Bioplyn v kogenerácii PODTITULEK: Energetické využitie Odpady vznikajúce pri antropogénnej činnosti znehodnocujú okolité životné prostredie, dávajú však možnosť ich využitia ako ďalších surovín v rámci recyklácie, resp. ich zhodnotenia ako energetickej suroviny. Jedným zo spôsobov je využitie...
Bioplyn v kogenerácii
PODTITULEK: Energetické využitie
Odpady vznikajúce pri antropogénnej činnosti znehodnocujú okolité životné prostredie, dávajú však možnosť ich využitia ako ďalších surovín v rámci recyklácie, resp. ich zhodnotenia ako energetickej suroviny.
Jedným zo spôsobov je využitie vznikajúceho bioplynu pri kombinovanej výrobe tepla a elektrickej energie.
Kogeneračné jednotky (KJ) sú energetické zariadenia, ktoré slúžia ku generácii dvoch alebo viacerých druhov energie súčasne, a to s vyššou celkovou účinnosťou, ako by bolo možné dosiahnuť nieko3/4kými samostatnými zariadeniami, produkujúcimi jednotlivé druhy energie.
Najčastejšie sa vyskytujúca kombinácia generovaných energií, teplo a elektrická energia, dala kogeneračným jednotkám ich anglický názov: CHP - Combined Heat and Power. Pri tomto spôsobe výroby energie dochádza k šetreniu primárnej energie v porovnaní s oddelenou výrobou tepla a elektriny až o 40 %.
Druhou možnosťou je kombinácia mechanickej a tepelnej energie. Mechanická energia produkovaná pohonnou jednotkou KJ nie je v tomto prípade využívaná k pohonu elektrického generátora, ale priamo na pohon, napr. čerpadiel, kompresorov a pod.
Princíp práce
Hlavnú časť kogeneračnej jednotky tvorí spa3/4ovací motor resp. turbína spojená so synchrónnym alebo asynchrónnym generátorom, vyrábajúcim elektrický prúd. Tento technologický celok je pružne uložený na ráme a spolu so sústavou výmenníkov "spaliny-voda", "olej - voda" a "voda- voda" umožňuje komplexne využiť odpadové teplo motora.
Elektrický rozvádzač okrem bežných funkcií zabezpečuje automatické fázovanie na sieť, reguláciu a automatizáciu dôležitých parametrov. Prevádzka KJ môže byť paralelná s elektrickou sieťou, alebo môže pracovať ako sólo prevádzka, prípadne ako náhradný zdroj energie.
Ako je známe, pri kombinovanej výrobe energie pripadá na elektrickú energiu asi 34 % a na výstupnú tepelnú energiu okolo 53 %. Zvyšok (13 %) tvoria straty prenesené do spalín (závisí to od ve3/4kosti technologického zariadenia KJ).
Priamym dôsledkom úspor primárneho paliva oproti oddelenej výrobe tepla a elektriny je aj pokles emisií NO, CO, CO2, SO2, ktoré odchádzajú vo forme spalín.
KJ s primárnym plynovým palivom so zapojeným katalyzátorom vyprodukujú v porovnaní s klasickými tepelnými zariadeniami na výrobu tepla a elektrickej energie menej o 25 % NO.
Primárne palivo
Bioplyn je vďaka svojmu zloženiu nezamenite3/4ný so zemným plynom a vyžaduje pre svoje použitie upravené spotrebiče. Jeho energetický obsah je určovaný prakticky obsahom metánu a pohybuje sa zhruba od 20 do 23 MJ/m3 (výhrevnosť).
Pre spa3/4ovanie tohoto plynu je už možné na našom trhu získať širokú škálu spo3/4ahlivých automatických horákov. Ve3/4mi dobrá je aj situácia v ponuke spa3/4ovacích motorov a motorgenerátorov. S plynovými turbínami pre bioplyn ako primárne palivo je ve3/4mi ťažké počítať, pretože pre pomerne malé kapacity je merná cena turbín ve3/4mi vysoká.
Z energetického h3/4adiska môžeme v našich podmienkach rozdeliť bioplyn do dvoch základných skupín:
- skládkový plyn (LFG - Landfill Gas)
- reaktorový plyn
- z po3/4nohospodárskych odpadov
- kalový plyn (ČOV).
Principiálne sú skládkový a reaktorový plyn viacmenej totožné, avšak líšia sa takmer vždy v obsahu dvoch minoritných prímesí. Okrem obsahu H2S, ktorý je u skládkového plynu pri stabilizovanej metanogéze obsiahnutý v minimálnej miere, sú to obsahy halogénovaných uh3/4ovodíkov.
Chlórované a chlórfluorované uh3/4ovodíky (XHC) sa do skládkových plynov dostávajú najmä z rôznych zbytkov riedidiel, rozpúšťadiel, hnacích náplní sprejov alebo zo zbytkov náterových hmôt.
Obsahy XHC v skládkových plynoch klesajú so starnutím telesa skládky tak, ako sú s bioplynom odsávané. Rozdiely v kvalite LFG a reaktorových bioplynov ilustruje tabulka. Zatia3/4 čo u skládkového plynu vytvárajú problémy obsahy halogénov, reaktorové plyny bývajú často znečisťované sulfanom.
Kvalitu bioplynu pre energetické využitie je vyjádrená majoritnými zložkami plynu: CH4 - koncentrácia sa pohybuje v rozmedzí 45-70 % obj., CO2 -24 % obj., výhrevnosť sa pohybuje v rozmedzí 19-22 MJ/m3.
Pre použitie v kogeneračných jednotkách je dôležité aj množstvo produkovaného bioplynu, ktoré by nemalo byť nižšie ako 9 m3/hod pre ve3/4mi malé jednotky s výkonom P=15 kWh.
Celková energia obsiahnutá v bioplyne sa v plynových motoroch využije približne až na 90 %, pričom asi 34 % na uš3/4achtilú elektrickú energiu a 56 % na teplo.
Bioplyn je svojimi kvalitatívnymi predpokladmi ve3/4mi vhodným primárnym palivom pre kogeneračné jednotky. Jeho využitím v KJ sa bioplyn nielen likviduje, ale sa súčasne využije ve3/4ký podiel jeho energie transformáciou na užitočnú energiu, najmä pri decentralizovanej, lokálnej sústave výroby tepla a elektriny.
Praktické poznatky
Medzi najväčších producentov organických odpadov patrí po3/4nohospodárstvo. Intenzifikácia živočíšnej výroby má za následok ve3/4kú akumuláciu exkrementov na relatívne malej ploche. Situácia je zložitejšia vo ve3/4kochovoch ošípaných, kde sa produkujú exkrementy v tekutej forme so značným podielom technologickej vody.
Medzi ekologicky prijate3/4né a energeticky výhodné postupy spracovania tekutých exkrementov (hnojovice) aj komunálnych odpadových vôd patrí anaeróbna stabilizácia. Pritom vzniká bioplyn, ktorý obsahuje v priemere 66 % metánu, 32 % oxidu uhličitého, 2 % ostatných zložiek (dusík, vodík, sulfan, kyslík) a organický substrát (stabilizovaná hnojovica). S podporou fondu Phare probehl výskum vo farme ošípaných Piga, po3/4nohospodárskeho združenia Bátka, okr. Rimavská Sobota. Bioplyn vznikajúci anaeróbnym procesom v bioreaktoroch je tu využívaný v kogeneračnej jednotke pre výrobu elektrickej energie a tepla.
Pod3/4a projektu boli navrhované tieto základné parametre:
[*] priemerná denná vsádzka exkrementov do bioreaktora 170 m3
[*] priemerná denná tvorba bioplynu 5200 m3
[*] priemerná denná výroba elektrickej energie 9550 kWh
[*] elektrická energia vyrobená z 1 m3 bioplynu 1,87 kWh.
Ciele definované v projektu neboli naplnené, čím neboli ani dosiahnuté požiadavky vo výrobe elektrickej energie ( výroba tepla nebola zdokumentovaná).
Priemerná denná produkcia bioplynu bola 2826 m3. Z uvedeného množstva sa vyrobilo v priemere 5116 kWh/deň elektrickej energie. Odpadové teplo z motorgenerátorov bolo pod3/4a potreby využívané na ohrev bioreaktorov.
Hnojovica z farmy ošípaných vstupujúca do bioreaktora a pri výstupe z neho vykazovala značnú premenlivosť fyzikálno-chemických ukazovate3/4ov. Dôvodom je skutočnosť, že projektovaný vstup uvažoval s 5 % sušinou hnojovice ošípaných. Sušina hnojovice sa pohybovala v rozmedzí 0,81 - 2,75 % s priemerom 1,51 %. Z uvedeného dôvodu bol potrebný pravidelný prídavok hydinového trusu do hnojovice pred jej vstupom do bioreaktora.
Anaeróbne procesy stabilizácie tekutých exkrementov predstavujú z energetického h3/4adiska efektívnu metódu, pretože podstatná časť energie, ktorá sa nachádza v 3/4ahko rozložite3/4ných organických zložkách substrátu sa získava v podobe energeticky využite3/4ného bioplynu.
Skúmaná anaeróbna biofermentačná jednotka patrí svojimi parametrami medzi najväčšie v strednej Európe. Pôvodná koncepcia uvažovala s prísunom organických odpadov z viacerých chovov v podmienkach maximálnej intenzity živočíšnej výroby. Aj napriek tomu sú výsledky vo výrobe elektrickej energie pozoruhodné.
Zo skládky
Využitie bioplynu na energetické účely zo skládky tuhého komunálneho odpadu (TKO) bolo prezentované v rámci Slovenskej republiky len na skládke (TKO) Košice - Myslava. Na tejto skládke bolo od roku 1972 do roku 1998 uložených približne 2 600 000 t odpadov. Pokusy s energetickým využitím bioplynu zo skládky začali už v roku 1986 a sporadicky pokračovali až do roku 1996, keď bola celá sústava ťažby bioplynu spustená do overovacej prevádzky.
Zámer predpokladal využitie bioplynu v kotolni THO Košice pre vykurovanie a výrobu TÚV sídliska Lunik IX. Po3/4ný čerpací test preukázal kvalitatívne aj kvantitatívne predpoklady skládkového plynu pre jeho energetické využitie. Podiel CH4 v plyne sa pohyboval od 45-66 % obj., plynule bolo možné odčerpávať 180-210 m3/hod skládkového plynu o výhrevnosti 20,748 MJ/m3 pred vstupom do kotolne.
Kogeneračná jednotka G15 firmy Biogas, s. r. o. Bardejov bola daná do prevádzky v decembri 1996. Primárnym palivom bol skládkový plyn dopravovaný do centrálnej kotolne. Pre KJ bola z hlavného plynového potrubia realizovaná odbočka. Pre využitie KJ G15 s elektrickým výkonom 15 kW a tepelným výkonom sa musel prispôsobiť vstupný tlak a dochladzovanie. Spotreba bioplynu 9 m3/hod pri koncentrácii 52 % obj. CH4.
Jednotka bola navrhnutá ako jediný zdroj tepla pre vykurovanie administratívnej budovy a pre výrobu TÚV. Elektrická energia vyrobená v KJ sa využívala pre potreby skládky (osvetlenie skládky, budovy). Pri prevádzke technologického zariadenia neboli prevádzkovate3/4om skládky zabezpečené merania koncentrácie a spotreby skládkového plynu ani množstvo vyrobeného tepla. Výroba elektrickej energie bola zaznamenávaná len ako rozdiel odberu z verejnej siete a samotnej výroby v KJ. Produkciu skládkového plynu v m3 a celkové vyrobené množstvo tepla v GJ vyrobeného centrálnou kotolňou dokumentuje obrázok.
Z grafu je zrejmé, že od septembra 1996 dochádza ku permanentne sa zvyšujúcej spotrebe bioplynu na výrobu 1 GJ tepla (m3/GJ). Prevádzkovate3/4 to zdôvodňoval tým, že v skládke sa už rozkladajú len organické zlúčeniny vytvorené priamym rozkladom biologického materiálu. To nezodpovedá výsledkom dlhodobých čerpacích testov vykonaných na skládke.
Najpravdepodobnejšou príčinou bolo nekontrolované nadmerné odčerpávanie bioplynu z telesa skládky, čím mohlo dôjsť k zavzdušneniu potencionálnych častí skládky a k zníženiu resp. zastaveniu stabilizovaného metanogénneho procesu. Keďže neexistujú merania koncentrácie CH4 v plyne na jednotlivých vrtoch počas prevádzkovania energetického systému v rokoch 1996-1998, nie je možné túto chybu prevádzkovania energetického systému skládky vylúčiť.
Pretože v skládke sa nachádza ešte ve3/4ké množstvo skládkového plynu, vyžaduje si to v blízkej budúcnosti vykonať podrobné premeranie kvalitatívnych parametrov plynu na jednotlivých vrtoch vrátane čerpacích testov a odplynenie skládky navrhnúť v zmysle STN 838102 a STN 838103.
Zvonimír Betuš,
Fakulta Berg
Technická univerzita Košice,
Rozdiely v kvalite LFG a reaktorových bioplynov
Obsahy H2S Obsahy XHC
(mg/m3) (mgCh/m3)
Skládkový plyn (LFG) stabilizovaná metanogenéza 0,5-20 50-200
Reaktorový bioplyn (po3/4nohosp. odpady, biomasa) 50-6000 0-10
Reaktorový bioplyn (kalový) 50-300 0-30
(Zdroj: Straka, 1997)
