Výroba a využití bioplynu v zemědělství

Úvod

Největší podíl odpadů vznikajících v zemědělské výrobě představují exkrementy hospodářských zvířat a zbytky rostlin. Nejstarší a technicky nejjednodušší formou nakládáni s těmito "odpady" je jejich přímá aplikace na půdu. V případě správného agrotechnického postupu, kdy jde o maximální využití hnojivých účinků jde bezesporu o způsob, který má své opodstatnění. Praxe však ukazuje, že často z důvodu lokálních přebytků odpadů není nejdůležitější využití jejich hnojivých účinků, ale prostá likvidace.

Řízená anaerobní fermentace organické hmoty, proces využívaný v bioplynových stanicích, umožňuje při zachování hnojivých účinků vstupní suroviny, využít část energie vázané v organické hmotě ( odpadu ) k produkci bioplynu (s obsahem 50 - 75% metanu), využitelného k výrobě tepelné a elektrické energie. V porovnání s přímou aplikací uvedených odpadů na pole přináší anaerobní fermentace další výhody:

• Zvýšenou využitelnost živin. Anaerobní stabilizace zvyšuje kvalitu hnojiva jeho homogenizací a transformací některých látek na látky s vyšším hnojivým účinkem. Společným zpracováním chlévské mrvy, obsahující větší množství draslíku, s kejdou prasat, obsahující větší množství fosforu, se získá kvalitnější hnojivo.
• Snížení zápachu. Anaerobně stabilizovaná kejda má výrazně nižší zápach než kejda surová.
• Kofermentací kejdy s jinými organickými odpady se dosáhne brilantní recyklace odpadů. Ekologický aspekt zahrnuje i sanitární efekt stabilizace a účinné využití takto zpracovaných odpadů ke hnojení.
• Snížení obsahů zvířecích patogenů a semen plevelů.
• Pokles emisí skleníkových plynů v průběhu sladování a aplikace.

Bioplynové stanice v zemědělství

Anaerobní ferementace je soubor dílčích na sebe navazujících biologických procesů konsorcia anaerobních mikroorganismů. Rozklad organických látek až na bioplyn vyžaduje jejich koordinovanou metabolickou součinnost, kde produkt jedné skupiny mikroorganismů se stává substrátem skupiny druhé.To znamená, že při řízené fermentaci musí být zabezpečeny vhodné fyziologické podmínky pro činnost anaerobních mikroorganismů. Mezi nejdůležitější faktory patří:

• anaerobní prostředí,
• složení substrátu,
• teplota (35 - 42 ° C, 55 °C),
• míchání,
• živiny (hlavně u průmyslových vod),
• pH 6,5 -7,5.

Pro zabezpečení a udržení jednotlivých parametrů existuje v dnešní době celá řada technologických řešení, jejichž výběr záleží na druhu zpracovávaných odpadů, kvalitě požadovaných výstupů a samozřejmě na ekonomických možnostech. Ekonomika provozu bioplynové stanice (BPS) je kromě množství a kvality zpracovávaného odpadu výrazně ovlivněna využitím vznikajícího bioplynu a anaerobně stabilizovaného zbytku.

Malé bioplynové stanice

Malé zemědělské bioplynové stanice jsou samostatné jednotky, zpracovávající anaerobní stabilizací organický odpad vznikající na farmě. V převážné míře se jedná o kejdu nebo slamnatý hnůj z chovu hospodářských zvířat. Menší část představují organické odpady z domácnosti farmy. Z hlediska ekonomie provozu bioplynové stanice je účelné zpracovávat i jiné vhodné odpady. Praxí prověřené je například zpracování odpadů ze stravovacích zařízení, hlavně tukové odpady. V tomto případě se dosáhne dvojího efektu, zvýší se produkce bioplynu a získá se finanční úhrada za likvidaci odpadů od producenta.

Bioplyn vznikající při anaerobní stabilizaci je využíván k produkci elektrické energie a tepla v kogenerační jednotce. Teplo a elektrická energie se využívá na farmě, čímž se snižují provozní náklady farmy. Případný přebytek elektrické energie se prodává do veřejné sítě. Velikost zemědělských bioplynových stanic závisí na velikosti a zaměření farmy. Většinou se v Evropě pohybuje v ekvivalentu 30 - 400 VDJ.

