Přeměna organického odpadu na motorová paliva

Technologie nízkoteplotní pyrolýzy organických látek s cílem získání kapalných motorových paliv vznikla již ve dvacátých létech minulého století v Německu.

Je známá pod názvem Fischer-Tropschova syntéza (podle vynálezců) a uplatnila se především za 2. světové války. Nízká cena ropy po válce znamenala její útlum, ale nyní se opěr začíná rozvíjet v několika technologických modifikacích.

Technologie nízkoteplotní pyrolýzy pomáhá řešit dva problémy: doplňuje bilanci kapalných paliv, aniž by zasahovala do oblasti výroby potravin, a optimálně likviduje biologicky rozložitelné odpady.

V článku jsou popsány základní parametry projektu na zpracování zhruba 100 tisíc tun komunálního odpadu s obsahem asi 30 tisíc tun organické hmoty, kterou je možno přeměnit na zhruba 15 milionů litrů paliva.

Projekt využívá ověřenou americkou technologii BIO 2 DI. a byl realizován německou firmou Inter Ingeneering pro město Korfu v Řecku.

Biopaliva I. a II. generace

Co je v kapalných biopalivech dosud známo jako “biodiesel“, „bionafta“ a „metyl a etylester tuků“, jsou většinou produkty jednoduché esterifikace rostlinných olejů, získaných ze zemědělských plodin - tzv. biopaliva I. generace.

Paliva ze zemědělských plodin však soupeří s jejich využitím na potraviny. Pokud by došlo k jejich nadměrné spotřebě pro výrobu pohonných hmot, způsobilo by to pravděpodobně zvyšování cen zemědělské produkce a následně i potravin, nehledě na spornou ekonomiku i ekologii pěstování.

Proto je takový zájem o kapalná paliva II. generace, které je možno vyrobit i z nepotravinářských surovin., například z komunálního odpadu.

Tabulka 1: Orientační skladba komunálního odpadu: Při produkci 100 tis. tun odpadů ročně je k výrobě bionafty k dispozici asi 61 tis. tun vlhké suroviny, tj. asi 29,5 tis. tun suché vstupní suroviny

Druh komunálního odpadu	%	t/rok
Domovní bioodpad	45,0	45 000
Papír, lepenka	12,0	12 000
Plasty	14,0	14 000
Gumy, kůže, hadry, plenky	8,0	8 000
Sklo	5,0	5 000
Kovy	6,0	6 000
Kamení, písek a ostatní podobné	10,0	10 000
Celkem	100,0	100 000

Suroviny pro bio-diesel

Biotechnologie výroby syntetického paliva (syn-nafty), označovaná BIO 2 DI, využívá jako vstupní surovinu netříděný komunální (domovní) odpad – na rozdíl od jiných technologií zpracovávajících např. zemědělské vedlejší nepotravinářské produkty.

Komunálního odpadu je ve světě k dispozici velké množství, a to (zatím) zdarma, nebo musí původci a dodavatelé dokonce za jeho sběr a likvidaci zpracovatelům platit. Vedle komunálního odpadu lze ale k výrobě “syn-dieselů“ využít i mnoho jiných organických surovin. Jsou to především vedlejší výrobky a bioodpady ze zemědělství (sláma, tráva, výlisky z olejnin a ovoce, odpady z čističek zrnin a podobně), všechny druhy plastových odpadů, papíru, dřeva, pneumatik, tuhých odpadů z čističek odpadních vod, ale také živočišné odpady, kafilerní moučky a podobně. Přednosti této technologie jsou tedy z mnoha hledisek zcela zřejmé.

Rozklad komunálního odpadu

Pevný komunální (domovní) odpad (PKO) obsahuje zhruba 80 – 90 % polymerovaných hydrokarbonových molekul. Depolymerizací nebo krakováním (nízkoteplotní pyrolýzou v rozsahu teploty od 180 do 380 ºC) mohou být tyto „dlouhořetězové“ molekuly rozloženy na kratší, s přibližně 10 – 20 atomy uhlíku (C). Taková struktura již je ekvivalentní kapalným frakcím ropy typu motorové nafty.

Tabulka 2: Roční výroba kapalných paliv ze 100 tis. tun komunálního odpadu (tj. ze 29,5 tis. tun suché vstupní suroviny)

Druh paliva	Výroba celkem (l/rok)	Prodej celkem (l/rok)	Vlastní spotřeba (l/rok)
Motorová nafta	7 500 000	7 500 000	-
Benzin	2 250 000	2 250 000	-
Kerosen	3 000 000	3 000 000	-
TTO	2 250 000	1 621 600	628 400
Celkem	15 000 000	14 371 600	628 400

Vzniklé „syntetické“ palivo II. generace je chemickými a fyzikálními vlastnostmi téměř identické s klasickými fosilními palivy a v některých parametrech je dokonce předčí. Například má vyšší cetanové číslo (tj. navíc asi 5 % energie) a neobsahuje nečistoty a nevhodné příměsi, jako např. stearin nebo částečky volného karbonu, které při provozu motoru způsobují černý „diesel kouř“.

Technologie BIO 2 DI

1. Příjem komunálního odpadu

V současné době velmi propagované, ale logisticky poměrně nákladné třídění komunálních odpadů v místě vzniku, se v této technologii nevyžaduje. Neměl by však obsahovat velké kusové odpady (vyřazené přístroje, kusy stavebnin atp.), což v některých zemích není ani technicky možné vzhledem k ukládání odpadků do plastových pytlů.

Surovina ze sběrné sítě nebo od subdodavatelů, dovezená do zpracovatelského závodu, přichází do příjmového zásobníku, který je umístěn, stejně jako další zařízení pro přípravu suroviny, v uzavřené a přes filtry odvětrávané hale. Tím je podstatně omezen případný zápach do okolí.

2. První úprava suroviny

Všechny “tvrdé “ neorganické částice v odpadu (kameny, sklo, kovy, keramika atd.) jsou před vlastním zpracováním odstraněny. Z příjmového zásobníku se takto zpracovaný odpad drapákovým manipulátorem předává na dlouhý dopravník k drtiči, který jej drtí na velikost zrn do 5 mm. Velkorozměrové a pevné odpady jsou zachyceny na kontrolním pásu. Materiál pak prochází magnetickým separátorem a dalším třídičem a je následně vkládán do rozpouštěcí (rozvlákňovací) nádrže.

3. Vznik vodní emulze

Nádrž je zčásti naplněné procesní kapalinou, která se pak jet dále přidává podle množství dodaného substrátu tak, aby vznikla emulze s obsahem asi 12 % sušiny. Z počátku se přidává jen voda, ale později také odlisovaná kapalina (fugát) z připojené bioplynové stanice.

Obsah se důkladně promíchá, takže většina organických hmot z komunálního odpadu se rozvlákní a rozpustí. Vznikne organická emulze, po úpravě vhodná pro fermentaci v bioplynovém zařízení. Těžší materiály, které se ani po míchání nerozpustily, klesají ke dnu a automaticky se tak oddělují od kapaliny i od plastů a jiných lehčích hmot plovoucích na hladině.

Tabulka 3: Kalkulace roční výroby bioplynu a elektřiny ze 100 tis. tun vlhkého komunálního odpadu

Ukazatel	Jednotka	Hodnota
Produkce bioplynu	m3/rok	4 500 000
Výtěžnost	m3/t sušiny	300
Energie bioplynu	kWh/rok	21 177 000
Výroba elektřiny	kWh/rok	8 047 000
Spotřeba elektřiny	kWh/rok	5 822 000
Prodej elektřiny	kWh/rok	2 225 000
Odpadní teplo	kWh/rok	12 130 000
Tepelný příkon k sušení *	kW	1 800

* Potřebný tepelný příkon k sušení je 3900 kW: rozdíl je hrazen částí vyrobeného TTO

Emulse s rozpuštěnými organickými látkami a plovoucími kousky plastů a jiných hmot je v určitých intervalech odváděna z nádrže na vibrační síto, které zadrží všechny částice větší než 6 mm. Podíl zůstatkové vody v nich a na nich je stále ještě 40 – 50 %, což je méně, než průměrná hodnota u vstupních odpadů.

