Využití tepla z bioplynové stanice

Je snaha některých politiků omezit podporu bioplynových stanic opravdu racionální, nebo je ovlivněna především neblahým vývojem v podpoře fotovoltaických elektráren? Zdá se, že debata na toto téma se bude ještě dlouho a v různých podobách vracet. Zvláště když k tomu přistoupily požadavky státu na větší využití tepla z kogenerační jednotky.

Podle Národního akčního plánu pro obnovitelné zdroje (NAP) z roku 2010 by v roce 2020 měly být v ČR v provozu bioplynové stanice o celkovém instalovaném výkonu 417 MWe a vyrábět okolo 3000 GWhe ročně, tedy asi dva a půl násobek dnešní hodnoty. Celkem je tedy možné očekávat potenciál disponibilního tepla ve výši asi 8500 TJ ročně (za předpokladu převažující výroby v kogeneračních jednotkách). Jakkoli je tato tepelná energie velmi rozptýlená a často obtížně využitelná z důvodů umístnění bioplynové stanice, s ohledem na uvedený potenciál se jistě vyplatí uvažovat o celkové strategii jejího využití, už jen s ohledem na stále citlivější diskusi ohledně zajištění dodávek tepla v budoucnu.

 

Požadavky na využití tepla

Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu ČR (ERÚ) stanoví podmínku využití tepla následovně: „U bioplynových stanic kategorie AF 1 uvedených do provozu po 1. lednu 2012 včetně je podmínkou pro poskytnutí podpory výroba a efektivní využití vyrobené tepelné energie minimálně v úrovni 10 % vůči vyrobené elektřině v daném roce, s výjimkou elektřiny pro technologickou vlastní spotřebu elektřiny a tepla.“.

Je pravděpodobné, že v průběhu letošního roku bude společným stanoviskem Energetického regulačního úřadu (ERÚ) a Státní energetické inspekce (SEI) stanoveno, jaké způsoby využití tepla jsou či nejsou považovány za efektivní využití a jakým způsobem bude prováděna kontrola. Současně je očekáváno nastavení pravidel pro využití tepla pro další období a to jak příslušnou prováděcí vyhláškou tak případně cenovým rozhodnutím platným pro rok 2012.  

 

Spotřeba na provoz BPS

Spotřeba tepla na technologické procesy v BPS zahrnuje ohřev substrátu a krytí tepelných ztrát pláštěm fermentoru. Pro výpočet spotřeby tepla na ohřev substrátu je uvažováno množství vstupní hmoty ředěné asi na 10% obsah sušiny. Tento materiál je ohříván z průměrné teploty substrátu (uskladněného obvykle ve venkovních jímkách) v dané lokalitě na cca 40 °C. Spotřeba tepla na vlastní technologii BPS se pohybuje v rozmezí 10-30 % celkové produkce využitelného tepla v kogenerační jednotce.

 


Dodávka tepla pro CZT

Pro dodávku tepelné energie pro centralizované zásobování teplem (CZT) je zásadním faktorem dosažitelnost odběrného místa s dostatečnou spotřebou energie a vhodným odběrovým diagramem. Čím blíže se nachází odběrné místo od zdroje energie (kogenerační jednotky), tím nižší náklady představuje investice do vybudování teplovodní přípojky. Nejvýhodnější je vždy dodávka energie do centrální kotelny již existujícího systému CZT, odpadají náklady spojené s rozvodnou sítí a přípojkami.

Alternativní možností je namísto teplovodu, resp. horkovodu vybudovat rozvody bioplynu. Kogenerační jednotka bude v tomto případě instalována co nejblíže odběrného místa, bioplyn jímaný z fermentačního procesu bude přiveden přímo k jednotce. Nevýhodou tohoto způsobu je nutnost instalace dvou kogeneračních jednotek, jedné u odběrného místa a druhé v místě BPS, která zajistí energii potřebnou k pokrytí technologického tepla BPS.

Kogenerační jednotka může být zapojena do systému tak, aby umožňovala předehřev vratné topné vody. Tento způsob umožňuje využít veškeré dodané teplo.

