Metody úpravy bioplynu na kvalitu zemního plynu

Ve většině bioplynových stanic (BPS), které využívají bioplyn v kogeneračních zařízeních, dochází ke ztrátám až dvou třetin v něm obsažené energie tím, že po značnou část roku je nezbytně vznikající teplo nevyužito. Úpravy bioplynu, odstraňující zejména kysličník uhličitý, umožňují jeho uplatnění jako pohonné látky vozidel a jako topného plynu v síti zemního plynu.

Obr. 1: Motor kogenerační jednotky produkuje z dodaného bioplynu z 1/3 elektrickou a ze 2/3 tepelnou energii

Pro zvýšení obsahu metanu přes 98 % se používají různé způsoby tlakových vodních vypírek, membránové děličky, metody adsorpce a absorpce, vymrazování a další. Tyto technologie mají kladný vliv na celkovou ekonomiku bioplynové stanice.

Příprava nové etapy

Ve Švédsku a Švýcarsku je v provozu několik desítek BPS u čistíren odpadních vod s přiřazeným zařízením pro zušlechťování bioplynu tím, že je z něho odstraňován balastní kysličník uhličitý a další nežádoucí příměsi. Plyn s obsahem vyšším než 97 % metanu je komprimován a využíván k pohonu více než 10 000 nákladních automobilů a autobusů spolu s normálním zemním plynem nebo je vháněn do sítě zemního plynu.

Ekonomicky vycházejí úpravy surového bioplynu na kvalitu zemního plynu už dnes vzhledem k současným cenám motorové nafty a zemního plynu dobře, nehledě na využívání různých dotací a osvobození od DPH. Skládkový plyn s ohledem na obsah H₂S se upravuje výjimečně v jednom případě. U zemědělských bioplynových stanic se uplatnění a vyhodnocení těchto zušlechťujících metod teprve připravuje.

VÚZT navazuje na své výzkumy uplatnění zemního plynu pro pohon nákladních automobilů a traktorů v zemědělství, provozní zkušenosti magistrátu města Teplice z osmdesátých let minulého století a současné zkušenosti některých evropských států a metodicky připravuje novou etapu výzkumu biopaliv zapadající do kategorie vývoje pohonných hmot druhé generace.

Úpravy pro pohon aut

Aby se mohl bioplyn používat jako pohonná látka pro automobily, musí být náležitě upraven tak, aby bylo dosaženo standardní, vysoké kvality a výhřevnosti, což se ve stejné míře u stacionárních motorů při výrobě elektřiny u kogeneračních jednotek nepožaduje. Úprava je nákladnější než prostá filtrace a odvodnění bioplynu při jeho použití pro výrobu tepla při prostém spalování, nebo elektřiny v kogenerační stanici. Kvalitu zajišťuje švédská norma SS 15 54 38 stanovením standardu, který pevně vymezuje maximální a minimální hodnoty základních složek upraveného bioplynu.

Ve Švédsku je v provozu už 30 úpraven bioplynu. Všechny pomocí fyzikálních, fyzikálně-chemických nebo membránových dělících technologií odstraňují ze surového bioplynu kysličník uhličitý (CO₂), jehož je v něm 25 až 40 %. Dusík (N) by se měl odstraňovat jen ze skládkového plynu v množství až 15 %. Sirovodík (H₂S) se odstraňuje z bioplynu vyrobeného z exkrementů zvířat nebo jatečných odpadů pro jeho toxicitu a korosivní účinky. Kromě toho při jeho spálení vzniká kysličník siřičitý, opět jedovatý plyn se silnými korosivními účinky. Dále se odstraňuje voda a pevné částice, které bioplyn jako pohonnou látku znehodnocují. Pro rozvoj používání bioplynu v dopravě v Evropě bude tak nezbytné vypracovat jednotné kvalitativní standardy. V zajištění vysoké kvality této pohonné látky hraje důležitou roli vedle vhodné technologie úpravy i kvalita surového, vyráběného bioplynu. Při vysokém obsahu metanu v bioplynu (přes 60 %) není ve Švédsku problém dosáhnout u motorového paliva obsahu až 97 % metanu.

Odstraňování CO₂ představuje v procesu úpravy bioplynu nejnákladnější operaci. K dispozici jsou různé dělící metody, s různou účinností a nákladovostí, které zahrnují i odstraňování H₂S i vody. Nejpoužívanější „dělící“ metodou bioplynu je zatím tlaková vodní „vypírka“.

Tlaková vodní vypírka

Ve Švédsku pracuje v současnosti dvacet tlakových vodních vypírek CO₂ z bioplynu adsorpční metodou, při které se molekuly CO₂ váží na molekuly vody. V reagenční tlakové komoře s pracovním tlakem 8 až 10 bar a teplotou 20 – 25 ºC postupují obě media proti sobě. Vlivem navozeného tlaku se různě mění parciální tlak jednotlivých plynů a CO₂ se zachycuje ve vodě. Pro dosažení co nejvyššího obsahu metanu v „hnacím“ plynu je tato technologie dvoustupňová. Voda však obsahuje kromě CO₂ i 4 až 10 % CH₄ . Po poklesu tlaku se zbytek metanu uvolňuje a ztráty metanu jsou minimální.

V systému s uzavřeným oběhem čerstvé vody se zařazuje ještě jeden stupeň, desorpční kolona, ve které se po celkovém poklesu tlaku uvolňuje i všechen zachycený CO₂ a vodu je možno znovu použít. Běžně se v rámci čistírny odpadních vod desorpční kolona nevyužívá a k jímání CO₂ se používá vyčištěná voda z čistírny, která se i se zachyceným CO₂ vypouští do vodoteče. Úprava bioplynu je tak levnější.

Pokud je podíl síry v surovém bioplynu nižší než 300 ppm/ Nm³, nepředstavuje to žádný problém, odsiřovací zařízení se ve vodní propírce nepoužívá, nad tuto hodnotu je nezbytné. V bioplynu upraveného touto metodou je asi 97 % metanu.

Změny tlaku

Druhou nejčastější metodou odstraňování CO₂ z bioplynu, kterou používá ve Švédsku osm stanic, je metoda střídání tlaků (PSA – Pressure Swing Adsorption). Při tom se surový bioplyn musí nutně nejprve odsířit a potom se v adsorpční koloně stlačí na 8 – 10 barů. CO₂ se v koloně pod tímto tlakem váže na molekuly aktivního uhlí nebo na adsorpční „síta“ vyrobená na bázi aktivního uhlí. Jakmile je adsorpční materiál v jedné komoře nasycen, přesouvá se operace do kolony následující při dodržení pracovního tlaku. V první komoře se po uvolnění tlaku uvolňuje z adsorpčního materiálu CO₂ a dochází k potřebné regeneraci. Pro zajištění plynulého provozu a dostatku k regeneraci potřebného času se zpravidla v úpravně používají čtyři kolony.

Nízkotlaká absorpce

Podobně, jako je tomu u metody mokré vypírky, postupují při této metodě (LP Coaab-Systém, Low Pressure CO₂ Absorption) v absorpční koloně proti sobě absorpční materiál a surový bioplyn. Zde se však jedná, na rozdíl od první metody fyzikálního vázání CO₂ na vodu v propírce, o čistě chemickou reakci. Absorpční kapalinou je zde speciální dusíkatá sloučenina s obchodním názvem „COAAB“. Skoro čistý metan odchází z kolony nahoře, musí pak být poněkud stlačen, zbaven vody (vysušen) a většinou odorizován. Kapalina COAAB se pak regeneruje zahřátím. Získaný, velmi čistý CO₂, se buď vypouští do okolního ovzduší, nebo se přivádí do skleníků (na podporu asimilace), nebo se využívá průmyslově dál. Protože se touto metodou CO₂ odděluje z bioplynu za normálního tlaku, je tato metoda energeticky méně náročná, než tlaková vodní propírka nebo metoda změny tlakových změn, ale pro regeneraci absorpční kapaliny je zapotřebí určitého množství tepla.

Schéma 1: Schéma zařízení tlakové protiproudé vodní vypírky bioplynu s desorpcí vody. Při použití vyčištěné vody z ČOV se desorpční zařízení nepoužívá.

Vymrazování CO₂

Výrazně rozdílná teplota tuhnutí CO₂ a CH₄ vytváří teoretické předpoklady pro vývoj technologie úpravy surového bioplyn tímto způsobem. VÚZT ke zkouškám a vývoji technologie připravuje podrobnou metodiku.

Náklady na úpravu

Zatím jsou údaje o nákladech na úpravu bioplynu na pohonnou hmotu známy pouze ze Švédska. U zařízení s ročním objemem výroby v hodnotě 20 GWh činí kolem 0,1 SEK/kWh (0,35 Kč/kWh), a to včetně odpisů investic, oprav, údržby a mezd. 1 Nm³ metanu z bioplynu má výhřevnost asi 10 kWh, jeho výroba stojí 1 SEK/Nm³ tj. asi 3,5 Kč/Nm³ .

