Nové trendy ve využití bioplynu

Úvod

Bioplyn vzniká biologickým rozkladem organických látek v anaerobních podmínkách a tento proces se nazývá methanová fermentace, anaerobní digesce, biometanizace nebo biogasifikace. Dle technického předpisu TPG 902 02 termínem bioplyn je označován surový plyn produkovaný anaerobní fermentací různými druhy bioplynových stanic a čistíren odpadních vod (ČOV). Za bioplyn není nepovažován skládkový plyn, který může obsahovat širokou škálu škodlivých a jedovatých plynů a proto jej není možné vtláčet do veřejných plynárenských sítí. Výsledkem methanové fermentace je vždy směs plynů a fermentovaný zbytek organické hmoty. Plynná směs obsahuje především metan a oxidu uhličitý a v menší míře také další minoritní složky organického nebo anorganického charakteru, např. sulfan, dusík, čpavek, vodu, siloxany a jiné. Poměrné zastoupení všech složek bioplynu závisí nejen na složení výchozího substrátu, ale také na způsobu výroby.

Bioplyn vzniká z organické hmoty, která zahrnuje jak rostlinou biomasu (fytomasu) a živočišnou biomasu, tak vedlejší organické produkty či organické odpady. Vhodnost materiálu pro anaerobní fermentaci může být významně narušena např. stopovým množstvím nežádoucích příměsí (zpravidla potlačují vznik fermentačních bakterií) nebo nevhodnou manipulací či nesprávným předchozím zpracováním. Největší množství methanu vzniká při fermentaci z rozkladu polysacharidů, lipidů a proteinů. Jedna z hlavních stavebních látek fytomasy je lignin, který je z hlediska methanogeneze balastním prvkem a tvorby methanu se téměř neúčastní, pokud není fyzikálně-chemickými procesy předem zpracován.

Optimální obsah sušiny pro zpracování tuhých odpadů anaerobní fermentací je 22 až 25 %, u kapalných odpadů je v rozmezí 8 až 12 %. Dolní hranice obsahu sušiny v substrátu je dána pozitivní ekonomickou a energetickou bilancí procesu a zpravidla dosahuje hodnoty 3 – 5 %. Horní obsah sušiny je omezen mezí čerpatelnosti materiálu a fermentačním procesem a pohybuje se okolo 50 %.

Dalším důležitým parametrem v procesu fermentace je doba zdržení materiálu ve fermentoru. Živočišná biomasa je snadno rozložitelným substrátem a její kumulativní produkce bioplynu dosahuje maxima přibližně ve třiceti dnech, poté je produkce bioplynu nízká a z ekonomického hlediska nevýznamná. Odbouratelnost organické hmoty v živočišné biomase činí 40 – 60 % a na jeho fermentaci obvykle stačí jeden fermentor s dobou zdržení do 30 dnů. Jiná situace nastává v případě kukuřičné siláže, kde vyšší podíl hůře rozložitelné hemicelulózy prodlužuje hydrolyzní a acidogenní fázi rozkladu a doba zdržení potřebná pro odbourání organické hmoty se prodlouží na 50 – 140 dnů. V praxi je tato skutečnost řešena dvěma reaktory za sebou s dobou zdržení 30 – 40 dní (celkem 60 – 80 dní). Rozložitelnost organické sušiny u silážované kukuřice dosahuje 60 – 90 %. Různé typy substrátů se také liší v produkci bioplynu jak vyplývá z tabulky 1. V okolí bioplynové stanice obvykle není dostatečné množství jednoho substrátu a je tedy výhodná kofermentace různých substrátů. Při vhodném zvolení substrátů lze zlepšit produkci a výkon bioplynové stanice či zvýšit obsah sušiny nebo naopak.