Jedním z příkladů fungujícího systému zásobování teplem z bioplynové stanice je vytápění celého sídliště v Jaroměři. Provozovatel bioplynové stanice o výkonu 1,4 MW vybudoval teplovod o délce zhruba 2 km nákladem zhruba 12 mil. Kč. Sídliště spotřebuje okolo 20 000 GJ tepla ročně. Téměř veškerou tuto potřebu pokrývá teplo z bioplynové stanice, původní plynové kotle jsou uchovány jako rezerva a doplňkový zdroj v případě extrémních mrazů. Konečná cena tepla byla v roce 2011 ve výši přibližně 480 Kč/GJ.

 

 

Využití v zemědělských areálech


Kogenerační jednotka je v tomto případě zapojena jako hlavní zdroj tepla, pokrývající převážnou část či veškerou potřebu tepelné energie. Teplotní spád takto zapojeného systému odpovídá teplotnímu spádu získanému na výměnících kogenerační jednotky (obvykle 90/70 °C). Jedná se především o vytápění a přípravu teplé vody v administrativních budovách, halách pro chov zvířat, dílenských provozech, skladech apod.

 

Vždy je potřeba vzít v úvahu skutečnou potřebu tepla v těchto objektech, tj. dodržet zákonné a normové požadavky na energetickou náročnost či tepelně-technické parametry jednotlivých konstrukcí a výměny vzduchu.

Další možnosti využití tepla představuje například: Odchov kuřat, chov teplomilných ryb, pěstování skleníkových plodin s vyššími nároky na teplotu a dodávka jiným odběratelům v blízkém okolí

·       Sušení


Teplo z kogenerační jednotky je možné využít pro přímý ohřev sušícího média či pro jeho předehřev a následný dohřev jiným zdrojem tepla.

Teplo z bioplynové stanice je využitelné ve většině používaných typů sušáren. Vždy je však potřeba dbát na dodržení technologické kázně a pro každou komoditu je potřeba volit vhodný režim sušení. Ne vždy je tak možné využít veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky.

– Sušení digestátu


Digestát je možné sušit buď přímo, nebo po separaci na sítových nebo bubnových separátorech. Separát je možné po sušení použít jako hnojivo, nebo pro výrobu pelet či briket. Pro zpracování úsušků se obvykle požaduje konečná vlhkost v rozmezí 10 – 15 %. Z energetického hlediska je výhodné udržovat podíl sušiny okolo 88 %, aby se materiál nepřesoušel a byl stabilizován na skladování. Přímým sušením lze sušit pouze část digestátu, na usušení celého množství není množství tepla dostatečné.

Pro sušení digestátu se používají pásové sušárny konstruované pro různé výkonové velikosti bioplynových stanic a pracující s teplotou 80 – 120 °C.

– Sušení produktů


Sušení produktů rostlinné výroby závisí na jejich druhu a době sklizně, obvykle probíhá od července do listopadu. V případě zajištění dostatečných skladovacích kapacit je teoreticky možné zajistit i kontinuální celoroční provoz sušárny. Nejčastěji jsou sušeny ječmen, řepka, pšenice, kukuřice, senáž, mláto a další. 

V případě, že je k dispozici dostatek tepla z bioplynové stanice je možné je využít i k sušení sena, a to bez nutnosti instalovat kondenzátor a tepelné čerpadlo. Středotlaký ventilátor vhání teplo z bioplynové stanice do kanálu pod objektem sušárny. Je potřeba hlídat teplotu vzduchu a dobu sušení, aby nedošlo k poškození sena vysokou teplotou.

Z hlediska návrhu velikosti sušárny je důležité správně stanovit disponibilní výkon kogenerační jednotky v jednotlivých měsících provozu. Na základě disponibilního výkonu kogenerační jednotky a ročního odběrového diagramu tepla (je-li využíváno pro vytápění) je možné dimenzovat potřebný výkon sušárny. Uskladněním zemědělských komodit určených k sušení je možné optimalizovat a prodloužit provoz sušárny a ovlivnit tak i návrh jejího výkonu.

Doba sušení a množství usušených komodit jsou též závislé na počáteční a konečné požadované vlhkosti (resp. obsahu sušiny). Někteří dodavatelé uvádí požadavek na maximální vstupní vlhkost sypkých surovin okolo 50 %. Výstupní vlhkost bývá požadována mezi 10 – 25 % dle druhu sušené komodity a požadavků odběratele.

– Sušení pilin a dřevní štěpky


Výhodou sušení štěpky oproti sezóním zemědělským komoditám je možnost celoročního sušení. Požadavek na nízký obsah vlhkosti na výstupu ze sušárny (7 až 20 %) a tedy i vysoké odsušky vlhkosti (až 50 %) zvyšuje energetickou náročnost sušení vztaženou na jednotku objemu. Jedná se často o energeticky náročnější proces než v případě zemědělských komodit.

Vysušené zemědělské komodity, piliny a dřevní štěpku je dále možné využít k výrobě pelet. Technologie peletování z rostlinné biomasy je v podstatě shodná s technologií využívanou u výroby dřevních pelet. Některé rostliny mají vhodnou vlhkost do 15 % již při sklizni a není je tedy nutné dále dosoušet, ostatní je nutné sušit. Peletování je vhodnou doplňkovou činností sušení zemědělských komodit, pilin a dřevní štěpky.

– Sušení dřeva


Umělé sušení dřeva se liší od přirozeného sušení tím, že do hráně složeného řeziva se v sušárně nuceně přivádí teplý vzduch ventilátorem a teplota sušícího vzduchu má teplotu vyšší než je běžná teplota venkovního vzduchu při sušení přirozeném. Při umělém sušení se běžně používá teplota sušícího vzduchu do 100 °C.

Sušení kusového dřeva je logisticky a provozně náročnější než sušení plodin zemědělské výroby. Na rozdíl od sypkých materiálů nelze použít kontinuální provoz sušení. Nejčastěji používaným typem sušáren v aplikacích na bioplynové stanice jsou sušárny komorové, v nichž probíhá sušení v opakovaných cyklech. Tento proces je logisticky náročný a neumožňuje rovnoměrný kontinuální odběr tepla z bioplynové stanice.

Důležitým faktorem při návrhu velikosti a množství sušáren řeziva je provedení předchozího průzkum dostupnosti dostatečného množství řeziva k sušení. Je-li dostatek sušeného materiálu je možné optimalizovat velikost a počet jednotek tak, aby bylo možné využít téměř veškeré disponibilní teplo z kogenerační jednotky. Reálně však není technicky možné využít 100 % dostupného tepla.

 

·       Vytápění skleníků a využití CO2


Pro vytápění skleníků s využitím tepla z kogenerační jednotky se principielně nabízejí dva způsoby. Prvním je instalace teplovzdušných jednotek s výměníkem voda-vzduch. Výhodou tohoto typu distribuce je rovnoměrné rozložení teploty v celém objemu a použitelnost ve všech druzích skleníků. Druhým způsobem je instalace teplovodního otopného systému (stropní, stěnové, podlahové, radiátorové). Použitelnost tohoto systém závisí na konkrétních podmínkách. Výhodou je nižší spotřeba elektrické energie oproti teplovzdušnému systému.

Zajímavou aplikací, prozatím využívanou zejména v Holandsku, je využití emisí CO2 vznikajících při spalování plynu v kogeneračních jednotkách. Rostliny jej využívají jako zdroj uhlíku.

 


Průmyslové využití

Využití odpadního tepla z kogenerace je možné najít i v technologiích nejrůznějších průmyslových odvětvích, a to nikoli pouze pro vytápění provozních budov, nebo temperování hal. Dobré podmínky pro využití tohoto tepla jsou např. v potravinářském, chemickém, textilním nebo papírenském průmyslu. Uplatnění se nalezne v procesech jako je čištění a mytí, sušení, předehřev technologické vody pro parní systémy nebo ohřev technologické vody v průmyslových lázních a vanách.

 


Absorpční chlazení

Při kombinované výrobě tepla, elektřiny a chladu v BPS je zdrojem pro výrobu chladu teplo z kogenerace. Na rozdíl od obvyklého použití kompresorového chlazení, které potřebuje pro svůj provoz elektřinu, je pro provoz absorpčního chlazení zapotřebí pouze tepelná energie a elektřina pro provoz oběhového čerpadla.

Přeměna tepla v chlad je možná dvěma způsoby, absorpcí a adsorpcí. Rozdíl mezi absorpcí a adsorpcí spočívá v dosažitelné teplotě chladiva a v potřebné teplotě topné vody (zdroje tepla).

Výhodou absorpčního chlazení je nízká potřeba údržby (pouze oběhové čerpadlo okruhu pracovní látky), malá spotřeba elektřiny a použití ekologického chladiva v porovnání s kompresorovým chlazením.

Absorpční chlazení lze využít pro chlazení, případně klimatizaci v budovách, obchodních centrech, nemocnicích, chladírnách ovoce a zeleniny, pro chlazení mléka, skladů potravin a v průmyslových provozech.

 


Generátor s ORC turbínou

Organický Rankinův cyklus (ORC) je modifikací elektrárenského Rankine – Clausiova cyklu, od kterého se liší typem pracovního média. Namísto vodní páry pohánějící turbínu se zde používá organická kapalina s nižší teplotou vypařování při stejných pracovních tlacích.

V případě pístového motoru je jako výparník, v němž je předána energie primárnímu okruhu, využit nejčastěji spalinový výměník. Minimální parametry vstupního média jsou dle výrobce ORC jednotky a druhu média v rozmezí 88 až 135 °C. Velikost ORC jednotek využitelných pro tyto účely se pohybuje v rozmezí asi 10–200 kWe. Celkový tepelný výkon kogenerační jednotky potřebný k provozu ORC je asi 7,0–15,0 kWt/kWe výkonu ORC.

ORC zařízení předpokládá připojení na spalinový výměník kogenerační jednotky a její roční využití ORC jednotky může být za ideálních podmínek rovno ročnímu využití kogenerační jednotky, tedy až 8500 hodin.

 

Shrnutí

Každý provozovatel bioplynové stanice je motivován ke zvyšování efektivnosti a to jak na straně optimalizace vlastní technologické spotřeby, tak na straně využití produkce tepla.  

Jde o vytápění jednotlivých objektů v rámci zemědělského areálu, nebo dodávku tepla třetím osobám (např. provozovatelům městských kotelen apod.) pomocí horkovodu. Alternativou může být i vedení bioplynu a produkce tepla až v místě odběru. V místech s obtížnou dodávkou do místních teplovodů se nabízí sušení zemědělských plodin, případně sušení koncového produktu fermentačního procesu (separátu) nebo dřeva, resp. jiné biomasy. Praktický potenciál může mít i vytápění skleníků s využitím produkovaného CO2, průmyslové využití tepla, absorpční chlazení nebo využití tepla pomocí ORC turbíny.

Využití tepla z BPS je u nás podpořeno cenovým rozhodnutím ERÚ a také v Německu je vyžadováno novelou zákona. Z hlediska požadavků na hospodaření s energií jde o přirozenou a logickou podmínku a lze předpokládat, že trh tímto dostane nový impuls a přibydou nové inspirativní a inovativní projekty.

Jedním z cílů nově ustaveného sdružení Klastr bioplyn, dotovaného z operačního programu Podnikání a inovace a Ministerstvem průmyslu a obchodu, je zvýšení energetické efektivnosti bioplynových stanic podpořit a inovativní a účinné postupy šířit v praxi.

 

Článek je zpracován v rámci projektu Klastr bioplyn (www.klastrbioplyn.cz)

 

Ing. Miroslav Šafařík, Ph.D., a kol.

 

Celý článek je uveřejněn v čísle 2/12 časopisu Energie 21.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *