Nové možnosti energetického využití bioplynu

Energetické využívání bioplynu nabízí velmi široké spektrum různých technologií, prakticky shodných jako pro využívání zemního plynu anebo jiných topných plynů. Relativně nové způsoby využití bioplynu jsou výroba biovodíku, termofotovoltaika a ORC-cykly.

Obr. 1: Bioplyn má širší využití, než jen jako palivo v motorech generátorů elektrického proudu

Různé postupy využití bioplynu se v praktických aplikacích rozvíjejí úměrně požadavkům na ekonomiku (náklady versus tržby), celkovému zisku energie, tržní dostupnosti a existenci referenčních jednotek. Tyto požadavky zatím posouvají některé velmi zajímavé procesy mimo realizaci v provozu. Nicméně lze očekávat, že budou-li v budoucnu státem či soukromými subjekty více podporovány, rychle se rozvinou.

Známé způsoby využití

Tradiční a základní způsoby využití bioplynu jsou: - spalování v plynových kotlích pro vytápění, - pohon plynového pístového motoru generátorů elektrického proudu, včetně motorů kogeneračních zajišťujících i využití odpadního tepla. Další poměrně běžné způsoby využití bioplynu jsou:

• plynové turbíny a tzv. mikroturbíny
• plynové motory pohánějící kompresory chladicích systémů
• plynové kotle ohřívající édium absorpčních chladicích systémů
• imerzní plynové hořáky (pro odpařování, resp. zahušťování, například odpadních vod)
• čištění na kvalitu SNG (náhradního zemního plynu) a vtláčení do sítě
• komprese, případné další čištění a využití například pro pohon vozidel
• výroba elektřiny na palivových článcích

Z hlediska běžného provozu však existují i poměrně nové možnosti pro využití bioplynu:

• výroba biovodíku (a s tím související využití CO₂ pro výživu řas)
• termofotovoltaika (resp. magnetohydrodynamické generátory MHD)
• Rankinovy cykly (ORC)

Těmto nejnovějším technologiím se věnujeme v další části článku.

Výroba biovodíku

Biovodík by bylo možno vyrábět z bioplynu i chemickými postupy:

CH₄ + CO₂ ↔ 2 CO + 2 H₂ (štěpná reakce)

CH₄ + H₂O ↔ CO + 3 H₂ (štěpná reakce)

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ (konverzní reakce)

Tento postup je ale technologicky náročný a mohl by se uplatnit jen u velkých jednotek. V konečném stavu však tyto reakce vždy produkují zbytkový CO₂, který je nutno z vodíku odstranit. Teoreticky lze tímto způsobem z jednoho molu metanu získat až čtyři moly vodíku, ovšem s deficitem energie, který je nutno doplnit z externích zdrojů (teoreticky asi 20 % energie vstupního metanu, prakticky je ale navýšení spotřeby tepla asi 25–35 % energie štěpné reakce vstupního methanu). Požadavek „bezemisního“ postupu, tj. výroby vodíku bez emisí CO₂, tedy nelze splnit a z tohoto hlediska je měrná emise CO₂ shodná jako při spalování bioplynu (tj. na 1 mol metanu se uvolňuje 1 mol vyprodukovaného CO₂).

Schéma 1: Výroba biovodíku v anaerobní fermentaci

Základní environmentální problém, který je společný všem postupům včetně spalovacích, tedy zneškodnění CO₂, zůstává nevyřešen. Naprosto čistým „bezemisním“ postupem výroby vodíku tak zůstávají pouze procesy elektrolytické, využívající elektřinu z bezemisních zdrojů (jaderné, vodní, solární či větrné elektrárny).

Pro kultivaci řas

Jedna z mála možností ryze biologické a environmentálně čisté technologie zpracování CO₂ je kultivace zelených autotrofních řas, které jsou schopny konvertovat CO₂ na biomasu využitelnou například jako hodnotné krmivo pro hospodářská zvířata nebo jako surovina pro farmaceutický nebo kosmetický průmysl.

Schéma 2: Chemická konverse bioplynu na vodík

Přestože řasy jsou schopny 6 až 8 krát rychlejšího růstu než jakékoliv polní plodiny, je společnou nevýhodou těchto technologií velká investiční a provozní nákladnost spolu s potřebou velkých ploch: Systémy čerpání řas a dmýchání plynů spotřebují výkon kolem 40 kW_el. Řasové suspenze je nutno přes noc spouštět do zásobních nádrží, kde musí být trvale provzdušňovány. Kultivační žlaby je nutno každý den po spuštění suspenze umývat a trvale udržovat v čistotě. Suspenze řas, která je dostatečně zahuštěná (podle osvitu za 20–30 dnů), je čerpána k odstředění a vysušení, případně je separát dodán k výrobě krmivové směsi. Navíc v našich zeměpisných šířkách je využitelnost řasové technologie nejvýše 150 dnů v roce. Problémem není ani tak nízká teplota, jako především nízký osvit fotosynteticky aktivním zářením v zimních měsících.

Výhodou kombinace řasové kultivace s provozem BPS je úplná recyklace všech čisticích a odpadních vod zpět do BPS.

Tabulka: Příklad využitelnosti řasové kultivace k odstraňování CO₂ v BPS s výkonem 560 kW_el

Termofotovoltaika

Takzvaná termofotovoltaika využívá jednoduchý spalovací princip, kde horké spaliny z hořáku proudí kolem fotovoltaických prvků citlivých na infračervené záření (na rozdíl od běžných fotovoltaických panelů, které využívají viditelné části spektra).

Schéma 3: Odpařování výluhů s imerzní spalovací komorou

Na podobných principech jsou konstruovány i tzv. MHD (magnetohydrodynamické) generátory, u nichž proud ionizovaných spalin protéká mezi silnými magnety, na nichž je ve vinutí generován elektrický proud. Je to vlastně opačný princip tzv. lineárních elektromotorů zkoušených pro trakční pohony. Systémy MHD se zatím pro využití bioplynu nikde prakticky nerealizovaly.

Rankinovy cykly (ORC)

V současnosti patří mezi nejperspektivnější postupy, které využívají tzv. organické Rankinovy cykly. Jsou procesy zvyšující účinnost výroby elektřiny z bioplynu u klasických uživatelských technologií. Název Organický Rankinův cyklus (ORC) nevystihuje úplně přesně podstatu procesu. Vždy se jedná o uzavřený Rankinův cyklus, nemusí však nutně být postaven na recykluj organických látek, i když tomu tak většinou je.

Schéma 4: Doplnění ORC cyklu k motorgenerátoru

Základním principem uzavřeného RC je tepelné čerpadlo využívajícího teplo k odparu těkavé kapaliny, která svými parami pohání turbínu spojenou na hřídeli s elektrickým generátorem. Expandované páry se chladí ke kondenzaci a získaná kapalina se vrací do výparníku. Je zřejmé, že čím je teplota teplého zásobníku vyšší, tím méně těkavé médium je možno použít. Aplikace Rankinova nebo podobných cyklů jsou využívány i pro spalovací zařízení na biomasu. Jako provozní media se u těchto vysokoteplotních systémů používají různé minerální anebo siloxanové (silikonové) teplonosné oleje. Běžné aplikace pracují s teplotami 200–300 °C, speciální aplikace však docilují teplot média až téměř 500 °C.

Obr. 2: Jedna z mála možností environmentálně čisté technologie zpracování CO2 je kultivace zelených autotrofních řas

Mezi hlavní přednosti ORC je činnost při nepříliš vysokých tlacích, vyloučení korozních vlivů a vyloučení úprav teplonosného média. Teplonosné médium lze využít i k mazání turbíny. Toto je jedna z důležitých výhod oproti klasické parní elektrárně pracující v Rankin- Clausiově cyklu s vodní parou v kondenzačním nebo odběrovém režimu.

Vysokoteplotní ORC systémy v procesech spalování biomasy umožňují vedle zisku tepla i produkci elektrické energie. Cykly ORC pracující v energetických spalovacích systémech představují opačnou část technologického spektra než systémy využívající např. relativně malé rozdíly teplot vody anebo tepla z geotermálních zdrojů. Uprostřed těchto teplotních rozmezí se nacházejí bioplynové systémy s využitím odpadních tepel.

Vysokoteplotní ORC systémy využívající spalování bioplynu nejsou využívány, neboť zde by účinnost výroby elektřiny byla příliš nízká. Výroba elektřiny by za těchto podmínek vykazovala účinnost nižší oproti motorgenerátoru, kde lze dosáhnout účinnosti 35–39 %. Zde přicházejí do úvahy ORC systémy využívající teplo ze spalin motoru, eventuálně teplo z chlazení motoru. ORC systém pracující na teplotním spádu kolem 90/60 °C, umožňující zvýšit výrobu elektřiny asi o 8-10 %.

U bioplynových systémů, kde jsou problémy s odbytem tepla, je ORC významným navýšením výroby elektrické energie, přičemž stále ještě zbývá relativní dostatek tepla pro otopy fermentorů. Takovýto ORC systém ovšem musí být plněn těkavějším médiem, než jsou minerální nebo siloxanové oleje.

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