VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU KONEČNÝCH ENERGIÍ

Pod pojmom biomasa rozumieme materiál rastlinného a živočíšneho pôvodu, ktorý je vhodný na priemyselné a energetické využitie. Prvotnou biomasou je tuhý hmotný produkt procesu fotosyntézy, ktorý na seba viaže oxid uhličitý z atmosféry aenergiu slnečného žiarenia. Fotosyntézou teda príroda vlastne vyriešila problém dlhodobej akumulácie solárnej energie pri súčasnom obohacovaní atmosféry o kyslík. Potenciál prvotnej biomasy tvoria hlavné a vedľajšie produkty lesohospodárskej a poľnohospodárskej výroby a účelovo pestované energetické plodiny.

 

1. Úvod

 

Biomasa je jeden z najuniverzálnejších a najrozšírenejších zdrojov energie na Zemi. V tejto súvislosti je nutné poznamenať, že často používané označenie „netradičný zdroj energie“ je nesprávne. Ľudia tisíce rokov poznali a využívali len rôzne formy slnečnej energie, hlavne biomasu. Za „netradičné“ by sme mali považovať fosílne palivá. Éra ich intenzívneho využívania bude v histórii Zeme veľmi krátka a v súčasnosti od jej konca nie sme ďaleko. Preto zvýšený záujem o obnoviteľné zdroje je zákonitý.

 

Poznámka:

Názov „obnoviteľné zdroje energie“ tiež nie je úplne v poriadku, lebo v ňom je zakódovaný rozpor s I. vetou termodynamiky. Napriek tomu je všeobecne akceptovaný rovnako ako evidentne nezmyselné výrazy ako napr. „výroba tepla a/alebo elektriny“, „strata tepla“ a podobne. Pokusy niektorých autorov o zavedenie správnejšieho pomenovania „priame prírodné energie“ je pravdepodobne odsúdená na neúspech. 

 

V zámeroch Slovenskej energetickej politiky splniť záväzok zvýšiť podiel obnoviteľných zdrojov energie do roku 2020 na 14 % využívanie biomasy bude mať rozhodujúci význam. Takáto orientácia je správna aj bez povinnosti podieľať sa na spoločných cieľoch EÚ, lebo Slovensko je mimoriadne chudobné na fosílne zdroje energie.

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU 

Obr. 1 Možnosti využívania splyňovanej biomasy

 

 

2.  Využívanie splyňovanej biomasy

 

Veľa druhov biomasy sa nedá energeticky využiť spaľovaním v takej forme, v akej sú k dispozícii (napr. biomasa v kvapalnom skupenstve) alebo nie je účelné ich upravovať na takú formu (fytomasa s vysokým obsahom vody ako napr. čerstvo pokosená tráva z trávnikov). Tieto biomasy je účelné splyňovať. To však neznamená, že možnosti výroby bioplynu sú tak vyčerpané.

 

Možnosti využívania splyňovanej biomasy sú podobné ako v prípade pevných biopalív (viď obr. 1).

 

V jednotlivých prípadoch plyn možno využiť v mieste výroby na zásobovanie teplom (Q) po spaľovaní v kotle, ale efektívnejšie je využitie na kombinovanú výrobu elektriny a tepla (E+Q). Technológie KVET sú však investične oveľa náročnejšie, preto podmienkou ich ekonomickej efektívnosti je vysoké ročné využitie, napríklad na výrobu tepla pre prípravu teplej vody. Využitie na oddelenú výrobu elektriny (E) je skôr teoretická možnosť než reálna alternatíva napriek tomu, že pritom ide o celoročné využívanie. V takých prípadoch by prišli do úvahy zrejme väčšie výkony a klasický anorganický Rankinov cyklus alebo skôr paroplynový cyklus. Na obr. 4 sú uvedené technológie vhodné hlavne pre KVET pri menších výkonoch.

 

3. Výroba bioplynu

 

Bioplyn sa vyrába z biologicky rozložiteľných častí jednotlivých druhov biomasy. Kým u niektorých druhov je to jediná možnosť využívania na energetické účely, u iných predstavuje alternatívne riešenie. Rozhodovanie medzi spaľovaním a splyňovaním biomasy ovplyvňuje veľa faktorov. V súčasnosti prevláda názor, že na splyňovanie je účelné využiť takú biomasu, spaľovanie ktorej neprípustne zaťažuje spaľovacie zariadenie a/alebo životné prostredie.

