Bioplyn – užitečný zdroj energie nebo riskantní způsob podnikání

V přírodě se vyskytuje více zdrojů plynných směsí, svým složením podobných bioplynu (důlní plyn, kalový plyn, skládkový plyn, zemní plyn). Proto je třeba si terminologicky upřesnit, co se skrývá pod pojmem „bioplyn“. Obecně lze tento název použít pro všechny plyny nebo jejich směsi, které vznikly biologickou cestou především činností mikroorganismů.

Bioplyn anaerobního původu vzniká principiálně stejným způsobem, ať probíhá tento proces pod povrchem země, v zažívacím traktu živočichů, zvláště přežvýkavců, ve skládkách tuhých komunálních odpadů, v lagunách nebo v řízených anaerobních reaktorech. V technické praxi se ustálil název „bioplyn“ pro plynnou směs vzniklou anaerobní fermentací vlhkých organických materiálů v umělých řízených technických zařízeních ( reaktorech, fermentorech, digestorech, lagunách se zařízením na jímání bioplynu...).

Z pohledu biochemického je anaerobní fermentace vlhkých organických látek vícestupňový složitý proces, který probíhá v bezkyslíkatém (anaerobním) prostředí působením mnoha druhů i kmenů mikroorganismů. Velmi zjednodušené schéma tohoto procesu se obvykle skládá ze čtyř základních fází:

I. Fáze - HYDROLÝZA – začíná v době, kdy prostředí obsahuje vzdušný kyslík. Předpokladem pro její nastartování je mimo jiné dostatečný obsah vlhkosti – nad 50% hmotnostního podílu. Hydrolytické mikroorganismy ještě striktně nevyžadují bezkyslíkaté prostředí. Enzymatický rozklad mění polymery (polysacharidy, proteiny, lipidy atd.) na jednodušší organické látky (monomery).

II. Fáze – ACIDOGENEZE – zpracovávaný materiál může obsahovat ještě zbytky vzdušného kyslíku, v této fázi však dojde definitivně k vytvoření anaerobního (bezkyslíkatého) prostředí. Četné kmeny fakultativních anaerobních mikroorganismů se aktivují v obou prostředích. Vznik CO₂, H₂ a CH₃COOH umožňuje dále metanogenním bakteriím tvorbu metanu. Kromě toho vznikají jednodušší organické látky (vyšší organické kyseliny, alkoholy).

III.Fáze – ACETOGENEZE – je někdy označována jako mezifáze. Acidogenní specializované kmeny bakterií transformují vyšší organické kyseliny na kyselinu octovou ( CH₃COOH), vodík (H₂) a oxid uhličitý (CO₂).

IV.Fáze – METANOGENEZE - metanogenní acetotrofní bakterie rozkládají především kyselinu octovou (CH₃COOH) na metan CH₄ a oxid uhličitý CO₂, hydrogennotrofní bakterie produkují metan CH₄ z vodíku H₂ a oxidu uhličitého CO₂. Určité kmeny metanogenních bakterií se chovají jako obojetné.

Pro stabilitu procesu anaerobní fermentace organických materiálů je velmi důležitá optimální rovnováha jednotlivých fází, probíhajících s odlišnou kinetickou rychlostí. Metanogenní fáze probíhá přibližně pětkrát pomaleji než zbylé tři fáze. Tomu je třeba přizpůsobit konstrukci bioplynových technologických systémů a dávkování surového materiálu, jinak hrozí přetížení fermentoru se všemi nepříznivými důsledky.

Podle složení substrátu se vytvářejí vhodné podmínky pro množení určitých kmenů bakterií způsobujících rozklad organické látky. Množství mikroorganismů odpovídá jejich růstové křivce, na níž lze sledovat 6 fází:

1. Lagová fáze – mikroorganismy se postupně adaptují na dané podmínky
2. Fáze zrychleného růstu – částečně přizpůsobené mikroorganismy se začínají množit
3. Fáze exponenciálního růstu – zcela přizpůsobené mikroorganismy se silně množí, protože mají dostatečné množství živin
4. Fáze zpomaleného růstu – rychlost růstu mikroorganismů se zpomaluje
5. Stacionární fáze – vlivem počínajícího nedostatku živin je počet vznikajících a umírajících mikroorganismů v rovnováze
6. Fáze poklesu – absolutní nedostatek živin způsobuje postupné odumírání a rozklad mikroorganismů

Pro urychlení náběhu fermentačního procesu se využívá očkovací látka (inokulum) odebrané z fermentoru v ustáleném provozním stavu nebo se používají sušené stimulátory obsahující metanogeny v inaktivovaném stavu.

Bezporuchový provoz bioplynové stanice

Platí, že po náběhu je třeba udržovat provozní podmínky tak, aby anaerobní proces probíhal v optimálním ustáleném režimu. To se týká materiálových parametrů na vstupu do fermentoru, způsobu dávkování, řízení provozních parametrů fermentorů, doby zdržení, zpracování, skladování a manipulace s digestátem po výstupu z fermentoru.

Tyto základní zákonitosti musí znát pracovník, který řídí provoz bioplynové stanice, a to i tehdy, když řídící systém bioplynové stanice pracuje na vysokém stupni automatizace a obsluha je spíše v pozici pracovníka, který dozírá na činnost jednotlivých funkčních celků a reaguje na změnu vnějších podmínek a nebo na krizové stavy.

Pachové emise – současný největší problém bioplynových stanic

Kdyby při anaerobním rozkladu organických látek vznikaly jen majoritní plyny: metan (CH₄), oxid uhličitý (CO₂), případně vodní pára (H₂O), k žádným problémům s pachovými emisemi by nedocházelo. Jelikož tomu tak není, objevují se plynné produkty dalších biochemických procesů vytvářející pachovou stopu bioplynu. Jedná se především o sulfan (H₂S), amoniak (NH₃) a další plyny s negativními pachovými účinky. Rozhodující pro jejich vznik je chemické složení materiálu na vstupu do fermentoru, provozní parametry fermentoru, způsob skladování a zpracování a další manipulace s digestátem. Z tohoto vyplývá, že různé typy respektive druhy bioplynových zařízení ohrožují okolí pachovými emisemi různé intenzity.

Druhy bioplynových zařízení:

1. Zemědělské bioplynové stanice ( zpracovávají výhradně statková hnojiva ve smyslu zákona o hnojivech č. 156/1958 Sb. v posledním znění)
2. Bioplynové stanice zpracovávající vedlejší produkty živočišného původu (ve smyslu nařízení EP a Rady EU č. 1774/2002 Sb. v posledním znění)
3. Bioplynové stanice zpracovávající odpady (ve smyslu zákona č. 185/2001 Sb. v posledním znění)
4. Bioplynové stanice jako součást ČOV nebo reaktivní skládky TKO
5. Bioplynové stanice pro zpracování průmyslových organických odpadů
6. Kombinované bioplynové stanice

Nejmenší potenciál pachových emisí vypouštěných do ovzduší vykazují zemědělské bioplynové stanice, největší pak bioplynové stanice zpracovávající vedlejší produkty živočišného původu, respektive kombinované bioplynové stanice, pokud jsou realizovány na stejné technické a technologické úrovni. Účinným technickým opatřením je zakrytí a odvětrání všech provozních celků, příjmové části, skladů, atd., dodržování schválených technologických postupů včetně složení směsí materiálů na vstupu do fermentoru.

Omezit pachové emise u provozovaných i nově realizovaných bioplynových stanic mají za cíl některá opatření připravovaná nebo již odsouhlasená.

Jedná se o:

1. Metodický pokyn MŽP (odboru ochrany ovzduší), který stanoví postup při schvalování výstavby bioplynových stanic
2. Povinná registrace digestátu jako hnojiva (ve smyslu zákona č. 156/1998 Sb. hnojivech v posledním znění)
3. Stanovení limitních hodnot pachových emisí minus jiné i pro bioplynové stanice
4. Cenová rozhodnutí ERÚ zvýhodňující zemědělské bioplynové stanice
5. Vyhl. MŽP č. 362/2006 Sb. o způsobu stanovení koncentrace pachových látek...

Měření pachových emisí se řídí ustanoveními Zákona o ochraně ovzduší č. 86/2002 Sb. v posledním platném znění. Na tento zákon navazovala prováděcí Vyhláška MŽP č. 356/2002 Sb., která byla, pokud se týká pachů, změněna Vyhláškou č. 363/2006 Sb. a její původní text může posloužit v otázce pachů jako informativní materiál, kde se čtenář dozví například, že pach je definován jako subjektivní vjem člověka, dozví se o existenci evropské pachové jednotky (OUER), referenční pachové jednotky (OUR) a také o metodách měření pachů, ke kterým se řadí:

1. Olfaktometrická metoda (ČSN EN 13 725)
2. Metoda statistického zjišťování a hodnocení obtěžování zápachem (ČSN 83 5030)
3. Měření v pachové stopě (ČSN 83 5031)
4. Metoda místního šetření na základě statistiky stížností

V současné době platí Vyhláška MŽP č. 362/2006 Sb., o stanovení koncentrace pachových látek u stacionárních zdrojů. Nás zajímají především ty zdroje, které jsou uvedeny v části C přílohy vyhlášky. Toto se nevztahuje na malé stacionární zdroje, patří sem však například ČOV pro více než 2000 ekv.obyv., průmyslové kompostárny a zařízení na biologickou úpravu odpadů, skládky přijímající více než 10 t odpadů za den nebo s kapacitou větší než 25 000 t odpadu s výjimkou inertního. Tato vyhláška upřednostňuje olfaktometrickou metodu měření pachových emisí.

Oficiální měření touto metodou mohou provádět pouze akreditované laboratoře, kterých je zatím v České republice málo. Přibyla k nim akreditovaná laboratoř měření pachů dynamickým olfaktometrem na Technické fakultě ČZU v Praze – Suchdole. Na zařízení a provozu se podílí VÚZT, v.v.i. Praha 6 – Ruzyně, TF ČZU Praha – Suchdol a VÚŽV, v.v.i. Praha – Uhříněves s podporou MZe. Laboratoř je vybavena následujícími přístroji: dynamický olfaktometr TO8-8, odběrové zařízení Ecoma EP.162, teploměr/vlhkoměr COMMETER L3 120, tlakoměr COMMETER D 4141, anemometr TESTO 445.

Pokud nedojde ke změně Vyhlášky MŽP č. 362/2006 Sb. stane se srpen příštího roku pro některá zařízení tím okamžikem, kdy musí doložit hodnocení pachových emisí a bylo by užitečné, kdyby se na tento legislativní požadavek včas připravila, pokud se na ně zmíněná vyhláška vztahuje.

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

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