V současné době je většina bioplynových stanic provozována v mezofilním režimu při teplotě cca 38 °C. Aby bylo dosaženo žádoucí fermentační teploty, je nutné fermentor otápět. Na 1 m³ objemu fermentoru je zapotřebí cca 200 – 500 kWh/rok energie pro ohřev a vyrovnání tepelné ztráty v závislosti na roční době (průměr 350 kWh/rok), což přibližně odpovídá 10 – 15 % z celkově vyrobeného tepla v kogenerační jednotce. Další energie při fermentaci je spotřebovávána na provoz míchadla. Dobré promíchání je dosažitelné při spotřebě energie 5 aţ 8 W/m³ reaktoru za hodinu. Spotřeba energie na míchání je silně závislá na vlastnostech reagující suspenze a obsahu sušiny. Celková spotřeba elektrické energie na produkci bioplynu dosahuje cca 5 % z celkově vyrobené elektřiny v kogenerační jednotce.

Jednou z variant využití bioplynu je jeho spotřeba pro energetické účely v místě vzniku na výrobu tepla a elektrické energie převážně v kogeneračních jednotkách. Kogenerační jednotky obvykle pracují s účinností 80 %, přičemž 38 % tvoří elektrická účinnost a 42 % tepelná účinnost. Vyrobené teplo je využíváno pro produkci teplé užitkové vody, pro ohřev fermentorů či pro otápění provozních budov. I přes značné možnosti využití odpadního tepla nebývá veškeré množství zužitkováno a tak dochází po většinu roku ke ztrátám energie. Schématické znázornění využití bioplynu v kogenerační jednotce je zobrazeno v obrázku 1. Po odečtení provozních nákladů na výrobu bioplynu a ztrát způsobných kogenerační jednotkou při přeměně bioplynu na teplo a elektřinu lze využít téměř 65 % energie z bioplynu při plném využití tepla. Pokud není zajištěno využití odpadního tepla lze z bioplynu využít pouze 35 % energie.

Jinou možností využití bioplynu je jeho úprava na plyn srovnatelný kvalitou a čistotou se zemním plynem, na tzv. biomethan, který lze srovnatelně využít jako zemní plyn transportovaný z ruských nebo norských nalezišť. Hlavní předností biomethanu je možnost jeho vyskladnění do stávající plynovodní sítě a následná distribuce až k místům lepšího využití, např. k vysoce účinným polygeneračním zařízením či plnícím stanicím na CNG, čímž dojde k plnému využití odpadního tepla a energetická účinnost vzroste. Schématické znázorněné využití bioplynu jako náhradního zemního plynu je uvedeno v obrázku 2.

Způsob úpravy bioplynu

Dříve než lze vyrobený bioplyn použít jako náhradní zemní plyn, musí být zbaven nežádoucích složek, kterými jsou především sulfan, oxid uhličitý a voda. V reálném provozu jsou ověřeny a používány metody založené zejména na absorpčním a na adsorpčním principu. Další perspektivní metodou se jeví membránová separace, která má již první komerční nasazení.

Adsorpce

Proces adsorpce využívá Van der Walsových sil, které vážou molekuly odlučovaného plynu na povrch vysoce porézní pevné látky. Adsorpce zpravidla probíhá za zvýšeného tlaku a desorpce (regenerace sorbentu) při sníženém tlaku.

PSA -Pressure Swing Adsorption

Před použitím této metody je nutné surový bioplyn nejprve odsířit a vysušit aţ na požadované koncentrace, které činí maximálně 500 mg/m³ sulfanu a 0,2 g/m³ vody v bioplynu, jinak dochází k trvalému poškození zařízení. Odsířený vlhký plyn je stlačen na potřebný provozní tlak cca 4 – 7 barů, přičemž dojde k jeho ohřátí z 25 -35 °C na 60 – 90 °C a který je následně zchlazen na teplotu 10 až 20 °C, přičemž se odloučí zkondenzovaná voda a plyn je částečně vysušen. Takto vyčištění plyn se přivádí zespodu do adsorbéru, který obsahuje molekulové síto tvořené velmi jemně rozemletým uhlíkem v extrudované podobě. Na tomto adsorbentu se zachycuje CO₂ a zbytkové koncentrace H₂O, H₂S a NH₃ a rovněž malé množství methanu. Z horní části adsorbéru vychází upravený bioplyn s koncentrací methanu 96 – 98 %. Po nasycení adsorpčního materiálu je bioplyn veden do druhé sady adsorbérů a dochází k regeneraci sorbentu.

