Akumulační biotechnologický cyklus - perspektivní a nová metoda v oblasti využívání obnovitelných zdrojů energie

Jak je všeobecně známo, zneškodňování organických odpadů je možno provádět skládkováním, kompostováním, pyrolýzou, zplyňováním anebo spalováním. Až do nedávné doby patřilo spalování a skládkování organických odpadů mezi hlavní směry jejich likvidace. Při spalování odpadů někteří lidé tušili, že kvůli viditelnému kouři ve vztahu k čistotě ovzduší není něco v pořádku, začalo se proto s čištěním spalin, které mělo za úkol odstranit všechny nečistoty až na hranice existujících norem, ale unikající CO₂ jaksi dlouho nikomu nevadil, obdobně jako methan unikající ze skládek v důsledku jejich vyhnívání.

Ve skutečnosti je však klimaticky negativní vliv methanu na „skleníkový efekt“ atmosféry řádově větší než u CO₂. O tom, že neřízené skládkování se může stát ložiskem pathogenních mikroorganizmů, také nikdo nepřemýšlel a někdy nepřemýšlí ani dnes. Ve vztahu k problematice využití obnovitelných zdrojů energie je řízené spalování bioodpadů nebo biomasy doposud pokládáno za nejekonomičtější a nejméně škodlivé ve vztahu k životnímu prostředí a k množství a složení produkovaných emisí.

A jaká je skutečnost z pohledu emisí CO₂ ve vztahu ke skleníkovému efektu?

Zvláště z pohledu emisí CO₂ je tento názor mylný a to bez ohledu na to, o jaký typ spalování se jedná.. Při spalování rostlinné hmoty se vycházelo z představy, že emisní rovnice pro CO₂ je na obou stranách vyrovnaná, protože objem CO₂, který vzniká při spalování rostlinné hmoty není nic jiného, než CO₂ přijmutý rostlinami z atmosféry v průběhu fotosyntézy a potřebný právě k vytvoření této rostlinné hmoty. Jinak řečeno, co bylo z atmosféry odebráno, to se tam zase vrátí a nic nového nevznikne. Tyto závěry jsou však mylné, protože se jedná o složitější děj než jakým se zdá být na první pohled.

Jako příklad nám může posloužit pole intenzivně obdělávané s polem, které leží úhorem. Ve své podstatě se jedná o celkovou intenzitu fotosyntézy na specifickém povrchu rostlinných tkání. To znamená, že porovnáme-li obilné pole o stejné výměře s polem nechaným úhorem, dojdeme k závěru, že spálením hmoty sklizené z tohoto úhoru vyprodukujeme tolik CO₂, kolik odpovídá hmotnosti sklizené biomasy. A co se týče bilance obilného pole, zde je stav v obdobné rovnováze, nic více nic méně.

Co je však důležité je to, že při různém využití rostlinné hmoty, kompostováním, spalováním nebo anaerobní digescí, mohou být skutečné emise CO₂ do atmosféry různě velké (viz. tab.1), vztahujeme-li je na jednotku získané energie.

Z obrázku vyplývá, že spálením slámy sice získáme celkové množství v ní obsažené tepelné energie, ale při 100% produkci CO₂. Zpět do půdy nevrátíme žádný uhlík. Nevznikne tedy žádná úspora emise CO₂.

Při anaerobní digesci pokryjeme shodnou potřebu tepelné energie spálením veškerého vzniklého bioplynu a doplněním spotřeby ze zemního plynu a do půdy vrátíme zpět 32% uhlíku v podobě kompostu, který vznikl jako zbytek po fermentaci rostlinné hmoty v reaktoru. Celkovou emisi CO₂ snížíme na 68%.

Použijeme-li slámu k podestýlce a následně kompostujeme, musíme sice veškerou tepelnou energii pokrýt použitím zemního plynu, ale emise CO₂ snížíme o 26% oproti situaci, kdy stejná množství tepla získáváme ze spalování slámy.

Z uvedeného stručného porovnání těchto tří možností využití rostlinné hmoty, jednoznačně vyplývá, že nejméně výhodné je spalování, a to nejen z hlediska znečišťování atmosféry skleníkovými plyny, ale i z hlediska ochuzování půdy o humusotvorné složky.

Co to je biomethanizace, respektive anaerobní digesce anebo anaerobní fermentace?

