Využití potenciálu biometanu v plynárenství

Komerční výroba biometanu byla v Evropě zahájena před více než deseti lety, ačkoli technologické postupy, jak získat z bioplynu čistý metan, byly dobře známé a ověřené již mnohem dříve. Pro rozvoj biometanu v Evropě byl klíčový rok 2018, kdy byla v prosinci přijata RED II – první revize evropské směrnice o obnovitelných zdrojích energie. Některé členské státy, v čele s Itálií, ale zavedly provozní podporu vtláčení biometanu do sítě zemního plynu už o 9 měsíců dříve. Výroba biometanu je od té doby neustále na vzestupu a každý měsíc se v Evropě otevírají desítky nových zdrojů. Průměrné tempo růstu od roku 2011 navíc stále zrychluje a růst evropského trhu o 16 % ke konci roku 2019 ukazuje, že biometan je palivo, které má budoucnost a že na něj Evropa vsadila.

Jak jsou na tom jednotlivé země EU ve srovnání s ČR?

Ke konci roku 2019 bylo podle Evropské bioplynové asociace v provozu 578 výroben biometanu a jejich současný počet se odhaduje na 650. Mezi nejrozvinutější evropské trhy patří Francie se 123 a Německo s 232 výrobnami. V Česku výroba biometanu prakticky neexistuje, s výjimkou jedné bioplynové stanice a jedné čistírny odpadních vod.

Hlavním důvodem zaostávání Česka v rozvoji biometanu byly legislativní bariéry. Až do letošního roku totiž neexistovala právní úprava, která by biometan definovala, regulovala a  odporovala. Zastaralé plynárenské vyhlášky vtláčení biometanu do plynárenské sítě velmi komplikovaly a někdy prakticky znemožňovaly. Požadavky na kvalitu biometanu, podmínky jeho  měření a vtláčení do plynárenské sítě byly v letošním roce upraveny vydáním nové vyhlášky č. 78/2021 Sb. Po přijetí zákona o podporovaných zdrojích energie (POZE) bude možné  od roku 2022, resp. 2023, biometan podporovat, certifikovat a vydávat záruky původu. 

Po odstranění těchto hlavních bariér se experti shodují, že potřebujeme co nejrychlejší  nárůst produkce biometanu, abychom splnili české národní cíle úspor emisí skleníkových plynů a podílu obnovitelné energie v sektoru dopravy a v sektoru teplárenství. „Bez významného  přispění biometanu to nepůjde“, tvrdí shodně Vnitrostátní plán České republiky v oblasti energetiky a klimatu a také Národní akční plán čisté mobility. Biometan je  nejlevnější dostupnou možností, jak v dopravě nahradit fosilní CNG a LNG a jak v teplárenství nahradit spalování hnědého uhlí. O zajímavém potenciálu biometanu mluvíme nejenom kvůli jeho vysoké úspoře emisí skleníkových plynů, ale také kvůli podmínkám, které naše země má. Jedná se o 578 vybudovaných výroben bioplynu. A to je i v celoevropském  kontextu hodně, v přepočtu na počet obyvatel je to třetí nejvyšší počet. 

Je to právě velmi hustá síť zemního plynu, která v ČR existuje a která je pro využití biometanu důležitá. Čím více  biometanu bude proudit v naší plynárenské síti, tím menší uhlíkovou stopu a menší emise to bude znamenat při využívání plynu v průmyslu, teplárenství nebo v dopravě. Záměrně v  tomto kontextu uvádím slovní spojení „využívání plynu“, protože se v blízké budoucnosti bude jednat o takzvaný „blend“. Neboli směs zemního plynu, biometanu a vodíku. Fosilní zemní  plyn má při výrobě elektřiny nebo tepla zhruba poloviční emise oproti uhlí. Poslouží nám jako takzvané přechodové palivo, díky kterému můžeme rychle ukončit využívání hnědého uhlí a připravit se i na snižování, příp. ukončení využívání zemního plynu.

Potenciál výroby biometanu odhaduje sdružení CZ BIOM a Český plynárenský svaz na 846 mil. m³ neboli 8 TWh v roce 2030. Je to moc nebo málo? Je to reálné a očekávat další  navýšení, ačkoli to doprava i teplárenství potřebují a chtějí, asi není reálné. Na tom se shoduje většina oslovených expertů. Biometan může nahradit zhruba 10 % zemního plynu, který se  v ČR spotřebuje a co je důležité, může pokrýt celou spotřebu plynu v dopravě. Celková spotřeba plynu v sektoru dopravy v roce 2020 byla cca 95 mil. m³, ale do roku 2030 by se  měla výrazně zvýšit především růstem spotřeby BioLNG v těžké nákladní a hromadné dopravě. Pro tento sektor zatím neexistuje jiné technicky dostupné, ekologické a zároveň  ekonomické řešení. Kamión potřebuje mít dlouhý dojezd a rychlé čerpání pohonných hmot. Elektromotor s bateriemi, které by zabíraly velkou část nákladního prostoru a mají také velkou hmotnost, jsou pro těžkou nákladní dopravu nevhodné. Dlouhý čas dobíjení je také těžko řešitelnou komplikací pro hromadnou i nákladní dopravu.

Vodíkový palivový článek v  kombinaci s elektromotorem může být řešením, pokud bude cenově dostupné, až bude vybudována dostatečně hustá infrastruktura plnicích vodíkových stanic a pouze když bude  dostatek zeleného vodíku z obnovitelných zdrojů za stejnou cenu jako má v přepočtu na ujetý kilometr BioLNG. Splnění těchto předpokladů je přinejmenším nejisté a není reálné jej  očekávat v blízké budoucnosti. Chceme-li v dopravě nahradit fosilní diesel a snižovat emise, můžeme nyní počítat pouze s BioLNG a k tomu potřebujeme biometan. 

Pro plné využití potenciálu biometanu bude v následujících měsících potřeba správně nastavit systém podpory pro výrobce biometanu a motivaci pro dodavatele fosilních paliv. Snižování emisí jim ukládá zákon a biometan je rozhodně lepším řešením než pokročilá kapalná biopaliva. 

Chytrým řešením by bylo motivovat bioplynové stanice k co nejrychlejšímu  dobrovolnému ukončení výroby elektrické energie z bioplynu a co nejrychlejší přestavbě svého energetického zdroje na výrobu biometanu. Rychlé zvládnutí tohoto kroku bude klíčové a  pro stát představuje velmi atraktivní možnost, jak na podpoře obnovitelné energie dokonce vydělat. Výše podpory v korunách přepočtená na jednotku energie nebo na úsporu emisí  skleníkových plynů bude u biometanu nižší. Jinými slovy, stát za stejnou výši podpory může získat více obnovitelné energie v biometanu než v elektřině z bioplynu. Jak je to možné?  Podpora bioplynu byla před cca deseti lety státem nastavena tak, že podporuje elektrickou energii z kombinované výroby (KVET). Podpora je vyplácena za vyprodukovanou elektřinu, ale  často dochází k mrhání vyrobeného tepla, pro které není v místě výroby vždy plné využití. Při KVET se vyrobí cca 60 % tepla a 40 % elektrické energie. Bioplynová stanice spotřebuje  část tepla pro ohřev bioreaktorů (vlastní technologická spotřeba) a pokud není napojena na lokální systém centrálního zásobování teplem anebo nemá celoročně pro teplo jiné využití, je  teplo bohužel mařeno bez užitku. Při výrobě biometanu k takové neefektivitě nedochází. Úprava bioplynu na biometan, například pomocí nanomembránové separace molekul plynů, má  velmi vysokou 99,5% účinnost. Technologické ztráty jsou pouze 0,05 %, a proto téměř celá primární energie bioplynu zůstává i v biometanu. Situace byla jiná před deseti lety, kdy byla  cena elektřiny z bioplynu a z FVE podobná. Ceny FVE zdrojů šly za posledních deset let výrazně dolů a stále klesají. To všechno jsou důvody, proč je rychlý rozvoj výroby biometanu atraktivní a žádoucí.

Proč je biometan přínosný?

Přínosy biometanu pro společnost jsou stejné jako u ostatních „OZE“. Je to úspora emisí skleníkových plynů, které vytváří fosilní energetika a také vyšší soběstačnost a bezpečnost  dodávek díky domácí výrobě plynu. Biometanem je možné nahradit fosilní zdroje energie, které poškozují životní prostředí a jsou příčinou oteplování a změny klimatu. Oproti všem  ostatním obnovitelným zdrojům energie je biometan odlišný. Zásadní rozdíly jsou jak při výrobě, tak v možnostech a způsobu užívání. 

1) Výroba je předvídatelná a je možné ji regulovat. Jinými slovy, výrobna biometanu je palivovým zdrojem energie. Je možné výrobu energie pozastavit a znovu uvést do provozu. Nebo je možné zdroj udržet v provozu neustále 24 hodin denně, 365 dní v roce. Není proto nutné řešit akumulaci energie nebo stabilizaci soustavy v takovém rozsahu, jako je to potřeba u výroby elektrické energie ze slunce, větru nebo vody. To je velmi důležité pro regulaci soustavy, obrovská výhoda palivového zdroje oproti nepředvídatelné výrobě energie  závislé na počasí. 

2) Bude stabilizovat výkonovou rovnováhu elektroenergetické soustavy, která bude zatížená výkyvy tím více, čím více intermitentních obnovitelných zdrojů jako FVE a VTE bude  zapojeno. Nezapomínejme, že současné bioplynové stanice jsou výrobnami elektrické energie a jsou napojené na elektroenergetickou soustavu. Pokud by nastala situace, že nesvítí a  nefouká, klesne samozřejmě dodávka elektrické energie z FVE a VTE. Provozovatel elektroenergetické přenosové soustavy bude požadovat navýšení výkonu regulačních zdrojů, aby se  vyrovnala výroba se spotřebou. A právě takovýmito regulačními zdroji mohou být bioplynové stanice, které jsou rozmístěné po celém území ČR a mohou tedy vyrovnávat  elektroenergetickou soustavu velmi cíleně. S novým zákonem o POZE může stabilizaci elektroenergetické soustavy poskytovat takzvaný agregátor flexibility, který dokáže agregovat a  řídit výrobu a odběr většího počtu lokálních zdrojů. Přerušení výroby biometanu a zahájení dodávky elektrické energie je poměrně rychlé. Výroba elektřiny v bioplynových stanicích by  byla pouze dočasná, dokud by nenajely s výkonem regulační zdroje, které mají delší výkonovou odezvu. Po stabilizaci soustavy bioplynové stanice ukončí výrobu elektrické energie a  znovu budou pokračovat ve výrobě biometanu. 

3) Vyrábí se z mnoha různých vstupních surovin, jako jsou kaly z čistíren odpadních vod, siláž z biomasy, komunální odpady, odpady z restaurací a jídelen, prošlé potraviny, vedlejší  produkty ze zemědělství, potravinářství nebo chemického průmyslu, vedlejší živočišné produkty třeba z jatek a mnoho dalších surovin biologického původu, které nejsou vhodné ke  spotřebě. 

4) Biometan je plyn a je to také biopalivo s poměrně významnou úsporou emisí v porovnání s referenční fosilní pohonnou hmotou. Úspora emisí, která se vyjadřuje v CO₂eq na m³  biometanu, závisí na tom, z čeho a jak se biometan vyrábí. Ve výrobě bioplynu je trendem navyšování odpadních surovin a snižování podílu cíleně pěstované biomasy. To je záměrně  zohledněno i v měrné úspoře emisí, která je u cíleně pěstované biomasy nízká až nulová a u biometanu z odpadů velmi vysoká. Biometan z odpadů vykazuje až 90% úsporu  emisí oproti referenční fosilní pohonné hmotě. O biopalivech je rozšířeno hodně naivních tvrzení, které se nezakládají na pravdě. Můžeme o biometanu a bioplynu prozradit, že se  opravdu, ale opravdu nevyrábí z řepky. 

5) Efektivní akumulace a transport díky chemické energii vázané v molekule základního uhlovodíku – metanu. Energie metanu je stabilní a díky tomu je možné metan jednoduše skladovat i přepravovat. Zemní plyn, který je v naší plynárenské infrastruktuře obsahuje minimálně 95 % metanu. Smíchání biometanu a zemního plynu je možné velmi  snadno. Biometan (obnovitelný zemní plyn, jak biometanu říkají v anglosaských zemích) může plně využít stávající plynárenskou infrastrukturu. Můžeme ho krátkodobě i sezónně  skladovat ve vybudovaných zásobnících zemního plynu anebo přepravovat z místa výroby na místo spotřeby pomocí přepravní a distribuční plynárenské soustavy. Využití biometanu u  spotřebitele probíhá bez potřeby výměny spotřebičů. Biometan má nižší výhřevnost než zemní plyn, který obsahuje malé množství vyšších uhlovodíků (etan, propan, butan...) s vyšším  spalným teplem. Pokud by biometan někdy 100% nahradil zemní plyn, znamenalo by to například, že se litr vody přivede k varu o několik málo sekund později. Což je zanedbatelný diskomfort, který asi rádi strpíme, získáme-li výměnou nezávislost na fosilním průmyslu a zastavíme globální oteplování a s tím spojené změny klimatu. 

6) Mnoho možností využití biometanu. Obnovitelná (bio) pohonná hmota, teplo i elektřina zároveň jsou možnosti, které žádná jiná obnovitelná energie nemá. Biometan vyráběný ze  surovin, které definuje jak evropská směrnice RED II, tak zákon o POZE, se nazývá pokročilým biopalivem. Tento pokročilý biometan se bude využívat v dopravě jako stlačený plyn BioCNG nebo ve zkapalněné formě jako BioLNG. Ostatní nepokročilý biometan se bude vtláčet do plynárenské infrastruktury, která jej přepraví na místo spotřeby, kde ve zdrojích, které  teplo dodávají do systémů CZT (centrální zásobování teplem) nahradí hnědé uhlí při výrobě tepla. Oba druhy biometanu, nepokročilý i pokročilý, budou krátkodobě dodávat regulační  energii pro stabilizaci elektroenergetické soustavy. 

Co se připravuje v ČR?

Rámec budoucího vývoje vymezuje platná legislativa a jeho konkrétní podobu svými rozhodnutími určí vláda a následně provede Ministerstvo průmyslu a obchodu, Energetický regulační  úřad a Ministerstvo životního prostředí. Činnosti ministerstev a úřadů by měly být harmonizované s Národním klimaticko -energetickým plánem České republiky pro rok 2030, který  budoucnost biometanu definuje takto: „Podporovat finančně a institucionálně jak transformaci stávajících bioplynových stanic na výrobu biometanu, tak i nové biometanové stanice,  stanice na výrobu syntetických plynů a zařízení na výrobu vodíku, včetně jejich připojení do plynárenské soustavy.“ 

Jsou to především velká města jako Praha, Brno a další sídelní celky,  které plánují výstavbu nových biometanových stanic. Důvodem pro stavbu těchto stanic je něco jiného. Je to zájem o snížení produkce směsného komunálního odpadu (SKO), ke  kterému obce motivuje nový odpadový zákon. Velmi efektivní cestou snížení SKO je separovaný sběr biologicky rozložitelných odpadů a kuchyňských zbytků z domácností, sběr gastro odpadů z restaurací a jídelen a sběr prošlých potravin. Tyto odpady už nebudou končit na skládce, ale jako  materiál pro výrobu biometanu. Hlavní město Praha plánuje stavbu bioplynové stanice, která bude umět zpracovat 50000 tun odpadů ročně. V Brně plánují obdobné zařízení s kapacitou 20000 tun odpadů za rok. Obě města chtějí, aby na vyrobený biometan jezdily městské autobusy a auta, která ve městě svážejí odpad. 

Čistírny odpadních vod s anaerobní  stabilizací kalů budou díky ukončení provozní podpory výroby elektrické energie přecházet na výrobu biometanu zhruba o pět let dříve než bioplynové stanice. Ústřední čistírna  odpadních vod v Praze právě v těchto dnech vybírá dodavatele technologie výroby biometanu. V první fázi se bude jednat o pilotní jednotku, která má v praxi ověřit předpokládanou  provozní účinnost. Ve druhé fázi bude navazovat rozšíření technologie na celou kapacitu ÚČOV. Čistírna odpadních vod Brno – Modřice testovala výrobu biometanu z kalového plynu v  roce 2018. Výroba biometanu se plánuje společně s rekonstrukcí ČOV v Modřicích, která by měla začít v roce 2024.

Větší čistírny odpadních vod s výrobou biometanu počítají. Pokud se  bude ČOV rekonstruovat, je rozhodně perspektivní uvažovat o anaerobní technologii a výrobě biometanu. Skleníkové plyny jako metan a oxid dusný, které unikají z aerobních čistíren  odpadních vod, znamenají velké riziko, ale i zajímavý potenciál pro jejich omezení. Velké energetické zdroje, které jsou součástí systému EU ETS, musí za vypouštění emisí skleníkových  plynů do ovzduší platit formou tzv. emisních povolenek. Od roku 2025 se systém zpoplatnění emisí bude rozšiřovat i na budovy a dopravu. Předpokládá se rozšíření  systému i na další významné producenty emisí skleníkových plynů, jako jsou čistírny odpadních vod. 

Specializované průmyslové bioplynové stanice budou biometan vyrábět z odpadů a  vedlejších produktů, které vznikají při výrobě potravin, krmiv anebo při oleochemickém zpracování rostlinných a živočišných olejů a tuků. 

Největší výzvou pro budoucí období bude  rozhodně správné nastavení podmínek pro konverzi zemědělských bioplynových stanic, které vyrábějí elektřinu, na moderní zdroje, které budou zpracovávat více odpadů a z bioplynu  budou vyrábět biometan. Přestavba na výrobu biometanu je technologicky i finančně náročný proces. Podmínky podpory by to měly zohlednit takovým způsobem, aby pro bioplynovou  stanici nebylo lepší pokračovat ve výrobě elektřiny. 

Článek byl publikován v časopisu Plyn 4/2021 (Zemní) Plyn a životní prostředí.

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