Absorpce

Absorpce je založena na rozdílné rozpustnosti methanu a nežádoucích plynů (CO₂, H₂S a NH₃ v pracích kapalinách. Podle způsobu pohlcení plynů se jedná buď o fyzikální nebo chemickou absorpci.

Surový bioplyn je dvoustupňově stlačen na pracovní tlak 4 – 7 barů a ochlazen na 15 °C a poté přiveden na dno absorpční kolony. Plyn je v koloně protiproudně skrápěn vodou o teplotě 5 nebo 25 °C. V absorpční koloně se do vody rozpouští kyselé a basické složky, přičemž při nižší teplotě je absorbováno jejich větší množství. Stejný účinek má také zvýšený tlak. Vyčištěný plyn obsahuje až 96 % methanu, 1 – 2 % CO₂ a zbytek tvoří kyslík a dusík. Plyn je zcela nasycen vodní párou, a proto musí být před dalším použitím vysušen, případně musí být odstraněny zbytkové koncentrace síry na aktivním uhlí. Proces tlakové vypírky neodstraní z bioplynu N₂ a O₂, které mohou být dále odstraněny na aktivním uhlí nebo pomocí membránových procesů. Odpadní voda je přiváděna do regenerační kolony, kde dochází v prvním stupni k uvolnění zbytkového množství methanu, které se přimíchává k surovému bioplynu před druhým kompresním stupněm. Tím klesnou ztráty methanu pod 2 %. Do desorpční kolony je přiváděn vzduch, který po průchodu kolonou obsahuje asi 30 % CO₂ a 0,1 % H₂S. Odpadní plyn je odsiřován např. použitím biofiltru a vypouštěn do atmosféry.

Chemická vypírka

Na rozdíl od vodní tlakové vypírky jsou nežádoucí plyny odstraňovány chemickou reakcí. Výhodou tohoto procesu je vyšší selektivita a rozpustnost plynů i při atmosférickém tlaku. Nejčastěji používaným sorbentem je monoetanolamin (MEA), který je naředěn vodou na maximální koncentraci 50 %. Vstupní surový bioplyn je stlačován pouze na cca 50 kPa, aby byl překonán odpor skrápěcí kolony, a protiproudně skrápěn prací kapalinou (MEA). Obohacený bioplyn s koncentrací methanu 96 – 99 % odchází hlavou kolony. Regenerace sorbentu probíhá v desorpční koloně za zvýšené teploty, při které se část vody odpaří.

Základní parametry jednotlivých čistících procesů jsou srovnány v následující tabulce 2. Z tabulky je patrné, že při procesu vypírky methanolaminem vzniká biomethan s nejvyšším obsahem methanu a dochází k nejmenším ztrátám methanu. Tento proces spotřebovává i nejméně elektřiny na provoz absorbérů, ale je zde nutné další teplo na ohřev kolony na pracovní teplotu a regeneraci sorbentu, což je značně energeticky náročné a spotřeba energie dosahuje až 0,5 kWh/m³ surového bioplynu. Na vyčištění bioplynu se spotřebuje 5 – 8 % energie obsažené v bioplynu v závislosti na použité metodě.

Obsah síry v plynu před použitím musí být menší než 500 mg/m³. Při vyšším obsahu sulfanu nutno zařadit primární odsíření.

