Základní problémy přípravy a provozu bioplynových stanic v České republice

Od roku 2006 dochází v České republice k poměrně intenzivnímu rozvoji bioplynových stanic, který s sebou díky několika problematickým provozům nese i zvýšený zájem veřejnosti.

Přestože v současnosti převažují zemědělské aplikace zaměřené na zpracování cíleně pěstované biomasy a statkových hnojiv, vznikají však i projekty zahrnující zpracování odpadů a to např. z jatek, masokostní moučky, průmyslových bioodpadů apod. Na počátku této nové vlny bioplynových stanic však u několika projektů došlo k problémům, které zadaly veřejnosti příčinu pro zjednodušení, že každá bioplynová stanice neúměrně zapáchá. V tomto článku se proto pokusíme popsat některé možné základní příčiny problémů při provozu bioplynových stanic. Je důležité uvést, že obtěžující zápach bioplynové stanice je většinou ukazatelem jejího nesprávného návrhu či provozování, nikoliv nutným ukazatelem existence zařízení. Přesvědčit nás o tom mohou například zahraniční zkušenosti, jenom v Německu existuje přes 3 000 bioplynových stanic a nikdo si přímo jejich provoz se zápachem nespojuje.

Pro nejbližší příklady nemusíme jezdit daleko, například v Rakousku v obci Göpfritzschlag bioplynová stanice přímo navazuje na zástavbu obce. Také u nás se již může zájemce po dohodě s provozovatelem seznámit s provozem bioplynových stanic, které zápachem rozhodně neobtěžují ani své nejbližší okolí.

V následující části je tedy shrnut komentář k některým podle našeho názoru hlavním problémům dosavadní přípravy a provozu bioplynových stanic s orientačním návrhem na jejich řešení.

1. Volba a skladba vstupní suroviny

Vstupní surovina je velmi důležitým předpokladem bezproblémového provozu bioplynových stanic. Existují dlouhodobé zkušenosti s využitím cíleně pěstované biomasy a statkových hnojiv na bioplynových stanicích, u zpracování odpadů je však situace složitější a riziko provozních problémů se zvyšuje. Bioplynová stanice se chová jako živý organismus. V případě vnosu vysokého obsahu např. dusíku se zvyšuje riziko jeho možného toxického působení, které se může projevit až kolapsem biologického procesu. Typickým příkladem je např. masokostní moučka, která může obsahovat cca 8 % dusíku (jako N_celk.) v sušině, což vzhledem k cca 90% sušině dodávané moučky představuje značné množství, ve srovnání např. kukuřičná siláž obsahuje cca 1,35 % N v sušině. Vysoké koncentrace dusíku se nachází rovněž v jatečních odpadech, některých kalech z čistíren odpadních vod. Některé suroviny např. z výrob, kde je jako neutralizační činidlo používána kyselina sírová, mohou obsahovat rovněž vysoké koncentrace síranů, které se následně projevují ve zhoršení kvality bioplynu nepříjemné s ohledem na jeho spálení v kogeneračních jednotkách.

V posledním období se objevují příklady využití vedlejších produktů z výroby biopaliv v bioplynových stanicích, jedná se o tzv. glycerínové vody či G-fáze apod. Zde je nutné upozornit zejména na možnost zvýšené solnosti, která rovněž může narušovat stabilitu biologického procesu. Zpracování separovaného bioodpadu od obyvatel, některých čistírenských kalů zase přináší určité riziko vyššího obsahu těžkých kovů, které mohou komplikovat registraci výstupů z bioplynové stanice jako hnojiva dle platné legislativy.

Důležité je rovněž upozornit, že v případě recyklace kalové vody z odvodnění výstupu bioplynové stanice (digestátu) se může obsah rizikových látek v reaktorech ještě zvyšovat, dochází k jejich zakoncentrování, což může opět ohrozit stabilitu procesu.

