Bioplynové stanice na využití bioodpadů

Přirozený proces rozkladu organických látek bez přístupu vzduchu za vzniku bioplynu byl znám již ve středověku. První experimenty využití bioplynu ke svícení údajně prováděl Leonardo da Vinci a vlámský vědec Van Helmont. Za objevitele řízené anaerobní digesce je však považován italský fyzik A. Volta, který již v roce 1776 provozoval první laboratorní anaerobní fermentor. První využití bioplynu k ohřevu vody se uvádí na čistírně odpadních vod (dále ČOV) v nemocnici v Bombay v roce 1897.

K rozvoji anaerobních technologií dochází až ve 20. století, a to zejména při anaerobní stabilizaci čistírenských kalů. V roce 1922 ČOV v Essenu předává bioplyn do městské plynárny a v témže roce je uskutečněno první použití upraveného bioplynu jako motorového paliva. V roce 1937 jsou tankovací stanice na bioplyn v osmi německých městech, dále v Itálii a ve Francii. V České republice se využitím bioplynu z metanizačních fermentorů ČOV zabývá po roce 1955 prof. Vladimír Maděra.

V současné době nastává velký rozvoj produkce a využívání bioplynu na celém světě, a to především pro kogenerační výrobu elektrického proudu a tepla, a tento způsob získávání obnovitelné energie je považován za aktivní ochranu klimatu a za technologii trvale udržitelného života na naší planetě. Přestože proces získávání bioplynu rozkladem organických látek bez přístupu vzduchu je považován za organizačně a investičně náročný, vzniklo v Číně, Indii a dalších rozvojových zemích několik milionů velmi jednoduchých rodinných bioplynových stanic (dále BPS) využívajících bioplyn z bioodpadů a fekálií na topení a svícení.

Základní pojmy

Bioplyn

Bioplyn je směs plynů obsahující 55 – 75 obj. % metanu a 23 – 43 % oxidu uhličitého a cca 2 % vodíku. Další plynné látky obsažené v bioplynu ve stopových koncentracích jsou sirovodík a další sirné a dusíkaté sloučeniny (merkaptany, amidy). Tyto stopové plyny jsou příčinou možného zápachu bioplynu. Výhřevnost bioplynu o obsahu 60 % metanu představuje 25 MJ, což odpovídá cca 6,2 kWh. Plyn obdobných vlastností, získaný odplyněním skládek komunálních odpadů, se nazývá skládkový plyn.

Anaerobní digesce

Anaerobní digesce je řízený proces rozkladu organických látek bez přístupu vzduchu, jehož koncovými produkty jsou bioplyn a nerozložený zbytek, tzv. digestát. Proces anaerobní digesce je též nazýván metanová fermentace nebo metanizace. Anaerobní rozklad organických látek probíhá v několika etapách (fázích).

V první fázi – hydrolýze – jsou rozkládány cukry, tuky a bílkoviny na nízkomolekulární vodorozpustné látky pomocí hydrolytických enzymů produkovaných fermentačními bakteriemi. V další navazující fázi acidogenezi se vytváří zejména organické kyseliny, případně alkoholy. V třetím stádiu tzv. acetogenezi probíhá oxidace organických kyselin a alkoholů na vodík, oxid uhličitý a kyselinu octovou. Nejdůležitější je poslední fáze – metanogeneze, ve které acetotrofní metanující bakterie rozkládají kyselinu octovou na metan a oxid uhličitý a hydrotrofní metanogenní bakterie produkují metan z vodíku a oxidu uhličitého. V popsaném fermentačním řetězci se fermentační produkt mikroorganismů z předcházející fáze stává substrátem pro mikroorganismy v následující fázi. Optimální životní podmínky pro skupiny mikroorganismů v jednotlivých fázích (pH, nutrienty, teplota, toxické látky) jsou značně odlišné a odlišná je i jejich generační doba. Nejnáročnější jsou mikroorganismy metanogenní.

Digestát

Digestát je fermentovaný zbytek z provozu bioplynové stanice. Je ho možné rozdělit na tuhou složku – separát a na tekutý fugát. Fermentační zbytek ze stabilizačních fermentorů na kalových hospodářstvích ČOV je nazýván čistírenský kal a jeho aplikace na půdu je dána zákonem č. 185/2001 Sb., o odpadech a vyhláškou č. 382/2001 Sb., která stanovuje technické podmínky použití upravených čistírenských kalů na zemědělské půdě.

Digestáty z BPS zpracovávajících odpady v případě, že vyhovují limitům obsahu cizorodých látek, zejména těžkých kovů, mohou být použity jako organické hnojivo na zemědělské půdě na základě předpisů legislativy hnojiv nebo mohou být dále použity jako rekultivační digestát na nezemědělské půdě podle vyhlášky č. 341/2008 Sb., o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady. Tuhé digestáty mohou být též následně kompostovány nebo upravovány na pěstební substráty. Fugát po odvodnění digestátu může být částečně recyklován v provozu BPS nebo vypouštěn na ČOV, nikoliv do vodotečí.

Bioplynové stanice

Bioplynové stanice (BPS) jsou zařízení pro řízenou anaerobní fermentaci organických látek. Obecné rozdělení BPS je podle zpracovávaného substrátu na zemědělské (statková hnojiva a zemědělská biomasa), čistírenské (kaly z ČOV), ostatní – zpracovávající bioodpady a vedlejší živočišné produkty (VŽP) podle nařízení EP a Rady (ES) č. 1774/2002, případně zpracovávající biosložku mechanicky vytříděnou ze směsného komunálního odpadu.

Součástí ostatních BPS je zařízení na úpravu odpadů, dávkování vsázky, fermentační zařízení, zařízení na úpravu a skladování bioplynu, zařízení na energetické využití bioplynu (kogenerační jednotka), zařízení na úpravu a skladování digestátu. BPS zpracovávající VŽP musí být vybavena hygienizačním zařízením, tj. uzavřeným reaktorem, který musí být vybaven zařízením na sledování teploty v čase, záznamovým zařízením a zařízením k zabránění nedostatečného ohřevu.

V případě zpracování specifického rizikového kafilerního odpadu je nutné vybavení hydrolyzérem. Nezbytné je rovněž zařízení pro čištění a dezinfekci vozidla a nádob na přepravu VŽP. BPS zpracovávající biosložku vytříděnou ze směsného komunálního odpadu (SKO) jsou vybaveny zařízením pro odloučení lehké frakce a druhotných surovin (BPS Přibyšice). BPS je v ČR třeba považovat za zařízení s možným nebezpečím výbuchu. Pro realizaci stavby BPS platí ČSN 756415 – Plynové hospodářství čistíren odpadních vod.

Technologický proces anaerobní digesce

Podle počtu stupňů rozeznáváme jednostupňový a vícestupňový. U jednostupňové technologie probíhají všechny fermentační fáze v jednom fermentoru. Podle způsobu plnění a vyprazdňování je diskontinuální, semikontinuální, kontinuální. Podle fermentační teploty je mezofilní (30 – 40 °C), nebo termofilní (50 – 60 °C). Podle konzistence vsázky je mokrý (čerpatelný substrát), nebo suchý (nad 18 % sušiny).

Energetické využití bioplynu

Nejstarší způsob využití bioplynu je ke svícení a dále jeho spalování v kotlích za účelem vytápění budov a ohřevu užitkové vody. Část tepla se spotřebuje pro ohřev anaerobních fermentorů, případně pro další zařízení (hygienizační zařízení, hydrolyzér, vakuová sušárna). Za efektivnější způsob se považuje využití bioplynu v kogenerační jednotce s výrobou elektrické energie a tepla. Lze používat spalovací motory nebo plynové turbíny spojené s agregátem na výrobu elektrické energie. Teplo z chlazení motoru a spalin se používá k ohřevu fermentorů a k vytápění. V letním období bývá teplo z BPS využíváno k sušení dřeva a dalších produktů. Vyšší energetické využití bioplynu představuje trigenerační jednotka, což je spojení kogenerační jednotky s absorpční chladicí jednotkou umožňující využití tepla i v letním období tam, kde je zapotřebí klimatizace. Kogenerační využití bioplynu je možné též pomocí palivového článku nebo kombinací palivového článku a mikroturbíny, ale toto řešení vyžaduje dokonale odsířený bioplyn.

Upravený bioplyn je dále možné dodávat do potrubní sítě se zemním plynem nebo komprimovat pro pohon motorových vozidel. Budeme-li uvažovat, že z 1 kg kuchyňských bioodpadů získáme 0,1 m³ vyčištěného bioplynu, získáme tak palivo na 1 km jízdy osobního automobilu.

Potenciál výroby bioplynu v České republice

Produkce bioplynu včetně skládkového plynu se v ČR rozvíjela převážně směrem k odplynování skládek komunálních odpadů a stabilizaci čistírenských kalů na ČOV. Tento potenciál je z větší části (80 %) využit. Nejvyšší potenciál je u zpracování zemědělských obnovitelných surovin, tj. zvířecích fekálií a rostlinné biomasy. Biologicky rozložitelné odpady byly v minulosti zpracovávány na bioplynových stanicích v kofermentaci se zvířecími fekáliemi. Nové předpisy týkající se provozu bioplynových stanic, cen energií a nakládání s digestátem zvýhodňují bioplynové stanice, které nebudou zpracovávat odpady. Proto je předpoklad budování a provozu BPS specializovaných na zpracování BRO.

Zejména jde o zpracování kuchyňských odpadů, včetně olejů na smažení (zejména z jídelen a restaurací), o trávu z údržby zeleně, lihovarské výpalky, odpady z výroby bionafty a tuhé odpady z potravinářského průmyslu, včetně gastroodpadů a nepoživatelných potravinářských produktů a VŽP (masokostní moučka, kafilerní tuk a jateční odpady). Některé tyto odpady mizí ve směsném komunálním odpadu nebo v odpadních vodách (prostřednictvím kuchyňských drtičů) a odpady ze zeleně a separované domovní bioodpady je často výhodnější využívat kompostováním. Je nutné předpokládat, že dostupný potenciál BPS zpracovávajících pouze odpady nepřevýší 220 GWh a instalovaný výkon 28 MW_el. Je možno uvažovat s cca 125 BPS.

Dostupný potenciál zemědělských a odpadových BPS a jeho využití uvádí tabulka. Je zjevné, že zemědělské BPS naplňují dostupný potenciál produkce 485 mil. m³ bioplynu z 16,4 % a BPS zpracovávající odpady pouze z 5,5 %. Potenciál čistírenských BPS je v současnosti naplněn cca z 80 % a u odplyňovacích zařízení na skládkách je téměř zcela naplněn. Celkový potenciál všech zařízení produkujících bioplyn je naplněn z 27,4 %.

V současné době se při zpracování BRO používá anaerobní digesce v případě, že je nezbytná hygienizace (jateční odpady, odpady z restaurací a jídelen). Ale i kuchyňské odpady, včetně odpadů z velkokuchyní často mizí do odpadních vod nebo do SKO nebo jsou v rozporu s legislativou zkrmovány hospodářskými zvířaty. Další rozvoj anaerobní digesce BRO je závislý na separovaném sběru BRO, ale i zde je konkurence provozně levnějších kompostáren.

Bariéry dalšího rozvoje bioplynových stanic a jejich odstraňování

V roce 2002 vedle čistírenských bioplynových stanic bylo provozováno pouze 6 zařízení zpracovávajících převážně zvířecí fekálie a hnůj. V současnosti již pracuje 131 zařízení s instalovaným výkonem 62 MW_el. Tento nárůst je způsoben legislativním opatřením. Jde především o zákon č. 180/2006 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů, a to zejména záruka výkupu elektrické energie s garancí cen na 15 let a případné „Zelené bonusy“ pro využití elektrické energie přímo na trhu energie.

I přes vysokou celospolečenskou podporu rozvoje bioplynových stanic v ČR se objevují bariéry. Při tzv. kofermentaci odpadů, zejména masokostní moučky, kafilerních tuků, papírenských kalů apod. či při biozplyňování zvířecích fekálií na zařízeních, které nebyly přizpůsobeny těmto odpadům, docházelo k nežádoucím emisím zápachu. BPS projektované jako jednostupňová zařízení s nezakrytými zásobníky digestátu a s malou dobou zdržení byly svými provozovateli přetěžovány odpady za účelem získání vysokých příjmů za zpracování odpadů. Při tom se projevovala nedostatečná:

•  erudovanost subjektů provozujících BPS
• kázeň provozovatelů BPS
• evidentně špatně zpracovaný provozní řád
• legislativa týkající se provozu BPS
• kontrola povolovacích a kontrolních orgánů

V důsledku oprávněných stížností občanů bylo nutné činnost některých bioplynových stanic z důvodu emisí zápachu přerušit. Pachové závady převážně vykazoval provoz BPS zpracovávajících BRO. Na provoz BPS zpracovávající pouze zemědělské obnovitelné suroviny je minimum stížností.

Na základě špatných zkušeností s bioplynovými stanicemi kofermentujícími BRO se zvířecími fekáliemi obtěžujícími obyvatelstvo zápachem vznikají občanská sdružení proti výstavbě dalších bioplynových stanic. Činnost těchto sdružení byla v řadě případů úspěšná a řada celospolečensky prospěšných investičních záměrů nebyla realizována (Úholičky u Prahy, Tišnov).

Tuto bariéru se v současné době daří úspěšně řešit pomocí právních předpisů zejména v legislativě ovzduší, odpadů a hnojiv. Zásluhu na tom má též Metodický pokyn Ministerstva životního prostředí k podmínkám schvalování BPS před uvedením do provozu. Tento metodický pokyn zabezpečuje jednotný postup orgánů státní správy při povolování a schvalování BPS a ukládá optimalizovat podmínky provozu BPS z hlediska životního prostředí. Zejména je kladen důraz na přípustnou míru obtěžování zápachem.

Na BPS zpracovávajících odpady, včetně VŽP, jsou vyšší požadavky na zabezpečení proti úniku zápašných látek, a to jak při dovozu a skladování odpadů, hygienizaci, tak i při nakládání s digestátem. Bioplynové stanice zpracovávající odpady by měly disponovat dostatkem kapacit zakrytých zásobníků na digestát, a to minimálně na dobu 4 měsíců. Na každé BPS je nutné řešit omezení vznikajících emisí pachových látek, a to jak při běžném provozu, tak i při haváriích. Pro tuto eliminaci lze doporučit spíše biofiltry než filtry s aktivním uhlím.

Bariéru odporu obyvatelstva proti BPS se daří úspěšně odstraňovat dobrými zkušenostmi z provozu některých nových tuzemských BPS a exkursemi na BPS v Německu a Rakousku.

Od roku 2007 bylo v ČR uvedeno do provozu cca 50 nových BPS. Nové poznatky z jejich provozu ukazují na možnost vzniku dalších problémů. Jde o špatné provozování BPS způsobené nedostatečnou znalostí vlastního fermentačního procesu a nezkušeností provozovatele, důsledky chyb při výběru technologie s ohledem na zpracovávané substráty, chyby v projektech a konstrukci a o enormní snahy o úspory v investičních a provozních nákladech vedoucí až k porušení technologické kázně. Následkem těchto chyb vznikají provozní potíže projevujících se snižováním výkonu stanic a produkcí zápachu, které často končí až úplným kolapsem fermentačního procesu s nutností proces opětovně nastartovat. Tyto nedostatky se projevují v ekonomice provozu BPS zejména prodlužováním doby návratnosti investice.

Ekonomické bariéry rozvoje budování BPS se postupně se zvyšující se celospolečenskou podporou daří odstraňovat a podnikatelské riziko výstavby BPS se snižuje. Mezi zemědělskými a BPS, které jsou zařízeními pro nakládání s odpady, jsou určité rozdíly. Investiční náklady BPS zpracovávajících odpady jsou vyšší (210 – 230 tis. Kč/kW_el), než u BPS zemědělských (110 – 130 tis. Kč/kW_el ). Tento rozdíl v investičních nákladech je vyvolán nutností vybudovat hygienizační jednotky a technická opatření k odsávání a filtraci zápašných plynů a k uzavření zásobníku na digestát.

Ekonomickou efektivnost BPS ovlivňují nejen investiční parametry, zejména investiční náklady, náklady na kapitál, výše nevratných dotací, ale i provozní ukazatele, zejména příjmy za zpracování odpadů, za prodej elektrického proudu, tepla a digestátu. U odpadářských BPS jsou provozní náklady vyšší z důvodu spotřeby tepla a elektrické energie při hygienizaci a drcení BRO a VŽP, zajišťování termofilního režimu fermentace, prokazování hygienizace a vyššími náklady při nakládání s digestátem. Navíc využití digestátů ze zemědělských bioplynových stanic jako hnojiva nevyžaduje při uvádění do oběhu registraci, kdežto u odpadových bioplynových stanic je registrace takového digestátu nutná i v případě použití pro vlastní potřebu.

Přesto státem garantované výkupní ceny elektřiny dodávané do sítě jsou u bioplynových stanic zpracovávajících odpady nižší než u zemědělských BPS. Stejné rozdíly podle kategorie BPS jsou i mezi cenou zelených bonusů.

Výkupní cena elektrického proudu z BPS je sice stanovena na 15 let dopředu, ale je nižší než v sousedním Německu. Rovněž cena za zpracování odpadů v BPS je ve srovnání s Německem a Rakouskem značně nízká, je však předpoklad, že dojde k jejímu zvýšení se zvyšováním ceny za skládkování odpadů. Prodej tepla, který je u bioplynových stanic stále nedostatečný, může efektivnost BPS značně navýšit. O ekonomické efektivnosti BPS rozhoduje i způsob nakládání s digestátem a jeho případný prodej jako registrovaného organického hnojiva může být pro provozovatele BPS významný.

O návratnosti vynaložených investičních prostředků na výstavbu BPS rozhoduje především výše nenávratné dotace. Může jít o finanční podporu z operačních programů a ze státního programu na využití obnovitelných a druhotných energetických zdrojů s minimálně 40% spoluúčasti investora. Tak se může zkrátit období návratnosti investice při dobrém provozování BPS na 9 – 10 let, tj. na cca dvě třetiny předpokládané životnosti zařízení.

Závěr

Návrh směrnic Evropského parlamentu a Rady o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů klade velký důraz na využití energie z biologického odpadu. Rovněž nový dokument Zelená kniha o nakládání s biologickým odpadem v Evropské Unii (KOM 2008811) preferuje energetické využití BRO, a to zejména kuchyňského a potravinářského bioodpadu. V případě, že není zajištěn oddělený sběr kuchyňských odpadů a ty se stávají složkou SKO, doporučuje se mechanickobiologické zpracování využívající ke stabilizaci biosložky anaerobní digesci produkující bioplyn. Environmentální aspekty anaerobní digesce jsou průkazné a mohou výrazně omezovat narůstající skleníkový efekt a klimatickou změnu. Zároveň produkce bioplynu zabezpečuje substituci fosilních paliv, včetně motorových paliv, a posiluje energetickou bezpečnost státu. Příkladem může být SRN, kde je instalováno více než 4 tisíce BPS. Z tohoto pohledu je poskytovaná stávající celospolečenská podpora intervenovanou cenou elektrického proudu z BPS a investičními dotacemi zcela oprávněná. Tato podpora je však významně vyšší u zemědělských BPS.

V podmínkách ČR, kde jsou ceny za zpracování biologických odpadů výrazně nižší než v SRN, doporučuji zvýšit výkupní cenu za elektrický proud a cenu Zelených bonusů u BPS zpracovávajících BRO. Toto opatření by vedlo k budování dalších BPS zpracovávajících odpady, což by se projevilo snížením množství biologicky rozložených komunálních odpadů na skládkách.

Zdroj: Bioodpad-bioplyn-energie, MPO a CEMC 2009

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