4. Sušení vstupní suroviny

Do bubnové sušárny přichází surovina ve dvou tocích ze sít a z lisů za bioplynovou stanicí. Na sítech zachycený kouskový materiál už se sníženým obsahem vody je dosušen na snížený obsah vody až na 15 %. Podobně je usušen i odlisovaný substrát vycházející z bioplynového fermentoru.

K sušení se využívá odpadové technologické teplo a energie z kogenerační jednotky. Usušený materiál postupuje do dalšího jemného drtiče, který redukuje částice na rozměry menší než 5 mm. Takto upravený suchý substrát je již vhodný pro konverzní proces na “syn-naftu”.

5. Zpracování na bioplyn

Roztok, který prošel sítem, obsahuje organické částice z původního komunálního bio-odpadu. Je to ideální surovina pro anaerobní digesci, při kterém je organický podíl konvertován na bioplyn. Ten slouží jako energetický zdroj pro kogenerační soustrojí k výrobě elektřiny a tepla pro další fázi technologie. Tímto procesem je obvykle pokryta větší část potřeby tepla k sušení a zajištění energetické bilance výroby “syn-nafty”.

6. Nízkoteplotní pyrolýza

Usušený a rozdrcený organický materiál (vlhkost do 15 % H₂0, zrnitost < 0,5 mm) se vkládá plynule spolu s katalyzátorem a neutralizátorem (podíl do 1 %) do reaktoru, který je naplněn speciálním, teplotě odolným tzv. kontaktním olejem.

Ohřevem na asi 350 °C (teplota se stanoví podle složení suroviny) a důkladným mícháním se uvede v činnost zplyňovací a krakovací proces, kterým se veškerá surovina mění na směs olejnatých uhlovodíků, které dostávají postupně potřebnou molekulární velikost, odpovídající naftě a její skladbě. V důsledku přesně nastavené teploty se vzniklá kapalná směs mění v plyny, které se vedou do kondenzační kolony a z ní do kolony destilační.

Frakcionovanou destilací se pak získávají různé druhy kapalných uhlovodíků typu motorové nafty, benzinu, kerosenu nebo těžkého topného oleje TTO. Tuto nejdůležitější fázi zpracování domovních odpadů na kapalná motorová bio-paliva provozuje na světě jen několik firem na základě vlastních výzkumů, které se neliší v principech, ale detailech (např. v druhu katalyzátoru). Technologie jsou většinou patentovány.

7. Další využití plynů

Vznikající nezkondenzovatelné plyny (především CH₄ a CO) se využívají k pohonu plynové turbiny nebo pístového motoru, které pohánějí elektrický generátor, vyrábějící elektřinu potřebnou ve výrobním procesu nebo dodávanou do sítě.

Z praktického hlediska je vhodné doplnit sestavu topného plynu plynojemem, kterým je možno vyrovnávat rozdíly mezi produkcí plynu a jeho okamžitou spotřebou.