Technické řešení malých bioplynových stanic

U bioplynových stanic je potřeba zajistit jednotlivé technologické prvky (homogenizační jímka, reaktor, zásobník bioplynu, uskladňovací nádrž, kogenerační jednotka, tepelný výměník, rozvody tepla) zaručující po stránce biologické a bezpečnosti zdárný průběh anaerobní stabilizace. Narozdíl od velkých stanic, které se staví "načisto" se u malých zařízení můžeme setkat s daleko většími variacemi řešení, vyplývajících z konkrétních možností jednotlivých farem.

Kejda ze stáje stéká samospádem nebo se čerpá do sběrné - homogenizační jímky. Homogenizační jímka, kovová nebo betonová, je spolu s vhodně dimenzovanou uskladňovací nádrží prakticky vždy běžnou součástí farmy. V některých státech je požadavek akumulovat určité množství kejdy vyprodukované na farmě daný legislativou. Zhomogenizovaný odpad se dávkuje do reaktoru. Nejrozšířenější jsou dva typy reaktorů:

Horizontální průtočný reaktor (Darmstadt system)

Reaktor je ocelová nebo plastová, tepelně izolovaná válcová nádrž v průměru zpravidla 2 - 3 m, délky dle potřebné kapacity reaktoru). V praxi se vzhledem k možnosti transportu používají reaktory objemů 50 - 100 m³. Často se využívají použité zásobníky na naftu. Nádrž je uložena na betonových podstavcích tak, aby její sklon byl 3 - 5 % (obrázek.1). Kejda se čerpá do výše položené části. Promíchávání obsahu reaktoru a pohyb směsi směrem k druhému níže položenému konci, je zabezpečeno lopatkami umístěnými na hřídeli procházející horizontální osou reaktoru. Rychlost míchání je pomalá, 1 - 3 otáčky za minutu. Tomu odpovídá i nízká spotřeba energie na míchání, 700 - 900 watový motor je dostatečný pro míchání 100 m³ kejdy obsahující slámu. Vznikající bioplyn se hromadí v horní části reaktoru, odkud je odváděn do plynojemu. Ve spodní části, v nejnižším bodě reaktoru, je jeden nebo více odkalovacích ventilů. Vytápění je řešeno rozvodem trubek uvnitř reaktoru. Běžné je i umístění ve dvojité stěně reaktoru, nebo je vytápění integrováno s mícháním a je umístěno v duté hřídeli míchadla. Vzhledem k poměrně velkým investičním nákladům, se tento typ reaktoru využívá hlavně k fermentaci "hustších odpadů" jako je drůbeží trus, domovní odpad nebo kejda s vyšším obsahem slámy, kdy se využívá vhodnosti tohoto typu míchacího zařízení.

Vertikální reaktory

Vertikální reaktory vycházejí ze standardních, ocelových nebo betonových, uskladňovacích nádrží na kejdu, případně obilí. Přestavění takovéto nádrže na reaktor, vyžaduje zabezpečit její plynotěsnost a tepelnou izolaci. K zabezpečení plynotěsnosti stačí kvalitní betonová konstrukce nádrže a střechy, případně doplněná plynotěsnou fólií (obrázek.2). K tepelné izolaci se používají běžné izolační materiály jako je polystyrén, nebo skelná vata. V některých případech jsou nádrže umístěny pod úrovní terénu. Nádrže jsou vyráběny sériově, což se projevuje v nižší ceně za jednotku objemu. Používané objemy se pohybují v rozmezí 250 - 600 m³, i když existují reaktory s objemy až 1200 m³. Hloubka reaktorů bývá 3 - 6 m a průměr 8 - 18 m. Tyto reaktory jsou často používány dvojúčelově, kdy v průběhu roku pracují s různým harmonogramem dávkování. V létě a na podzim jsou naplněny jenom do úrovně zabezpečující minimální dobu zdržení 20 - 30 dnů. Tím se připravuje rezerva k uskladnění několika set m³ kejdy na zimní a jarní období, kdy se nemůže nebo nesmí kejda aplikovat na pole. Při naplněném reaktoru je doba zdržení přes 60 dnů, což zaručuje dostatečnou produkci bioplynu a stabilní chod fermentoru i v zimním období.

