Využívání skládkového plynu

Skládkový bioplyn (LFG = Landfill Gas) je v současnosti již hojně využívaným energetickým zdrojem. V 90. letech minulého století existovaly u nás pouze tři postupy nakládání se skládkovým plynem, a to využití v plynových motorech, spalování na flérách a biooxidace na filtrech. Nelze samozřejmě opomenout ani využití LFG k topení, i když tato varianta není významně rozšířená.

První čerpací stanice LFG v ČR spuštěná v roce 1984 dodávala bioplyn do kotlové výtopny o malém výkonu (cca 40 kW_th), avšak s poklesem produkce plynu byla zhruba po třech letech provozu odstavena.

Tak, jak stoupala regulovaná cena za výkup elektřiny z bioplynu, rozšiřovalo se využívání plynu na stále menší skládky. Jakmile ekonomická využitelnost LFG v motorgenerátorech klesla k hranici 80 – 100 kW_el, zmizela praktická efektivita pro spalování LFG na flérách. Od této hranice dolů již mohou být odplyňovací systémy provozovány jako plně pasivní s ventilací přes biooxidační filtry. Provoz spalovacích flér, který vyžaduje aktivní čerpání, je pak zcela zbytečným spotřebičem energie a navíc zatěžuje ovzduší zbytečnými emisemi NO_x.

Rychlost tvorby skládkového plynu

Využívání LFG je dnes aplikováno téměř na všech skládkách odpadů, jejichž kapacita poskytuje záruky elektrických výkonů nad 100 kW_el. Kapacitou je nutno rozumět hlavně měrnou rychlost tvorby methanu, resp. bioplynu. Tato hodnota se ale určuje velmi obtížně, zvláště u malých skládek. Prvotní odhady využitelnosti se samozřejmě dají provést z objemové kapacity skládky, je však třeba posuzovat i skladbu ukládaných odpadů.

Je zcela obecným trendem, že v ukládaných komunálních odpadech (KO) trvale klesá podíl biologicky rozložitelných odpadů (BRKO), a to hlavně na úkor rostoucích podílů biologicky nerozložitelných (plasty, syntetické textilie). Lokálně je též skladba odpadů ovlivněna podílem popelovin z oblastí bez centrálních či plynových otopů. Rovněž odpady ze služeb a malých výroben někde zvyšují podíl nerozložitelných odpadů.

Měrná rychlost tvorby bioplynu klesla od 80. let minulého století někde až o celý řád (tabulka). K tomu je nutno poznamenat, že uvedené dostupné elektrické výkony se týkají špičkových výkonů vztahujících se k čerstvému úplnému zaplnění skládky, a to za předpokladu, že těleso nebylo zaplňováno příliš dlouho. Nízké zavážecí rychlosti znamenají to, že značná část BRKO odpadů se stačí během doplňování skládky rozložit. Pokles reálné kapacity tělesa je prakticky všude dán exponenciální křivkou (graf).

Tabulka: Měrná rychlost tvorby skládkového plynu a dostupný elektrický výkon uložených odpadů dříve a nyní

	Měrná rychlost tvorby bioplynu (m3/m3h)	Přibližný dostupný elektrický výkon z 1000 m3 uložených odpadů (kWel/1000 m3)
Starší skládky	0,00100	9
	0,00050	4,5
Současnost	0,00025	2,2
	0,00010	0,9

Pokles výkonu skládky je prakticky vždy dán vztahem pro reakční kinetiku 1. řádu, což znamená, že okamžitá rychlost tvorby plynu je přímo úměrná zbývajícímu podílu biologicky rozložitelných frakcí. Při výpočtu tvorby plynu je důležitý poločas rozkladu různých frakcí BRKO (čas, za nějž se rozloží 50 % organické hmoty), který je u snadno rozložitelného odpadu (např. kuchyňské odpady) asi jeden rok, u středně rozložitelného odpadu (např. papír, přírodní textilie) asi pět roků a u obtížně rozložitelného odpadu (např. dřevo, impregnované lepenky) asi 15 let.

Správné hodnocení okamžitého výkonu (modelování rychlosti vývoje plynu) musí zohledňovat ve výpočtu i rozklady probíhající již během ukládání.

