Bioplynové stanice a využití odpadního tepla

Zvyšující se požadavky naší rozrůstající se společnosti kladou vyšší nároky také na spotřebu energií. To je také důvodem, proč dnes stále častěji slýcháváme pojem „Obnovitelné zdroje energie”. Na rozdíl od vyčerpatelných zdrojů energie, jakými jsou například ropa, uhlí nebo zemní plyn, se u obnovitelných zdrojů počítá s jejich obnovením v „lidsky” postřehnutelném časovém měřítku. Vzhledem ke svému charakteru řadí zákon č. 165/2012 Sb. o podporovaných zdrojích energie mezi tyto zdroje také bioplyn. Na rozdíl od předchozích let však nedochází k tak intenzivní výstavbě nových bioplynových stanic, jak se původně očekávalo. Optimistické předpoklady neuvažovaly o změnách podpory těchto zdrojů energie.

Historie využití bioplynu a bioplynových stanic

Přestože první poznatky o existenci hořlavého plynu, který vzniká přírodními procesy, jsou staré již několik století, s intenzivním výzkumem tohoto procesu se začíná od 30. let dvacátého století. Až následně jsou k výrobě využívány další suroviny, jako jsou odpady z potravinářství a zemědělství. S výrobou bioplynu byly zpočátku spojeny zejména provozy čistíren odpadních vod, na kterých byl také prvně využíván. V tomto případě se mu říkalo kalový plyn. Přibližně od dvacátých let, kdy dochází k vývoji a zdokonalování způsobů zpracování čistírenských kalů se kalový plyn začíná používat v elektrických motorgenerátorech a pohonu motorových vozidel.

Nejstarší nepřetržitě provozovaná bioplynová stanice v České republice se nachází v Třeboni. Je v provozu již od roku 1974. Původní instalovaný výkon byl 175 kW elektrické a 226 kW tepelné energie. V roce 2009 došlo k jejímu rozšíření, včetně výstavby prvního 4,4 km dlouhého bioplynovodu v ČR, a k instalaci nové kogenerační jednotky.

K významnější výstavbě bioplynových stanic na území České republiky přitom dochází po roce 2005. Odhadovaný počet bioplynových stanic ke konci roku 2016 je více než 550 [1].

Technologické prvky bioplynových stanic

Celkové množství a jednotlivé druhy funkčních zařízení a jejich parametry jsou závislé na každém konkrétním návrhu bioplynové stanice. Rozhodující pro každý návrh je zejména typ substrátu na vstupu. Z tohoto hlediska rozlišujeme tři typy bioplynových stanic – zemědělské, průmyslové a komunální. Dle výkonu lze bioplynové stanice rozlišovat na malé (do 225 kW), střední (do 550 kW) a velké BPS (nad 550 kW) [2].

Dle obsahu sušiny substrátu můžeme bioplynové stanice dělit na bioplynové stanice s technologií tekuté fermentace a na bioplynové stanice s technologií netekuté fermentace. Dalším hlediskem pro rozdělení bioplynových stanic může být způsob dávkování. To může být kontinuální, semikontinuální a vsázkové. Také teplota, při které ve fermentoru vzniká bioplyn, může být jedním z dělících kritérií. Vzniká-li bioplyn ve fermentoru v teplotním rozmezí 15–20 °C, hovoříme o psychrofilní fermentaci, v rozmezí 32–40 °C o mezofilní fermentaci a v rozmezí 42–55 °C o termofilní fermentaci. Nejčastěji se využívá mezofilní a termofilní fermentace.

Vstupní substrát (příklad na obr. 1) prochází technologickými prvky bioplynové stanice postupně, přičemž prvním prvkem bývá zpravidla skladovací nádrž. Ta slouží k vyrovnání nekontinuity dodávek do bioplynové stanice. Před vstupem do fermentoru může vstupní materiál vyžadovat úpravu. Ta probíhá v přípravné nádrži a dochází v ní především k ohřevu a homogenizaci materiálu – rozmělňování a drcení, aby se zvětšil povrch částic substrátu. Větší povrch je důležitý pro přístup mikroorganismů účastnících se tvorby bioplynu.

V této fázi může také docházet k ředění nebo hygienizaci substrátu. Ta probíhá u substrátu, který by mohl být infekční (například vedlejší živočišné produkty). Pokud je přítomna, bývá prováděna před homogenizací.

Samotný bioplyn vzniká prostřednictvím biochemických reakcí ve fermentoru, hlavní části každé bioplynové stanice. Z konstrukčního hlediska mohou být fermentory konstruovány jako horizontální nebo vertikální a dle zasazení do terénu jako podzemní nebo nadzemní. Součástí fermentoru bývají míchadla a topná tělesa zajišťující provozní teplotu.

Vznikající bioplyn je skladován v plynojemu. Ten však může být součástí samotného fermentoru. Velikost plynojemu je dána produkcí a spotřebou bioplynu. V případě, že dojde k nadprodukci bioplynu, jež nelze skladovat, bývají bioplynové stanice vybaveny řízenými hořáky (fléry).

Generování elektrické energie a tepla zajišťuje kogenerační jednotka. Využití kogenerační jednotky k výrobě elektrické energie a tepla je pouze jednou z možností jak bioplyn využívat. Dalšími možnostmi využití je například přímé spalování (ohřev, sušení, apod.) nebo trigenerace, kdy je kogenerační jednotka napojena ještě na chladící jednotku. Na trhu je dostupných mnoho druhů kogeneračních jednotek. Zpravidla se při využití kogeneračních jednotek jedná o cca 35;40 % produkce elektrické energie a 45;55 % tepelné energie.

Podpora tepla z bioplynových stanic

Od 1. ledna 2016 vešel v platnost zákon č. 131/2015 Sb., který změnil znění zákona o podporovaných zdrojích energie. Možná podpora vyplývá z § 24 odst. 4, kde se píše o provozní podpoře tepla, která se vztahuje na užitečné teplo z výroben tepla. V tomto ustanovení se uvádí také několik poměrně přísných pravidel pro její získání. Výrobna tepla (bioplynová stanice) musí být umístěna na území ČR a musí splňovat minimální účinnost užití energie stanovenou prováděcím právním předpisem. Bioplynová stanice musí mít instalovaný elektrický výkon do 500 kW.

Další podmínkou je také složení vstupního materiálu pro výrobu bioplynu, z něhož bude získávána tepelná energie. Ten musí být z více než 70 % tvořen statkovými hnojivy a vedlejšími produkty živočišné výroby anebo z biologicky rozložitelného odpadu [3]. Podporován může být pouze držitel licence na výrobu tepelné energie, který vyrábí tepelnou energii z obnovitelných zdrojů. Chce-li podnikatel uvažovat o podpoře, nesmí při plánování nového projektu zapomenout správně interpretovat termín „užitečné teplo”. Tento termín je uveden v zákoně o podporovaných zdrojích energie jako „teplo vyrobené v procesu kombinované výroby elektřiny a tepla k uspokojování poptávky po teple a chlazení, která nepřekračuje potřeby tepla nebo chlazení a která by byla za tržních podmínek uspokojována jinými procesy výroby energie než kombinovanou výrobou elektřiny a tepla” (cit. zákon). Jako příklady přípustných způsobů uplatnění užitečného tepla můžeme při splnění dalších podmínek uvést například vytápění budov, dodávky tepla do soustavy zásobování tepelnou energií, sušení, vytápění objektů pro chov hospodářských zvířat nebo pěstování rostlin ve sklenících.

Provozní podpora tepla se dle zákona o podporovaných zdrojích energie nevztahuje na teplo vyrobené ve výrobně tepla dle odstavce 4, na které současně výrobce uplatňuje podporu na elektřinu z obnovitelných zdrojů. Typický provoz bioplynových stanic zaměřených na výrobu elektrické energie s nárokem na podporu a výrobu bioplynu ze zemědělských plodin není dále podporován.

Dle cenového rozhodnutí ERÚ 3/2017, platného od 1. ledna 2018 je cena provozní podpory pro výrobny tepla z bioplynu zpracovávající převážně statková hnojiva a vedlejší produkty živočišné výroby i biologicky rozložitelný odpad, uvedených do provozu mezi 1. 1. 2016 až 31. 12. 2018, stanovena na 830 Kč/GJ. (Energetický regulační věstník 23. 9. 2017) [4].

Vybrané možnosti využití tepla produkovaného bioplynovými stanicemi

Teplo vznikající na bioplynové stanici lze pomyslně rozdělit na teplo, které je využíváno při samotném technologickém procesu bioplynové stanice a teplo, které lze dále využít. Technologické teplo se využívá zejména pro ohřev substrátu vstupujícího do reaktoru bioplynové stanice a pro ohřev samotného reaktoru na příslušný teplotní rozsah. Další technologickou součástí využívající teplo může být hygienizace. Množství technologického tepla pro tyto účely je tedy ovlivněno teplotou okolí a teplotou vstupních surovin. Spotřeba technologického tepla tvoří přibližně 10–30 % celkové produkce tepla vyprodukované kogenerační jednotkou.

Jedním z příkladů využití tepla mimo spotřeby bioplynové stanice jsou dodávky do systému centrálního zásobování teplem. Teoreticky se nabízí dva způsoby. Prvním z nich je dodávka tepla pomocí teplovodu nebo horkovodu do odběrného místa. Hlavními aspekty takové realizace jsou zejména vzdálenost od samotné bioplynové stanice, spotřeba energie a odběrový diagram. Druhým způsobem je umístění kogenerační jednotky k odběrnému místu. To znamená, že místo horkovodu se budují rozvody bioplynu.

Důsledkem však je skutečnost, že bude nutné zajistit zdroj technologického tepla, tzn. druhou kogenerační jednotku. Přesto, že se jedná o logické spojení produkce a odběru tepla, důvodem proč nejsou tyto způsoby běžné již dnes, jsou vysoké investiční náklady. Řešením by mohlo být umístění bioplynové stanice blíže k odběrným místům tepla. To však naráží mimo jiné na společenské problémy, které zastávají myšlenku „bioplynová stanice zapáchá”. Takové odběrné místo navíc spotřebovává teplo převážně v zimních měsících. Naskýtají se proto možnosti využití tepla v blízkosti bioplynové stanice, které mohou souviset s činnostmi provozovatele této stanice. Může se jednat o procesy sušení zemědělských nebo lesnických produktů, vytápění skleníků či jiných produkčních prostor. Sušení zemědělských produktů je však opět otázkou doby sklizně a rozhodně neznamená spotřebu tepla v průběhu celého roku.

Možným spojením se tedy může stát spojení více technologií využívajících teplo, jako jsou sušení zrna v létě a ohřev výrobní haly v zimě. Uvádět teoretické výpočty je poměrně obtížné z důvodu optimalizace vstupních dat, které se mohou velmi lišit ať už v případě vytápění objektů či v případě sušení. Uvedeme si zde velmi zevrubný příklad týkající se možnosti vytápění haly a možnosti zásobování domácností teplem, abychom dostali teoretickou představu, o jakých možnostech se dá v případě využití tepla z bioplynové stanice uvažovat.

Vezmeme v úvahu bioplynovou stanici s maximálním, podporovaným výkonem 500 kW elektrické energie. Tato hodnota představuje přibližně 42 % energie paliva (bioplynu). Je to účinnost, s jakou jsou schopné kogenerační jednotky tuto energii využít k tvorbě elektrické energie. Další části energie jsou využity na pohon mechanických částí kogenerační jednotky a na teplo, které je nutné odvádět, aby byly zachovány provozní teploty. Jedná se tedy o teplo přirozeně vznikající při provozu kogenerační jednotky. Celkový tepelný výkon tedy může představovat asi 45 % energie paliva, což bude v našem případě 536 kW. V idealizovaném případě nám bude k dalšímu využití k dispozici jen 430 kW tepelné energie (více energie bude přeměněno na elektřinu, poznámka redakce).

Nyní se budeme zabývat otázkou tepelných ztrát výrobní haly, respektive tepelného výkonu potřebného k vytápění. K tomu bychom opět potřebovali znát technické parametry dílčích částí budovy. My však pro představu můžeme použít zjednodušený výpočet, kdy víme, že na vytápění 1 m³ za extrémního rozdílu teplot 30 °C může být zapotřebí přibližně 30–60 W. Budeme-li uvažovat 40 W, pak bychom 430 kW byli schopni vytápět objem 10 780 m³. Což jsou například tři haly o délce 40 m, šířce 18 m a výšce 5 m. Uvedený příklad je sice počítán za velkého rozdílu teplot, avšak je zřejmé, že pro vytápění rozsáhlých průmyslových areálů není tepelný výkon podporovaných bioplynových stanic dostatečný.

V případě využití tepla pro spotřebu domácností budeme uvažovat přibližnou průměrnou spotřebu jednoho bytu v menší obci cca 20 MWh/rok. Při provozu bioplynové stanice 8 000 hodin za rok, dostáváme tepelnou energii 3 440 MWh/rok, což odpovídá 172 takovýmto bytům. Při počtu 2,2 osoby na byt se jedná o obec s přibližným počtem 378 obyvatel.

Uvedené výsledky mají pouze ilustrativní charakter. Při řešení reálného případu je třeba mimo jiné uvažovat minimálně kvalitu izolace haly (domácností), klimatické vlivy, sezónní rozdíly ve spotřebě tepla, ztráty při rozvodu tepla, a podobně [5].

Sušení plodin (v našich podmínkách zejména ječmene, řepky, kukuřice, siláže atd.) je dalším vhodným příkladem využití tepla. To může probíhat v konstrukčně rozdílných systémech sušáren. Metody pásového sušení, rourového sušení, bubnového sušení nebo šnekového sušení využívají kontinuální proudění ohřátého vzduchu na požadovanou teplotu. Speciální typy sušáren jsou využívány například pro sušení do hráně složeného řeziva. Zde totiž odpadá možnost kontinuálního sušení jako u sypkých materiálů. Konstruují se proto diskontinuální, komorové sušárny využívající teplotu do 100 °C a tlaku okolí. Mezi speciální metody sušení patří také kompresní sušení.

Důležitým aspektem sušení je tak teplota sušení a charakter materiálu. Ne všechny uvedené způsoby sušení jsou vhodné pro využití tepla produkovaného bioplynovou stanicí. Například bubnová sušárna využívá teplotu vzduchu k sušení 300–500 ° C, kdežto pásová sušárna je uzpůsobena k sušení již při teplotách 50–70 °C. Tato teplota teoreticky může odpovídat teplotě chladícího média kogenerační jednotky, která udržuje chod motoru za provozních podmínek 70–90 °C. Tím by se případně mohly snižovat investiční náklady na změnu provozní teploty celého systému.

Přesto, že se ve všech uvedených případech jedná o více či méně riskantní podnikatelské záměry, využití tepla z bioplynových stanic by mělo být logickou součástí využití kogeneračních jednotek bez zásahu legislativních a jinak regulovaných mechanizmů. Proto by původní myšlenky ekologie a obnovitelných zdrojů neměly zůstat jen nástrojem ekonomicky zřejmých technologií, ale všech jejich součástí.