Přibližně 1/3 bioplynových stanic v Německu používá plynotěsné nádrže na uskladnění stabilizované kejdy a současně jako zásobníky bioplynu.V některých případech nádrže s plynotěsnou membránovou střechou slouží i jako fermentor. Často se používají dvojité membrány, kdy se do membránového meziprostoru ventilátorem vhání vzduch pod tlakem 200 - 300 Pa, kterým se nafoukne venkovní membrána sloužící jako střecha a tlak vzduchu působící na vnitřní membránu, oddělující bioplyn, zabezpečuje dostatečný přetlak bioplynu pro další využití. V případě použití jednoduché membrány, se doporučuje udělat nad reaktorem přístřešek.

Centralizované bioplynové stanice

Centralizované bioplynové stanice v zemědělství narozdíl od malých bioplynových stanic zpracovávají odpad z několika samostatných zemědělských farem. Z důvodu srovnatelnosti co do množství zpracovaného odpadu, technologie zpracování, postfermentační úpravy, využití bioplynu apod. je vhodné k centralizovaným stanicím řadit i bioplynové stanice vybudované při velkochovech hospodářských zvířat ve státech střední a východní Evropy. Výhodou centralizovaných bioplynových stanic je:

• nižší jednotkové ceny investic,
• efektivnější využití investic (cisterny, dopravní prostředky atd.),
• kvalifikovanější obsluhu biolynové stanice,
• vzhledem k větší produkci bioplynu, možnost komplexnějšího uplatnění přebytků tepla, elektrické energie (dodávky do elektrické sítě a sítě centrálního vytápění),
• vyrovnanější kvalita anaerobně stabilizovaného odpadu,
• menší potřeba stavebních pozemků,
• lepší možnosti získání úvěrů a dotací.

I když několik většinou demonstračních centralizovaných bioplynových stanic bylo od osmdesátých let postaveno ve více státech západní Evropy, největšího rozmachu dosáhli v Dánsku, kde výraznou roli sehrává stát svojí skutečně environmentální politikou. Stát poskytuje dotace na výstavbu nových stanic, dotuje ceny energií získaných z obnovitelných zdrojů a zatěžuje tzv. ekologickou daní fosilní paliva.

Zájem dánských farmářů o centralizované bioplynové stanice se značně zvýšil již v polovině 80-tých let kdy došlo ke zpřísnění zákonů pro zpracování a uskladnění kejdy. V roce 2000 bylo v Dánsku v provozu 20 centralizovaných bioplynových stanic a několik dalších je plánováno. Kapacita stávajících stanic se pohybuje v rozsahu od 50 do 500 tun zpracovaných odpadů denně s produkcí 1000 - 15000 m³ bioplynu denně. Stanice zpracovávají kejdu přibližně od 600 farem hlavně s chovem prasat a skotu. V menší míře se zpracovávají i odpady z drůbežích farem. Průměrná směs je tvořena ze 75 % zemědělskými odpady a 25% tvoří organický průmyslový odpad (tab.1). Celkově se ve všech stanicích ročně zpracuje 1,2 miliónu tun uvedených odpadů při produkci přibližně 40 milionů m³ bioplynu, což odpovídá 25 milionům m³ plynu zemního.

Jako příklad standardní centralizované bioplynové stanic v Dánsku může být uvedena bioplynová stanice Fangel. Je to první velká bioplynová stanice v Dánsku vlastněná sdružením farmářů (28 členů), které také vlastní kompostárnu zpracovávající odseparovaný tuhý podíl fermentovaného odpadu a 22 uzavřených zásobních nádrží na kejdu, každá o objemu minimálně 100 m³. Kejda prasat a skotu je z jednotlivých farem svážená cisternou. Nečerpatelné odpady (slepičí trus, odpady z jatek a koželužen) jsou dopravovány v kontejnerech soukromými firmami. Odpad je navážen do třech tanků s celkovou kapacitou 9 - 10 dnů průměrného denního návozu. Z tanků je odpad čerpán do hygienizačního tanku ( 500 m³), kde je podroben tepelné hygienizaci po dobu 4 - 6 hodin při 50 - 60 °C. Z hygienizačního tanku se směs čerpá do dvou anaerobních reaktorů, každý o objemu 1600 m³. Anaerobní stabilizace zde probíhá při průměrné teplotě 35-37 °C. Anaerobně stabilizovaný odpad je uskladňován v zásobnících (2 x 800 m³) a z nich rozvážen do zásobníků na jednotlivých farmách. Umístění jednotlivých zásobníků bylo vybráno farmáři tak, aby byly blízko pozemků určených ke hnojení a minimalizovaly se náklady na dopravu.