Stručně řečeno, jedná se o biodegradační přeměnu, organické hmoty společenstvy hydrolyzujících, kyselinotvorných, syntrofních a methanogenních bakterií za nepřístupu vzduch v reaktorech, přičemž hlavním produktem této přeměny je energeticky využitelný bioplyn (obsahující okolo 55 – 70 % obj. methanu) na straně jedné a na straně druhé kvalitní hnojivo ,hygienicky nezávadný kompost (pro ošetření půd optimální ve svém složení a struktuře).

Jaké materiály jsou vhodné pro biomethanizaci?

Předem upozorňuji, že pro tento proces nejsou vhodné materiály, které byly ošetřeny fungicidy, sikativy a některými farmaceutickými výrobky. Obdobně nejsou vhodné materiály, které by zvýšily obsah toxických látek v reaktorovém zbytku nad povolené limity.

Rostlinná biomasa

• dřevní odpad všeho druhu (hobliny, piliny, štěpka) z nízkopryskiřičnatých dřevin (topol,lípa, vrba, olše, buk a další). Nelze používat dřevní materiály ošetřené pesticidními či fungicidními přípravky.
• biomasa cíleně pěstovaná (rychle rostoucí dřeviny a prořezávky)
• dužnatá biomasa všeho druhu (řepná, bramborová nať, odpad ze zpracování zeleniny, znehodnocené siláže a senáže) i ve stavu rozkladu
• sláma a všechny posklizňové odpady
• tuhé i tekuté odpady ze živočišné výroby (podestýlky, kejdy apod.)
• odpady z výroby krmiv
• odpady z výroby osiv (plevy, výměty z čištění)
• kůra, obrus lýka a štěpka z jehličnatých dřevin (přídavný materiál využitelný v omezené míře pro úpravu kompostu)
• zaplesnivělé obilí, osivo apod.

Jateční odpady ze všech typů zvířat

• obsahy lapolů
• stětiny, rohovina, kůže, šlachy, kosti
• výkoly a bachorové obsahy
• konfiskáty
• produkty z veterinární asanace (masokostní moučky, tuky)

Odpady z potravinářských výrob

• zpracování ryb, drůbeže
• hydrolyzáty a odpady z výroby
• mlékárenské odpady
• odpady z pivovarů
• organický odpad z cukrovarů
• odpady ze škrobáren

Odpady ze separovného sběru

• papír a kartonáž
• kuchyňský odpad a odpad ze služeb ( prostý plastů)
• odpady z parků a veřejné zeleně (prořezy, shrabky, seče)

Kaly

• kaly z aerobního čištění splaškových vod
• kaly z průmyslových ČOV ( bez baktericidních látek)

Další možnosti snížení emise CO₂ v návaznosti na process biomethanizace

Všeobecně je známo, že nejjednoduším využitím CO₂ v přírodě je fotosyntéza. Proces biomethanizace může být s výhodami doplněn řízenou kultivací zelených sladkovodních řas. Při kontrolované kultivaci a při vytvoření optimálních podmínek (sluneční svit, vhodná teplota, koncentrace živin) pro růst těchto řas je možné dosáhnout 5 až 8 x většího využití sluneční energie při několikanásobně větším přírůstku biomasy v porovnání s běžnými zemědělskými plodinami i rychle rostoucími dřevinami. Kromě toho, že na větší přírůstek biomasy je zapotřebí i větší spotřeba CO₂, čímž se snižuje skleníkový efekt, vzniká i vysoce ceněný a na trhu hledaný výrobek.

Pro tento účel byla v Mikrobiologickém ústavu ČSAV vyvinuta vysoce účinná výroba řas ve velkém měřítku ve speciálních tenkovrstvých fotobioreaktorech.

V současném stavu je výroba řas na takové úrovni, že v našich klimatických podmínkách je v průběhu 150 dní na ploše 1 ha možné vyprodukovat řasovou biomasu v množství odpovídajícím zhruba 30 t sušiny.

Řasy svým vysokým obsahem aminokyselin, vitamínů a stopových prvků posilují imunitní system, dodávají energii a obecně zlepšují zdraví. Díky vysokému obsahu chlorofylu a fytochemikálií jsou účinnými antioxidanty, které zabraňují poškozování buněk a napomáhají detoxifikaci v těle. Napomáhají udržovat vodní bilanci a hospodařit s vápníkem apod. Aktuálně se ověřují i všestranně positivní vlivy řasové biomasy ve veterinární výživě.

Porovnání nutričních hodnot je ukázáno v tabulce č. 1.

