Odborné články
Zjednodušený výpočet množstva bioplynu vznikajúceho z exkrementov v poľnohospodárstve, grafické určenie návratnosti investície a vhodného typu kogeneračnej jednotky
Abstrakt
Článok sa zaoberá približným výpočtom množstva bioplynu vznikajúceho z exkrementov poľnohospodárskych zvierat, kuchynských odpadov a pod. a jeho následným možným využitím prostredníctvom kogeneračných jednotiek na výrobu elektrickej energie a tepla. Zároveň naznačuje typy vhodných kogeneračných jednotiek a grafický spôsob určovania približnej ceny týchto kogeneračných jednotiek.
Úvod
Jednou z možností úspor palív je využívanie obnoviteľných - recentných zdrojov energie. Rozbor využiteľného potenciálu druhotných zdrojov preukázal, že ich význam v podmienkach SR je prevažne lokálny, prípadne regionálny, no i preto je potrebné vytvárať podmienky pre ich maximálne využívanie. Jedným z cieľov energetickej politiky každého štátu je nahradzovanie prírastkov v spotrebe energie využívaním obnoviteľných zdrojov energie v maximálnej miere a zavádzanie kombinovaného spôsobu výroby elektrickej energie a tepla, resp. kombinovanej výroby elektrickej energie, tepla a chladu.
V prípade miestneho hospodárstva je jednou z možných foriem zvýšenia hospodárnosti poľnohospodárskeho družstva, farmy, využívanie biologického materiálu, ktorý vzniká v živočíšnej výrobe, vzniká ako odpad z ťažby drevnej hmoty, ako komunálny, resp. priemyselný odpad a pod., na výrobu bioplynu, resp. tepla a elektriny prostredníctvom kogeneračných jednotiek (obr. 1).
Využívanie odpadu, hnoja hospodárskych zvierat, drevného odpadu z ťažby a spracovania dreva je veľmi efektívnym obnoviteľným zdrojom energie. Otázkami technológie výroby a následného využitia energie získanej z biomasy sa venuje veľká pozornosť nielen v našej krajine, ale hlavne vo vyspelých štátoch [14],[15].
Bioplyn, ktorý vzniká v procese vyhnívania môže byť zdrojom nielen tepelnej energie (využívanej na jeho priame spaľovanie), ale po následnom spracovaní i elektrickej energie (obr. 2), resp. chladu.
Ďalším faktorom efektivity takýchto projektov je produkcia biohumusu. Je jedným z najlepších druhov hnojiva, ktoré je možné nielen využiť, ale ho i predávať pre záhradkárske a poľnohospodárske účely. Uvedené hnojivo nahradí drahé a miestami viac, alebo menej škodlivé umelé hnojivá. Navyše, dané hnojivo prešlo termickým spracovaním a sú v ňom na rozdiel od klasického hnoja odstránené zárodky a umŕtvené semená burín a iných nepotrebných rastlín [7],[16].
V letnom období sa získava bioplyn s menšími nákladmi a na vykurovanie je ho potrebné menšie množstvo. Preto sa rozširuje komplex o systém výroby elektrickej energie. Získaná elektrická energia sa využíva v celej technológií a prebytky sa odpredajú do rozvodnej siete. V súčasnosti je Zákonom NR SR č.70/1998 Z.z. o energetike stanovená povinnosť rozvodných závodov odoberať vyrobenú elektrickú energiu. V prípade výstavby plynojemov zameraných na uskladnenie týždennej produkcie bioplynu, je možné dodávať do elektrickej sústavy energiu napr. v čase špičky. V takomto prípade je možné zvýšiť celkovú bilanciu sústavy aj v zimnom období. Jedná sa o predaj elektrickej energie počas dennej špičky a nákup lacnej energie v nočnom období. Rozdiel v cene umožní zlepšiť financovanie celého projektu [17],[18].
I. Súčasný stav a možnosti využívania bioplynu v SR
I.1 Súčasný stav vo využívaní bioplynu v SR
V súčasnosti sa v Slovenskej republike využíva bioplyn len v nasledovných 4 lokalitách: z toho v 1 školskej lokalite patriacej Slovenskej poľnohospodárskej univerzite (Koliňany pri Nitre) a 1 pripravovanej lokalite, tesne pred spustením (Kapušany pri Prešove) a v dvoch lokalitách prevádzkovaných poľnohospodárskymi družstvami [1].
1) Koliňany, okres Nitra (školský podnik SPU Nitra)
Technológia: výroba bioplynu z exkrementov cca 80 ks dobytka, kogeneračné
zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 400
kWhe a tepelným 750 kWht
Využitie energie: vykurovanie prevádzkových budov v areáli
Prevádzka: od roku 2001
2) PD Kapušany pri Prešove
Technológia: výroba bioplynu z exkrementov cca 100 ks dobytka, kogeneračné
zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 120
kWhe a tepelným 210 kWht
Využitie energie: elektrická energia i tepelná energia pre vlastnú
spotrebu a vykurovanie
Prevádzka: od roku 2003 (toho času pred spustením)
3) PD Bátka, okres Rimavská Sobota
Technológia: výroba bioplynu z hnojovice cca 5 000 ks ošípaných,
kogeneračné zariadenie 6 ks x 138 kWhe = 828 kWhe (elektrických) resp. 6 x
250 kWht = 1 500 kWht (tepelných)
Využitie energie: elektrická energia i tepelná energia pre vlastnú
spotrebu a vykurovanie
Prevádzka: od roku 1995
4) PD Brezov
Technológia: výroba bioplynu z hnojovice cca 75 ks dobytka, kogeneračné
zariadenie na spaľovanie bioplynu s inštalovaným elektrickým výkonom 50
kWhe a tepelným výkonom 85 kWht
Využitie energie: pre vlastnú spotrebu a sušenie dreva a obilia
Prevádzka: od roku 1998
I.2 Možnosti využívania bioplynu v SR
Hlavné suroviny použiteľné pre anaeróbny rozklad a ich zdroje v SR je možné rozdeliť nasledovne [8]:
- na poľnohospodársky sektor:
- živočíšne hnojivo - bioplyn,
- na sektor odpadov:
Výroba bioplynu v poľnohospodárskom sektore využíva ako primárnu surovinu hnoj z fariem. Najvhodnejšou surovinou pre výrobu bioplynu sú tekuté a polotekuté výkaly a nie plne recyklovateľný tuhý hnoj, (pozri tab.1, 2 a 3 [4],[18] ). Jedná sa o najvýznamnejší zdroj bioplynu na Slovensku.
Tab.1: Odhad potenciálu bioplynu, skládkového, kalového a drevného plynu a energie na Slovensku.
Bioplyn - odhadovaný počet zvierat, v miliónoch |
Produkcia exkrementov, mil.t/rok |
Produkcia bioplynu, mil.m3/rok |
Potenciál energie z bioplynu, PJ/rok |
Produkcia elektriny, mld.kWh/rok |
Produkcia tepla, mld. kWh/rok |
1 |
10 |
230 |
5,4 |
0,5 |
1 |
Skládkový plyn |
Produkcia komunálneho odpadu, mil.t/rok |
Podiel organic. zvyškov v kom. odpade, t |
Produkcia skládkového plynu, t |
Produkcia elektriny, mld.kWh/rok |
Produkcia tepla, mld. kWh/rok |
|
1,6 |
400 000 |
53 000 |
0,3 |
0,6 |
Kalový plyn |
Celkový počet ČOV(SR - 1997) |
Využiteľný objem kalového plynu, mil.m3/rok |
Produkcia kalového plynu, PJ/rok |
Produkcia elektriny mld.kWh/rok |
Produkcia tepla, mld.kWh/rok |
|
363 |
31 |
0,682 |
0,59 |
0,11 |
Drevný plyn |
Odhadnuté množstvo odpadového dreva, mil.t/rok |
Odhadnuté množstvá odpadov z poľnohospod., mil.t/rok |
Produkcia drevného plynu, PJ/rok |
Produkcia elektriny, mld.kWh/rok |
Produkcia tepla, mld.kWh/rok |
|
0,5 |
0,4 |
0,8 |
0,03 |
0,05 |
Tab.2: Počet kusov dobytka a hydiny v SR v roku 1995.
Počet v tis. |
Štátne farmy |
Poľnohos. družstvá |
Samostatní roľníci |
Ostatní |
Poľnohos. celkom |
Hovädzí dobytok: |
147 |
599 |
120 |
53 |
929 |
z toho kravy |
57 |
223 |
51 |
24 |
355 |
Ošípané: |
249 |
1 129 |
428 |
270 |
2 076 |
z toho prasnice |
21 |
97 |
27 |
15 |
160 |
Hydina: |
1 468 |
2 277 |
5 241 |
4 396 |
13 382 |
z toho sliepky |
738 |
1 022 |
928 |
1 937 |
7 625 |
Spolu |
1 864 |
4 005 |
5 789 |
4 719 |
|
Tab.3 Množstvo exkrementov a množstvo bioplynu resp. elektrickej energie, ktorú možno získať z exkrementov poľnohospodárskych zvierat.