 

Biologické rozloženie, resp. výroba bioplynu môže sa uskutočniť rôznymi technológiami. Najrozšírenejšia technológia výroby bioplynu je založená na anaeróbnej fermentácii, pri ktorej proces rozkladania sa uskutočňuje bez prítomnosti kyslíka. Biomasy rastlinného alebo živočíšneho pôvodu obsahujú v rôznych množstvách uhľohydráty, tuky a bielkoviny. Ich mokré rozkladanie prebieha v prostredí s nedostatkom kyslíka v dvoch stupňoch. V prvom stupni sa tieto zložky rozložia na jednoduchšie látky (plyny, alkoholy, kyseliny, atď.). V druhom stupni tieto látky vplyvom pôsobenia iných baktérií sa ďalej rozkladajú na metán, oxid uhličitý a iné plyny. Proces rozkladania sa začína pri teplote 30–40 °C a môže sa zvýšiť na 50–60 °C.

 

Zjednodušená schéma jednej alternatívy technológií výroby bioplynu anaeróbnou fermentáciou je znázornená na obr. 2.

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU 

Obr. 2  Zjednodušená technologická schéma výroby bioplynu anaeróbnou fermentáciou

1 – nádrž kvapalnej vstupnej suroviny, 2 – sklad pevnej vstupnej suroviny, 3 – homogenizačná nádrž, 4 – primárny (trubkový) fermentor,
5 – sekundárny fermentor, 6 – nádrž na vyfermentovaný substrát,  7 – plynojem, 8 – nádrž na čistenie

 

Kvapalné a pevné biomasy sa privádzajú do bioplynovej stanice a skladujú oddelene. Odtiaľ sú dopravované do homogenizačnej nádrže tak, že pevné substráty sa rozdrobia. Homogenizovaná zmes sa dopravuje do trubkového fermentora, v ktorom prebieha vyhnievanie a výroba metánu. Čiastočne vyfermentovaný substrát sa prečerpá do sekundárneho fermentora, v ktorom sa dokončí fermentácia a homogenizácia. Vyfermentovaný substrát sa nakoniec dopravuje do konečnej skladovacej nádrže.

 

Proces výroby bioplynu má tri užitočné produkty:

• Hlavným produktom je pochopiteľne bioplyn, ktorý vzniká v pri­márnom a sekundárnom fermentore a je skladovaný v plynojeme 7. Odtiaľ sa dopravuje do čistiaceho zariadenia 8 a vyčistený bioplyn sa dodáva na energetické využitie (GBPN).

• Okrem chemicky viazanej energie v bioplyne vedľajším užitočným energetickým produktom je teplo Q získané chladením primárneho a sekundárneho fermentora. Toto teplo doplňuje teplo vyrábané z bioplynu v kogeneračnej jednotke.

• Užitočným hmotným produktom výroby bioplynu je vyfermentovaný substrát, ktorý sa dá využiť priamo na hnojenie. V prípade veľkého množstva je účelné ho podrobiť aeróbnej fermentácii kompostovaním. Tým sa dá získať kvalitný kompost.

 

Podľa týchto produktov pri výrobe bioplynu energetické a environmentálne hľadiská sa navzájom dokonale doplňujú.

Ďalšou možnosťou pre výrobu bioplynu sú polosuché technológie, pri ktorej procesy aeróbneho a anaeróbneho rozkladania sa navzájom vhodne doplňujú.    

 

Na výrobu bioplynu teoreticky možno využiť každú organickú látku, ale takto využívať je účelné predovšetkým látky, ktoré znečisťujú životné prostredie. V takých prípadoch prínos výroby energie z obnoviteľného zdroja zvyšuje ďalší užitočný efekt, likvidácia látok (najčastejšie odpadových), ktoré zaťažujú životné prostredie. Navyše pri anaeróbnej fermentácii sa znižuje počet škodlivých mikrób, zmierni sa nepríjemný pach, rozložené organické látky sú stabilnejšie. Tieto vedľajšie produkty výroby bioplynu sú tiež veľmi cenné, lebo možno ich využiť ako hnojivo.

 

Podľa veľkosti disponibilného potenciálu na účely výroby bioplynu sú najvhodnejšie exkrementy hospodárskych zvierat, lebo:

 

• produkujú sa vo veľkých množstvách na farmách špecializovaných na ich veľkochov,

• je to jediná možnosť na ich energetické využívanie,

• vyrieši sa nemalý problém likvidácie nepríjemného vedľajšieho produktu chovu hospodárskych zvierat bez obmedzenia možností využiť ich na hnojenie.

 

Veľkochov hospodárskych zvierat produkuje veľmi významné množstvo biomasy vhodnej na výrobu bioplynu. Napr. z hnoja vyprodukovaného jednou kravou za jeden deň je možné získať priemerne také množstvo bioplynu, z ktorého sa dá vyrobiť 16-25 MJ tepla a z hnoja jednej ošípanej približne 7 MJ. Orientačné hodnoty mernej produkcie hnoja niektorými druhmi hospodárskych zvierat sú uvedené v tab. 1.

 

Tab. 1  Orientačné hodnoty mernej produkcie hnoja niektorými druhmi hospodárskych zvierat

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU 

 

 

Podľa údajov Ministerstva pôdohospodárstva na celkovom potenciáli poľnohospodárskej biomasy na energetické využitie na Slovensku exkrementy hospodárskych zvierat sa podieľajú až neuveriteľným množstvom 13 700 tis. t/rok, čo predstavuje energiu okolo 9,3 PJ.

 

 VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU

Obr. 3  Výnosnosť bioplynu z jednej tony niektorých druhov substrátov v m3

 

 

Existuje veľa substrátov ktoré podľa výnosnosti sú oveľa vhodnejšie na výrobu bioplynu, než exkrementy hospodárskych zvierat (viď obr. 3), ale ich využiteľný potenciál je menej významný často aj preto, lebo je značne rozptýlený.

 

Veľký význam majú aj odpadové vody, z ktorých v čistiarňach odpadových vôd možno vyrábať špeciálny druh bioplynu tzv. kalový plyn ako aj biologický komunálny odpad, z ktorého sa získava na skládkach komunálneho odpadu tzv. skládkový plyn. 

 

Hlavné zložky bioplynu, ktorý vzniká v anaeróbnych biochemických procesoch sú metán, oxid uhličitý, kyslík a vodík. Hlavné vlastnosti týchto plynov a zemného plynu sú porovnané v tab. 2.   

 

Tab. 2  Porovnanie zloženia a výhrevnosti bioplynu, skládkového plynu a zemného plynu

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU 

 

 

Z dendromasy (hlavne odpadové drevo) je možné vyrábať drevný plyn. Na to sú k dispozícii vyskúšané technológie, napríklad pyrolýza. Drevo však patrí medzi biomasy, ktoré sa dajú energeticky efektívne využiť priamym spaľovaním. Preto jeho splyňovanie môže byť opodstatnené len vo výnimočných prípadoch, a to tým viac, že výhrevnosť drevného plynu je dosť nízka, 10–12 MJ/m3, v dôsledku pomerne vysokého obsahu dusíka a oxidu uhličitého.

 

4.  Hodnotenie výroby bioplynu

 

Vzhľadom na podobnosť fyzikálnych a chemických vlastností zemný plyn je vhodné využiť pri hodnotení výroby bioplynu ako etalón. Zjednodušený predpoklad, že účinnosti ich konverzie na konečné energie sú rovnaké neznamená, že sú energeticky rovnocenné, lebo v dôsledku rozdielneho zloženia majú rôzne výhrevnosti. Ukazovateľom porovnateľnosti môže byť, že množstvo vyrobeného bioplynu mBPN akým množstvom mZPN zemného plynu je rovnocenný. Z rovnice

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                   (23)

vyplýva

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                          (1)

 

kde    Hu,BPN  -  výhrevnosť bioplynu,

            Hu,ZPN  -  výhrevnosť zemného plynu.

 

Proces výroby bioplynu je účelné hodnotiť výnosnosťou výroby, ktorú možno definovať ako pomer množstva vyrobeného bioplynu mBPN a množstva spotrebovanej biomasy mbio:

 

 VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                                                                                               (2)

Rovnocenný výnos zemného plynu:

 

 VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                        (3)

 

Rovnako sa dá vyjadriť aj energetický ekvivalent výnosnosti výroby bioplynu:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                       (4)

 

        Parametre výroby bioplynu vyjadrené predchádzajúcimi vzťahmi však nezohľadňujú  teplo Q odvedené z prvotného a druhotného fermentora. Preto je účelné zaviesť na hodnotenie merný výnos energie, ktorý možno definovať vzťahom

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                    (5)

 

Podobne možno zohľadniť výrobu tepla aj v definícii účinnosti

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                                                              (6)

 

ktorou sa dá energetická efektívnosť výroby bioplynu  rovnocenne hodnotiť. 

 

5. Technológie kombinovanej výroby elektriny a tepla na báze bioplynu 

 

V súčasnosti viac či menej sa aplikujú tri základné koncepcie pri energetickom využívaní bioplynu:

• kombinovaná výroba elektriny a tepla, prípadne len monovýroba tepla priamo v bioplynovej stanici, zásobovanie teplom spotrebičov v blízkom okolí a dodávka elektriny do verejnej siete,

• výroba biometánu znížením koncentrácie oxidu uhličitého v bioplyne absorpciou a jeho dodávka do plynovodnej siete, v ktorej môže plnohodnotne nahradiť zemný plyn.

• výroba biometánu, jeho skvapalnenie a využívanie na pohon dopravných prostriedkov.

 

Vzhľadom na pomerne náročnú logistiku energetického využívania bioplyn rovnako ako aj pevné biopalivá najefektívnejšie sa dajú využiť v regionálnych energetických koncepciách. Ak nie je možné využiť v plnej miere teplo vyrobené z bioplynu je účelné z neho vyrábať biometán, ktorý sa efektívnejšie využíva ako pohonná látka v doprave. Pri dodávke do plynovodnej siete môže byť rovnako neefektívne využívaný výhradne alebo prevážne na monovýrobu tepla ako v súčasnosti zemný plyn.

 

Z týchto príčin aj preto, lebo biopalivá sa najefektívnejšie využívajú pri kombinovanej výrobe elektriny a tepla, ak vyrobeným teplom nahradíme monovýrobu tepla na báze zemného plynu, technológiam KVET je nutné venovať zvýšenú pozornosť. Vzhľadom na reálne výkonové možnosti bioplynových staníc do úvahy prichádzajú hlavne plynové motory, plynové turbíny a palivové články.

 

a) Technológie KVET s plynovými motormi

Pri decentralizovanom využívaní bioplynov v súčasnosti sú najviac rozšírené plynové motory. Významnejší výrobcovia pri motoroch na pohon so zemným plynom a dieslových motoroch majú vo výrobnom programe aj motory, na pohon ktorých možno využiť aj mennej kvalitné plyny ako sú rôzne druhy bioplynu. Od takých motorov je už len krôčik ku kombinovanej výrobe elektriny a tepla.

 

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU

Obr. 4  Principiálna schéma kombinovanej výroby elektriny a tepla z bioplynu pomocou kogeneračnej jednotky s plynovým motorom

 

 

Plynové motory umožňujú realizovať kombinovanú výrobu elektriny a tepla z bioplynu v širokom intervale výkonov, od niekoľko kW až do niekoľko MW podľa principiálnej schémy na obr. 4.

Ukazovatele energetickej efektívnosti kombinovanej výroby elektriny a tepla z bioplynu závisia od vymedzenia hranice prívodu energie. Celková účinnosť vzťahovaná na množstvo využitého bioplynu sa dá vyjadriť vzťahom:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                              (7)

 

Ak vzťahujeme na spotrebované množstvo bioplynu:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU    >         VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                    (8)

 

Pre modul teplárenskej výroby elektriny dostaneme:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                                        (9)

 

Ak uvažujeme len kogeneračnú jednotku napr. preto, lebo nie je súčasťou bioplynovej stanice a teplo  sa využíva nezávisle na nej, celková účinnosť bude daná rovnakým vzťahom ako v prípade prevádzkovania so zemným plynom:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                    (10)

 

Pre modul teplárenskej výroby elektriny pritom bude platiť:

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU                                                                                           (11)

 

b) Technológie KVET s plynovou turbínou

Uprednostnenie plynových turbín pred motormi môže byť z niekoľkých hľadísk opodstatnené. Ich používanie je jednoznačne výhodnejšie v prípadoch, ak tepelný výkon je nutné generovať parou napr. pre zabezpečenie technologických procesov hlavne v chemickom a potravinárskom priemysle. Vo všeobecnosti sa uprednostňujú v oblasti najväčších výkonov, keď výraznejšie sa prejavuje výhoda menších rozmerov a hlavne v prípadoch, keď – nezávisle na veľkosti výkonu – kvalita bioplynu je taká nízka, že jeho spaľovanie v piestovom motore by bolo problematické.

 

V oblasti najmenších výkonov možno očakávať zvýšenie záujmu o mikroturbíny, u ktorých nižšia účinnosť je vyvážená vyššou spoľahlivosťou a životnosťou a nižšími nárokmi na kvalitu bioplynu.

 

Principiálna schéma využívania bioplynu kogeneračnou jednotkou s plynovou turbínou je znázornená na obr. 5 s parametrami energetickej bilancie Hodnotenie energetickej efektívnosti kombinovanej výroby elektriny a tepla je rovnaké ako v prípade plynového motora, teda na základe vzťahov (7) až (11).

 

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU

Obr. 5  Principiálna schéma kombinovanej výroby elektriny a tepla z bioplynu pomocou kogeneračnej jednotky s plynovou turbínou

 

 

c) Technológie KVET s palivovým článkom

Pre pomerne vysoký obsah metánu (bežne 60–65 %) bioplyny sú vhodné pre využitie v palivových článkoch aj bez úpravy na biometán. Princíp kombinovanej výroby elektriny a tepla z bioplynu v kogeneračnej jednotke s palivovým článkom je zrejmý zo zjednodušenej schémy na obr. 6.

 

 

VYUŽÍVANIE SPLYŇOVANEJ BIOMASY PRE VÝROBU

Obr. 6  Principiálna schéma kombinovanej výroby elektriny a tepla z bioplynu pomocou kogeneračnej jednotky s plynovou turbínou

 

 

Bioplyn (G) sa dopravuje do reformera, v ktorom jeho obsah metánu reaguje s prehriatou vodnou parou – za prítomnosti katalyzátora z niklu – a pri teplote 900 °C sa premení na vodík a oxid uhoľnatý. Následne v konvertere sa premení obsah oxidu uhoľnatého – za prítomnosti katalyzátora z medi – pri teplote 300 °C na vodík a oxid uhličitý. K anóde palivového článku sa tak dostane plyn bohatý na vodík. Chemická energia vodíka v palivovom článku sa v elektrochemickom procese pri vysokej teplote premení na elektrickú energiu (E). V procese premeny energie vzniká teplo, z ktorého pochádza druhý užitočný produkt KVET, teplo (Q).

 

6. Záver

 

Vzhľadom na takmer 100 %-nú závislosť na dovoze zemného plynu pri jeho dominantnom podiele na zásobovaní teplom nevyspytateľnosť politického a hospodárskeho vývoja štátov vyvážajúcich plyn znamená značné riziko pre naše národné hospodárstvo. Aj keby sa to podarilo zmierniť napr. postavením plynovodu NABUCCO, treba počítať s nepríjemným faktom, že zásoby zemného plynu sa rýchlo míňajú a v nie veľmi vzdialenej budúcnosti aj bez politických príčin sa môže obmedziť, alebo aj celkom zastaviť zásobovanie jednoducho kvôli nedostatku plynu.

 

Podľa údajov ministerstva hospodárstva a výstavby potenciál biomasy na Slovensku predstavuje 6 900 TJ. Je zrejmé, že aj úplným využitím tohto potenciálu by bolo možné nahradiť len pomerne malú časť spotreby zemného plynu. Avšak aj čiastočné využitie môže byť veľkým prínosom k zvyšovaniu miery energetickej sebestačnosti, k tvorbe nových pracovných príležitostí a znižovaniu zaťaženia životného prostredia hlavne vo vidieckych regiónoch. Jednou z podmienok je veľmi seriózna príprava procesov výroby a využívania bioplynu komplexne v každom konkrétnom prípade, aby celkový prínos bol čo najväčší pri prijateľných nákladoch.

 


Článok súvisí s riešením projektov VEGA 1/0976/11, VUKONZE – OP Výskum a vývoj a KNOWBRIDGE – 7. RP č.229747


doc. Ing. Ladislav Böszörményi, PhD., Ing. Ladislav Böszörményi, Ing. Martin Gavlik
Stavebná fakulta TU v Košiciach, Ústav budov a prostredia, Vysokoškolská 4, 042 00 Košice
tel.: 055-6024284, e-mail: ladislav.boszormenyi@tuke.sk

 

Literatúra

[1] Büki, G.: Kapcsolt energiatermelés. Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2007.

[2] Smernica Európskeho parlamentu a rady 2009/28/ES o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov, www.economy.sk

[3] Stratégia vyššieho využívania obnoviteľných zdrojov energie v SR. Ministerstvo hospodárstva a výstavby SR www.economy.sk. 

[4] Oznámenie komisie. Akčný plán o biomase SFK(2005) 1573, www.economy.sk

[5] Akčný plán využívania biomasy. Ministerstvo hospodárstva a výstavby, www.economy.sk