Opatření:

V rámci přípravy každého projektu je nezbytné provést bilanci surovin a to nejen s ohledem na energetickou výtěžnost, ale i na obsah dusíku, poměr C:N, případně jiných provozně problémových látek. Již ve fázi projektu je nezbytné zohlednit opatření vedoucí ke snížení rizikovosti těchto látek a minimalizovat případný vliv na provoz bioplynové stanice (např. snížení obsahu ředěním, recyklace kalové vody). V případě zpracování neověřených materiálů je nezbytné provedení důkladných laboratorních rozborů, případně poloprovozních testů, které hodnotí nejenom výtěžnost bioplynu, ale především stabilitu celého biologického procesu. Opatření navržená projektantem stanice by měla být následně implementována do provozního řádu zařízení.

2. Návrh technologie

Důležitým faktorem bezpečného provozu bioplynové stanice je také správný návrh technologie s ohledem na zpracované suroviny, jejich charakter, sušinu apod. V tuto chvíli je na trhu celá řada technologií různých dodavatelů, jedná se zejména o klasickou mokrou cestu pracující se sušinou v reaktorech do cca 11-12 % s vertikálními nebo horizontálními nádržemi. Dále je možné se setkat s „polosuchými procesy“, kde se pracovní sušina v reaktoru pohybuje mezi 15-20 %, většinou se jedná o ležaté reaktory a rovněž se „suchou“ fermentací o pracovní sušině vyšší než 20 %, většinou ve formě tzv. garážové bioplynové stanice.

Pro každou technologii je nezbytný správný návrh velikosti fermentačních nádrží ve vazbě na dobu zdržení, kde lze obecně konstatovat, že čím kratší doba zdržení, tím vyšší riziko vzniku zápachu. Někteří provozovatelé v minulosti s cílem dosahování vyššího zisku za zpracování problematických vstupů nedodrželi odpovídající dobu zdržení a z fermentorů tak vycházel ne zcela vyhnilý materiál. Projekty zpracovávající odpady a zbytky živočišného původu s dobou zdržení menší než cca 20 – 30 dní mohou již představovat provozní riziko. Nezbytné je sledování zátěže reaktoru vnosem organické sušiny, což je základním ukazatelem možného přetížení reaktoru. Důležitá je rovněž volba fermentační teploty, která má vliv např. na kvalitu bioplynu, jeho vlhkost, možnost pěnění reaktorů apod. a vyžaduje určitá technologická opatření, např. odvodnění či sušení bioplynu.

Je třeba uvážit rovněž volbu systému plnění fermentačních nádrží, kdy otevřené plnící jímky mohou u některých materiálů působit značné technologické problémy, resp. otevřené nakládání s nimi je legislativou přímo omezeno či zakázáno. V tomto směru je zásadní zejména nařízení EP č. 1774/2002, které upravuje nakládání s vedlejšími produkty živočišného původu, které nejsou určeny k lidské spotřebě. Ve vazbě na tento předpis může rovněž docházet k problémům se splněním požadované velikosti částic pro jejich následné zpracování v zařízení, což může být velmi komplikované při značné variabilitě vstupních surovin.

Pro bezproblémový provoz zařízení je důležité správné řešení celé řady technologických detailů, jako je např. volba výšky provozní hladiny v nádržích, umístění hydraulických pojistek a jejich citlivost na případnou tvorbu pěny v nádrži, řešení čerpání či přepadů mezi nádržemi a jejich ochrana proti zanášení, volba správné konstrukce plynojemu apod.

Standardní součástí technologie bioplynové stanice by pak mělo být odsíření bioplynu a to alespoň ve formě dávkování malého množství vzduchu do plynového prostoru nádrží (tzn. mikroaerací).

Opatření:

V projektu by měl být uveden základní bilanční výpočet zařízení s jednoznačným návrhem typu fermentace, velikosti fermentačních nádrží a doby zdržení s ohledem na uvažovanou biomasu, který by umožnil následnou kontrolu provozu. Dále by měly být popsány důvody výběru projektované technologie s ohledem na vstupní údaje a předloženo řešení dílčích technologických detailů.