Průměrná denní produkce bioplynu s obsahem metanu 65-70 % je kolem 5000 m³. Odsířený bioplyn je využíván k produkci elektrické a tepelné energie. Přebytky elektrické energie jsou dodávány do sítě a přebytky tepla ve formě teplé vody do centrálního vytápění blízké obce za běžnou cenu.

Rekuperace tepla v protiproudém tepelném výměníku zajišťuje, že jenom 10 % vyprodukovaného bioplynu se spotřebuje jako procesní teplo.

V normálním provozu pracuje stanice bez obsluhy. Instalovaný řídicí systém zabezpečuje běžný chod stanice. V případě poruchy je obsluha automaticky upozorněna telefonem. Monitorující systém zabezpečuje archivování nejdůležitějších procesních údajů.

Příklady realizace v ČR

Nucená kolektivizace v zemědělství zrušila systém rodinných malých farem, doposud běžných ve světě, které zajišťovaly rostlinnou a živočišnou produkci. Následně docházelo k rozvoji koncentrace a specializace zemědělské výroby spojené se vznikem velkokapacitních závodů pro chov prasat a skotu. Koncentrace měla řadu výhod v úspoře zastavěné plochy, lepší veterinární péči, v uplatnění automatizace a mechanizace provozů. Nevýhodou bylo soustředění značného množství exkrementů ustájených zvířat bez přímé vazby na zemědělskou půdu s návaznými agrotechnickými a ekologickými problémy. Rozsah těhto problémů vedl k prvním pokusům se zpracováním odpadů, hlavně kejdy prasat, čistírenskými technologiemi jak aerobními tak anaerobními. V 90-tých letech byla zahájena výstavba několika bioplynových stanic určených k anaerobní stabilizaci kejdy a slamnatého hnoje, využívajících domácích technologií a know-how. Po roce 1989 nedošlo výrazně k očekávané změně struktury živočišné výroby a nadále nezanedbatelná produkce masa a mléka pochází z tzv. velkochovů. Vzrůstající legislativní požadavky v oblasti ochrany životního prostředí nutí chovatele stále více k řešení problémů spojených s lokální nadprodukcí exkrementů hospodářských zvířat.

Předpokládá se, že limitujícím faktorem pro další existenci velkochovů bude řešení problému likvidace odpadů. Jednou z technologií, která přichází v úvahu je anaerobní stabilizace v bioplynových stanicích.

V České republice má rozvoj a aplikace této technologie v porovnání s jinými státy řadu předpokladů v podobě vysoké koncentrace živočišné výroby, relativně dlouhých zkušenostech s provozem bioplynových stanic, vývojové a výrobní základně. V tabulce 2 jsou uvedeny základní údaje o některých velkých - centralizovaných bioplynových stanicích v ČR.

Po roce 1990 bylo postaveno v ČR ve spolupráci s rakouskými firmami i několik malých - farmářských bioplynových stanic. Většinou se však potýkaly s provozními a ekonomickými problémy, často způsobenými nedostatkem zkušeností farmářů s jejich provozem.

Faktory ovlivňující ekonomiku BPS

Bioplynová stanice je zařízení jehož účelem je anaerobní fermentace organické hmoty v bioreaktoru. K tomu se musí zabezpečit předúprava vstupní suroviny, uskladnění a využití anaerobně stabilizovaného odpadu, skladování a následné využití bioplynu. Před vlastní realizaci je potřeba zkonzultovat s projektantem minimálně následující otázky:

1. Specifikace odpadu (substrátu) pro bioplynovou stanici

• zemědělská výroba,
• kejda,
• potravinářský průmysl,
• ČOV,
• ostatní.

