Zjednodušený výpočet množstva bioplynu vznikajúceho z exkrementov v poľnohospodárstve, grafické určenie návratnosti investície a vhodného typu kogeneračnej jednotky

Abstrakt

Článok sa zaoberá približným výpočtom množstva bioplynu vznikajúceho z exkrementov poľnohospodárskych zvierat, kuchynských odpadov a pod. a jeho následným možným využitím prostredníctvom kogeneračných jednotiek na výrobu elektrickej energie a tepla. Zároveň naznačuje typy vhodných kogeneračných jednotiek a grafický spôsob určovania približnej ceny týchto kogeneračných jednotiek.

Úvod

Jednou z možností úspor palív je využívanie obnoviteľných - recentných zdrojov energie. Rozbor využiteľného potenciálu druhotných zdrojov preukázal, že ich význam v podmienkach SR je prevažne lokálny, prípadne regionálny, no i preto je potrebné vytvárať podmienky pre ich maximálne využívanie. Jedným z cieľov energetickej politiky každého štátu je nahradzovanie prírastkov v spotrebe energie využívaním obnoviteľných zdrojov energie v maximálnej miere a zavádzanie kombinovaného spôsobu výroby elektrickej energie a tepla, resp. kombinovanej výroby elektrickej energie, tepla a chladu.

V prípade miestneho hospodárstva je jednou z možných foriem zvýšenia hospodárnosti poľnohospodárskeho družstva, farmy, využívanie biologického materiálu, ktorý vzniká v živočíšnej výrobe, vzniká ako odpad z ťažby drevnej hmoty, ako komunálny, resp. priemyselný odpad a pod., na výrobu bioplynu, resp. tepla a elektriny prostredníctvom kogeneračných jednotiek (obr. 1).

Využívanie odpadu, hnoja hospodárskych zvierat, drevného odpadu z ťažby a spracovania dreva je veľmi efektívnym obnoviteľným zdrojom energie. Otázkami technológie výroby a následného využitia energie získanej z biomasy sa venuje veľká pozornosť nielen v našej krajine, ale hlavne vo vyspelých štátoch [14],[15].

Bioplyn, ktorý vzniká v procese vyhnívania môže byť zdrojom nielen tepelnej energie (využívanej na jeho priame spaľovanie), ale po následnom spracovaní i elektrickej energie (obr. 2), resp. chladu.

Ďalším faktorom efektivity takýchto projektov je produkcia biohumusu. Je jedným z najlepších druhov hnojiva, ktoré je možné nielen využiť, ale ho i predávať pre záhradkárske a poľnohospodárske účely. Uvedené hnojivo nahradí drahé a miestami viac, alebo menej škodlivé umelé hnojivá. Navyše, dané hnojivo prešlo termickým spracovaním a sú v ňom na rozdiel od klasického hnoja odstránené zárodky a umŕtvené semená burín a iných nepotrebných rastlín [7],[16].

V letnom období sa získava bioplyn s menšími nákladmi a na vykurovanie je ho potrebné menšie množstvo. Preto sa rozširuje komplex o systém výroby elektrickej energie. Získaná elektrická energia sa využíva v celej technológií a prebytky sa odpredajú do rozvodnej siete. V súčasnosti je Zákonom NR SR č.70/1998 Z.z. o energetike stanovená povinnosť rozvodných závodov odoberať vyrobenú elektrickú energiu. V prípade výstavby plynojemov zameraných na uskladnenie týždennej produkcie bioplynu, je možné dodávať do elektrickej sústavy energiu napr. v čase špičky. V takomto prípade je možné zvýšiť celkovú bilanciu sústavy aj v zimnom období. Jedná sa o predaj elektrickej energie počas dennej špičky a nákup lacnej energie v nočnom období. Rozdiel v cene umožní zlepšiť financovanie celého projektu [17],[18].

I. Súčasný stav a možnosti využívania bioplynu v SR

I.1 Súčasný stav vo využívaní bioplynu v SR

V súčasnosti sa v Slovenskej republike využíva bioplyn len v nasledovných 4 lokalitách: z toho v 1 školskej lokalite patriacej Slovenskej poľnohospodárskej univerzite (Koliňany pri Nitre) a 1 pripravovanej lokalite, tesne pred spustením (Kapušany pri Prešove) a v dvoch lokalitách prevádzkovaných poľnohospodárskymi družstvami [1].

1) Koliňany, okres Nitra (školský podnik SPU Nitra)

Technológia: výroba bioplynu z exkrementov cca 80 ks dobytka, kogeneračné zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 400 kWhe a tepelným 750 kWht
Využitie energie: vykurovanie prevádzkových budov v areáli
Prevádzka: od roku 2001

2) PD Kapušany pri Prešove

Technológia: výroba bioplynu z exkrementov cca 100 ks dobytka, kogeneračné zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 120 kWhe a tepelným 210 kWht
Využitie energie: elektrická energia i tepelná energia pre vlastnú spotrebu a vykurovanie
Prevádzka: od roku 2003 (toho času pred spustením)

3) PD Bátka, okres Rimavská Sobota

Technológia: výroba bioplynu z hnojovice cca 5 000 ks ošípaných, kogeneračné zariadenie 6 ks x 138 kWhe = 828 kWhe (elektrických) resp. 6 x 250 kWht = 1 500 kWht (tepelných)
Využitie energie: elektrická energia i tepelná energia pre vlastnú spotrebu a vykurovanie
Prevádzka: od roku 1995

4) PD Brezov

Technológia: výroba bioplynu z hnojovice cca 75 ks dobytka, kogeneračné zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 50 kWhe a tepelným výkonom 85 kWht
Využitie energie: pre vlastnú spotrebu a sušenie dreva a obilia
Prevádzka: od roku 1998

I.2 Možnosti využívania bioplynu v SR

Hlavné suroviny použiteľné pre anaeróbny rozklad a ich zdroje v SR je možné rozdeliť nasledovne [8]:

1. na poľnohospodársky sektor:
   • živočíšne hnojivo - bioplyn,
2. na sektor odpadov:
   • komunálny a priemyselný odpad - skládkový plyn,
   • čističky odpadových vôd - kalový plyn,
   • drevný odpad - drevný plyn.

Výroba bioplynu v poľnohospodárskom sektore využíva ako primárnu surovinu hnoj z fariem. Najvhodnejšou surovinou pre výrobu bioplynu sú tekuté a polotekuté výkaly a nie plne recyklovateľný tuhý hnoj, (pozri tab.1, 2 a 3 [4],[18] ). Jedná sa o najvýznamnejší zdroj bioplynu na Slovensku.

Tab.3 Množstvo exkrementov a množstvo bioplynu resp. elektrickej energie, ktorú možno získať z exkrementov poľnohospodárskych zvierat.

II. Zjedndušený výpočet množstva bioplynu, grafické určenie ceny a vhodného typu kogeneračnej jednotky

II.1 Zjednodušený výpočet množstva bioplynu

Výpočet sa opiera o experimentálne i prakticky získané skúsenosti popredného výrobcu kogeneračných jednotiek na bioplyn fy. Hochreiter BHKW Biogas-Beratung, Schnaitsee, ktorá doposiaľ vyrobila za cca 12 rokov svojej činnosti viac ako 1 300 ks (ročná produkcia dosahuje cca 100 ks) kogeneračných jednotiek rôzneho výkonu [2],[3].

Množstvo plynu, ktoré vzniká rozkladom rôznych surovín je uvedené na obr. 3. Na základe hore uvedených skutočností , je možné konštatovať [2],[3], že :

Z 1 m³ bioplynu o priemernej výhrevnosti 22 MJ.m^-3 získame:
            = 1,7 ÷ 2,2 kWhe - elektrickej energie
            = 2,2 ÷ 4,0 kWht - tepelnej energie

Závislosť výhrevnosti bioplynu na obsahu metánu, je zrejmá z tab. 4 [2],[9].

Pre upresnenie uvedených údajov je v ďalšom uvedený konkrétny príklad:

Farmár vlastní 500 ks dojníc, čo pri dennej produkcii slamného hnoja na 1 dojnicu 46 kg, znamená 23 000 kg hnoja denne. Z obr. 3 odčítame, že z 1 t kravského hnoja získame 25 m³ bioplynu, teda z 23 t hnoja potom získame 575 m³ bioplynu denne, t.j.

575 m³/deň = 24 m³/h

Ak uvažujeme, že z 1 m³ bioplynu získame:

1,7 až 2,2 kWhe elektrickej
2,2 až 4 kWht tepelnej energie

a ak zoberieme priemernú hodnotu 2,0 kWhe a 4,0 kWht, dostaneme [2],[3] :

• 48 kWhe - elektriny
• 96 kWht - tepla, z ktorého cca 1/2, teda 48 kWht je treba uvažovať na ohrev fermentora
• kvapalné hnojivo ako výhodný a pre životné prostredie neškodný produkt tejto technológie o zložení uvedenom v tab.5 [2],[7].
• sušinu, 6 až 11 %

II.2 Grafické určenie návratnosti investície do kogeneračnej jednotky

Kogeneračnú jednotku, ako náhradu za klasický spôsob vykurovania je možné vo všeobecnosti doporučiť. Vždy je ale nutné dopredu prepočítať ekonomickú efektivitu takejto investície, a presvedčiť sa, že aj napriek zvýšeným investičným nákladom bude investícia návratná a prinesie očakávaný zisk. Z tohoto dôvodu je na obr. 4 uvedený nomogram pre rýchly približný výpočet efektivity (návratnosti) kogeneračného systému, ktorý je možné chápať ako úvodný krok inštalácie a ktorý je prebratý z literatúry [5],[6],[4] a upravený autormi.

Nomogram môže byť aplikovaný na akúkoľvek kogeneračnú aplikáciu bez ohľadu na typ zariadenia a spôsobu využitia, a prijateľná návratnosť ako výsledok jeho použitia alebo výpočtov založených na podobných princípoch je základnou podmienkou pre uskutočňovanie ďalších prací spojených s inštaláciou kogeneračnej jednotky.

II.3 Možnosti výberu vhodného typu kogeneračnej jednotky

Na trhu SR je možné nájsť celú radu rôznych typov kogeneračných jednotiek využívajúcich zemný plyn napr. fy. Jenbacher, Rakúsko; fy. TEDOM, Česká republika; fy. Waukesha, USA; fy. Guascor, Španielsko;..., avšak len niekoľko firiem, ktoré ponúkajú kogeneračné jednotky na bioplyn [9],[10],[11],[12],[13]. Medzi tieto firmy zatiaľ patria:

1) Johann Hochreiter BHKW Biogas - Beratung Schnaitsee v zastúpení fy. QEL, Bardejov.

• Ponuka kogeneračných jednotiek tejto firmy je mimoriadne široká a flexibilná, pričom zahŕňa výkonovú radu kogeneračných jednotiek s elektrickým výkonom od 18 kWhe do 985 kWhe a s tepelným výkonom od 30 kWht do 1 800 kWht (obr. 5).
• Typovo sú tieto kogeneračné jednotky osadené motormi MAN, GUASCOR. John DEERE, FORD, OPEL a ďalšími. Kontaktná adresa: QEL, s.r.o., Bardejov, www.qel.sk

2) TEDOM a.s. Třebíč v zastupení fy. INTECH, Slovakia, Prešov.

• Ponuka tejto firmy v ostatnom období pozostáva aj z kogeneračných jedotiek na bioplyn a zahrňa výkonovú radu kogeneračných jednotiek od 21 kWhe do 1 100 kWhe s tepelným výkonom od 42 kWht do 1 450 kWht [11],[12] (obr. 6).
• Typovo sú tieto kogeneračné jednotky osadené motormi LIAZ, ŠKODA, CATERPILAR a ďalšími
• Kontaktná adresa: Intech Slovakia, s.r.o., Bratislava, www.intechsk.sk

Záver

Cieľom tohto príspevku je poskytnúť určité všeobecné informácie týkajúce sa možnosti využitia energie z bioplynu resp. skládkového, kalového alebo drevného plynu v Slovenskej republike. Ako krajina so značným podielom poľnohospodárskej činnosti má Slovensko bohatý potenciál v oblasti využitia technológií na báze bioplynu. Značný potenciál má Slovensko rovnako v oblasti využitia skládkového plynu a kalového plynu vznikajúceho a vzápätí unikajúceho bez využitia, v čističkách odpadových vôd. A nakoniec v neposlednom rade, by bolo možné uvažovať aj s využívaním drevného plynu, napr. v kogeneračných jednotkách.

Predložený príspevok si v žiadnom prípade nenárokuje pozornosť z hľadiska úplnosti, snaží sa len vyprovokovať širšiu odbornú verejnosť, laickú verejnosť a legislatívnu verejnosť k väčšej aktivite v oblasti jeho využívania.

Táto publikácia vznikla za podpory grantových úloh VEGA č.1/0555/03,VEGA č.1/9398/02 a VEGA č.1/9262/02.

Literatúra

1. Vargová, I.: Atlas využívania obnoviteľných energetických zdrojov na Slovensku. Energetické centrum Bratislava, Bratislava, 2002
2. Firemné materiály: QEL s.r.o. Bardejov, 2001
3. Firemné materiály: Hochreiter BHKW Biogas Beratung, Schnaitsee, 1998 až 2002
4. Kolektív: Plynárenská příručka, ČPP Praha, 1998
5. Kolektív: A review of cogeneration equipment and selected instalations in Europe. Thermie Programme Action, Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy (DG XVII), Valencia
6. Kolektív: Cogeneration in the agrofood sector. Thermie Programme Action, Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy (DG XVII), Roma
7. Dubinský, P. et al.: Environmental protection against the spread of pathogenic agents of diseases through the wastes of animal production in the Slovak Republic. Parasitological Institute, Slovak Academy of Sciences, Košice, 2000
8. Košíková, B. - Bučko, J.: Biotechnológie a využitie biomasy ES TU Zvolen, 1998
9. www.tzb-info.cz
10. www.biom.cz
11. Firemné materiály: TEDOM, a.s., Třebíč, 2001
12. Firemné materiály: INTECH, s.r.o., Prešov, 2002
13. www.intechsk.sk
14. Peavy, H.R. et al.: Environmental Engineering. McGraw-Hill, Singapore, 1985
15. Kolat,P.: Energy supply, environmental impact, cleaner production and sustainability in Czech republic. In: Combustion and environment - 2002, VŠB TU Ostrava, 56-62.
16. Wagnerová,E.: The energy utilization of the municipal wastes heaps. Acta Mechanica Slovaca, 2, 1998, 3, 268-272.
17. Novák-Marcinčin,J. - Pavlenko,S.: Automation of pipeline energetics systems components manufactoring. In: Automation 2001, Warszawa, marec 2001, 75-82
18. Horbaj,P. - Imriš,I.: Niektoré poznatky zo spracovania exkrementov na bioplyn vo firme Hochreiter,SRN. In: TOP 2001 - Proceedings of technique of environmet protection focused on waste disposal, poriadaná STU Bratislava, Častá Papiernička, jún 2001, 245 - 250

Obr. 2: Energetické toky pri kombinovanej a oddelenej výrobe tepla a elektriny znázornené pomocou Sankeyovho diagramu
Obr.3: Prehľad možnosti výroby bioplynu v metroch kubických na jednu tonu suroviny
Obr. 4: Nomogram na výpočet jednoduchej návratnosti kogeneračného systému
Obr. 5: Kogeneračná jednotka firmy QEL
Obr. 6: Kogeneračná jednotka firmy TEDOM

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?