Většina švédských úpraven využívá svůj zhodnocený bioplyn bezprostředně pro svá vozidla. Ve čtyřech městech se upravený bioplyn vhání do sítě rozvodu zemního plynu. Musí mít proto naprosto stejné vlastnosti jako při používání zemního plynu jako pohonné látky, jen u obsahu vody nejsou kriteria tak přísná. V současné době dostává totiž Švédsko přes Dánsko ze Severního moře velká množství kvalitního zemního plynu s vysokou výhřevností díky vysokému obsahu uhlovodíků. Aby měl upravený bioplyn vháněný do sítě zemního plynu stejnou výhřevnost, obohacuje se malými přídavky propanu.

Vhánění upraveného bioplynu do sítě zemního plynu má dvě odlišné výhody. Za prvé je získáván nový okruh trvalých odběratelů a za druhé v BPS vyrobený bioplyn je plně využit a nemusí se, jako je tomu někdy u kogeneračních stanic, když není odbyt tepla, přebytek plynu „mařit“ spalováním ve venkovních hořácích, nehledě na časté „maření“ nadbytečného tepla vůbec, zejména v létě.

Tankovací stanice

V současné době funguje ve Švédsku 70 „plynových“ tankovacích stanic. K nim se upravený bioplyn dopravuje buď potrubím se zemním plynem, do kterého se bioplyn přimíchává, nebo 20 stanicím se dodává stlačený v plynových ocelových „bombách“ nákladními auty v přepravních kontejnerech. Tak tomu je například ve Stockholmu, kde nejsou tankovací stanice napojeny na rozvodnou síť zemního plynu.

Bioplyn jako pohonná látka byl zaveden do provozu na základě iniciativy obcí provozujících čistírny odpadních vod. Investovaly nejen do výstavby BPS, ale také do úpraven bioplynu. Obce mají rovněž větší šance využívat upravený bioplyn v komunální dopravě. Nyní se o problematiku začaly zajímat i soukromé firmy s očekáváním dosažení určitého zisku podnikáním i v této oblasti, a to v budování a provozu tankovacích stanic a prodeji tohoto paliva vůbec. Švédská veřejnost velmi důvěřuje plynným motorovým palivům jako je metan, zemní plyn a upravený bioplyn. Švédský plynárenský svaz si vytkl velmi ambiciózní cíl uvést do roku 2010 do provozu 500 „plynových“ tankovacích stanic a 70 000 automobilů jezdících na plynná paliva, tj. zemní plyn a bioplyn.

Zkušenosti v Evropě

V Evropě se úpravy bioplynu na kvalitu zemního plynu uskutečňují určitě ve čtyřech zemích, Švédsku, Švýcarsku, Holandsku a ve Francii. V prvních třech zmíněných státech se bioplyn také vhání u do rozvodů zemního plynu.

V Německu je v provozu jen jedna „pilotní“ BPS, která upravuje bioplyn na kvalitu metanu. Větší projekty, ve kterých by se bioplyn nebo čistírenský plyn upravovaly, jsou již delší dobu plánovány, ale zatím byla realizace na přechodnou dobu odložena.

V Holandsku jsou úpravny na čtyřech skládkových deponiích, kde se dosahuje až 90 % čistoty metanu, který se z části dodává do sítě zemního plynu. Z úpravných technologií se používá jednak metoda tlakové vodní vypírky a jednak adsorbční metody tlakových změn. Bioplyn ze zemědělských (v Evropě většinou malokapacitních) BPS se zatím neupravuje.

Švýcarsko

Tato země má s úpravami bioplynu na kvalitu zemního plynu již desetileté zkušenosti. Ve Švýcarsku je v provozu zatím šest zařízení, a to čtyři bioplynové stanice na zpracování biomasy a dvě čistírny odpadních vod. Dvě BPS bioplyn upravují a vhánějí jej do sítě rozvodů zemního plynu.

Schéma 2: Schéma zařízení pro úpravu bioplynu s využitím metody tlakových změn pro vysoké výkony.

Převažují BPS fermentující separovaný domovní bioodpad, odpady jídel, zelenou hmotu. Výhodou zpracování tohoto druhu odpadu je, že získaný bioplyn neobsahuje významný podíl síry (sirovodíku), jako tomu je při zpracování kejdy ze živočišné výroby. Další výhodou je komplexní zpracování těchto odpadů nejen na bioplyn, ale také na kvalitní kompostované hnojivo, protože „zdržení“ materiálu ve fermentoru je jen 15 dní. Potom následuje kompostování pevného podílu. Odloučený fugát představuje kvalitní kapalné hnojivo. Získaný bioplyn se „promění v elektřinu“ s produkcí dále využívaného tepla, nebo se upravuje na kvalitu zemního plynu.

