Odborné články

Bioplynové stanice – podmínky a možnosti využití tepla

Před rokem jsem si na tomto místě kladl otázku, zda je snaha o omezení podpory bioplynových stanic racionální nebo zda byla především ovlivněna neblahým vývojem v podpoře obnovitelných zdrojů, který způsobila „nekontrolovaná“ podpora fotovoltaických elektráren. Zdá se, že se toto téma bude ještě dlouho a v různých podobách vracet.

Porovnávat dopad fotovoltaických a bioplynových elektráren do ceny elektřiny pro konečného spotřebitele je velmi zavádějící a zřejmě bychom se měli soustředit na praktičtější aspekty využívání obnovitelných zdrojů, neboť z logiky přírodních zákonů pro naši další existenci ani jiné zdroje v úvahu nepřicházejí.

Podle Národního akčního plánu pro obnovitelné zdroje z roku 2010 (NAP) by v roce 2020 měly být v ČR v provozu bioplynové stanice o celkovém instalovaném výkonu 417 MW_e a vyrábět okolo 3 000 GWh_e ročně, tedy asi dva a půl násobek dnešní hodnoty. Celkem je tedy možné očekávat potenciál disponibilního tepla ve výši cca 8 500 TJ ročně (za předpokladu převažující výroby v kogeneračních jednotkách). Jakkoli je tato tepelná energie velmi rozptýlená a často obtížně využitelná z důvodů umístnění bioplynové stanice, s ohledem na uvedený potenciál se jistě vyplatí uvažovat o celkové strategii jejího využití, už jen s ohledem na stále citlivější diskusi ohledně zajištění dodávek tepla v budoucnu.

Obr. 1: Ilustrační foto rozvaděče tepla pro místní dodávku tepla

Požadavky na využití tepla

Cenové rozhodnutí ERÚ stanoví podmínku využití tepla následovně: „u bioplynových stanic kategorie AF 1 uvedených do provozu po 1. lednu 2012 včetně je podmínkou pro poskytnutí podpory výroba a efektivní využití vyrobené tepelné energie minimálně v úrovni 10 % vůči vyrobené elektřině v daném roce, s výjimkou elektřiny pro technologickou vlastní spotřebu elektřiny a tepla.“.

Je pravděpodobné, že v průběhu letošního roku bude společným stanoviskem Energetického regulačního úřadu (ERÚ) a Státní energetické inspekce (SEI) stanoveno, jaké způsoby využití tepla jsou či nejsou považovány za efektivní využití a jakým způsobem bude prováděna kontrola. Současně je očekáváno nastavení pravidel pro využití tepla pro další období a to jak příslušnou prováděcí vyhláškou tak případně cenovým rozhodnutím platným pro rok 2012.

Vlastní (technologická) spotřeba tepla na provoz BPS

Spotřeba tepla na technologické procesy zahrnuje ohřev substrátu a krytí tepelných ztrát pláštěm fermentoru. Pro výpočet spotřeby tepla na ohřev substrátu je uvažováno množství vstupní hmoty ředěné na cca 10 % sušiny. Tento materiál je ohříván z průměrné teploty substrátu (uskladněného obvykle ve venkovních jímkách) v dané lokalitě na cca 40 °C. Spotřeba tepla na vlastní technologii BPS se pohybuje v rozmezí 10-30 % celkové produkce využitelného tepla v kogenerační jednotce.

Dodávka tepla do systémů centrálního zásobování teplem (CZT)

Pro dodávku tepelné energie do CZT je zásadním faktorem dosažitelnost odběrného místa s dostatečnou spotřebou energie a vhodným odběrovým diagramem. Čím blíže se nachází odběrné místo od zdroje energie (kogenerační jednotky), tím nižší náklady představuje investice do vybudování teplovodní přípojky. Nejvýhodnější je vždy dodávka energie do centrální kotelny již existujícího systému CZT, odpadají náklady spojené s rozvodnou sítí a přípojkami.

Alternativní možností je namísto teplovodu, resp. horkovodu, vybudovat rozvody bioplynu. Kogenerační jednotka bude v tomto případě instalována co nejblíže odběrného místa, bioplyn jímaný z fermentačního procesu bude přiveden přímo k jednotce. Nevýhodou tohoto způsobu je nutnost instalace dvou kogeneračních jednotek, jedné u odběrného místa a druhé v místě BPS, která zajistí energii potřebnou k pokrytí technologického tepla BPS.

Kogenerační jednotka může být zapojena do systému tak, aby umožňovala předehřev vratné topné vody. Tento způsob umožňuje využít veškeré dodané teplo.

