Biometan a syntézní plyn jsou další cesty ke zvyšování podílu OZE

Využití biometanu v dopravě

Právě doprava, která ve využívání OZE nejvíce pokulhává, může téměř okamžitě využívat biometan. Pokud je vyroben z odpadů a nepotravinářské biomasy, je navíc označován za pokročilé biopalivo. Této příležitosti se chytila třeba Itálie, která si na přelomu roku nechala schválit Evropskou komisí podporu biometanu v dopravě ve snaze zajistit splnění cíle OZE ještě do roku 2020. A cože tak rychle? Proč ne?! Využijí jen to, co již mají - a vlastně máme i my – slušnou síť bioplynových stanic a výdejních míst CNG. V takovém případě již stačí jen bioplyn upravit na kvalitu zemního plynu a jako biometan jej dodat do sítě nebo spotřebovat přímo v místě jako BioCNG.  Bioplynové stanice tak dostávají další rozměr a větší variabilitu.

Biometanová stanice Könnern

Tím to ale nekončí. Současné technologie jdou mnohem dál, což se bylo možné přesvědčit na exkurzi pořádané CZ Biom po Německu. Na programu byly tři zastavení a každé svým způsobem originální. Nejprve bylo možné shlédnout gigantickou biometanovou stanici Könnern s nominálním výkonem 1 750 Nm3 biometanu za hodinu. Vstupní substráty tvoří převážně cíleně pěstovaná biomasa, která je dodávána od zemědělců z okruhu 15 km a pak ostatní biomasa v podobě cukrovarnických řízků, odpadu z obilí a kejda. Bioplynka nahrazuje výpadek zpracovatelského průmyslu v regionu, hlavně odstavených cukrovarů. V osevním postupu si zemědělci v okolí rezervují v součtu cca 2 200 ha pro jistého a každoročního odběratele, který spotřebuje cca 120 tisíc tun vstupních surovin ročně. Biometanová stanice úplně postrádá kogenerační jednotku a veškerý bioplyn je v aminové vypírce upravován na biometan a následně vtláčen do sítě. K ohřevu fermentorů slouží odpadní teplo z technologie úpravy bioplynu, které je zajišťováno kotlem na biomasu, a nebo také na zemní plyn.

Audi e-gas ve Wertle

Dalším navštíveným zařízením byl provoz označován jako Audi e-gas pro výrobu syntézního plynu ve Wertle na severozápadě Německa. Ve skutečnosti jde o zařízení složené ze tří základních částí s možností samostatného provozu. První částí je opět aminová vypírka pro úpravu bioplynu na biometan. Tato část pracuje trvale a využívá bioplyn ze sousední bioplynové stanice na odpady. Biometan je vtláčen do potrubní sítě zemního plynu.

Do této chvíle nejde o nic zvláštního. Jsou-li však v provozu zbylé dvě části zařízení tak CO2, který by byl z vyčištěného bioplynu normálně vypuštěn do atmosféry, odchází společně s vodíkem do katalytického syntézního reaktoru. Výsledný metan je opět dodáván po vysušení do sítě společně biometanem. Pro takto vytvořený plyn se zavedl pojem syngas a nebo stále častěji se objevující e-gas. Samotný vodík přitom vzniká elektrolýzou vody v třech elektrolyzérech, každý o příkonu 2 MWel.

Výroba vodíku a produkce e-gas se spouští jen když cena elektřiny na burze poklesne pod 0,03 EUR. Stále častěji se přitom stává, že je cena i záporná. Původně zařízení pracovalo v režimu poskytování podpůrných služeb, ale nyní přešlo na přímý obchod s elektřinou na burze a podpůrné služby již neposkytuje. Pracuje tedy čistě v tržním prostředí při velmi nízkých, a nebo záporných cenách elektřiny, tedy současně při její nadvýrobě. Za těchto podmínek je zařízení v provozu cca 1 000 hodin ročně s hodinovým výkonem 1 300 m3 vodíku.

V současné době probíhá úprava zařízení pro distribuci čistého vodíku prostřednictvím nákladních aut. O čistý vodík je v Německu stále větší zájem, a to i kvůli mobilním aplikacím na toto palivo. Přímý prodej vodíku je motivován i oproštěním platby poplatku za OZE, který činní 0,07 EUR/kWh spotřebované elektřiny a platí jí konečný spotřebitel, vyjma elektřiny sloužící k další průmyslové výrobě. Tento příspěvek tedy velké průmyslové podniky neplatí, a proto může být vodík prodáván levněji. Poplatek za OZE se promítne v ceně m3 e-gas při spotřebě 2 kWhel právě minimálně 0,14 EUR. Nejsou to správně nastavená pravidla, ale tím, že si e-gas teprve hledá místo v německé legislativě jsou některé procesy trochu nesystematické. Zajímavostí je, že zařízení je úplně automatické a spouští se na pokyn obchodníka s elektřinou v rámci holdingu WV. Jeho start je velmi rychlý, jsou to minuty do plného výkonu. Dokáže tedy na požadavky sítě nebo obchodníka velmi rychle reagovat. To samé platí i pro odstavení. Elektrolyzéry se trvale udržují na teplotě 60 °C, a to z důvodu teplotní roztažnosti a zajištění těsnosti mezi jednotlivými buňkami, ze kterých je složen (je jich 210). Teplo pro úpravu plynu a další technologické potřeby zajišťuje kotelna spalující bioplyn před jeho úpravou na biometan.

Samotnou produkci biometanu a e-gas používá firma Audi jako marketingovou podporu prodeje svých modelů označovaných G-tron. Tyto vozy jsou poháněny CNG a Audi garantuje, že 3 roky od nákupu je veškerá spotřeba kryta virtuálně právě z tohoto zdroje, a tím nedochází ke spotřebě fosilních paliv. Je to zajímavý tah a silně environmentálně založení zákazníci na něj slyší. Společnost Audi e-gas však nespí na vavřínech a dál se věnuje vývoji nových paliv s využitím vysokoteplotní elektrolýzy nebo získávání CO2 ze vzduchu. Zatím však je ještě dostatek nevyužitých zdrojů CO2 z úpravy bioplynu na biometan, který je v Německu dnes vyráběn na téměř dvou stech provozovnách.

Foto 1: Fléra a technologie čištění bioplynu - aminová vypírka (Adam Moravec)

Bioplynová stanice v Berlíně

Další takovou provozovnou produkující biometan byla i v pořadí třetí navštívená bioplynová stanice Ruhleben, kterou v průmyslové zóně na západě metropole společně se spalovnou odpadů a čistírnou odpadních vod, provozují berlínské technické služby. Tato BPS zpracovává odpad z hnědých popelnic téměř z celého Berlína a výsledný bioplyn upravuje na kvalitu zemního plynu. Produkce bioodpadů v hnědých popelnicích je ročně v Berlíně asi 75 tisíc tun a kolem 68 tisíc tun končí právě zde. O chod celého zařízení se stará 15 lidí rozdělených do dvou směn. BPS nepřijímá žádný jiný bioodpad, vyloučeny jsou odpady z jídelen a restaurací nebo prošlé potraviny ze supermarketů.

Soustředí se opravdu jen na bioodpad z hnědých popelnic. Ten je během roku velmi různorodý a odpovídá ročnímu období. Mění se tedy jeho složení, množství i výtěžnost plynu. Jako limitní pro zpracování určují odpad s produkcí nejméně 80 m3/t odpadu. K této hranici se blíží odpad na podzim, kdy je velký podíl listí. Celkový výkon je však doháněn množstvím, které je touto dobou pro změnu na vrcholu. Potom množství bioodpadu klesá až na minimum kolem vánoc, kdy ale má odpad největší výtěžnost a pohybuje se kolem 150 m3 bioplynu na tunu odpadu. V ročním průměru je to pak někde kolem 100 m3. Díky tomuto jevu se dá říct, že produkce bioplynu je během roku téměř konstantní.

Tím, že na BPS není přijímán gastroodpad není instalováno ani hygienizační zařízení. Hygienizace odpadu probíhá při fermentaci o teplotě 55 °C a zaručeném zdržení více jak 24 hodin. To je zaručeno díky polosuché fermentaci ve dvou ležatých fermentorech s pístovým tokem. Do fermentorů se vkládá připravený substrát v tuhé formě a těsně před vstupem je ve šneku smícháván s recirkulujícím substrátem pro naočkování procesu. Postupným průchodem substrátu fermentorem dochází k jeho zvodnatění a rozkladu. Na konci je substrát již v téměř tekuté formě a je z fermentoru vysáván podtlakem a k separaci dopravován opět přetlakem. Tímto způsobem není substrát vůbec v kontaktu s čerpadlem, které by v takových podmínkách dlouho nevydrželo.

Po separaci je fugát odvážen přímo k zemědělcům a separát pak odchází k provzdušnění do haly s roštovými boxy. Po pětidenním provzdušnění prováděném kvůli zastavení tvorby metanu je v podstatě kompost odvážen k zemědělcům. Ty ještě provádějí sítování pro odstranění zbytku plastů, které v substrátu zůstaly a aplikují kompost na pole. Plasty jsou sice odstraňovány i na počátku, ale přesto jich v substrátu stále dost zůstává.

Technologie na příjmu odpadů je založena na principu dvoustupňového třídění na rotačních sítech s předrcením nadsítné frakce u síta druhého stupně. Drcení však není příliš jemné, tak aby plastové příměsi zůstaly v co největším tvaru. Nadsítná frakce tvořená v prvním stupni o průměru ok síta 60 mm jsou hlavně větve a velké kusy odpadů převážně dřevitých a inertních. To spolu s nadsítnou frakcí druhého stupně tvořenou převážně plasty a s odpadem, který stále odolává rozdružení, odchází do vedlejší spalovny odpadů. Ročně jde o cca 10–12 tisíc tun odpadů takže asi 15–18 %.

Není snaha maximalizovat zisk biosložky, ale spíše ochránit substrát před malými kousky plastu vzniklé precizním drcením. Takto připravený substrát je skladován a promícháván v homogenizační komoře kvůli zajištění kontinuální kvality. Před tím je z něj samozřejmě ještě separován kov, kterého je ročně asi 50 tun.

Kvůli umístění v okrajové části Berlína musí být bioplynová stanice opatřena velmi masívním čištěním znečištěného vzduchu odsávaného ze všech prostor. Vzdušnina před vypuštěním prochází vodní pračkou s roztokem kyseliny sírové pro odstranění dusíkatých látek. Výsledkem této fáze je dusíkaté hnojivo v podobě sulfátu amonného. Dále prochází obrovským biofiltrem a komínem opatřeným kontinuálním měřením do ovzduší. Nově zaváděné zpřísněné limity pro vypouštění zbytkového metanu ve vzdušnině tlačí provozovatele k instalaci vysokoteplotní oxidace. Studie ale prokázala, že emisní stopa této technologie tvořená spotřebou paliva na ohřátí takové masy vzdušniny bude větší, než při ponechání cca 2 % zbytkového metanu.

Biometan je ostatně hlavní produkt bioplynové stanice. Opět byla použita technologie aminové vypírky s tím rozdílem, že pro odsíření v předchozích případech byl použit kyslík a vzduch, kdežto zde odsíření probíhá v samostatném biologickém reaktoru. V době návštěvy chyběl kulový dvou-plášťový plynojem, který nedávno před návštěvou během bouřky shořel i přes to, že vedle byly instalovány vysoké hromosvody.

Biometan je v tomto případě přímo používán k provozu komunální techniky svážející odpad. Městská společnost pro nakládání s odpadem provozuje zhruba 300 nákladních aut a z toho asi 150 je provozováno na BioCNG. Po městě jsou rozmístěny tři výdejní místa CNG napojená na síť zemního plynu, kde dochází k plnění aut „vlastním“ biometanem. Bioplynová stanice si prostřednictvím distribuční sítě dodává biometan do plnících míst s tím, že nadprodukce biometanu může tvořit až 25 %.   

Foto 2: Pohony horizontálních míchadel fermentorů s pístovým tokem (Adam Moravec)

Foto 3: Technologie úpravy bioplynu na biometan s kapacitou 1750 m³/hod (Adam Moravec)

Rozmanitost bioplynu

Shodou okolností všechny tři navštívené projekty mají na předávacím bodu biometanu osazeno měření kvality na nízkém tlaku. Měření, kompresory, odorizace, případná propanizace a všechny bezpečností prvky pro připojení stanice k distribuční síti byly v majetku i provozu místně příslušné distribuční společnosti zemního plynu. Připojení bylo vždy realizováno ve spolupráci s místním distributorem a připojení probíhá jak do nízkého tlaku tak středo-, a nebo vysokotlaku. Tento postup výrazně usnadňuje realizaci i provoz. Navíc dochází ke snížení investičních i provozních nákladů na realizaci biometanové stanice. Takto nastavená spolupráce s provozovateli distribučního plynovodu umožní najít to nejlepší řešení připojení pro obě strany.

Exkurze po výše představených zařízeních ukázala rozmanitost oboru bioplynu, přitom šlo jen o krátké nahlédnutí pod pokličku zajímavých německých projektů. Moderní bioplyn je odvětví, které dokáže regulovat síť díky variabilnímu elektrickému výkonu v širokém rozpětí. Regulaci dokáže provádět i zápornou díky výrobě vodíku, dále použitelného při výrobě e-gas. Navštívená technologie používala pro syntézu katalytický reaktor, ale již dnes vývoj ukázal biologické cesty, které vedou k obohacení biometanu ve stávajících bioplynových stanicích nebo k přímé produkci biometanu. Výsledným efektem je náhrada zemního plynu v potrubí, díky němu se pak dostane k běžnému spotřebiteli a může být nejrůzněji využíván. Prozatím je biometan nejvíce soustředěn do dopravy, protože zde se nám zatím nejpomaleji daří zvyšovat podíl OZE. Přitom právě biometan díky produkci z odpadů je považován za pokročilé biopalivo s jednou z největších úspor emisí skleníkových plynů v porovnání s dnes již používanými palivy a i biopalivy. Bioplyn tak ještě ani zdaleka není na svém technologickém vrcholu a i nadále bude tento obor zaujímat důležité, ne-li nepostradatelné místo v energetice a dopravě.

Článek byl publikován v časopise Biom 2/2018 Biomasa v dopravě.

Tweet

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