Kategória |
Sušina exkrementov kg/deň |
Exkrementy celkom, priemer kg/deň |
Množstvo bioplynu m3/deň |
Elektrická energia kW/rok |
Hovädzí dobytok (priemerné hodnoty) |
||||
Dojnica (550 kg) |
6 |
60,0 |
1,7 |
3 666 |
Hovädzí odpad |
3 |
30,0 |
1,2 |
- |
chov jalovíc (330 kg) |
3,5 |
35,0 |
0,9 |
2 444 |
teľatá (100 kg) |
1,25 |
12 - 15 |
0,3 |
- |
Ošípané (priemerné hodnoty) |
||||
Výkrm (70 kg) |
0,5 |
8,5 |
0,2 |
428 |
prasnice (170 kg) |
1,0 |
14,0 |
0,3 |
467 |
prasnice s prasiatkami (90 kg) |
0,55 |
9,0 |
0,2 |
- |
prasiatka (23 kg) |
0,25 |
4,0 |
0,15 |
- |
kanci (250 kg) |
1,3 |
18,5 |
0,3 |
- |
Hydina (priemerné hodnoty) |
||||
nosnice (2,2 kg) |
0,036 |
0,16 - 0,30 |
0,016 |
35,5 |
broiler (0,8 kg) |
0,020 |
0,009 |
- |
18,3 |
kurčatá (1,1 kg) |
0,020 |
0,009 |
- |
- |
II. Zjedndušený výpočet množstva bioplynu, grafické určenie ceny a vhodného typu kogeneračnej jednotky
II.1 Zjednodušený výpočet množstva bioplynu
Výpočet sa opiera o experimentálne i prakticky získané skúsenosti popredného výrobcu kogeneračných jednotiek na bioplyn fy. Hochreiter BHKW Biogas-Beratung, Schnaitsee, ktorá doposiaľ vyrobila za cca 12 rokov svojej činnosti viac ako 1 300 ks (ročná produkcia dosahuje cca 100 ks) kogeneračných jednotiek rôzneho výkonu [2],[3].
Množstvo plynu, ktoré vzniká rozkladom rôznych surovín je uvedené na obr. 3. Na základe hore uvedených skutočností , je možné konštatovať [2],[3], že :
Z 1 m3 bioplynu o priemernej výhrevnosti 22 MJ.m-3 získame:
= 1,7 ÷ 2,2 kWhe - elektrickej energie
= 2,2 ÷ 4,0 kWht - tepelnej energie
Závislosť výhrevnosti bioplynu na obsahu metánu, je zrejmá z tab. 4 [2],[9].
Tab.4: Vplyv obsahu CH4 na výhrevnosť bioplynu.
Bioplyn a obsah CH4 |
Výhrevnosť MJ/m3 |
Bioplyn - 100% CH4 |
35,8 |
Bioplyn - 80% CH4 |
28,6 |
Bioplyn - 67% CH4 |
24,0 |
Bioplyn - 55% CH4 |
19,7 |
Pre upresnenie uvedených údajov je v ďalšom uvedený konkrétny príklad:
Farmár vlastní 500 ks dojníc, čo pri dennej produkcii slamného hnoja na 1 dojnicu 46 kg, znamená 23 000 kg hnoja denne. Z obr. 3 odčítame, že z 1 t kravského hnoja získame 25 m3 bioplynu, teda z 23 t hnoja potom získame 575 m3 bioplynu denne, t.j.
575 m3/deň = 24 m3/h
Ak uvažujeme, že z 1 m3 bioplynu získame:
1,7 až 2,2 kWhe elektrickej
2,2 až 4 kWht tepelnej energie
a ak zoberieme priemernú hodnotu 2,0 kWhe a 4,0 kWht, dostaneme [2],[3] :
- 48 kWhe - elektriny
- 96 kWht - tepla, z ktorého cca 1/2, teda 48 kWht je treba uvažovať na ohrev fermentora
- kvapalné hnojivo ako výhodný a pre životné prostredie neškodný produkt tejto technológie o zložení uvedenom v tab.5 [2],[7].
