Možnosti využití anaerobní fermentace pro zpracování zbytkové biomasy

Článek je převzat ze sborníku z mezinárodní vědecké konference "Zemědělská a zahradnická technika z hlediska environmentální politiky státu", která se konala 29.-30. kvetna 2003 v Lednici.

Abstract

Possibilities of anaerobic fermentation utilization for residual biomass processing
Biomass anaerobic fermentation is dynamically developing technology providing conversion of raw organic matter to biologically stabilized substrate and biogas. The most residual biomass generates in agriculture, municipal sphere, food industry or at wood felling and treatment. For satisfactory economical results of biogas stations operations and with respect to the more favourable environmental state policy is necessary the input material all year supply to be available in appropriate quality and sale for both the products of anaerobic fermentation. With respect to the biomass resources, possibilities of production application and foreign experiences it seems ideal the connection of that technology of residual biomass processing with agriculture.

Key words: anaerobic fermentation, residual biomass, agriculture, biogas, biogas plants, manure

Abstrakt

Anaerobní fermentace biomasy je dynamicky se rozvíjející technologie, při které dochází k přeměně surové organické hmoty na biologicky stabilizovaný substrát a bioplyn. Nejvíce zbytkové biomasy vzniká v zemědělství, komunální sféře, potravinářském průmyslu či při těžbě a zpracování dřeva. Pro uspokojivé ekonomické výsledky provozu bioplynových stanic i s přihlédnutím na příznivější environmentální politiku státu je nezbytné mít k dispozici celoroční přísun vstupního materiálu v odpovídající kvalitě a odbyt pro oba produkty anaerobní fermentace. Vzhledem k zdrojům biomasy, možnostem uplatnění produkce i zahraničním zkušenostem se jeví jako ideální spojení této technologie zpracování zbytkové biomasy se zemědělstvím.

Klíčová slova: anaerobní fermentace, zbytková biomasa, zemědělství, bioplynová stanice, bioplyn, statkové hnojivo

Úvod

Řízená anaerobní fermentace je perspektivní způsob ekologického zpracování zbytkové biomasy. Jedná se o bioenergetickou transformaci organických látek, při které nedochází ke snížení jejich hnojivé hodnoty. Tato technologie využívaná v bioplynových stanicích (BPS) je souborem procesů, ve kterých směsná kultura mikroorganismů rozkládá biologicky odbouratelnou organickou hmotu bez přístupu vzduchu. Výslednými produkty jsou biologicky stabilizovaný substrát s vysokým hnojivým účinkem a bioplyn (BP) s obsahem 55-70% metanu a výhřevností cca 18-26 MJ.m^-3, který se využívá k energetickým účelům.

Hlavní zdroje a vlastnosti biomasy

Nejvíce zbytkové biomasy vzniká v zemědělství. Jedná se především o odpady z živočišné výroby a zbytky rostlin. Exkrementy hospodářských zvířat je stále obtížnější využívat v rostlinné výrobě jako hnojivo z důvodu zpřísňujících se předpisů i proto, že mnoho velkochovů zvířat bylo vybudováno bez jakékoliv vazby na půdu. Dále jde o zbytky z rostlinné výroby, pro které není další uplatnění, případně o cíleně pěstovanou nepotravinářskou produkci. Zajímavé možnosti nabízí travní fytomasa z dotačně udržované zatravněné půdy, která musí být pravidelně odstraňována.

Dalším významným zdrojem zbytkové biomasy je komunální sféra. Biologický odpad tvoří asi 40% podíl komunálního odpadu. Návrh plánu odpadového hospodářství ČR stanovuje postupné snižování skládkování komunálního odpadu a směrnice Rady 1999/31/EC o skládkování odpadu vyžaduje postupné snižování procenta organických odpadů jdoucích na skládky, což přispěje k rozvoji technologií na zpracování bioodpadů. Důležitým zdrojem biomasy jsou také odpady z údržby zeleně a kaly z čistíren odpadních vod (ČOV) bez vlastního kalového hospodářství.

Odpady vhodné pro zpracování anaerobní fermentací vznikají rovněž v průmyslu, zejména potravinářském. Přestože se tyto materiály dají často využít efektivně jiným způsobem (např. jako krmiva či hnojiva) nebo naopak z důvodu obsahu nebezpečných látek znamenají riziko pro následné uplatnění substrátu po fermentaci jako hnojiva, představují určitý potenciál pro zpracování v BPS v některých případech i možný budoucí zdroj příjmů (poplatky za zpracování odpadu). Podobně by se mohlo stát pro provozovatele BPS zajímavým zpracování kuchyňských odpadů ze stravovacích zařízení, včetně obsahů kuchyňských lapolů a použitých fritovacích olejů. V neposlední řadě je významným zdrojem odpadní biomasy lesnictví. Odpady z těžby a zpracování dřeva s vysokým obsahem lignocelulózy a sušiny jsou však vhodnější pro využití přímým spalováním nebo kompostováním.