Tabulka 4: Struktura výrobních nákladů (prodej 14 371 000 litrů kapalných paliv a 2 225 000 kWh elektřiny – viz tab. 2 a 3)

Nákladová položka	EURO/rok
Osobní náklady	194 400
Nakupovaná elektřina *	375 600
Pomocné materiály, katalyzátor	354 000
Údržba a opravy	809 100
Variabilní náklady, režie	433 000
Odpisy a splátky úvěrů	2 370 100
Úroky	707 400
Celkem výrobní náklady **	5 243 600

* Cena 0,06 EURO/kWh, ** Výrobní cena je 0,36 EURO/l, tj. při kurzu 26 Kč/EURO cena 9,5 Kč/l paliva

8. Cyklus kontaktního oleje

Horký olej z reaktoru je kontinuálně v určitém množství odebírán ze spodku konvektoru, prochází filtračním lisem, který z oleje odstraňuje všechny nečistoty jako popeloviny, zbytky katalyzátoru, písek, silikony atd.

Vytvořený pevný “filtrační koláč” představuje asi 5 – 10 % z hmotnosti vstupního materiálu. Může být např. účelně využit jako plnidlo do silničního asfaltu, takže celá výrobní technologie je zcela bezodpadová.

Určité množství kontaktního oleje v důsledku dané teploty také zplyňuje, a proto je jako první v kondenzační koloně zařazen vhodný kondenzátor. Kondenzát s přefiltrovaným olejem se vrací do reaktoru.

9. Využití odpadního tepla

Odpadové teplo za turbinou nebo motorem elektrického generátoru se využívá k sušárenským účelům, případně jinému potřebnému ohřevu. Naopak v případě, že tento zdroj tepla z nějakého důvodu pro sušení nepostačuje, využívá se jeden z produktů technologie, zpravidla část vyrobeného TTO.

10. Další využití bioplynu

Bioplyn může být využit i k výrobě elektřiny, která se spotřebuje ve výrobním procesu, k sušení, nebo je prodána do sítě. Do sítě se obvykle dodávají jen přebytky jako tzv. ”zelená elektřina” za výhodnější výkupní ceny, nebo se takto výhodně prodává veškerá elektrická energie, levnější elektřina se zpětně nakoupí se ze sítě.

K sušení vstupní suroviny lze také použít také odpadní teplo z kogenerační jednotky. Pokud by ani to nestačilo, doplní se potřebné množství tepla spalováním suchých částí odpadu nebo vyrobeného TTO.

Bioodpady mají potenciál

Hodnoty uvedené v článku se týkají dosud největšího závodu na výrobu kapalných paliv z bioodpadů a biomasy v Evropě. Jiné provozy obvykle zpracují ročně jen asi 6000 až 10 000 tun suché hmoty a vyrobí asi 3 mil. litrů paliva. Tato výroba proto může být vhodným doplňkem ke standardní produkci každé větší bioplynové stanice, a to při nižších investičních nákladech.

Tabulka 5: Tržby za kapalná paliva, elektřinu a příjem odpadů

Druh tržby	EURO/jednotku	EURO/rok
Motorový benzin	0,7/l	1 575 000
Motorová nafta	0,7/l	5 250 000
Letecký kerosen	1,1/l	3 300 000
TTO	0,5/l	810 800
Prodaná elektřina *	0,1/l	222 500
Příjem odpadů	30/t	3 000 000
Tržba za uhlíkový kredit **	1 168 000
Celkem tržby	15 326 300

* Odhad ** Za omezení produkce CO²

Statistiky uvádějí, že v jednotlivých krajích ČR vznikne asi 600 – 700 tis. tun biologických odpadů ročně, z toho komunální odpad činí asi 200 tis. Tun (zdroj: CZ BIOM). Tyto odpady se zatím většinou ukládají na skládky, částečně kompostují, nebo nákladně spalují ve spalovnách. Tyto odpady ale představují i významný a stále rostoucí potenciál pro výrobu kapalných paliv.

Tabulka 6: Finanční vyhodnocení zpracování 100 tis. tun komunálního odpadu na kapalná motorová paliva a elektřinu

Finanční položka	EURO /rok
Celkové tržby	15 326 300
Celkové náklady	5 243 600
Hrubý zisk *	10 082 700

* Při celkové investici 31 545 500 EURO je teoretická návratnost 3,13 let, reálná návratnost 5 až 6 let

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