- sušinu, 6 až 11 %
Tab.5: Zloženie kvapalného hnojiva
Surovina |
Sušina, % |
N, % |
P2O5 |
K2O |
Kravský hnoj |
6 - 11 |
3 - 5 |
1,5 - 3 |
4 - 6 |
Prasačia močovina |
4 -7 |
7 - 10 |
4 - 6 |
3 - 5 |
Mliečny odpad |
4 - 8 |
0,6 - 0,7 |
0,7 -1,8 |
- |
Pivný odpad |
21 - 22 |
4 - 5 |
1 - 1,5 |
0,8 - 1,2 |
Rastlinné odpady |
5 - 15 |
3 - 4 |
0,6 - 0,8 |
1 - 1,1 |
Kuchynský odpad |
10 - 20 |
1,6 - 4,2 |
0,3 - 1,5 |
0,4 - 1,1 |
40 - 60 |
0,5 - 2 |
0,4 - 0,8 |
0,5 - 0,8 |
|
Rastlinné tuky |
10 - 15 |
3 - 6 |
1 - 3 |
0,1 - 0,2 |
Tuky z odpadov |
25 - 70 |
0,8 - 3,3 |
0,1 - 0,5 |
0,1 - 0,5 |
II.2 Grafické určenie návratnosti investície do kogeneračnej jednotky
Kogeneračnú jednotku, ako náhradu za klasický spôsob vykurovania je možné vo všeobecnosti doporučiť. Vždy je ale nutné dopredu prepočítať ekonomickú efektivitu takejto investície, a presvedčiť sa, že aj napriek zvýšeným investičným nákladom bude investícia návratná a prinesie očakávaný zisk. Z tohoto dôvodu je na obr. 4 uvedený nomogram pre rýchly približný výpočet efektivity (návratnosti) kogeneračného systému, ktorý je možné chápať ako úvodný krok inštalácie a ktorý je prebratý z literatúry [5],[6],[4] a upravený autormi.
Nomogram môže byť aplikovaný na akúkoľvek kogeneračnú aplikáciu bez ohľadu na typ zariadenia a spôsobu využitia, a prijateľná návratnosť ako výsledok jeho použitia alebo výpočtov založených na podobných princípoch je základnou podmienkou pre uskutočňovanie ďalších prací spojených s inštaláciou kogeneračnej jednotky.
II.3 Možnosti výberu vhodného typu kogeneračnej jednotky
Na trhu SR je možné nájsť celú radu rôznych typov kogeneračných jednotiek využívajúcich zemný plyn napr. fy. Jenbacher, Rakúsko; fy. TEDOM, Česká republika; fy. Waukesha, USA; fy. Guascor, Španielsko;..., avšak len niekoľko firiem, ktoré ponúkajú kogeneračné jednotky na bioplyn [9],[10],[11],[12],[13]. Medzi tieto firmy zatiaľ patria:
1) Johann Hochreiter BHKW Biogas - Beratung Schnaitsee v zastúpení fy. QEL, Bardejov.
- Ponuka kogeneračných jednotiek tejto firmy je mimoriadne široká a flexibilná, pričom zahŕňa výkonovú radu kogeneračných jednotiek s elektrickým výkonom od 18 kWhe do 985 kWhe a s tepelným výkonom od 30 kWht do 1 800 kWht (obr. 5).
- Typovo sú tieto kogeneračné jednotky osadené motormi MAN, GUASCOR. John DEERE, FORD, OPEL a ďalšími. Kontaktná adresa: QEL, s.r.o., Bardejov, www.qel.sk
2) TEDOM a.s. Třebíč v zastupení fy. INTECH, Slovakia, Prešov.
- Ponuka tejto firmy v ostatnom období pozostáva aj z kogeneračných jedotiek na bioplyn a zahrňa výkonovú radu kogeneračných jednotiek od 21 kWhe do 1 100 kWhe s tepelným výkonom od 42 kWht do 1 450 kWht [11],[12] (obr. 6).
- Typovo sú tieto kogeneračné jednotky osadené motormi LIAZ, ŠKODA, CATERPILAR a ďalšími
- Kontaktná adresa: Intech Slovakia, s.r.o., Bratislava, www.intechsk.sk
Záver
Cieľom tohto príspevku je poskytnúť určité všeobecné informácie týkajúce sa možnosti využitia energie z bioplynu resp. skládkového, kalového alebo drevného plynu v Slovenskej republike. Ako krajina so značným podielom poľnohospodárskej činnosti má Slovensko bohatý potenciál v oblasti využitia technológií na báze bioplynu. Značný potenciál má Slovensko rovnako v oblasti využitia skládkového plynu a kalového plynu vznikajúceho a vzápätí unikajúceho bez využitia, v čističkách odpadových vôd. A nakoniec v neposlednom rade, by bolo možné uvažovať aj s využívaním drevného plynu, napr. v kogeneračných jednotkách.
Predložený príspevok si v žiadnom prípade nenárokuje pozornosť z hľadiska úplnosti, snaží sa len vyprovokovať širšiu odbornú verejnosť, laickú verejnosť a legislatívnu verejnosť k väčšej aktivite v oblasti jeho využívania.