Odhad celkového množství organického materiálu vhodného pro zpracování anaerobní fermentací ze zemědělství, komunální sféry a průmyslu v ČR je uveden v tabulce 1, kde teoretický potenciál odpovídá celkovému množství produkované biomasy, dostupný potenciál je technický potenciál, který je možno využít v současnosti dostupnými technickými prostředky a ekonomický potenciál je ta část dostupného potenciálu, kterou je možno za současných podmínek (ekonomické, legislativní apod.) ekonomicky využít. Ekonomický potenciál se pohybuje podle druhu zdroje biomasy v rozmezí 18-33% dostupného potenciálu. Položka živočišný odpad v tabulce 1 představuje exkrementy hospodářských zvířat, jejichž množství bylo odhadnuto z počtu chovaných zvířat v ČR., položka fytomasa odpovídá odpadní či cíleně pěstované fytomase, kterou představují povinně sklízené trvalé travní porosty a pěstované zemědělské plodiny s vysokým obsahem dusíkatých látek a položka BRKO+BRPO představují biologicky rozložitelný komunální odpad (BRKO) a biologicky rozložitelný průmyslový odpad (BRPO).

V současnosti je v ČR v provozu dvanáct BPS, které zpracovávají přes 200 tis.t materiálu ročně, a tak využívají odhadovaný ekonomický potenciál z pouhých 10%.

Každý organický materiál s vysokým obsahem těkavých látek a sušinou menší než 50% může být teoreticky využit pro anaerobní fermentaci. Pro efektivní zpracování je však zapotřebí, aby vlastnosti použitých materiálu byly v určitém optimálním rozmezí. Základní hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2.

 Velmi důležitá je přítomnost toxických a inhibujících látek, které by výrazným způsobem narušily biologický proces ve fermentoru. Jedná se např. o všechna bakteriální léčiva (bakteriocidy), látky v hnilobném rozkladu či vyšší koncentrace amoniaku. Nežádoucí jsou i látky, které přímo nenarušují biologický proces, ale negativně ovlivňují kvalitu zplynovaného substrátu, jako např. těžké kovy. Ostatní vlastnosti uvedené v tabulce 2 je možné ovlivnit vhodnou úpravou materiálu před vstupem do BPS, popř. složením vsázky při společné fermentaci (kofermentaci) různých druhů organických látek. Například přidáním travní fytomasy k prasečí kejdě (s vysokým obsahem dusíkatých látek a nízkou sušinou) lze optimalizovat poměr uhlíkatých a dusíkatých látek (C:N) i obsah sušiny.

Možnosti využití produktů anaerobní fermentace

Produkty anaerobní fermentace zbytkové biomasy jsou bioplyn (BP) a biologicky stabilizovaný substrát. BP je vysoce kvalitní obnovitelný zdroj energie (OZE), který poskytuje celou řadu možností energetického využití. Z tabulky 3 je jasně patrné, že výhřevnost BP významně ovlivňuje pouze obsah metanu (CH₄), který závisí především na složení vsázky a technologických parametrech BPS. Problémovou složkou BP je naopak sirovodík (H₂S), jenž je při spalování BP příčinou tvorby kyseliny sírové (H₂SO₄), která při kondenzaci ze spalin způsobuje korozi. Proto se musí sirovodík při vyšší koncentraci z BP odstraňovat. K tomuto účelu se nejčastěji používá chemická adsorpce H₂S do pevné látky (FeO, Fe₂O₃), nebo biologická metoda využívající sirných bakterií, které v aerobním prostředí oxidují H₂S na elementární síru a sírany v závislosti na teplotě a pH.

Hlavní způsoby využití BP jsou:

• přímé spalování a ohřev teplonosného média (např. topení, sušení, chlazení, vaření),
• výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média (kogenerace),
• výroba elektrické energie, tepla a chladu (trigenerace),
• palivo pro pohon mobilních energetických prostředků,
• neenergetické využití BP (chemická výroba sekundárních produktů z BP).

V současnosti nejrozšířenějším způsobem využití BP je kogenerace. Kogenerační jednotky využívají BP na kombinovanou výrobu elektrické energie (cca 35% celkové energie) a tepla s vysokou účinností až 90%. Spalovací motor na BP pohání generátor elektrické energie a zároveň se využívá teplo z chladícího média motoru, popř. tepla ze spalin. Část tepla se využívá k vytápění bioreaktoru. Perspektivním způsoben využití BP je trigenerace. Kogenerační jednotka je zde doplněna absorpčním tepelným konvertorem pro výrobu chladu. Pro pohon mobilních energetických prostředků musí být BP odsířen, zbaven mechanických nečistot a energeticky zhodnocen nad úroveň odpovídající 90% CH₄. Ve Švédsku nově zkouší možnosti takto upravený BP dodávat do rozvodů zemního plynu (ZP), ale tento způsob zužitkování BP nemá v ČR zatím oporu v legislativě.

Vlastnosti biozplynovaného substrátu závisí především na druhu zpracovávaných materiálů, méně už na technologickém procesu. Nejjednodušším způsobem využití substrátu s vysokým hnojivým účinkem je jeho přímá aplikace na zemědělskou půdu. V porovnání s přímou aplikací surového materiálu (např. prasečí kejdy) má anaerobně zfermentovaný substrát řadu výhod:

• substrát je biologicky stabilizovaný a homogenizovaný,
• zvýšení využitelnosti živin a snížení jejich vyplavitelnosti,
• snížení obsahu patogenů a semen plevelů,
• snížení zápachu,
• pokles emisí skleníkových plynů.

Další možností je následná separace tuhé frakce z substrátu lisováním (kalolis), sedimentací či odstřeďováním (odstředivka), za účelem jejího následného zhodnocení. Tuhá frakce s vysokým obsahem organické hmoty se může kompostovat, čímž vznikne kvalitní statkové hnojivo, nebo dalším dosušováním a lisováním do podoby briket či pelet s přídavným materiálem (dřevní štěpka, sláma) transformovat na biopalivo. Následný prodej kompostu či biopaliva ale musí pokrýt alespoň náklady na nutnou transformaci biozplynovaného substrátu. Zbylá tekutá frakce s vyšším obsahem živin (NPK) může být opět aplikována na pole jako hnojivo. V případě, že pro ni není uplatnění, může být aerobně dočištěna jako odpadní voda a vypuštěna do vodoteče. Následné dočišťování odpadní vody ale výrazně zvýší investiční i provozní náklady celé technologické linky. Z výše uvedené skutečnosti vyplývá, že návaznost provozu BPS na zemědělství je vysoce žádoucí.

Legislativní a ekonomické podmínky provozu BPS

Rozvoj technologie anaerobní fermentace v ČR by měla podpořit environmentální politika státu formou podpor a legislativních opatření. Jako příklad lze uvést Národní program nakládání s energií a využívání obnovitelných a druhotných energetických zdrojů, který předpokládá zvýšení podílu OZE na celkové potřebě energie ze současných 2,2% na 3-6% do roku 2010 nebo návrh Plánu odpadového hospodářství ČR předepsaného zákonem 185/2001 Sb. o odpadech (§ 42), který ukládá postupné snižování skládkování komunálních odpadů na 75% stavu z roku 1995 v roce 2010 a 35% v roce 2020 i maximální množství organické složky ukládané do skládek, čímž vznikne potřeba alternativního zpracování v současnosti skládkovaného bioodpadu. K rozšíření výstavby BPS v ČR by měla přispět i implementace směrnic EU, např. směrnici Rady 91/676/EHS (nitrátová směrnice) uplatňující zásady správné zemědělské praxe pro ochranu vod před znečištěním dusičnany nebo 96/61/EC (o integrované prevenci a omezování znečišťování), vtělená do zákona 76/2002 Sb., která mimo jiné požaduje uplatňování nejlepší dostupné techniky (BAT).

Na druhé straně komplikuje rozvoj BPS v ČR roztříštěnost a mnohdy i přílišná přísnost souvisejících předpisů. BPS jsou totiž podle právních norem a technických předpisů v plném rozsahu považovány za zařízení k využívání, odstraňování, sběru nebo výkupu odpadů (zákon o odpadech), zároveň za zařízení, která produkují palivo nebo energii (energetický zákon 458/2000 Sb.) a zařízení, ve kterých se vyrábí organické hnojivo (zákon o hnojivech 308/2000 Sb.). Tato koncentrace norem a předpisů, které platí pro všechny BPS bez ohledu na jejich dominantní účel a výkonnostní parametry, vytváří v souhrnu podstatné omezení pro účelné rozšíření jejich využívání. Jako příklad lze uvést přísné plynařské normy (ČSN 756415, 386405), které zvyšují požadavky na bezpečnostní opatření a kvalitu obsluhy. Určitým nedostatkem je i to, že není energetickým zákonem přímo stanovena minimální cena elektřiny z OZE, nebo že v prováděcí vyhlášce (474/2000 Sb.) k zákonu o hnojivech není specifikován anaerobně stabilizovaný substrát jako hnojivo organického původu.