Tabulka 1: Porovnání nutričních hodnot řasové biomasy a obilovin

Produkt	Řasová biomasa	Obilovina
Proteiny	50 - 60% hm.	8 - 13% hm.
Cukry a škrobové polysacharidy	10 - 20% hm.	40 - 60% hm.
Polysacharidy celulosového typu	2 - 5% hm.	0,2 - 3% hm.
Nukleové kyseliny	3 - 5% hm.	3 - 5% hm.
Chlorofyl	2 - 4% hm.	0 % hm.
Minerální látky	5 - 9% hm.	1,5 - 2,9% hm.
Vlhkost	4 - 7% hm.	11,7-13,7% hm.
Ostatní obsažené složky	Vitamíny B1-6, K, E, H (biotin), provitamin A (beta-karoten), biofaktory, organokovové sloučeniny

Z tabulky č.1 je zřejmý rozdíl v nutriční hodnotě řasové biomasy a obilovin.

Jak mohou být propojeny procesy biomethanizace odpadů a kultivace řas?

Nejedná se o nic jiného než o propojení provozně vyzkoušené technologie pěstování řas ve slunečních reaktorech při využití zbytkového tepla a sycení řasových kultur spalinami s obsahem CO₂ vzniklého při využívání bioplynu.Tak je propojena technologie v níž vzniká biomasa o vysoké nutriční hodnotě, na straně jedné, s anaerobní fermentací organických odpadů sloužících jako zdroj energie na straně druhé, do jednoho biotechnologického cyklu.

Využitím zbytkového tepla při kogenerační spalování methanu vzniklého anaerobní fermentací se prodlouží kultivační období pro pěstování řas nejméně o 30 dní.

Odpadní plyny po spálení methanu se vedou do kultivačního media, jako výborný zdroj CO₂ potřebný pro růst řas. Bylo zjištěno, že řasová biomasa je ve své fotosynteticky aktivní periodě, tedy během denního světla, schopna spotřebovat 25 – 40 % z veškerého CO₂ emitovaného ve spalinách.

Jaká je skutečnost?

Výzkumné a vývojové práce na projektu ABC pokročily do stádia poloprovozních zkoušek.Poloprovozně byla ověřena modelová jednotka kultivace řas vhodná i pro modulární aplikace v zemědělských provozech. Jako základní realizační návrh se předpokládá demonstrační zemědělská jednotka využívající reaktor o objemu 500 m³ kombinovaný s kultivačními žlaby pro řasy sestavenými v modulech do celkové plochy 1000 m2. Tato kombinovaná technologie může svým bioplynem pohánět motorgenerátor o elektrickém výkonu 40 kWel, produkuje okolo 1 t/den zbytku pro kompostování a roční produkce řasové sušiny je přibližně 3 t čisté biomasy.

Jako vsázka do reaktoru může být použit prakticky libovolný odpad, jaký se v zemědělských výrobách vyskytuje.

Pro středně velké zemědělské podniky se ukazuje jako optimální biomethanizační jednotka s reaktorem o objemu 1250 až 1500 m³. Tato jednotka vyprodukuje 1000 - 1500 m³ plynu za den, což představuje celkový dostupný elektrický výkon 80 – 120 kWel, topný výkon okolo 100 kW odpadního tepla a produkci fermentačního zbytku pro výrobu kompostu okolo 1100 t/rok.

Jaké jsou výhody a jaký je skutečný společenský přínos tohoto biotechnologického cyklu?

1. Na rozdíl od likvidace organických odpadů spalováním nebo pyrolýzou tento postupnevyžaduje předchozí úpravu odpadu sušením, což přináší významnou úsporu energie.
2. Lze použít téměř všechny druhy bioodpadů.
3. Provoz nezatěžuje okolí pachem.
4. Na rozdíl od všech typů spalování je místo popela produkován mikrobiologicky nezávadný vysoce hodnotný kompost.
5. Složení spalin vypouštěných do ovzduší splňuje všechny předepsané limity.
6. Obsah CO₂ ve spalinách je výrazně nižší při porovnání s jakýmkoli jiným druhem spalování ( viz. tabulka č. 2).
7. Plně splňuje požadavky EU na snižování emisí tzv. „skleníkových plynů.“
8. Produkcí bioplynu je snížena spotřeba fosilních paliv, což je přínosem pro snížení záporného salda v zahraničním obchodě a zároveň je splňován požadavek do roku 2012 nahradit 12% fosilních paliv palivy z obnovitelných zdrojů.
9. Produkuje řasy, které jsou ceněny jako krmivo s vysokou nutriční hodnotou nebo jako cenná látka hledaná v kosmetickém průmyslu.
10. Podle požadavků EU bude nutné uvést do klidu 10% orné půdy nebo jí využít v sys-tému set-aside. Zavedením systému ABC do praxe je možné těchto 10% využívat k produkci potřebné biomasy, přičemž půda zůstane ve výborném stavu.