Příklad realizace

Jedním z příkladů fungujícího systému zásobování teplem z bioplynové stanice je vytápění celého sídliště v Jaroměři. Provozovatel bioplynové stanice o výkonu 1,4 MW vybudoval teplovod o délce zhruba 2 km nákladem zhruba 12 mil. Kč. Sídliště spotřebuje okolo 20 000 GJ tepla ročně. Téměř veškerou tuto potřebu pokrývá teplo z bioplynové stanice, původní plynové kotle jsou uchovány jako rezerva a je uchován doplňkový zdroj v případě extrémních mrazů. Konečná cena tepla byla v roce 2011 ve výši přibližně 480 Kč/GJ.

Využití tepla v zemědělských areálech

Kogenerační jednotka je v tomto případě zapojena jako hlavní zdroj tepla, pokrývající převážnou část či veškerou potřebu tepelné energie. Teplotní spád takto zapojeného systému odpovídá teplotnímu spádu získanému na výměnících kogenerační jednotky (obvykle 90/70 °C). Jedná se především o vytápění a přípravu teplé vody v administrativních budovách, halách pro chov zvířat, dílenských provozech, skladech apod.

Vždy je potřeba vzít v úvahu skutečnou potřebu tepla v těchto objektech, tj. dodržet zákonné a normové požadavky na energetickou náročnost či tepelně-technické parametry jednotlivých konstrukcí a výměny vzduchu.

Další možnosti využití tepla představuje například:

odchov kuřat
chov teplomilných ryb
pěstování skleníkových plodin s vyššími nároky na teplotu
dodávka jiným odběratelům v blízkém okolí

Sušení

Teplo z kogenerační jednotky je možné využít pro přímý ohřev sušícího média či pro jeho předehřev a následný dohřev jiným zdrojem tepla.

Teplo z bioplynové stanice je využitelné ve většině používaných typů sušáren. Vždy je však potřeba dbát na dodržení technologické kázně a pro každou komoditu je potřeba volit vhodný režim sušení. Ne vždy je tak možné využít veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky.

Obr. 2: Pásová sušárna

Sušení digestátu

Digestát je možné sušit buď přímo nebo po separaci na sítových nebo bubnových separátorech. Separát je možné po sušení použít jako hnojivo, nebo pro výrobu pelet či briket. Pro zpracování úsušků se obvykle požaduje konečná vlhkost v rozmezí 10 – 15 %. Z energetického hlediska je výhodné udržovat podíl sušiny okolo 88 %, aby se materiál nepřesoušel a byl stabilizován na skladování. Přímým sušením lze sušit pouze část digestátu, na usušení celého množství není množství tepla dostatečné.

Pro sušení digestátu se používají pásové sušárny konstruované pro různé výkonové velikosti bioplynových stanic a pracující s teplotou 80 – 120 °C.

Obr. 3: Pohled do vnitřku haly pro sušení balíků

Sušení produktů rostlinné výroby

Sušení jednotlivých surovin závisí na jejich druhu a době sklizně, obvykle probíhá od července do listopadu. V případě zajištění dostatečných skladovacích kapacit je teoreticky možné zajistit i kontinuální celoroční provoz sušárny. Nejčastěji jsou sušeny: ječmen, řepka, pšenice, kukuřice, senáž, mláto a další.

Z hlediska návrhu velikosti sušárny je důležité správně stanovit disponibilní výkon kogenerační jednotky v jednotlivých měsících provozu.

Na základě disponibilního výkonu kogenerační jednotky a ročního odběrového diagramu tepla (je-li využíváno pro vytápění) je možné dimenzovat potřebný výkon sušárny. Uskladněním zemědělských komodit určených k sušení je možné optimalizovat a prodloužit provoz sušárny a ovlivnit tak i návrh jejího výkonu.

Doba sušení a množství usušených komodit jsou též závislé na počáteční a konečné požadované vlhkosti (resp. obsahu sušiny). Někteří dodavatelé uvádí požadavek na maximální vstupní vlhkost sypkých surovin okolo 50 %. Výstupní vlhkost bývá požadována mezi 10 - 25 % dle druhu sušené komodity a požadavků odběratele.

Obr. 4: Příklad rozložení výkonu 2 sušáren (každá s výkonem 340 kWtp) během sušícího cyklu – v ekvivalentu spotřeby energie

Příklad specifického využití tepla pro sušení sena

V případě, že je k dispozici dostatek levného tepla – konkrétně z bioplynové stanice, je možné tuto technologii využít bez nutnosti instalovat kondenzátor a tepelné čerpadlo. Středotlaký ventilátor vhání teplo z bioplynové stanice do kanálu pod objektem. Je potřeba hlídat teplotu vzduchu a dobu sušení, aby nedošlo k poškození sena vysokou teplotou.

Sušení pilin a dřevní štěpky

Výhodou sušení štěpky oproti sezóním zemědělským komoditám je možnost celoročního sušení. Požadavek na nízký obsah vlhkosti na výstupu ze sušárny (7 až 20 %) a tedy i vysoké odsušky vlhkosti (až 50 %) zvyšuje energetickou náročnost sušení vztaženou na jednotku objemu. Jedná se často o energeticky náročnější proces než v případě zemědělských komodit.

Vysušené zemědělské komodity, piliny a dřevní štěpku je dále možné využít k výrobě pelet. Technologie peletování z rostlinné biomasy je v podstatě shodná s technologií využívanou u výroby dřevních pelet. Některé rostliny mají vhodnou vlhkost do 15 % již při sklizni a není je tedy nutné dále dosoušet, ostatní je nutné sušit. Peletování je vhodnou doplňkovou činností sušení zemědělských komodit, pilin a dřevní štěpky.

Sušení dřeva

Umělé sušení dřeva se liší od přirozeného sušení tím, že do hráně složeného řeziva se v sušárně nuceně přivádí teplý vzduch ventilátorem a teplota sušícího vzduchu má teplotu vyšší než je běžná teplota venkovního vzduchu při sušení přirozeném. Při umělém sušení se běžně používá teplota sušícího vzduchu do 100 °C.

Sušení kusového dřeva je logisticky a provozně náročnější než sušení plodin zemědělské výroby. Na rozdíl od sypkých materiálů nelze použít kontinuální provoz sušení. Nejčastěji používaným typem sušáren v aplikacích na bioplynové stanice jsou sušárny komorové, v nichž probíhá sušení v opakovaných cyklech. Tento proces je logisticky náročný a neumožňuje rovnoměrný kontinuální odběr tepla z bioplynové stanice.

Důležitým faktorem při návrhu velikosti a množství sušáren řeziva je provedení předchozího průzkum dostupnosti dostatečného množství řeziva k sušení. Je-li dostatek sušeného materiálu je možné optimalizovat velikost a počet jednotek tak, aby bylo možné využít téměř veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky. Reálně však není technicky možné využít 100 % dostupného tepla.

Obr. 5: Distribuce tepla ve sklenících

Vytápění skleníků a využití produkovaného CO₂

Pro vytápění skleníků s využitím tepla z kogenerační jednotky se principielně nabízejí dva způsoby. Prvním je instalace teplovzdušných jednotek s výměníkem voda-vzduch. Výhodou tohoto typu distribuce je rovnoměrné rozložení teploty v celém objemu a použitelnost ve všech druzích skleníků. Druhým způsobem je instalace teplovodního otopného systému (stropní, stěnové, podlahové, radiátorové). Použitelnost tohoto systém závisí na konkrétních podmínkách. Výhodou je nižší spotřeba elektrické energie oproti teplovzdušnému systému.

Zajímavou aplikací, prozatím využívanou zejména v Holandsku, je využití emisí CO₂ vznikajících při spalování plynu v kogeneračních jednotkách. Rostliny jej využívají jako zdroj uhlíku.

Průmyslové využití tepla

Využití odpadního tepla z kogenerace je možné najít i v technologiích nejrůznějších průmyslových odvětvích, a to nikoli pouze pro vytápění provozních budov nebo temperování hal. Dobré podmínky pro využití tohoto tepla jsou např. v potravinářském, chemickém, textilním nebo papírenském průmyslu. Uplatnění se nalezne v procesech jako je čištění a mytí, sušení, předehřev technologické vody pro parní systémy nebo ohřev technologické vody v průmyslových lázních a vanách.

Obr. 6 : Schéma zapojení ORC na spalinový výměník kogenerační jednotky

Absorpční chlazení

Při kombinované výrobě tepla, elektřiny a chladu v BPS je zdrojem pro výrobu chladu teplo z kogenerace. Na rozdíl od obvyklého použití kompresorového chlazení, které potřebuje pro svůj provoz elektřinu, je pro provoz absorpčního chlazení zapotřebí pouze tepelná energie a elektřina pro provoz oběhového čerpadla.