Přínosné bylo naopak rozhodnutí Energetického regulačního úřadu (ERÚ) č. 1/2002, které v souladu s energetickým zákonem stanoví minimální povinné sazby výkupních cen elektřiny z OZE na 2,50 Kč za kWh. Nedostatkem této formy podpory je značná podnikatelská nejistota, protože ERÚ může prakticky kdykoliv toto platné rozhodnutí zrušit. Není tedy zajištěna stabilita ceny po celou dobu realizace investice. Garantovaná cena elektřiny z OZE navíc není dostatečně vysoká, zlepšuje sice ekonomické výsledky BPS, prodej elektřiny za tuto cenu však pokryje náklady pouze z jedné třetiny, což vyvolává požadavky na dotace ze strany státu.

Státní fond životního prostředí (SFŽP) poskytuje dotace v souladu se Státním programem na podporu úspor energie a využití OZE na realizaci BPS s kogenerační jednotkou. Přímé dotace jsou poskytovány ve výši do 40% investičních nákladů pro obce, obecně prospěšné společnosti a občanská sdružení (kategorie A), 30% pro podnikatelské subjekty (kategorie P) a 35% pro fyzické osoby (kategorie E). Mimo přímých dotací je možné ze SFŽP dostat i bezúročnou půjčku s dvouletým odkladem splátek a lhůtou splatnosti maximálně 12 let ve výši 30% investičních nákladů (kategorie A), resp. 25% (kategorie P,E). Při kombinaci obou forem podpor nesmí být překročena maximální výše přímé podpory stanovená pro daný program 70% (40%dotace + 30 bezúročná půjčka) pro kategorii A, 55% (kategorie P) a 60% (kategorie E). To platí i pro souběh jiných forem podpory např. ze SFŽP a ze státního rozpočtu. Dotace ze SFŽP sice nejsou nárokovatelné, jejich získání, zejména v plné výši, by však mělo zajistit ekonomickou návratnost vložené investice.

Pro ekonomicky výhodný provoz BPS je v současné době nezbytně nutné mít zajištěn:

• celoroční konstantní příjem materiálu v kvalitě odpovídající údajům v tabulce 2,
• celoroční odbyt pro vyprodukovanou energii (při kogeneraci na elektřinu i teplo),
• uplatnění pro biozplynovaný substrát, popř. z něj vyrobené produkty s vyšší hodnotou.

Ekonomické výsledky BPS příznivě ovlivňuje:

• využití stávajících zařízení (nepotřebné senážní věže), které je možné adaptovat na funkční části BPS, čímž se výrazně sníží investiční náklady,
• sdružování producentů do jednoho subjektu, který provozuje tzv. centralizovanou BPS, což snižuje jednotkové investiční náklady a zajišťuje lepší využití produkce,
• zpracovávání materiálu, za jejichž likvidaci se platí (kaly z ČOV, některé odpady z průmyslu, popř. komunální odpady).

Závěr

I přes zlepšující se podmínky ČR stále výrazně zaostává ve využívání anaerobní fermentace zbytkové biomasy za většinou států EU. Zejména SRN, Rakousko či Dánsko jsou dobrým příkladem toho, jak je možné vhodnými opatřeními a osvětou přispět k rozvoji BPS. I za současné situace v ČR však může být řízená anaerobní fermentace při vhodném materiálovém složení vsázky, odpovídající skladbě technického vybavení BPS a především při možnosti vyžití obou produktů procesu ekonomicky efektivním způsobem zpracování zbytkové biomasy s pozitivními dopady pro životní prostředí. Obzvlášť přínosné může být spojení této technologie se zemědělstvím, kde vzniká velké množství vedlejší produkce biologického původu a zároveň poskytuje možnosti využití tuhého zbytku po fermentaci jako organického hnojiva. Pro uspokojivé ekonomické výsledky provozu zemědělských BPS je nadále nezbytné hledat způsob celoročního zužitkování veškeré energie z bioplynu.

Literatura

1. CENKA, M. a kol.: Obnovitelné zdroje energie. Praha, FCC PUBLIC 2001. ISBN 80-901985-8-9.
2. PASTOREK, Z. a kol.: Návrh programu podpory výroby a využití bioplynu a výstavby BPS do roku 2010. Praha, VÚZT 2002.
3. VÁŇA, J., SLEJŠKA, A.: Bioplyn z rostlinné biomasy, Studijní informace ÚZPI. Rostlinná výroba č.5/1998.
4. NÁRODNÍ PROGRAM nakládání s energií a využívání obnovitelných a druhotných energetických zdrojů. zákon č. 406/2000 Sb. www.env.cz
5. Statistická ročenka životního prostředí České republiky 2002. Praha, MŽP ČR 2002. ISBN 80-7212-147-2
6. MOŽNOSTI VÝROBY A VYUŽITÍ BIOPLYNU V ČR. Sborník referátů z konference. Třeboň, CZ BIOM 2002. ISBN 80-238-9402-1
7. NÁVRH PLÁNU ODPADOVÉHO HOSPODÁŘSTVÍ ČR. www.env.cz

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