K využití upraveného bioplynu jako pohonné látky pro automobily je k dispozici 14 „tankovacích stanic“ z celkového počtu 57 stanic na čerpání zemního plynu. Vyúčtování probíhá na základě bilance „Imput-Output“, při čemž Imput představuje do sítě dodané množství, Output množství vydané tankovací stanicí vždy za určitou dobu. Za l kg zemního plynu se účtuje CHF 1,28, což je 0,92 Euro (27,7 Kč/kg).

Jako příklad se uvádí BPS Otelfingen, která ročně zpracovává 10 000 tun zelené biomasy a speciální bioodpady v horizontálním fermentoru. Doba fermentace je jen 15 dní a denně se vyrobí 5000 až 6000 m³ surového bioplynu, jehož část s výkonností 50 Nm³/h se adsorbční metodou změny tlaků upravuje na kvalitu zemního plynu a dopravuje do plynové tankovací stanice. Zbylý neupravený bioplyn se využívá k pohonu dvou kogeneračních jednotek o výkonu 190 a 90 kWel.

Švédsko

Ve Švédsku mají s úpravou bioplynu největší zkušenosti, protože je tam v provozu 20 úpraven. Dvě dodávají bioplyn upravený na kvalitu zemního plynu do sítě. Několik úpraven pracuje s metodou „změny tlaku“, ale více se švédskou metodou „tlakové vodní vypírky“. Upravený bioplyn pochází z více než poloviny z čistíren odpadních vod, jinde jde o fermentaci průmyslových biologických odpadů (masný průmysl, cukrovary, škrobárny atd.) a separovaný komunální bioodpad. Upravený bioplyn musí odpovídat švédským normám na topný zemní plyn a motorová plynná paliva s obsahem 96 – 98 % metanu a musí mít předepsanou výhřevnost jako zemní plyn. V obou případech se k upravenému bioplynu přidává určité množství propanu, aby se výhřevnost zvýšila na úroveň, jakou má zemní plyn (H-gas) odebíraný Švédskem z Norska a Dánska ze Severního moře.

Zpravidla jsou plynové tankovací stanice spojeny bezprostředně přímo s úpravnami bioplynu, ale také je použit až 7 km dlouhý plynovod. Pro využívání upraveného bioplynu ani zemního plynu k pohonu aut neexistuje ve Švédsku, na rozdíl od podpor výroby elektřiny a slevy na daních, jednotný podpůrný systém, ale jednotlivé regiony nebo obce si vytvářejí vlastní systémy. Většinou programy podporují komunální dopravu, např. místní autobusovou dopravu z hlediska ekologie a ekonomiky. Ve Švédsku je v provozu asi 50 plynových tankovacích stanic, z nich asi polovina dodává plyn s příměsí upraveného bioplynu. Celkem tam jezdilo v roce 2000 asi 4.700 vozidel s pohonem na stlačený plyn. Výstavba tankovacích stanic pokračuje. Počty vozidel jezdících na plyn stoupají, kromě jiného také proto, že na jejich nákup se poskytuje až 50 % dotace.

Největší švédská výrobna a úpravna bioplynu stojí ve Stockholmu-Henriksdalu a provozují ji Stockholmské vodovody a kanalizace. Jedná se o největší čistírnu odpadních vod ve městě. Vyrobený bioplyn se využívá k výrobě elektřiny a tepla pro vlastní potřebu a to ve čtyřech kogeneračních jednotkách s výkonem po 700 kW_el a třech kotlích (max. 6,9 MW_th ). Kromě toho asi 600 Nm³/h se upravuje na kvalitu zemního plynu (98 % CH₄) švédskou metodou tlakové vodní vypírky a odoruje. Pokračuje výstavba další upravárenské jednotky o výkonu 800 Nm³/h plynu, který bude zčásti „vydáván“ tankovací stanicí přímo u výrobce, zčásti dopravován plynovodem do další tankovací stanice, vzdálené 3 km v autobusových garážích a zčásti do sídliště, vzdáleného 1,5 km, jako plyn pro vytápění a vaření.

Podle údajů výrobce přišly náklady na úpravnu, tlakový sklad a tankovací stanici na 10 mil Euro (samotná úpravna s výkonem 600 Nm³/h na 1,5 mil Euro, ale úpravna s výkonem 800 Nm³/h už bude stát jenom 1,3 mil Euro (36,4 mil Kč). Veškeré výrobní náklady upraveného bioplynu činí v úpravně Henriksdalu 0,65 Euro/Nm³ (18,2 Kč/Nm³). Ztráty metanu při zpracování bioplynu se stanovily na 2 %. Úpravna pracuje od roku 2003 velmi spolehlivě.