Přeměna tepla v chlad je možná dvěma způsoby, absorpcí a adsorpcí. Rozdíl mezi absorpcí a adsorpcí spočívá v dosažitelné teplotě chladiva a v potřebné teplotě topné vody (zdroje tepla). Výhodou absorpčního chlazení je nízká potřeba údržby (pouze oběhové čerpadlo okruhu pracovní látky), malá spotřeba elektřiny a použití ekologického chladiva v porovnání s kompresorovým chlazením.

Absorpční chlazení lze využít pro chlazení, případně klimatizaci v budovách, obchodních centrech, nemocnicích, chladírnách ovoce a zeleniny, pro chlazení mléka, skladů potravin a v průmyslových provozech.

Generátor s ORC turbínou

Organický Rankinův cyklus (ORC) je modifikací elektrárenského Rankine - Clausiova cyklu, od kterého se liší typem pracovního média. Namísto vodní páry pohánějící turbínu se zde používá organická kapalina s nižší teplotou vypařování při stejných pracovních tlacích.

V případě pístového motoru je jako výparník, v němž je předána energie primárnímu okruhu, využit nejčastěji spalinový výměník. Minimální parametry vstupního média jsou dle výrobce ORC jednotky a druhu média v rozmezí 88 až 135 °C. Velikost ORC jednotek využitelných pro tyto účely se pohybuje v rozmezí cca 10 kW_e až 200 kW_e. Celkový tepelný výkon kogenerační jednotky potřebný k provozu ORC je cca 7,0 – 15,0 kW_t/kW_e výkonu ORC.

ORC zařízení předpokládá připojení na spalinový výměník kogenerační jednotky a její roční využití ORC jednotky může být za ideálních podmínek rovno ročnímu využití kogenerační jednotky, tedy až 8 500 hodin.

Závěr

Každý provozovatel bioplynové stanice je motivován ke zvyšování efektivnosti, a to jak na straně optimalizace vlastní technologické spotřeby, tak na straně využití produkce tepla. Jedním z cílů Klastru bioplyn podpořeného z Operačního programu Podnikání a inovace a Ministerstva průmyslu a obchodu ČR je toto zvýšení energetické efektivnosti bioplynových stanic podpořit a šířit inovativní a účinné postupy v praxi.

Tento článek je stručným představením témat publikace, která bude vydána v letošním roce. Vůbec poprvé bude představen přehled možností využití tepla z kogeneračních jednotek bioplynových stanic.

Jak je uvedeno výše, jedná se například o vytápění jednotlivých objektů v rámci zemědělského areálu nebo dodávku tepla třetím osobám (např. provozovatelům městských kotelen apod.) pomocí horkovodu. Alternativou může být i vedení bioplynu a produkce tepla až v místě odběru. V místech s obtížnou dodávkou do místních teplovodů se nabízí sušení zemědělských plodin, případně sušení koncového produktu fermentačního procesu (separátu) nebo dřeva, resp. jiné biomasy. Praktický potenciál může mít i vytápění skleníků s využitím produkovaného CO₂, průmyslové využití tepla, absorpční chlazení nebo využití tepla pomocí ORC turbíny.

Také v Německu je novelou zákona vyžadováno využití tepla a z hlediska požadavků na hospodaření s energií jde o přirozenou a logickou podmínku. Lze předpokládat, že trh tímto dostane nový impuls a přibude nových inspirativních a inovativních projektů.

Obr. : Článek byl sestaven v rámci projektu Klastr Bioplyn

Článek byl sestaven v rámci projektu Klastr Bioplyn, www.klastrbioplyn.cz. Stánek Klastru můžete navštívit též na veletrhu Techagro 2012.

Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem

Související články:

Biomasa je součástí energetického mixu
Možnosti intenzifikace produkce bioplynu
Od prasečího perpetuum mobile k bioplynové velmoci
Trochu jiná bioplynka
Návštěva bioplynových stanic ve Švýcarsku a Německu
Bioplynové stanice na zpracování bioodpadů v České republice
Zajímavá provedení bioplynových stanic v zahraničí

Zobrazit ostatní články v kategorii Bioplyn, Obnovitelné zdroje energie

Datum uveřejnění: 13.3.2012
Poslední změna: 27.4.2012
Počet shlédnutí: 19104

Citace tohoto článku:
ŠAFAŘÍK, Miroslav: Bioplynové stanice – podmínky a možnosti využití tepla. Biom.cz [online]. 2012-03-13 [cit. 2024-12-12]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/czp-pestovani-biomasy-spalovani-biomasy-rychle-rostouci-dreviny/odborne-clanky/bioplynove-stanice-podminky-a-moznosti-vyuziti-tepla>. ISSN: 1801-2655.