Po vyčištění lze upravený bioplyn vtláčet do plynárenské sítě. Vhodně se jeví zejména vtláčení do středotlaké nebo vysokotlaké plynárenské sítě, kde výstupní tlak plynu z čistícího zařízení je dostatečný a není nutná další komprese plynu a náklady spojené s kompresí a distribucí plynu jsou tak minimální. Úprava bioplynu na biomethan má velkou výhodou oproti kogeneračním jednotkám, není zde požadavek na využití odpadního tepla a energie využitelná z bioplynu vzroste na 74 %. Nespornou výhodou je také možnost skladování biomethanu oproti elektrické energii a teplu.

Jedny z nejvýznamnějších bariér pro vtláčení biomethanu do plynovodní sítě jsou nedostatečné ekonomické a technické podmínky výkupu biomethanu z provozu bioplynových stanic v České republice. V současné době lze biomethan bez větších problémů spotřebovávat jako motorové palivo pro pohon traktorů či automobilů. Před jeho použitím je nutné biomethan komprimovat na tlak 20 – 30 MPa. Energie potřebná na stlačení biomethanu se pohybuje okolo 0,26 kWh/m³ upraveného bioplynu a tímto krokem klesne energie využitelná z bioplynu na cca 70 %, která je i tak oproti kogenerační jednotce vyšší. V případě využití biomethanu pro pohon motorových vozidel i zde existují určité překážky a bariéry, např. nedostatečná infrastruktura plnicích stanic CNG v porovnání s hustou sítí čerpacích stanic na kapalné pohonné hmoty.

Závěr

V současné době je v České republice téměř veškerý vyprodukovaný plyn využíván pro energetické účely v kogeneračních jednotkách pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Takovéto využití bioplynu v místě produkce je jiţ osvědčené a nevyžaduje odstraňování CO₂ a dalších nežádoucích složek a je silně podporováno dotačními programy či povinným výkupem elektrické energie. Přitom úprava bioplynu na biomethan ať už pro účely vtláčení do plynárenské sítě nebo pro pohon motorových vozidel je mnohem efektivnější způsob využití bioplynu, při kterém se získá skladovatelný produkt, než výroba tepla a elektřiny v kogeneračních jednotkách. Tento způsob využití je zejména vhodný tam, kde není úplně využito odpadní teplo. Prozatím veškeré snahy upravovat bioplyn na kvalitu zemního plynu narážejí na nedostatečnou legislativu a nulovou podporu ze strany státu. Využití bioplynu v dopravě závisí ve značné míře na rozvoji zemního plynu v dopravě, především na vybudování sítě čerpacích stanic pro CNG a výrobu a prodej vozidel na CNG.

Poděkování

Příspěvek vznikl za podpory MŠMT ČR, výzkumný záměr MSM 604 613 7304 .

Použitá literatura

• [1] Straka F. a kol.: Bioplynu – druhé rozšířené vydání, Gas s.r.o., Praha, 2006
• [2] Šebor G., Pospíšíl M., Ţákovec M.: Technicko-ekonomická analýza vhodných paliv v dopravě, Praha, 2006
• [3] Klinski S.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz, IE-Leipzig, ISBN 3-00-018346-9, Leipzig, 2006
• [4] Tenkrát D., Prokeš O.: Plynná paliva z alternativních (obnovitelných) zdrojů a moţnosti jejich přepravy a distribuce ve stávající plynovodní síti, Chem. Listy, 2008
• [5] Tentscher W.: Anforderung und Aufbereitung von Biomas zur Einspeisung n Erdgasnetze, Gas – Erdgas, 2007
• [6] Persson M.: Evaluation of Upgrading Techniques for Biogas, October 2003
• [7] Beil M.: Biogasaufbereitung – eine Einführung, Biogasaufbereitung zu Biomethan, 6. Hanauer Dialog, 2008
• [8] Weidner E.: Technologien und Kosten der Biogasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Ergebnisse der Markterhebung 2007 – 2008, Institut Umwelt-, Sicherheits-, Energietechnik, 2008
• [9] Schulz H., Eder B.: Bioplyn v praxi, Teorie – projektování – stavba zařízení – příklady, HEL, 2004

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