3. Míchání fermentačních nádrží

Volba správného systému míchání fermentačních nádrží je jednou ze základních podmínek úspěšného provozu zařízení. Míchání nádrže musí respektovat vždy charakter uvažovaných surovin, systém jejich plnění do fermentorů. Míchadla určená pro míchání řídkých materiálů (např. čistírenské kaly, kejda apod.) mohou vykazovat značné provozní problémy při míchání směsí fytomasy a anaerobní biomasy v reaktoru.

Fytomasa (především tráva) má rovněž tendenci tvořit plovoucí vrstvy na hladině kalu, které mohou nepříznivě ovlivňovat průběh procesu. Dochází ke vzniku krust o mocnosti až mnoha desítek cm, které mohou při odlamování působit např. lokální přetížení, kolísání teplot projevující se pěněním apod. Krusty mohou rovněž ucpávat přepady mezi nádržemi, tvořit nabalující se shluky na míchadlech apod.

Malý počet míchadel ve fermentačních nádržích může vést ke vzniku tzv. mrtvých zón, kde nedochází k homogenizaci obsahu. Výsledkem je pak nižší reálná výtěžnost nádrží s ohledem na průběh fermentace, problémy s udržením stability procesu apod.

Důležité je i řešení detailů, jako jsou možnost změny pozice míchadel v nádrži, řešení jejich vyjmutí a servisu, požadavky na servisní údržbu apod.

Opatření:

V projektové dokumentaci popsat zvolený způsob míchání s ohledem na zpracované vstupní materiály a popsat případná provozní rizika systému např. s ohledem na budoucí rozvoj zařízení. Bohužel není možné, vzhledem k charakteru míchaného materiálu (jedná se tzv. o „nenewtonské kapaliny“) dokladovat účinnost míchacího systému výpočtem. Dostupné znalosti z této oblasti tak vycházejí většinou ze zkušeností a existujících referencí dodavatelů zařízení.

4. Skladování a zpracování výstupů z bioplynové stanice

Výstupem z bioplynové stanice je v převážné většině projektů tekutý fermentační zbytek, tzv. digestát. S ním je buď přímo nakládáno v kapalném stavu a nebo je odvodněn, čímž vzniká pevný digestát se sušinou cca 20-30 % a tekutý digestát, někdy nazývaný kalová voda. Základní snahou provozovatelů je pak uplatnit výstup z bioplynové stanice jako hnojivo dle zákona č. 308/2000 o hnojivech v platném znění. Volba velikosti skladovací kapacity je stanovena legislativou a je rovněž vázána na plány hnojení odběratelů. Důležitým prvkem celého procesu je povinnost tzv. registrace hnojiv, která bude plánovanou novelizací zákona ještě rozšířena.

Z hlediska provozu bioplynové stanice je důležitá zejména volba vhodné technologie separace digestátu, zde připadají v úvahu šnekové separátory, odstředivky, zřídka i sítopásové lisy. Technologie separace závisí na použité surovině a očekávaných vlastnostech digestátu, ne vždy vykazuje zvolená technologie očekávané výsledky.

V případě skladování neodvodněného digestátu ve skladovacích nádržích je třeba uvažovat s instalací míchadel. Po několika měsících se totiž může na hladině nádrží bez míchání vytvořit poměrně obtížně odstranitelná krusta.

V budoucnosti určitě bude pokračovat snaha o další způsoby využití pevného digestátu, např. jako paliva apod.a s tím budou spojené otázky jeho sušení, peletizace apod.

Opatření:

V projektové dokumentaci zohlednit při návrhu separace očekávané vlastnosti digestátu, počet provozních hodin separačního zařízení, možnosti poruch zařízení a s tím související řešení provozu stanice v průběhu jejich odstranění apod. Odpovědně zhodnotit velikost potřebných skladovacích kapacit a jejich řešení.

5. Provoz bioplynové stanice

I technologicky nejlepší bioplynová stanice může svému okolí působit problémy, pokud není odpovědným způsobem řízena a monitorována. Správný způsob řízení bioplynové stanice by měl ze strany dodavatele či projektanta zahrnovat především přípravu kvalitních provozních řádů, definujících možnosti a podmínky provozu navržené technologie s ohledem na přijímané suroviny. Problémy bývají v tomto směru zejména v nejednoznačném uvedení postupů obsluhy při příjmu materiálů do bioplynové stanice, v neřešených požadavcích na průběžné sledování základních parametrů a vlastností přijímaných materiálů, což platí zejména při zpracování odpadů, u kterých se mohou vlastnosti měnit.

Nedostatečný rovněž bývá vlastní provozní monitoring bioplynové stanice, kdy kromě teploty a výtěžnosti bioplynu není sledován žádný jiný důležitý ukazatel, jako je např. obsah dusíku, pracovní sušina, obsah mastných kyselin, kvalita bioplynu apod. Problémy stability procesu jsou pak řešeny až po zjištění poklesu výtěžnosti bioplynu a to většinou bývá pozdě.

Pravidelný a kvalifikovaný monitoring stanice je přitom schopen předejít většině provozních problémů, což se samozřejmě projevuje ve stabilitě výroby elektrické energie.

V neposlední řadě se jedná o nutné proškolení obsluhy stanice tak, aby se stala kvalifikovaným prvkem celého systému. Mnoho podnětných informací je možné získat v rámci pravidelných seminářů a konferencí týkajících se provozu bioplynových stanic.

Opatření:

Věnovat velkou pozornost přípravě provozních řádů a kvalitnímu monitoringu provozu zařízení. U zařízení zpracovávajících provozně rizikovější suroviny využít kvalifikovaných externích společností provádějících monitoring provozu. Dbát důraz na odbornou způsobilost obsluhy.

Závěr

V tomto článku jsme stručně popsali možné hlavní příčiny problémů při provozu bioplynových stanic identifikované v průběhu uplynulých dvou let. Je evidentní, že téměř veškeré potíže a jejich následná medializace, zejména v souvislosti se zápachem, byly vyvolány zcela zřetelně definovanými příčinami. Provozovatelé se učili za pochodu, investoři nebyli dostatečně obeznámení se všemi aspekty provozování BPS a také ne zcela dostatečné výkupní ceny elektřiny neumožnily realizovat investice v míře technicky dostatečné pro bezvadný provoz.

Nebyla to však jen vina výkupní ceny, ale i projektantů a dodavatelských firem, které neměly s BPS dostatečné zkušenosti a mnohdy rozhodovaly spíše ekonomické než technické požadavky. Před vlastním výběrem dodavatelů jsou tedy důležitou součástí výběrových kritérií také reference, které mohou leccos naznačit.

V naprosté většině případů se však jedná o problémy, které jsou řešitelné kvalifikovaným přístupem projektanta, dodavatele i investora a lze jen doufat, že přibývající počet bezproblémových realizací bioplynových stanic povede ke zlepšení jejich obrazu u veřejnosti. Stejně tak, jako nelze spoléhat na jeden metodický pokyn (v září vyšel metodický pokyn Ministerstva životního prostředí týkající se bioplynových stanic), ani zde nepřinášíme jednoznačné návody na odstranění nedostatků. Rádi bychom tímto způsobem pouze okračovali v procesu diskuse a podpory informovanosti v oblasti výstavby a provozování bioplynových stanic.

Jednoznačně nejvyšší zodpovědnost spočívá a bude spočívat na bedrech investora, který vybírá projektanty a dodavatele a následně provozovatele. Ti mají v současnosti situaci ztíženou negativním vnímáním bioplynových stanic ze strany veřejnosti, potažmo politické, zejména regionální, reprezentace. CZ Biom pokračuje nadále v pozitivní propagaci rozvoje využití bioplynu a kdokoli se na nás může obrátit, vidíme jako nezbytné v této situaci pomoci rozvoji oboru na všech úrovních.

Článek byl publikován v rámci projektu „Vývoj technologie zpracování obtížně využitelných organických odpadů při výrobě bioplynu a vývoj expertního systému na přípravu, kontrolu provozu a ověřování efektivnosti bioplynových stanic se zaměřením na výrobu bioplynu z trávy z trvalých travních ploch a kalů ČOV“ podpořeného v rámci programu "Výzkum a vývoj" Ministerstva životního 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