Problém odhadu reálné kapacity tvorby plynu je však v praxi ještě složitější. Rozklad odpadů může probíhat pouze za přítomnosti dostatečné vlhkosti substrátu. U malých a středních skládek většinou srážkové úhrny postačují k úplné saturaci navážených odpadů, poměrně častým problémem se někdy stávají přebytky výluhových vod. Opačná situace může nastat u větších skládek s vysokými návozovými rychlostmi (přibližně jde o skládky nad 1 mil. m3), kde se tvorba plynů zpožďuje vlivem nedostatečného zvlhčení odpadů. Čerpací rychlosti LFG mohou rovněž ovlivnit dostupné energetické výtěžky. Zatímco u velkých a dobře hutněných skládek nemá nadlimitní čerpání plynu rychlé a fatální důsledky (nadlimitním čerpáním se rozumí odsávání většího množství plynu, než aktuálně vzniká), může u malých a málo hutněných skládek příliš intenzivní čerpání plynu velmi výrazně přibrzdit tvorbu plynu aerobizací vnitřních vrstev tělesa. Obvykle se to projeví výrazným poklesem obsahu methanu v LFG, často i pod 35 % objemovými.

Současná situace a možnosti intenzifikace produkce skládkového plynu

Shrneme-li aktuální situaci s využíváním LFG v ČR, lze odhadnout, že okolo 90 % objemu skládek KO u nás je již energeticky využíváno. V roce 2004 byla dokonce produkce elektřiny z LFG vyšší než sumární produkce z anaerobních fermentací všech typů, jak z ČOV, tak zemědělských a průmyslových (ostatních) bioplynových stanic (BPS).

Situace v roce 2009 se ale již velmi výrazně změnila ve prospěch zemědělských i ostatních BPS. Potenciál jejich rozvoje je stále ještě velmi vysoký, zatímco kapacity skládek KO již významně nerostou. Přestože byly činěny nejrůznější pokusy o intenzifikaci tvorby LFG, není zde žádný obecně doporučitelný a ekonomicky efektivní postup. V tomto směru se nabízejí dvě alternativy řešení. Jednou z alternativ jsou tzv. reaktorové skládky, resp. zemní reaktory pro zpraco vání BRKO anebo separovaných frakcí z KO. Tento postup může být též zařazen jako součást technologie mechanickobiologické úpravy (MBÚ). Jinou alternativou jsou suspenzní anaerobní reaktory zpracovávající BRKO anebo frakce separované z KO.

Oba tyto postupy mohou být cíleny na zpracování tuhých zbytků na kompostové substráty. Zde ale velmi záleží na kvalitě vstupů, aby tuhé zbytky vyhověly standardizovaným požadavkům na jakost kompostů. Je však třeba počítat s tím, že v případě nevyhovujících kvalitativních parametrů zbytků bude nutno tyto skládkovat. Protože však obsah organických látek ve zbytcích již znatelně poklesl díky produkci bioplynu (o 40 – 60 %), je tento postup uznáván jako vyhovující obecným požadavkům na snížení podílu skládkovaných organických odpadů (tyto postupy jsou využívány např. v Německu a ve Finsku). Snížený výkon skládek, které mají nízkou vlhkost odpadu, je obecně platnou skutečností. Nicméně intenzivní zvlhčování často nevede k žádanému efektu intenzifikace tvorby plynu. Moderní skládky, silně hutněné kompaktorem, jsou pro vlhkost obtížněji prostupné a je zde naopak riziko nepravidelného toku výluhů, hromadění plynu pod plovoucími vrstvami vody a omezený transfer bakteriálních kultur a enzymů. Skládky obsahující vysoké podíly plastů vykazují obecně výrazně nižší vertikální propustnost než propustnost horizontální a jsou tudíž náchylnější k nepravidelným tokům výluhových vod i plynů.

Čím je hustota sběrných plynových věží vyšší, tím snazší je čerpání plynů, je však nutné optimalizovat náklady na sběrný systém oproti očekávaným výtěžkům plynu. Čím je skládka menší, tím větší opatrnosti je třeba dbát při volbě čerpací rychlosti. Výrazné překročení čerpacích rychlostí oproti reálné rychlosti tvorby plynu vede většinou k aerobizaci tělesa a k postupnému poklesu produkce plynu. Klasická skládka KO je těleso jen obtížně „intenzifikovatelné“ pro produkci plynu. Reaktorová tělesa, kde je ukládán pouze BRKO anebo odpad obohacený rozložitelnými podíly, je jediným způsobem, jak vytěžit z daného objemu skládky maximum plynu. Tato tělesa však musí být projektována s dobře navrženou sběrnou sítí plynu a též s navrženou sítí sběru a recyklace výluhových vod.

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