přijatelná i vyšší vlhkost suroviny. Vzhledem k charakteru biomasy a jejímu proměnnému složení je nutno věnovat značnou pozornost optimálním podmínkám při spalování a při čištění výstupních spalin, kde je nutno především kontrolovat emise oxidu uhelnatého a tuhých látek. Spalování biomasy je v současnosti technicky dostatečně vyřešeno a to ve dvou koncepcích:

• spalování na roštu,
• spalování na fluidní vrstvě.

Rozšířenější je dosud spalování na roštu, avšak fluidní technologie má některé významné výhody a její technický vývoj stále postupuje.

Složitější metodou je termochemická přeměna biomasy při vyšších teplotách a za nedostatku kyslíku. Produkty takového procesu jsou odlišné podle procesních podmínek, k nimž patři především teplota, doba setrvání částic biomasy v reakční zóně a další způsob zpracování. Jestliže se teplota při reakci v reaktorech pohybuje v oblasti 800°C až 900°C a doba setrvání částic je delší (sekundy až desítky sekund), je produktem z větší části plyn. Tento proces je označován jako zplyňování. Pokud je jako okysličovadlo použit vzdušný kyslík, což je v případě biomasy nejčastější, má vzniklý surový plyn nízkou výhřevnost (4 až 6 MJ/m³), obsahuje dehty, fenoly a tuhé částice. Pokud jsou teploty v reaktoru 450°C až 550°C a doba setrvání suroviny v reakční zóně velmi krátká (maximálně do 2 sekund) jsou produktem zejména páry a aerosoly, v menší míře pak plyn a tuhé částice. Tento proces se nazývá rychlá pyrolýza. Produkty tohoto procesu se musí ihned rychle ochladit, čímž vznikne uvedený velký podíl kapaliny. Tato kapalina má výhřevnost 16 až 20 MJ/kg a po další úpravě může sloužit jako kvalitní kapalné palivo.

Zplyňování biomasy

Pro zplynění biomasy jsou v současné době používány dva základní způsoby:

• zplyňování v generátorech s pevným ložem,
• zplyňování ve fluidních generátorech.

První z obou metod je jednodušší, méně investičně náročná, avšak je použitelná jen pro malé tepelné výkony. Zplyňování probíhá při nižších teplotách (kolem 500°C) a za atmosférického tlaku ve vrstvě biomasy. Vzduch jako okysličovací médium proudí bud' v souproudu (směr dolů) nebo v protiproudu (směrem nahoru) vzhledem k postupnému pohybu zplyňovaného biopaliva. Popelové zbytky se odvádějí ze spodní části reaktoru. Nevýhodou tohoto systému je značná tvorba dehtových látek, fenolů a pod., jejichž odstranění je pak největším problémem:

U druhé metody probíhá zplyňovací proces při teplotách 850 až 950°C. Souběžně zde probíhá vývoj ve dvou základních směrech

• zplyňování při atmosférickém tlaku,
• zplyňování v tlakových generátorech při tlaku 1,5 až 2,5 MPa.

Oba způsoby mají své výhody a nevýhody. Tlakové zplyňování biomasy vycházelo bezprostředně z vývoje zplyňovacích technologií uhlí, v nichž byly z mnoha důvodů používány výlučně tlakové generátory. Obecně menší jednotkové výkony zařízení s biomasou a její specifické vlastnosti vedou k tomu, že v současné době je dávána přednost systémům s atmosférickým zplyňováním a s tlakovým zplyňováním se uvažuje až u případných budoucích projektů tepelných centrál s výkony většími než asi 60 MWe.

Výhřevnost vyrobeného plynu se pohybuje v rozmezí 4 až 6 MJ / m³, přičemž tento plyn je bez větších úprav použitelný pro spalování v klasických kotlových hořácích, a po dodatečné vyčištění i ve spalovacích komorách spalovacích turbín a upravených spalovacích motorů.

Rychlá pyrolýza

Rychlá pyrolýza je jedním z nejnovějších procesů ve skupině technologií, které mění biomasu ve formě dřeva a jiných odpadních materiálů na produkty vyšší energetické úrovně, jako jsou plyny, kapaliny a pevné látky. Jejím primárním energetickým produktem je kapalina - bio-olej, kterou lze snadno skladovat a přepravovat. Je to tmavě hnědá kapalina s hustotou asi 1,2 kg/dm³, výhřevností 16-19 kJ/kg. Nezbytným krokem pro omezení obsahu vody v bio-oleji je předsoušení biomasy na vlhkost nižší než 10% (výjimečně až 15%). Správný průběh pyrolýzního procesuje je dán extrémně rychlým přívodem tepla do suroviny, udržováním potřebné teploty, krátkou dobou pobytu par v reakční zóně a co nejrychlejším ochlazením vzniklého produktu.

Produkci tekutého paliva pyrolýzou lze uskutečnit z libovolného biopaliva. Procesy rychlé pyrolýzy jsou intenzivně vyvíjeny řadou institucí a výrobců zejména během posledních deseti let. Biomasu je nutno před vstupem do reaktorů rozdrtit na požadovanou velikost (různou podle typu reaktoru), což zabezpečuje rychlý průběh reakce a snadnou separaci pevných částí. Topení může být provedeno různými způsoby, např. recirkulováním horkého písku nebo plynů, přídavným spalováním nebo horkými stěnami.

Spalování biomasy v tepelných zdrojích

Malé a střední lokální zařízení a výtopny, kde výkon kotlů spalujících biopaliva se pohybuje v rozsahu od desítek kW do několika MW. Počet těchto zařízení se jen v Evropě pohybuje ve stovkách tisíc. I u nás jsou malé kotle na dřevo v nejrůznějších konstrukčních modifikacích velmi rozšířeny a s rostoucí cenou plynu bude jejich počet dále dynamicky narůstat. V mnoha zemích jsou takové kotle instalovány ve výtopnách menších soustav centralizovaného zásobování teplem (SCZT). Nejrozšířenější je tento systém v Dánsku, kde je v současné době v provozu více než 150 SCZT s tepelným výkonem 1MW až 10 MW využívajících dřevní štěpku, slámu, peletovanou a briketovanou dřevní surovinu. U nás počet takových místních SCZT překročil desítku. Oproti výtopnám na zemní plyn musí mít výtopny na biomasu instalován rozsáhlý skladovací prostor a musí být opatřeny zařízením na úpravu paliva (drcení, lisování, sušení). Také kotle jsou složitější a investičně nákladnější. Přesto tato zařízení představují u nás nejméně problémový a perspektivní tepelný zdroj využívající spalitelnou biomasu.

Teplárny a elektrárny s parními turbínami

Tepelné zdroje menších soustav CZT s biopalivem mají parní systém s tlakem 1,3 až 2 MPa, s mírným přehřátím páry (nejméně o 50 až 80 °C). Systém přípravy a uskladnění paliva je shodný s řešením v případě výtopny. Oproti kotlům na fosilní paliva mají kotle na biomasu zvláštní provedení topeniště, variabilní v závislosti na druhu biopaliva. V některých evropských zemích (Dánsko, Švédsko, Finsko) je tento typ malých komunálních tepláren s parními turbínami značně rozšířen.

Pokud tepelné výkony systémů CZT nepřesáhnou 10 MW, je zde možno použít jednostupňových protitlakých turbín přímo spojených s generátorem nebo lépe vysokootáčkových axiálních či radiálních turbín s integrovanou převodovkou nebo s vysokofrekvenčním elektrickým generátorem. Z ekonomického hlediska je vhodné dávat přednost dražším turbínám s nejvyšší účinností. U nás máme dostatečnou nabídku takových turbín špičkové technické úrovně od tuzemských výrobců (především PBS Velká Bíteš, ale i Ekol a Polycomp).

Místo turbíny lze použít také parní stroj, který má při malých jednotkových výkonech (70 až 300 kW) v některých směrech lepší vlastnosti než parní turbína, např. termodynamickou účinnost a snad i cenu. Parní stroje pro stacionární užití včetně kogenerace jsou nabízeny výrobci ve Spojených státech i v západní Evropě. Jedná se o rychloběžné stroje moderní konstrukce o výkonu v rozpětí 3 kW až několik stovek kW. U nás byl v objektu pily ve Slavonicích instalován a je v provozu parní stroj firmy Spilling (NSR) o výkonu 300 kW. Parní stroj o jmenovitém výkonu kolem 70 kW, určený pro kogenerační účely i pro kondenzační výrobu elektřiny, vyvíjí u nás Polycomp Poděbrady. Tento stroj je v prototypovém provedení odzkoušen a je již připraven ke komerčnímu využívání.

CZT a elektrárny většího výkonu

Biomasa může být ve zdrojích CZT nebo ve stávajících elektrárnách využita třemi způsoby:

• spalováním biomasy v parních kotlích s připojenou parní turbínou v teplárenském zapojení,
• kombinovaným spalováním biomasy a fosilního paliva v tepelných zdrojích s parními turbínami,
• připojením zvláštních kotlů na biomasu k. jinému energetickému zařízení.

Tepelné centrály s parním oběhem využívající výlučně spalování biomasy jsou provozovány zejména v Dánsku a ve Finsku (elektrický výkon bývá nejčastěji v rozsahu 1-10 MW). Při kombinovaném spalování lze na příklad spalovat uhlí a slámu na pevném roštu (Grenaa, Dánsko, 17 MWe, 60 MWt) a realizovat i spalování ve fluidním ohništi (kaly a odpady papírenské výroby spolu se zemním plynem v kotlích teplárny Sachsen Papier, Eilenburg, NSR).

Zařízení se zplyňováním biopaliva

Pro jednotky malého výkonu v provedení se spalovacími motory jsou vhodné zplyňovací generátory s pevným ložem. Zařízení tohoto typu jsou použitelná pro menší tepelné výkony, jsou poměrně jednoduchá pro řízení provozu a méně investičně náročná. Největším problémem je zde vyřešení čištění a úpravy surového plynu do kvality vyžadované pro dlouhodobý bezporuchový provoz spalovacího motoru. Vývoj tohoto typu jednotek probíhá v řadě organizací ve světě i u nás. V ČR bylo v minulých letech uskutečněno několik pokusů o vyvinutí těchto zařízení, které však většinou skončily neúspěšně. Jediným zařízením, schopným v současné době provozování, jsou pravděpodobně energobloky 30 kW a 100 kW vyvinuté v podniku Škoda Plzeň. Dle údajů výrobce by měly být schopny komerčního nasazení a dlouhodobého pružného provozu s dobrými parametry. Podnik Škoda však další práce v tomto oboru zastavil.

Spalovací motory byly také použity u zplyňovacích zařízení s fluidními generátory. V ČR vyvíjela tato zařízení firma Ateko. V tomto programu bylo zkoušeno pilotní zařízení s motorem 22 kWe, poté demonstrační jednotka většího tepelného výkonu se dvěmi těmito motory ve Skotnici. Bylo předpokládáno, že výsledky zkušebního provozu budou využity při návrhu výkonové řady kogeneračních zařízení na biopalivo o elektrickém výkonu až 1000 kW. Program však nebyl zcela úspěšný, vzhledem k problémům s dočištěním plynu pro plynové motory, a další vývoj byl zatím zastaven.

Stirlingovy motory

Stirlingův motor je znám již od počátku l9.století. V posledních třiceti letech se ukázala možnost jeho použití pro stacionární účely a to zejména při kogenerační výrobě elektřiny a tepla. Moderní Stirlingův motor se vyznačuje dobrou účinností, spolehlivostí, tichým chodem a nižšími emisemi škodlivých plynů. Hlavní výhodou je skutečnost, že tento motor může pracovat s nejrůznějšími zdroji tepla počínaje sluneční energií a konče libovolným fosilním palivem a biomasou. Elektrická účinnost těchto motorů se pohybuje v rozpětí 25 až 33%, což je účinnost u motorů o výkonu 1 až 25 kW velmi dobrá.

V oblasti využití biomasy se Stirlingovu motoru nabízejí velké možnosti. Jelikož zde spaliny nepřicházejí do styku s pohyblivými částmi motoru, nehrozí nebezpečí zadehtování v případě použití plynu získaného zplyněním biopaliv v generátoru s pevným ložem. Bez komplikovaného čištění surového plynu proto mohou být použity zplyňovací generátory tohoto typu v malých kompaktních kogeneračních jednotkách. Velmi zajímavé jsou mikrojednotky vyvinuté americkou firmou Sunpower, vybavené Stirlingovými motory s volnými písty o elektrickém výkonu 1 kW až 25 kW, a již provozně vyzkoušené.

Fluidní zplyňování v zařízení středního a velkého výkonu

Využití energetického plynu vyrobeného zplyněním biomasy je vhodné pro řadu technologických procesů, kde tento plyn může nahradit zemní plyn. Příkladem je použití ve vápenkách, cementárnách a pod. Výhodou je skutečnost, že plyn po výstupu z generátoru nemusí být speciálně čištěn, postačí jeho ochlazení na teplotu vhodnou pro klasické kotlové hořáky. Tuto strategii zvolila v současné době firma Ateko, která tak vhodně uplatňuje vyvinutou zplyňovací technologii.

S parními turbínami

Nejjednodušší metodou kogeneračního využití technologie zplyňování biomasy je přiřazení zplyňovací trati ke stávající teplárně na fosilní paliva s parními turbínami. Biomasa zde zmenší spotřebu uhlí (resp.oleje či zemního plynu) a sníží emise. Teplárna není omezena jen na biopalivo, takže je omezeno investiční riziko a jsou zjednodušeny problémy organizace dodávky a uskladnění biopaliva. Kogenerační efekt zařízení je však malý.

Se spalovacími turbínami

První bioteplárnou, využívající spalovací turbínu a to v paroplynovém zapojení, je známá demonstrační jednotka ve švédském Varnemo s tlakovými generátory, umožňujícími zplyňování biomasy i uhlí. Tato jednotka slouží především k výzkumu a vývoji dané technologie, má však již výrazně průmyslový charakter (spalovací turbína má výkon 4 MWe, parní turbína 2 MW).

Jako významná novinka je v tomto typu zařízení uplatněn systém s dvoustupňovým zplyňovacím procesem. Surový plyn z generátoru, v němž fluidní vrstva je vytvářena za pomocí písku, je veden do kolony, v níž probíhá katalytické krakování dehtových částic ve fluidní vrstvě s dolomitem. Po zchlazení plynu je provedeno kombinované suché a mokré odstranění pevných částic. Upravená spalovací turbína Typhoon (4,75 MWe) a parní turbína (3;2 MWe) pohánějí každá samostatný elektrický generátor. Zařízení bylo uvedeno do provozu v roce 2000. Dalším krokem je výstavba zařízení tohoto typu v Brazílii se spalovací turbínou LM 2500 (celkový výkon 30 MWe; s předpokládaným uvedením do provozu v roce 2002) a obdobná zařízení kontrahovaná pro Holandsko a Velkou Británii.

Zajímavým vývojovým krokem je zařízení projektované organizacemi v rámci FORTUM a označované jak pokročilý zplyňovací proces pro mokrá paliva (FORTUMSDIG). Do zplyňovací trati je integrována vysokotlaková sušička, v níž je palivo sušeno přehřátou parou. Vodní pára získaná odpařením vlhkosti z biomasy se jednak zúčastní zplyňovacího procesu, jednak se stává součástí vyrobeného plynu a spolu s další parou vyrobenou v kotli na odpadní teplo a injektovanou do spalovací komory spalovací turbíny výrazně zvyšuje její výkon a tepelnou účinnost. Je zde tak realizován i bez parní turbíny paroplynový systém na základě Chengova oběhu. Celé zapojení zvyšuje součinitel teplárenské výroby elektřiny a celkovou tepelnou účinnost bioplynové teplárny.

Zařízení využívající pyrolýzu biomasy

Bio-olej získaný procesy rychlé pyrolýzy může být použit, po dalším čištění a úpravě, pro chemickou výrobu a pro mobilní dieselové motory nebo přímo sloužit jako topný olej pro kotle či jako palivo pro výrobu elektřiny ve spalovacích motorech a spalovacích turbínách. Jeho velkou výhodou je skladovatelnost a snadná přeprava. V posledních letech je řadou firem a organizací vyvíjeno velké úsilí o rozvoj energetických jednotek se spalovacími turbínami využívajícími toto kapalné palivo. První komerčně nabízenou energetickou jednotkou je kogenerační zařízení firmy ORENDA Aerospace Corporation se spalovací turbínou GT2500 o elektrickém výkonu 2500 kW. V nejbližších letech lze počítat s velkým rozvojem energetického využití této zplyňovací technologie.

Anaerobní fermentace

Anaerobní fermentace spočívá v mikrobiologické transformaci organických složek zvířecích exkrementů, odpadních vod a jiné vhodné biomasy v podmínkách bez přístupu vzduchu při mírně zvýšené teplotě (35-45°C), přičemž vznikne bioplyn a stabilizované hnojivo či kompost. Bioplyn obsahuje 55-60 % metanu a má výhřevnost 20-23 MJ/m³. Zbytek hmoty po fermentaci má vlastnosti výrazně lepší než původní biomasa a představuje výborné hnojivo. Jsou v něm zachovány hlavní živiny a humusotvorné komponenty a naopak zničeny patogenní zárodky a semena plevelů. Je bez zápachu a při použití na polích neohrožuje podzemní ani povrchové vody.

Mokrý způsob fermentace

Při tomto způsobu, obdobném jako v komunálních čistírnách odpadních vod, se hnůj a jiné zpracovávané odpady dopraví do míchací a homogenizační nádrže, kde se s přidáním cirkulační vody upraví do podoby čerpatelného substrátu. Ten je pak veden do velkorozměrové fermentační nádrže - bioreaktoru ve které probíhá vlastní fermentační proces. Zbytek po fermentaci se uskladňuje ve sběrných nádržích a může se přímo aplikovat v zemědělské výrobě. Proces je kontinuální. Pro zvýšení kvality výstupního hnojiva se obvykle zařazuje stupeň, v němž proběhne rozdělení suroviny na tuhý a kapalný podíl. Odloučená voda se vrací do technologického procesu. Získaný bioplyn se skladuje v plynojemu a použije se pro pohon kogenerační jednotky se spalovacím motorem. Tento způsob zpracování je vhodný pro surovinu s větším podílem vody (kejda z chovu vepřů, exkrementy drůbežářských podniků a pod.). Zařízení je investičně dosti náročné, avšak vyznačuje se vysokým využitím energetického potenciálu. V zahraničí je tento systém velmi rozšířen a kogenerační elektrický a tepelný výkon některých centrál je překvapivě velký. U nás jeho použití stagnuje, třebaže některé naše firmy se dokonce podílí na dodávkách zahraničním realizacím (Biogas Pardubice).

Fermentace slamnaté chlévské mrvy

Slamnatý kravský hnůj lze zpracovat také suchou metodou. Hnůj se plní do velkých košů válcového tvaru (průměr 3,5-5 m), které se po naplnění přiklopí plechovým zvonem. V krátké době po naplnění se teplota hnoje počne samovolně zvyšovat v důsledku probíhajících mikrobiologických procesů. Vznikající bioplyn se odsává potrubím zaústěným z podlahy do prostoru pod zvonem. Prostor zvonu je vůči okolí utěsněn jednoduchým vodním uzávěrem. Celý proces fermentace trvá čtyři až šest týdnů. Poté je zvon zvednut a zbývající substrát z koše se použije jako kvalitní hnojivo. Aby proces byl kontinuální, je biostanice zpravidla vybavena šesti koši a pěti zvony. Bioplyn odsávaný ventilátorem z pracujících zvonů se promíchává a uskladňuje v tlakových nebo atmosférických plynojemech. Odtud je veden ke kogenerační jednotce vyrábějící elektřinu a dodávající teplo. Zařízení může být navrženo na zpracování slamnatého hnoje již od cca 100 kusů skotu.

Čistírny odpadních vod

Čistírny odpadních vod jsou jednou z mála oblastí v nichž jsou i u nás již dlouhodobě používány kogenerační jednotky a to jak se spalovacími motory, tak se spalovacími turbínami. Použití kogeneračních jednotek je zde výhodné a tyto jednotky jsou jednotnou součástí celého technologického procesu čištění odpadních vod. V současné době se zde dává přednost kogeneračním jednotkám se spalovacími motory.

Využití skládkového plynu

Komunální odpady se značným podílem organických látek jsou sváženy na skládky a zhutněny. Organické podíly postupně podléhají rozkladu a anaerobním procesům. V prostředí s malým podílem kyslíku se samovolně množí bakterie produkující bioplyn, který může obsahovat až 50 až 70 % metanu. Zbytek je tvořen převážně oxidem uhličitým a dusíkem. Ostatní plynné složky, jako vodík, kyslík, sirovodík apod. tvoří jen zlomek procenta. Výhřevnost skládkového plynu je, v závislosti na obsahu metanu, nejčastěji v rozpětí 18 až 24 MJ/m³ . Skládkový plyn se jímá pomocí řady odběrných sond a sběrným potrubím se svádí do strojovny kogeneračních jednotek se spalovacími motory. Plyn je vhodným palivem motorů, které pro jeho spalování nepotřebují téměř žádnou úpravu. Teplo kogeneračních jednotek se používá pro vytápění komunálních objektů, otop skleníků nebo zemědělských sušáren, apod. Význam tohoto systému je nejen energetický, ale i ekologický, neboť zabraňuje úniku vytvářeného metanu do ovzduší. V zahraničí je tento způsob využití skládek již značně rozšířen.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

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