Tabulka 2: Emise CO₂ v porovnání s jinými palivy a systémy spalování.

Zdroj energie/metoda	Emise (kg CO2/GJtepla)
Obnovitelné zdroje
Organický odpad/spalování	130-145
Organický odpad/biomethanizace	85-105
Organický odpad/biomethanizace +ABC syst.	60- 75
Fosilní paliva
Lignit/spalování	110-190
Topné oleje/spalování	85- 95
Zemní plyn/spalování	60- 65

Další možnosti využití biomethanizace.

Po nedávných příhodách s BSE a kulhavkou a slintavkou ve Velké Britanii a dalších evropských zemích, kdy bylo nutné nuceně odporazit a následně zlikvidovat tisíce kusů hospodářských zvířat vyvstal další problem spojený se zákazem používat masokostní moučku jako krmivo. Likvidace zásob masokostní moučky, stejně jako likvidace ostatních živočišných tkání z veterinárních asanačních zařízení je v současné době velkým problémem.

Na jedné straně se jedná o zamezení možnosti přenosu nositele BSE-syndromu do potravního řetězce, na straně druhé se jedná o neúnosnou zátěž životního prostředí emisemi, hlavně dusíkatými složkami, které vznikají při spalování tohoto materiálu.

V současné době je jediním možným způsobem likvidace, spálení v cementárenských pecích.

Uvědomíme-li si, že takováto organická hmota obsahuje někdy až 1 – 13% dusíku ve formě aminokyselin, potom pochopíme o jaká obrovská množství oxidů dusíku se jedná při spalování za vysokých teplot.

Při spalování za nižších teplot vznikají velmi nebezpečné, silně karcinogenní látky, kterými jsou deriváty pyridinu.

Jako technologicky a ekologicky nejvhodnější metoda na zpracování masokostní moučky se jeví proces anaerobní fermentace (biomethanizace). Činností anaerobních acidogennách a methanogenních společenstev mikroorganizmů je biologicky rozložitelná hmota hluboce odbourávaná, přičemž mezi nejsnáze rozložitelné materiály patří právě proteiny. Stupeň rozkladu celkové organické hmoty včetně obtížněji rozložitelných hemicelulóz a celulóz je kontrolovatelný a běžně dosahuje 50-60% veškeré organické hmoty ze zpracovávaného substrátu. Pro anaerobní procesy lze navíc uplatnit i zvláštní předpracování suroviny záhřevem na teploty počínajícího termického rozkladu (150-200°C).

Hluboký rozklad organické hmoty v anaerobním procesu však ještě není konečný a tuhý zbytek získaný z digesce odvodněním pracovní suspense je zpracováván aerobní stabilizací (kompostováním). V aerobních podmínkách probíhají procesy, které dokončují rozklad labilních organických látek činností přirozených methylotrofních bakterií. Výsledným efektem biomethanizace není jen hluboký rozklad organické hmoty. Mezi paralelně dosahované positivní efekty patří konverze organického dusíku na amoniak a jeho zneškodnění v procesu zpracování vod a vazba na kompostový substrát, což znamená významné vyloučení nadbytečných emisí NOx. Další a stejně hodnotná pozitiva tkví v pře-vodu prakticky veškerého vápníku, fosforu a síry do tuhých digesčních zbytků a jejich recykl do rostlinné výroby jako vysoce kvalitní mikrobiálně nezávadné hnojivo.

Biomethanizace a kompostování tuhých zbytků může být nejvhodnější cestou pro bezpečné využití masokostní moučky, umožňující jednak docílení hlubokých rozkladů a dále též plný recykl biologicky využitelných materiálů do půdního fondu.

Procesem biomethanizace lze likvidovat i kafilérské tuky.

Z tohoto článku lze dojít k jednoznačnému závěru, že spalování biomasy již bylo překonáno a že bez kritických úvah aplikovaná metoda spalování, i když se jeví jako jednoduchý postup, není z ekologického hlediska metodou optimální.

V současné době probíhají pokusy s použitím této fermentované kejdy při pěstování zemědělských plodin, jakožto nahrážky za průmyslová hnojiva (NPK, ...).

Příspěvek byl původně publikován ve sborníku ke konferenci "Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR, 2002". Na letošní ročník tradiční konference v Třeboni, která proběhne ve dnech 13.-14. října 2005 se můžete zaregistrovat na stránce http://trebon.biom.cz.

Článek byl publikován ve sborníku k akci: Možnosti výroby a využití bioplynu v ČR.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost