Bioplynové stanice: flexibilní produkce obnovitelné energie z biomasy
Technologie pro bioplynové stanice využívá přirozené procesy šetrné k životnímu prostředí
Obecně je bioplyn považován za hořlavý vedlejší produkt anaerobní fermentace organických látek. Bioplyn je jednou z nejflexibilnějších součástí mixu obnovitelných energií. Lze jej skladovat ve formě tepla nebo elektřiny, takže lze energii využít, kdykoli je potřeba. Díky této flexibilitě je bioplyn ideálním doplňkem k produkci energie ze slunce nebo větru, jejíž spolehlivost kolísá a kterou je obtížné regulovat.
Společnost Vogelsang nabízí spolehlivé komponenty pro hospodárnou výrobu bioplynu. Od čerpací techniky přes maceraci, dezintegrační techniku a systémy dávkování pevných látek – společnost Vogelsang nabízí komplexní portfolio technologií pro bioplynové stanice pro celý rozsah fermentace. Proto se považujeme za partnery v oblasti bioplynu. Ve spolupráci s našimi zákazníky neustále vyvíjíme naše technologie pro bioplynové stanice, přizpůsobujeme je neustálým změnám výchozích podmínek a dodáváme řešení pro efektivní produkci bioplynu. Důležitým aspektem je přitom individuální analýza každé jednotlivé bioplynové stanice. Jen tak lze nalézt a plně využít potenciál pro optimalizaci.
Mezinárodní situace v odvětví bioplynu
Jen v Německu je dnes přibližně 10 000 bioplynových stanic (v závislosti na použité metodě počítání), které dodávají energii obyvatelstvu – v celé Evropě jich je více než 17 000. Průměrná velikost bioplynové stanice se v jednotlivých zemích liší v závislosti na druhu používané biomasy. To znamená, že v některých zemích jsou podporovány zejména malé bioplynové stanice. V Německu se jedná o stanice do maximálního výkonu 75 kWel, které recyklují téměř výhradně zemědělský odpad. Na druhou stranu existují i velké stanice s výkonem několika megawattů (MW). Vstupními surovinami jsou recyklované obnovitelné materiály a také organický odpad z domácností a potravinový odpad.
Použití v bioplynových stanicích
Bioplynová stanice je konstruována tak, aby zajišťovala optimální podmínky pro výrobu bioplynu: Biomasa se uchovává ve velkých nádobách („fermentorech“), kde kvasí bez přístupu světla a kyslíku. Tato anaerobní fermentace probíhá ve čtyřech fázích, během nichž jednotlivé speciální bakterie postupně přeměňují biomasu a vytvářejí bioplyn. Jedná se o následující „kroky“ (nazývané také „fáze“):
- První krok: Hydrolýza (fermentace surovin)
- Druhý krok: Acidogeneze (acidifikace)
- Třetí krok: Acetogeneze (tvorba kyseliny octové)
- Čtvrtý krok: Metanogeneze (tvorba metanu)
Samotný bioplyn je tvořen především metanem a oxidem uhličitým, ale také mnoha dalšími plyny, jako je například sirovodík, dusík, kyslík a čpavek. Na konci fermentačního procesu vám zůstane fermentační zbytek „digestát“, který lze využít v zemědělství jako hnojivo. Tím se bez dalších využitelných vedlejších produktů uzavírá přirozený cyklus. Bioplyn je tedy vysoce udržitelný.
Bioplyn: betonová kráva
Vzhledem k výše popsaným procesním krokům je zde velká podobnost s trávicí soustavou krávy – proto se bioplynové stanici také říká betonová kráva. Jak v bioplynové stanici, tak v trávicí soustavě přežvýkavců přeměňují bakterie biomasu na energii. Proces v moderních bioplynových stanicích známý jako „příprava substrátu“ je obdobou přežvykování krávy. Hydrolýza probíhá v prvním žaludku krávy (bachoru). Acidifikace a tvorba kyseliny octové pak probíhá v knize a slezi, zatímco energie se vytváří (tj. vstřebává do těla krávy) v tenkém a tlustém střevě a také ve slepém střevě. Další nápadná podobnost je v pevném vstupním materiálu (substrátu). Stejně jako své krávy „krmí“ mnoho zemědělců své bioplynové stanice obnovitelnými materiály, jako je kukuřičná siláž a travní senáž.
Prvky bioplynové stanice
Důležitými základními prvky každé bioplynové stanice jsou:
- Substrát / dávkování pevných látek
- Fermentor
- Míchadla pro míchání ve fermentorech
- Nádrž na skladování bioplynu
- Sklad fermentačního zbytku pro zbývající fermentovaný materiál
- Bioplyn se obvykle využívá v kogenerační jednotce nebo vzácněji pro zpracování a skladování plynu v síti
Kogenerační jednotka je plynový motor spojený s generátorem, který z energie bioplynu vyrábí elektrickou energii. Míchadla jsou nezbytná, protože jen ta mohou správným a rovnoměrným promícháváním digestátu vytvořit optimální podmínky pro výrobu bioplynu. Cílem dávkování pevných látek je přivést do fermentoru pevnou biomasu. V ideálním případě se tak děje při nízké spotřebě energie a bezproblémovém provozu bez ohledu na druh biomasy.
Možnosti použití pevné hmoty v bioplynové stanici závisí na několika faktorech. V zásadě by se mělo jednat o velmi hustou organickou hmotu, protože pouze ta může být přeměněna na bioplyn. Doba zadržení ve fermentoru musí rovněž odpovídat použité pevné hmotě. Dobou zadržení se rozumí průměrná doba, kterou biomasa stráví ve fermentoru, dokud nevyteče ven. Pokud je tato doba příliš krátká, bakterie nemají dostatek času na to, aby rozložily potřebnou většinu pevné hmoty. V důsledku toho není energie obsažená v biomase plně využita. Z technologického hlediska to nepředstavuje problém, ale má to vliv na hospodárnost provozu bioplynové stanice. Vysokoenergetický vstupní materiál rovněž automaticky neposkytuje nejekonomičtější výnos. Je také nutné zvážit náklady na vstupní materiál a skutečnou energii, kterou může poskytnout. V neposlední řadě je třeba požádat o úřední povolení pro používání vybrané biomasy.
Mokrá fermentace a suchá fermentace – dvě metody fermentace
Bioplynové stanice se často dělí podle různých hledisek. Rozlišuje se například mezi mokrou fermentací a suchou fermentací. Při mokré fermentaci se pevný materiál mísí s kapalinou. Vzniklá organická suspenze je obvykle tekutá a je přemísťována pomocí čerpadel. Při suché fermentaci je stohovatelná biomasa zabalena do „boxového fermentoru“ nebo „garážového fermentoru“ a poté je postřikována kapalinou („perkolátem“). Perkolát vytékající ze dna se odebírá a znovu je aplikován na horní část biomasy. To usnadňuje proces fermentace, a umožňuje tak produkci bioplynu. Tento typ stanice není tak rozšířený a používá se především pro fermentaci organického odpadu, jako jsou například odpady z prořezávek nebo potravinový odpad z domácností.
Bioplynové a biometanové stanice – důležité je, co z nich vychází
Další rozdělení je na bioplynové stanice a biometanové stanice. Obě stanice vyrábějí bioplyn. V bioplynových stanicích (nejběžnější typ v Německu) se tento bioplyn částečně zpracovává a poté se v blízké kogenerační jednotce přímo přeměňuje na elektrickou energii a teplo. Biometanové stanice zpracovávají bioplyn tak důkladně, že je – stejně jako zemní plyn – tvořen téměř výhradně metanem. Tento biometan lze proto dodávat přímo do sítě zemního plynu, odkud může být přepravován a spalován tam, kde je potřeba energie.
Stanice na zpracování odpadu: rozumné využití organického odpadu
Další obecná klasifikace vychází z použité biomasy. Rozlišuje se mezi kofermentačními stanicemi nebo stanicemi na zpracování odpadů a stanicemi na zpracování obnovitelných materiálů. Pojem „kofermentační stanice“ pochází z počátků rozmachu bioplynových stanic v Německu. Zemědělci budovali systémy, v nichž chtěli vyrábět a využívat energii, která se ještě nacházela v kejdě ve formě bioplynu. Brzy si uvědomili, že mohou vyrábět mnohem více bioplynu, pokud ke kejdě přidají také kosubstráty, jako jsou nezkonzumované potraviny, obilí nebo organický odpad. Tak vznikl termín kofermentační stanice pro bioplynové stanice, které fermentují průmyslové zbytky a odpadní materiály i zemědělské odpady, jako je například kejda a hnůj. Postupem času se podíl těchto zemědělských bioplynových stanic, které fermentují odpadní materiály, prudce snížil. Místo toho bylo vybudováno mnoho průmyslových stanic na zpracování komunálního, komerčního a průmyslového odpadu. Během tohoto vývoje se pro bioplynové stanice, v nichž se fermentuje organický odpad, začal používat termín „stanice na zpracování odpadu“.
Stanice na zpracování obnovitelných materiálů – co jsou a čím se liší?
Pojem stanice na zpracování obnovitelných materiálů pochází z období, kdy se vláda rozhodla podporovat fermentaci obnovitelných materiálů, jako jsou zejména energetické plodiny. Kromě zemědělského odpadu mohou tyto bioplynové stanice fermentovat pouze obnovitelné suroviny. Zemědělským odpadem je obvykle hnůj a kejda. Typickými obnovitelnými surovinami (energetickými plodinami) jsou:
- kukuřice a travní senáž,
- GPS (siláž z celých plodin)
- Plodiny, jako například brambory a tuřín atd. za předpokladu, že nejsou/nebyly určeny k výrobě potravin.
Tento typ stanic je v Německu velmi rozšířený. Podléhají zvláštním pravidlům a dotacím, na které se vztahuje zákon o obnovitelných zdrojích energie (EEG). Pro mnoho zemědělských podniků představují poměrně předvídatelný a spolehlivý zdroj příjmů.
Pokud vezmeme v úvahu všechny tyto body, musí být v bioplynové stanici instalována vhodná technologie dávkování pevných látek, která dokáže biomasu dávkovat hospodárným způsobem. Tekuté odpady ze zemědělství, jako je například hnůj a glycerin nebo zbytky z lapačů tuků, lze obvykle pomocí čerpadel čerpat přímo do fermentoru. Protože se často jedná o odpad, který obsahuje cizí materiály, jako jsou kameny, kovové části a nečistoty (např. dřevo, řemeny atd.), doporučujeme používat macerátory a separátory cizích materiálů, které tento materiál zredukují na zpracovatelnou úroveň.
Hygiena
Při použití vstupních materiálů, které podléhají hygienickým předpisům, je nutné provést hloubkové čištění, aby bylo zajištěno zničení všech parazitů, virů nebo bakterií obsažených v materiálech, které mohou představovat hrozbu pro životní prostředí. To platí zejména pro substráty živočišného původu, jako jsou například jateční odpad a potravinový odpad. Nejběžnější postup zahrnuje zahřátí vstupního materiálu na teplotu nejméně 70 °C po dobu jedné hodiny a jeho následné macerování na velikost max. 12 mm. Osvědčenými systémy pro tento proces jsou kontaktní macerátory v kombinaci s objemovými čerpadly. Objemová čerpadla od společnosti Vogelsang často bezpečně čerpají viskózní a abrazivní odpad, zatímco 12 mm voštinové síto v macerátoru RotaCut zajišťuje, že je veškerý materiál zmenšen na maximální přípustnou velikost. Speciální doplňky zajišťují, že žádný vstupní materiál neprojde macerátorem bez úpravy.
Proces plnění netekutou biomasou
Do bioplynových stanic se přivádí především netekutá pevná hmota (nazývaná též substrát). Procesy plnění lze zhruba rozdělit do dvou kategorií: Dávkování suchých pevných látek a plnění mokrou cestou. Při dávkování suchých pevných látek se vstupní materiály zavádí přímo do fermentoru. Nejčastěji používanou metodou jsou plnicí šneky, které dopravují pevnou hmotu nahoru a na organickou suspenzi. Hlavní výhodou této technologie jsou relativně nízké investiční náklady. Pevná hmota však musí být míchána míchadly ve fermentoru, což je možné pouze při velmi vysokých spotřebách energie. Tato technika také není zcela vhodná pro dlouhovláknité substráty (např. trávu, slámu nebo zemědělský odpad, jako je hnůj).
Při plnění fermentoru mokrou cestou se biomasa nejprve smíchá s kapalnou suspenzí – digestátem nebo tzv. recirkulátem z fermentoru. Tento proces se také nazývá mixování. Vzniklou kaší se poté plní fermentační prostor (obvykle čerpáním). Výhodou tohoto postupu je, že je biomasa přiváděna do fermentoru v kapalné formě a míchání spotřebuje podstatně méně energie, přičemž obsah fermentoru se dobře promísí s organickou suspenzí. Pokud se současně zpracovává i pevná hmota, je snížená energetická náročnost doprovázena i zvýšenou tvorbou plynu. Tím se také výrazně potlačuje rozšířený problém, který představuje tvorba plovoucích vrstev.
Alternativou jsou systémy pro plnění fermentoru mokrou cestou, které mohou kromě obnovitelných materiálů fermentor plnit i organickým odpadem s extrémně odlišnými vlastnostmi. Na takových systémech je postaveno mnoho bioplynových stanic. Buď proto, že se u nich kromě klasických obnovitelných materiálů předpokládá i využití plodiny, jako jsou například brambory nebo řepa, nebo proto, že používaná biomasa má extrémně proměnlivé vlastnosti (např. potravinářský odpad nebo organický odpad z domácností). Jiné bioplynové stanice reagují velmi pružně, protože vykupují biomasu, která je aktuálně dostupná na trhu, za výhodných podmínek. Systémy jako PreMix jsou určeny pro tyto druhy bioplynových stanic. Dokážou pro fermentor spolehlivě, snadno a kvalitně rozmělnit mnoho různých druhů biomasy, čímž splňují základní požadavek na hospodárný provoz těchto bioplynových stanic.