Táto publikácia vznikla za podpory grantových úloh VEGA č.1/0555/03,VEGA č.1/9398/02 a VEGA č.1/9262/02.
Literatúra
- Vargová, I.: Atlas využívania obnoviteľných energetických zdrojov na Slovensku. Energetické centrum Bratislava, Bratislava, 2002
- Firemné materiály: QEL s.r.o. Bardejov, 2001
- Firemné materiály: Hochreiter BHKW Biogas Beratung, Schnaitsee, 1998 až 2002
- Kolektív: Plynárenská příručka, ČPP Praha, 1998
- Kolektív: A review of cogeneration equipment and selected instalations in Europe. Thermie Programme Action, Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy (DG XVII), Valencia
- Kolektív: Cogeneration in the agrofood sector. Thermie Programme Action, Commission of the European Communities, Directorate-General for Energy (DG XVII), Roma
- Dubinský, P. et al.: Environmental protection against the spread of pathogenic agents of diseases through the wastes of animal production in the Slovak Republic. Parasitological Institute, Slovak Academy of Sciences, Košice, 2000
- Košíková, B. - Bučko, J.: Biotechnológie a využitie biomasy ES TU Zvolen, 1998
- www.tzb-info.cz
- www.biom.cz
- Firemné materiály: TEDOM, a.s., Třebíč, 2001
- Firemné materiály: INTECH, s.r.o., Prešov, 2002
- www.intechsk.sk
- Peavy, H.R. et al.: Environmental Engineering. McGraw-Hill, Singapore, 1985
- Kolat,P.: Energy supply, environmental impact, cleaner production and sustainability in Czech republic. In: Combustion and environment - 2002, VŠB TU Ostrava, 56-62.
- Wagnerová,E.: The energy utilization of the municipal wastes heaps. Acta Mechanica Slovaca, 2, 1998, 3, 268-272.
- Novák-Marcinčin,J. - Pavlenko,S.: Automation of pipeline energetics systems components manufactoring. In: Automation 2001, Warszawa, marec 2001, 75-82
- Horbaj,P. - Imriš,I.: Niektoré poznatky zo spracovania exkrementov na bioplyn vo firme Hochreiter,SRN. In: TOP 2001 - Proceedings of technique of environmet protection focused on waste disposal, poriadaná STU Bratislava, Častá Papiernička, jún 2001, 245 - 250
Obr. 2: Energetické toky pri kombinovanej a oddelenej výrobe tepla a elektriny znázornené pomocou Sankeyovho diagramu
Obr.3: Prehľad možnosti výroby bioplynu v metroch kubických na jednu tonu suroviny
Obr. 4: Nomogram na výpočet jednoduchej návratnosti kogeneračného systému
Obr. 5: Kogeneračná jednotka firmy QEL
Obr. 6: Kogeneračná jednotka firmy TEDOM Tweet
Článek: Tisknout s obrázky | Tisknout bez obrázků | Poslat e-mailem
Související články:
Využití travní fytomasy pro výrobu elektrické energie a tepla
Zkušenosti s výstavbou zemědělských bioplynových stanic
Suchá fermentace zemědělských a komunálních organických materiálů
Demonštračné zariadenie využitia bioplynu v Nitre
Bioplynová stanice Trhový Štěpánov - poznámky z přednášky a exkurze
Niektoré možnosti využitia komunálneho odpadu v SR
Výroba a využití bioplynu v zemědělství
Anaerobní digesce komunálních bioodpadů
Možnosti využití anaerobní fermentace pro zpracování zbytkové biomasy
Legislativní úskalí výstavby centralizovaných bioplynových stanic v ČR
Zobrazit ostatní články v kategorii Bioplyn
Datum uveřejnění: 12.5.2003
Poslední změna: 10.5.2003
Počet shlédnutí: 23186
Citace tohoto článku:
MIKOLAJ, Dušan, HORBAJ, Peter: Zjednodušený výpočet množstva bioplynu vznikajúceho z exkrementov v poľnohospodárstve, grafické určenie návratnosti investície a vhodného typu kogeneračnej jednotky. Biom.cz [online]. 2003-05-12 [cit. 2024-10-15]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/czt-pestovani-biomasy-obnovitelne-zdroje-energie-bioodpady-a-kompostovani/odborne-clanky/zjednoduseny-vypocet-mnozstva-bioplynu-vznikajuceho-z-exkrementov-v-polnohospodarstve-graficke-urcenie-navratnosti>. ISSN: 1801-2655.