Farmářské bioplynové stanice v Rakousku

Úvodem:

V sousedním Rakousku je v provozu přibližně 100 farmářských bioplynových zařízení, zpracovávajících nejen tekuté a kašovité odpady ze živočišné výroby, ale v poslední době stále více i další zemědělské odpady, zejména přebytky travní hmoty, odpady ze zařízení pro stravování a další biologicky rozložitelné materiály, které jinak zatěžují životní prostředí. Rakouské zkušenosti jsou využitelné i u nás a to jednak po technické stránce řešení zařízení, jednak i z hlediska provozních a bezpečnostních předpisů. Zajímavé jsou rovněž zkušenosti získané při kogeneraci elektřiny a tepla, využívání organických hnojiv. Ekonomika a ekologie bioplynových stanic je zlepšována dotační politikou státu. Současný využitelný potenciál bioplynu je však stále nejméně pětkrát vyšší než skutečně využívaný.

Důvody pro výstavbu bioplynových stanic na rakouských farmách:

Rakousko má velké příjmy z turistiky. K jejímu rozvoji jistě přispívá pečlivě udržovaná krajina, krásné hory, čistá voda, svěží vzduch a zeleň luk s pasoucím se dobytkem. Tradiční způsob skladování a využívání chlévské mrvy a kejdy je však v podstatě v rozporu nejen z požadavky turismu, ale i s ochranou životního prostředí. Jakmile bylo nutno skladovat odpady živočišné výroby v odpovídajících nádržích, byl již jen krůček k jejich úpravě na výrobu bioplynu a ekologicky vyhovujícího hnojiva. Bylo tak možno podchytit i samovolnou tvorbu bioplynu, respektive metanu, který je jeho součástí a který je několikanásobně účinnějším "skleníkovým" plynem než CO₂. Výstavba farmářských bioplynových stanic je v souladu s požadavky mezinárodních společenství na snížení spotřeby fosilních paliv a snížení emisí z jejich spalování. Velmi rychle se zjistilo, že kromě výkalů zvířat může bioplynová stanice snadno rozkládat další organické materiály, jako jsou odpady z rostlinné výroby, jatečné odpady, odpadní rostlinné oleje a zbytky jídel. Přesto ani v Rakousku se nemůže výstavba farmářských bioplynových zařízení zatím považovat za masový jev a je jen několik vysokokapacitních bioplynových stanic mikroregionálního typu, jaké jsou v Dánsku nebo Holandsku a jimž podobné, i když menší, jsou v provozu u nás. Rychlý rozvoj výstavby bioplynových stanic nastal až po roce 1993 dík velké pomoci státu, i když malé stanice jsou relativně drahé. Rakouské prameny uvádějí za ekonomickou mez alespoň 200 kusů dobytka, a to má zde jen málo podniků. Přesto po stránce technického řešení jsou provozované a zejména nově budované stanice na výši a stejně tak předpisy a normy pro jejich provoz. Při uplatňování "nitrátové" směrnice EU, požadující zcela nové zacházení s hnojivy v zemědělství, nepochybně nastane další rychlý rozvoj těchto stanic, nicméně lze očekávat, že dotačně budou podporovány spíše zařízení s většími kapacitami. Stejná situace bude jistě i v České republice. Proto rakouské zkušenosti mají pro nás značný význam.

Co je bioplyn ?

Bioplyn je směs organických plynů, které vznikají rozkladem každé organické hmoty působením bakterií, kvasinek a hub za nepřístupu vzduchu, resp. kyslíku. Je to proces, ke kterému dochází přirozeně v zažívacím traktu živočichů, nejvýrazněji v bachoru přežvýkavců, to znamená že také za určité teploty. Velká dobytčí jednotka o hmotnosti 500 kg "vyprodukuje" denně asi 1,3 m³ bioplynu. Bioplyn se podle dokonalosti fermentace skládá ze 60 až 80 % metanu (CH₄), což je vysoce výhřevný plyn, běžně známý jako zemní plyn. Dále obsahuje 19 až 39 % neutrálního kysličníku uhličitého (CO₂) vznikajícího z uhlíku a kyslíku obsaženého v rostlinné hmotě a ve zbytcích vzduchu v materiálu a stopy dalších plynů jako je volný vodík (H₂), kyslík (O₂), sirovodík (H₂S) - ten zejména ve výkalech zvířat krmených jadrnými krmivy jako jsou prasata a drůbež. Je tedy méně výhřevný než čistý metan - zemní plyn, ale podstatně výhřevnější než na příklad svítiplyn nebo dřevoplyn, jak uvádí tabulka l.

Tabulka 1: Výhřevnost spalných plynů

Vývoj počtů bioplynových stanic v Rakousku

První bioplynové stanice na zemědělských podnicích v Rakousku se začaly budovat od roku 1979, ale až do roku 1990 bylo uvedeno do provozu jen asi 13 zařízení. Rychlý rozvoj a zejména kapacity výroby narůstaly po roce 1994, jak uvádí tabulka 2.

Tabulka 2: Vývoj počtů farmářských bioplynových zařízení v Rakousku po roce 1990

Kromě zemědělských bioplynových stanic, jejichž počet od roku 1999 dále narůstá, je v provozu v Rakousku ještě asi 80 bioplynových stanic u čistíren odpadních vod ve větších městech a asi 15 stanic využívajících skládkový plyn. Předpokládá se, že stanic u skládek bude v budoucnu asi o 30 až 50 % více s potenciálem až 24 MW, zatímco počty stanic u čistíren odpadních vod by již příliš růst neměly. Zato bioplynových stanic v zemědělství by mělo výhledově být přes 500 a to zejména s větším výkonem, jehož souhrnný výkon by měl být shodný s výkonem skládkových stanic, to je růst z dnešních 5 na cca 24 MW elektrického výkonu a přiměřeně k tomu výkonu tepelného. Počty všech bioplynových stanic různého typu v Rakousku uvádí tabulka 3.

Tabulka 3: Počty a elektrický výkon rakouských bioplynových stanic v roce 1999.

Z tabulky 3 vyplývá, že zemědělské stanice dodávají do veřejné sítě 60 % vyrobené elektrické energie, ale samozřejmě žádné teplo, stanice na čistírnách odpadních vod spotřebovávají vyrobenou elektřinu pro svůj provoz, stejně tak teplo, ale stanice na skládkách, využívající skládkový plyn dodávají do sítě 80 % elektrické energie a pravděpodobně prodávají i část tepla. Už dnes lze považovat dodávky elektrické energie ve špičkách za významné.

Byla testována možnost saturace skládek odpadní biomasou, pro kterou není jiného využití. Bylo dosaženo zvýšené produkce skládkového plynu, a tudíž i energie, ale to s ohledem na nemožnost dokonalého sběru bioplynu ze skládky znamenalo rovněž zvýšené emise. V současné době by podobné počínání bylo v rozporu se Směrnicí Rady EU 1999/31/EC "o skládkách odpadů". Rakousko počítá, že využití skládkového plynu pro energetické účely ještě o 50 % vzroste díky zvýšenému zavádění sběru skládkových plynů. Na druhou stranu s ohledem na již zmíněnou směrnici a připravovanou legislativu o bioodpadech, lze z dlouhodobého hlediska předpokládat snížení produkce skládkových plynů a rozvoj zemědělských, průmyslových a komunálních bioplynových stanic, které oproti skládkám mají výrazně nižší emise, vyšší energetickou efektivitu, nižší záběr půdy a produkují kvalitní organické hnojivo. Na druhou stranu však vykazují vyšší investiční náklady.

Typy zemědělských bioplynových stanic v Rakousku

S ohledem na vysoký počet zemědělských bioplynových stanic lze předpokládat značnou rozmanitost provedení těchto stanic, neboť existuje také řada výrobců a dodavatelů zařízení V podstatě se však rozlišují dva základní typy:

• válcové vertikální - věžové a
• válcové horizontální.

Vedle nich se objevují další vývojové typy, které sledují vědecko-výzkumné výsledky nebo cíle a které představují buď kombinace základních prvků tak, aby vyhověly několika stupňům bioplynové fermentace, nebo v jedné velké nádrži je jednotlivými komorami tento technologický postup oddělen. Převažují spíše fermentační nádrže kovové - často z vyřazených nádrží na LTO, respektive z vyřazených cisternových vagonů. Existují však také nádrže železobetonové. Nádrže jsou zateplené až 40 cm tlustou vrstvou skelné nebo minerální vlny, existuje však také zateplení balíky slámy. Tepelná izolace je kryta slabým pozinkovaným plechem, plastem nebo dřevem. Plastů se využívá k zastřešení, nebo jako membrán oddělujících fermentovanou hmotu od bioplynu. Plynojemy jsou zpravidla z plastického balonu, který je ukryt v samostatném objektu - třeba i v dřevěné kůlně.

Pro výrobu elektrické energie se využívají plynové motory - běžné kogenerační jednotky. Jejich ochranu proti účinkům sirovodíku (H₂S) zajišťuje nepatrný přídavek vzduchu (kyslíku) do reaktoru v místě, kde je bioplyn odváděn do plynojemu. Vzduch je přiváděn v množství mezi 2-5% produkce bioplynu pomocí jednoho či více akvarijních čerpadel. Kyslík způsobuje bio-katalytickou separaci síry na povrchu biozplynovaného kalu. Pro tuto metodu je vhodné, když je plynojem umístěn přímo nad bioreaktorem, jelikož baktérie, které separaci provádí vyžadují vlhkost, teplo (optimálně 37°C) a živiny (Biogas digest). Snížení množství vytvářeného sirovodíku je možné dosáhnout správným vedením procesu anaerobní digesce. H₂S je produkován zejména, když pH klesne mezi 6 a 7. Pak se zvýší produkce kyseliny mléčné (zvláště při nižších teplotách), která je fermentována sirnými baktériemi (např. Desulfovibrio), které uvolňují redukované sloučeniny síry, zejména H₂S.

Novinky při výrobě bioplynu v Rakousku

O rozvoj výroby bioplynu, uplatňování novinek a výsledků práce vědecko-výzkumné základny se v Rakousku stará několik organizací. Je to především ARGE BIOGAS v čele s významným propagátorem Walterem Grafem, ÖSTERREICHISCHER BIOMASSE VERBAND, řízený i u nás známým dr. Heinzem Kopetzem, JENBACHER ENERGIE-SYSTEME AG a UNIVERSITÄT FÜR BODEBKULTUR, Vídeň a řada dalších, zejména projektových organizací a sekcí AGRÁRNÍ KOMORY. Cílem jejich snažení je zejména popularizace myšlenky zpracování rostlinných a živočišných odpadů fermentací na bioplyn, která energii produkuje na rozdíl od kompostování, které energii jen spotřebovává. Zdůrazňují další ekologické výhody při nakládání s produktem. Další zájmy jsou zaměřeny na snižování investičních a provozních nákladů, recirkulaci procesních tekutin, dosažení vyšších cen za elektřinu dodávanou do sítě ve špičkách a zejména na využití všech dosažitelných zdrojů schopných bioplynové fermentace.

Mezi nové, dříve v bioplynových zařízeních nevyužívané materiály, se zahrnuje nadbytečná travní hmota ve formě starého sena, čerstvá, většinou však senážovaná, a další zemědělské odpady i běžné produkty. Jako příklad lze uvést krmnou řepu, plodinu, která poskytuje maximální výnos i ve vyšších polohách. Rakouská odborná literatura uvádí špičkový výnos až 100 tun bulev a 26 tun chrástu po hektaru, což představuje 19 tun sušiny z hektaru a 2 067 GJ energie/ha. Výzkumné práce prokázaly, že produkce bioplynu z drcené, rozmixované krmné řepy a chrástu je velmi rychlá a efektivní. Již během 6 dní bylo získáno až 1000 litrů bioplynu z l kg sušiny krmné řepy, což je asi dvakrát více než ze sušiny zvířecích výkalů. S přídavkem procesní vody je možno upravenou krmnou řepu čerpat. Pro sklizeň z l ha je zapotřebí fermentor s obsahem 100 - 110 m³. Melanž z krmné řepy je však možno přidávat do jakékoliv bioplynové stanice. Ekonomika pěstování krmné řepy pro zpracování na bioplyn vychází ze zásady využití půdy vyřazené z produkce potravin, na kterou přichází určitá podpora (cca 900 EURO/ha), z vyšších cen za elektřinu doma spotřebovanou a dodanou do sítě ve špičkách. Počítá se také s výhodou časového rozložení využití krmné řepy, kterou je možno určitou dobu skladovat. Jako minimální výměra pro tento způsob využití krmné řepy se považuje 10 ha, aby bylo možno efektivně pěstovat, sklízet a zpracovat surovinu. Potom zisk vychází na cca 1 800 EURO, tj. 3 600 DM/ha.

Z dalších ověřovaných metod využívání bioplynu v Rakousku je možno jmenovat ještě využívání odlisované šťávy se siláží, využití bioplynu k produkci elektřiny s vyšší účinností v palivových článcích, výrobu metanolu a etanolu, čistění a konverze bioplynu na zemní plyn. Tyto metody však zatím nepřekročily prahy laboratoří. Usilovně se vylepšuje technika a ekonomika fermentorů a celých technologických linek.

K rozvoji bioplynových zařízení přispívají i dotace (30 % investic), levné úvěry (do 50 %) a další podpory od obcí a okresů Rakouska.

Závěr:

Zemědělství ve střední Evropě se potýká s řadou problémů. Jedním z nich je na jedné straně nadprodukce potravin, na druhé straně drahá nakupovaná energie a hnojiva. Vše vede k vysokým nákladům, které zatěžují zemědělské podniky. K tomu se připojují problémy se sezónností zemědělských prací a nízkým využitím techniky a staveb. Proto bioplynová zařízení, schopná zpracovat na ušlechtilé formy energie kromě odpadů živočišné výroby další odpady na příklad z výroby jídel a zejména přebytky rostlinné výroby (např. trávu) a účelově pěstované suroviny (krmná řepa, energetické plodiny) budou mít pro zemědělské podniky značný význam. V některých případech, v blízkosti větších sídel mohou představovat provozy bioplynových stanic i hlavní obor výroby podniku, zvlášť, bude-li provoz spojen se zpracováním odpadů všeho druhu, nebo výrobou pevných biopaliv.

Bioplynové stanice na venkově mohou významnou měrou přispět k řešení tzv. nitrátové směrnice Evropské Unie, ochraně vody, ovzduší a kulturnosti krajiny včetně turistického ruchu. Proto zkušenosti s provozem více než 100 bioplynových stanic na rakouských farmách budou i pro naše zemědělské podniky přínosem a jejich návštěvy lze jen doporučit.

Reference

1. Bioplynové zařízení NENNING, Nadelsbuch, Vorarlberg.
   75 VDJ, systém ENTEC, svépomocná stavba vertikálních nádrží 150 m³, 140 m³ /den.
   Kogenerace: elektřina + teplo. Elektřina se prodává, kvalitní hnojivo, vyšší výnosy.
   
2. Bioplynová stanice JUNGMEIER, Wallern, Horní Rakousko.
   80 VDJ - prasata, drůbež, přídavek tuky, horizontální nádrž 100m³, 160 m³ plynu/den.
   Kogenerace E + T, elektřina se prodává, teplo pro vytápění, úspora hnojiv.
   
3. Bioplynová stanice PACHINGER, Miesenbach, Horní Rakousko.
   200 VDJ, prasata, skot + odpady z jídelen a odpadové tuky, míchání tlakem plynu,
   500 m³ plynu denně. Účinky: prodej elektřiny, vytápění objektů, snížený nákup hnojiv

Literatura

1. Kronberger, H. Handbuch der erneuerbaren Energie, str. 145 - 154.
   URANUS ,Verlagsgesellschaft, Vídeň 1995
   
2. Graf, W. Biogas für Österreich, str.140
   Bundesministerium für Land-und Forstwirtschaft, Vídeň, 1998
   
3. Graf, W. Kraftwerk Wiese, str. 143
   Impressum W.Graf, tisk Books on Demand, Vídeň 1999
   
4. Wellinger, A Biogashandbuch
   Wirzverlag, Aarau, Švýcarsko

Obr. 2: Horizontální rourový fermentor s druhým stupněm
Obr. 3: Biofermentor na slamnatý hnůj s přídavkem trávy
Obr. 4: Kombinovaný bioreaktor

Tweet

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

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?