2. Údaje o vstupech 

• denní množství [m³.d^-1],
• obsah celkové sušiny [%],
• obsah organické sušiny [%],
• teplota [°C],
• konzistence:
  • tekutá kejda,
  • kejda + slamnatý hnůj,
  • organické odpady, velikost.

3. Předpokládané využití bioplynu

• kontinuální spalování v kogeneraci, výroba el. energie a teplé vody,
• spalování v kogeneraci pro pokrytí odběrových "maxim",
• sušení,
• čištění a stlačování pro pohon vozidel.

4. Předpokládané nakládání s fermentovanou surovinou

• skladování, rozvoz dle rozvozového plánu hnojení,
• odvodnění:
  • tekutý podíl:
    • skladování, hnojení,
    • dočištění k vypouštění do recipientu,
  • tuhý podíl:
    • kompostování,
    • sušení, spalování,
    • hygienizace.

5. Možnosti využití stávajících zařízení

• jímky,
• nádrže, materiál,
• čerpadla, míchadla,
• ostatní.

I při výstavbě jednoduché bioplynové stanice je nutné si uvědomit, že její součástí jsou vyhrazená zařízení. Vztahuje se na ní v plném rozsahu ČSN 756415 "Plynové hospodářství ČOV" a doprovodné plynařské normy (ČSN 386405, 20, 25) se zvýšenými požadavky na bezpečnostní opatření a kvalitu obsluhy. Zařízení splňující předepsané požadavky má tržní cenu, kterou investor nemůže výrazně ovlivnit. Ekonomiku provozu BPS může provozovatel ovlivnit kvalitním provozováním, maximálním využitím přebytku elektrické energie a tepla a kvalitou vstupní suroviny. Z hlediska ekonomiky BPS je mimořádně důležitá právě kvalita vstupní suroviny.

Kejda a slamnatý hnůj obsahují 70 - 85% organických látek v sušině. V provozních podmínkách lze metanizací rozložit největší podíl organických látek u trusu drůbeže (asi 65 %) a u exkrementů prasat (asi 50 %). U kejdy skotu je to kolem 25 - 40 %. U slamnatého hnoje rozložitelnost vlivem pomalé hydrolýzy slámy klesá na 20 - 25%.

Množství odpadu, produkce bioplynu a reaktorový prostor pro jednotlivé druhy hospodářských zvířat jsou uvedeny v tabulce 1.

Uvedené hodnoty množství odpadu a následné produkce bioplynu nejsou neměnné a závisí na koncentraci sušiny resp. organických látek v odpadu, což je dáno skutečností, že bioplyn vzniká jenom z organických látek. Voda se do kejdy dostává hlavně při mytí stájí z nedokonale seřízených napájecích systémů a netěsností kanalizačního systému na farmách. Obzvláště u reprodukčních chovů, je v důsledku zooveterinárních požadavků spojených s vyšší spotřebou mycí vody, množství kejdy vyšší. Dosahované koncentrace se tak často pohybují v rozmezí 2 až 3 % sušiny v kejdě.

Nižší koncentrace sušiny nepříznivě ovlivní ekonomiku bioplynové stanice v několika směrech:

• zvýší se náklady na dovoz kejdy a odvoz anaerobně stabilizovaného produktu,
• stoupají náklady na ohřev balastní vody,
• zvětšuje se potřebný objem reaktoru,
• je nižší produkce bioplynu z m³ odpadu.

Informativní údaje závislosti produkce bioplynu, potřeby BP na ohřev a průměrného disponibilního množství bioplynu v závislosti na vstupní sušině prasečí kejdy jsou uvedeny v tabulce 4.

Závěr

Vzhledem k vysokému podílu biologicky snadno odbouratelných látek jsou zemědělské odpady vhodné ke zpracování v bioplynových stanicích. Zásadním hlediskem při rozhodování pro tuto investici, je důkladný rozbor případných zdrojů pro výrobu bioplynu. Jedná se zejména o eliminaci balastních vod, které výrazně zhoršují ekonomiku provozu. Neméně důležité je zajištění trvalého přísunu dostatečného množství substrátu vhodného pro fermentaci. Z ekonomického hlediska je důležité maximální využití vyráběného tepla a elektrické energie

Příspěvek pro seminář "BIOODPAD 2002 - biologické metody využívání zemědělských odpadů"

Obrázek 2: Vertikální reaktor

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