Další švédská úpravna bioplynu je v Norrköpingu, kterou provozuje společnost Sydkraft. Po dobudování plynovodu by měla krýt požadavky v okolí. Bioplyn se vyrábí v čistírně odpadních vod od 105 000 obyvatel města, který po dostavbě bioplynové stanice, ale před výstavbou úpravny, byl spalován ve výtopně. Vytápění fermentoru bude zajišťovat teplo z výtopny. 250 Nm³/h bude upravováno tlakovou vodní vypírkou. Podle informací výrobce bude pro vypírku používána vyčištěná voda z čistírny, což bude vyžadovat spotřebu asi 0,5 kWh/Nm³ upraveného plynu. Jako zvláštnost je třeba připomenout, že celá kolona úpravny je zabudována jako kompaktní modul do kontejneru a byla jako celek dopravena na určené místo a během tří týdnů byla uvedena do trvalého provozu. Upravený plyn s obsahem 97 % metanu je dováděn do tankovací stanice, která je v areálu a do další tankovací stanice, která je vzdálené 4 km.

Další švédskou BPS s úpravou bioplynu je stanice v Kristiastadt-Karpalundu. Vyrábí bioplyn z organických průmyslových odpadů, jako jsou odpady z masného průmyslu, komunální bioodpad, odpady při zpracování zeleniny, brambor, tukového průmyslu atd. Vzhledem k vysoké kvalitě suroviny má vyrobený bioplyn vysoký obsah metanu – až 80 %. Až dosud byl tento bioplyn odváděn do výtopny asi 4 km vzdálené. Od roku 1999 byly jeho přebytky přimíchávány do bioplynu, který se vyráběl v blízké čistírně odpadních vod a který se v množství 175 Nm³/h zpracovával v tlakové vodní vypírce na hnací plyn pro auta. Výdejní místo bylo jednak u výrobce, jednak v blízkém komunálním autobusovém depu. Cena hnacího plynu byla 0,84 Euro/litr (23,5 Kč/litr) benzinového ekvivalentu.

Na další BPS stanici v Helsingborg-Filborna pracovala malá zkušební stanice od roku 1996 s výkonem jen 15 Nm³/h, doplněná v roce 2003 velkým zařízením, které pracuje metodou adsorpce změnou tlaků. Bioplyn se vyrábí fermentací průmyslových bioodpadů. Dodavatelé jsou: bramborárna, jatka, tukový průmysl atd. Bioplyn má také vysoký obsah metanu – až 80 %. Část vyrobeného bioplynu v množství asi 350 Nm³/h se upravuje na obsah asi 98 % adsorpční metodou změny tlaků. Zbytek vyrobeného surového bioplynu se míchá se skládkovým plynem z blízské skládky odpadků a využívá v „kombi“ plyno-parní turbině (0,8 MW_el a 1,5 MW_th ) a kotli (4 MW_th ) k výrobě elektřiny a tepla. Upravený bioplyn, vydávaný v areálu úpravny, se využívá k provozu 20 nákladních automobilů pro svoz odpadků, čtyř běžných nákladních a asi 70 osobních aut. Přebytky, zejména z noční výroby, se po odorizaci a přídavku asi 6 % kapalného plynu (propan) od poloviny roku 2004 dodávají do středotlakého plynovodu zemního plynu. V případě, že by množství upraveného bioplynu z nějakých důvodů nestačilo pokrýt potřebu uvedeného množství aut, existuje možnost, přivést do tankovací stanice potřebné množství zemního plynu a stlačit jej stejným způsobem jako bioplyn. Zařízení provozuje energetická společnost Sydkraft, která topnými plyny zajišťuje celý region.

Přijatelné náklady

Současná technika v BPS s úpravnou bioplynu pracuje automaticky a dostatečně i ekonomicky zajišťuje jeho vlastnosti shodné se zemním plynem. Kvalita hnacího plynu pro automobily výrazně nekolísá. Pro nepřijatelnou kvalitu nebylo dosud některé zařízení odstaveno. Spolehlivý provoz vyžaduje užití kvalitní nerezové oceli nebo dostatečnou povrchovou ochranu proti korozi. Dávkové mírné přidávání propanu může způsobovat přijatelné kolísání výhřevnosti. Investiční i výrobní náklady pohonného plynu z bioplynu jsou již dnes, vzhledem k současným cenám fosilních motorových paliv, přijatelné, na rozdíl stavu počátku osmdesátých let minulého století, jak prokazoval tehdy VÚZT.

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