Každoročně pořádaná konference o bioplynu a bioplynových stanicích se letos setkala s tak velkým zájmem, že jej organizátoři nebyli schopni uspokojit. A není divu, bioplynové stanice rostou jako houby po dešti. Dvoudenní setkání tentokrát nabídla více než dvacet příspěvků, které se tak či onak dotýkají výstavby a provozu bioplynové stanice.
Letošní třeboňské setkání s mezinárodní účastí neslo podtitul Výstavba a provoz bioplynových stanic. Akci jako každoročně pořádá ČOV Třeboň spolu s Českou energetickou agenturou, Třeboňským inovačním centrem a Třeboňskou rozvojovou společností. Mezi posluchači byli jak zájemci o výstavbu takového zařízení, čerství nebo mnohaletí provozovatelé takových stanic, tak také dodavatelé technologií, zástupci ekologických organizací a mnozí další. Své příspěvky přednesli odborníci nejen na vlastní bioplynové stanice a s tím úzce související problematiku, ale také odborníci na legislativu, ekonomiku a méně tradiční možnosti využití bioplynu.
Hned první přednáška se týkala aktuální situace ve výrobě a využití bioplynu. Posluchačům ji přednesl Miroslav Kajan a Richard Lhotský. V přednášce zaznělo, že si Česká republika stanovila cíl dosáhnout do roku 2010 8% podíl výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů z celkové spotřeby elektrické energie. V současnosti je tento podíl kolem 3,5 %, což představuje 2 340 GWh ročně. Z toho 1 915 GWh je vyrobeno ve vodních elektrárnách, 420 GWh je energie z biomasy, 4 GWh se podílí větrná energie a 0,03 GWh fotovoltaické systémy.
Má se zato, že v budoucnu se podíl elektrické energie vyrobené v hydroelektrárnách nebude již výrazně zvyšovat. Širšímu využití geotermální a sluneční energie k výrobě elektřiny brání investiční náklady, které zatím výrazně převyšují náklady u ostatních obnovitelných zdrojů energie (OZE). Omezujícím prvkem využití větrných elektráren je závislost na povětrnostních podmínkách, když se v ČR předpokládá jejich roční využití v rozmezí 1000 – 2000 hodin. Vzhledem k uvedeným skutečnostem se očekává největší nárůst výroby elektrické energie z biomasy. Jednak spalováním biomasy samotné nebo v kombinaci s uhlím v klasických elektrárnách, jednak transformací anaerobní fermentací na bioplyn.
Potenciál biomasy pro výrobu bioplynu se nachází hlavně v zemědělském sektoru, a to v odpadech z živočišné výroby, odpadní a cíleně pěstované biomase. Vzhledem k tomu, že Česká republika má poměrně koncentrovanou živočišnou a rostlinnou výrobu (kolem 75 % farem má výměru přes 1000 ha), lze předpokládat, že se bude jednat hlavně o bioplynové stanice s instalovaným elektrickým výkonem několik set kilowat. Další velký potenciál existuje ve zvýšení efektivity produkce a využití bioplynu v komunálních čistírnách vhodnou předúpravou čistírenských kalů (zahuštění, lyzace) a kofermentaci. Pozitivní provozní zkušenosti a výsledky stávajících průmyslových ČOV budou určitě stimulem pro další zvýšení výroby bioplynu z průmyslových odpadních vod.
Česká republika resp. bývalé Československo má dlouholetou tradici v technologii anaerobní fermentace organických látek včetně využití vznikajícího bioplynu. V současnosti se na všech zařízeních ročně vyrábí více než 150 milionů m3 bioplynu. Podle převažujícího zdroje zpracovávaného substrátu můžeme tyto zařízení rozdělit do čtyř základních skupin:
Bioplynové stanice komunálních čistíren odpadních vod
Zemědělské bioplynové stanice
Průmyslové bioplynové stanice
Skládkové bioplynové stanice
Komunální ČOV
Začátky výroby a využití bioplynu v České republice jsou, podobně jako v jiných zemích, spojeny s anaerobní stabilizací čistírenských kalů, vznikajících při aerobním čištění komunálních odpadních vod. První čistírny odpadních vod s anaerobní stabilizací kalu byly v České republice v provozu již v polovině minulého století. Dnes prakticky každé město nad 30 000 obyvatel má anaerobní technologii. Až donedávna byla anaerobní stabilizace kalu, tj. snížení obsahu organických látek, chápaná hlavně jako nevyhnutelné zlo spojené s čištěním odpadních vod, které odčerpává až 50 % provozních nákladů čistírny a vzniklý bioplyn slouží k vytápění reaktorů v lepším případě provozních budov. Případně vyráběná elektrická energie je využívána k vlastní spotřebě. Zvýšení výkupních cen elektrické energie, vyráběné z obnovitelných zdrojů energie, dává majitelům a provozovatelům čistíren možnost přehodnotit přístup k anaerobní stabilizaci a následné produkci a využití bioplynu.
Technologie anaerobní stabilizace kalů je na jednotlivých ČOV v České republice více méně stejná. Zpracovávaný surový čistírenský kal (primární a přebytečný aktivovaný kal) o sušině 2 – 3 % a při 65 % organických látek je dávkován do vyhnívacích nádrží – fermentorů. Z důvodu zlepšení energetické bilance procesu je někdy kal před dávkováním zahušťován na obsah sušiny 4 – 6 %. Vyhnívací nádrže jsou ve většině případů železobetonové, obsah nádrží je promícháván obvykle pneumaticky bioplynem nebo hydraulicky.
Kal je v nádrži udržován při teplotě 38 °C, cirkulací přes externí výměník tepla. Vznikající bioplyn (v množství 250 – 450 m3 na tunu sušiny zpracovávaného kalu) je využíván k výrobě tepla a případně elektrické energie. Vyhnilý – anaerobně stabilizovaný kal je zahušťován na sušinu 20 –35 %.
V porovnání s bioplynovými stanicemi zpracovávajícími zemědělský a průmyslový biologicky rozložitelný odpad, které jsou financované hlavně z prodeje vyrobené elektrické energie, je produkce bioplynu u zařízení zpracovávajících čistírenské kaly na jednotku reaktorového prostoru přibližně poloviční. Hlavním důvodem je relativně nízká koncentrace zpracovávaného substrátu. Reaktory zpracovávající čistírenský kal mají, vzhledem k relativně nízké sušině zpracovávaného substrátu, látkové zatížení kolem 0,5 – 1 kg organických látek na m3 reaktorového objemu a den, při době zdržení 15 – 40 dnů. Bylo prokázáno, že při kvalitní homogenizaci obsahu reaktoru, nečiní technologické potíže zatížení reaktorů organickou sušinou 2,5 – 5 kg/m3/den. Přidáním vhodných organických odpadů o relativně vysoké koncentraci organických látek ke zpracovávaným čistírenským kalům – kofermentací je tak možné při minimálních investičních a provozních nákladech, spojených s vhodnou předúpravou, až zdvojnásobit produkci bioplynu.
Vhodným substrátem se jeví fytomasa z komunálních ploch, odpady z ovoce a zeleniny, případně siláže ze zemědělských ploch. Zařízení na zpracování těchto odpadů a dávkování do vyhnívacích nádrží bylo v roce 2006 uvedeno do provozu na ČOV Třeboň (projekt CBC Phare).
Zemědělské bioplynové stanice
Nucená kolektivizace v zemědělství zrušila systém rodinných malých farem Následně docházelo ke koncentraci a specializaci zemědělské výroby, spojené se vznikem velkokapacitních farem pro chov hospodářských zvířat. Koncentrace chovu měla bezesporu výhody v úspoře zastavěné plochy, lepší veterinární péči, v uplatnění automatizace a mechanizace provozů. Nevýhodou bylo soustředění značného množství exkrementů ustájených zvířat bez přímé vazby na zemědělskou půdu s návaznými agrotechnickými a ekologickými problémy. Rozsah těchto problémů vedl k prvním pokusům se zpracováním odpadů, především kejdy prasat, čistírenskými technologiemi a to jak aerobními, tak anaerobními.
První bioplynová stanice, zpracovávající odpad ze zemědělské výroby – kejdu prasat, byla uvedena do provozu v Třeboni již v roce 1974. V 90. letech v rámci státního programu Čištění odpadních vod z velkochovů, bylo postaveno několik stanic určených k anaerobní stabilizaci kejdy a slamnatého hnoje, využívajících domácích technologií a know-how. I v dnešní době jsou určitě zajímavé provozní zkušenosti se snižováním koncentrace amoniaku v digestátu stripováním a destilací.
Na rozdíl od minulosti, kdy anaerobní fermentace sloužila hlavně ke zpracovávaní kejdy, je dnes hlavní pozornost věnována zpracování jatečních odpadů a fytomasy, hlavně kukuřici a trávě. Oba substráty mají vzhledem k vyšší sušině, v porovnání s kejdou, i vyšší produkci bioplynu na jednotku hmotnosti. Důležitým aspektem je i snaha o diverzifikaci zemědělské činnosti. Současné ceny zemědělských produktů jsou relativně nízké a růst jejich cen není v souladu s růstem cen vstupů. Navíc pravidelný měsíční příjem za vyrobenou elektrickou energii a případně teplo, zajišťuje v porovnání s typickým zpožďováním plateb za zemědělské produkty vyrovnanější cash-flow v průběhu roku.
Ekonomicky zajímavým substrátem pro výrobu bioplynu se v České republice jeví fytomasa z trvalých travních porostů. Trvalé travní porosty – louky a pastviny, tvoří přibližně čtvrtinu výměry (950 000 ha) obhospodařované zemědělské půdy České republiky. Rapidní pokles stavu skotu v posledních letech, zvyšující se produktivita zemědělství a finanční podpora mimoprodukčních funkcí zemědělství, jsou hlavními důvody produkce obrovských přebytků rostlinné biomasy. Jednou z nejperspektivnějších technologií jejího využití z hlediska ekonomického i environmentálního, je právě anaerobní fermentace, spojená s využitím vznikajícího bioplynu k výrobě elektrické energie a tepla. Zbytek po anaerobní fermentaci – digestát, obsahující nerozloženou část organické hmoty a prakticky nezměněné množství minerálních látek, je možno použít k zpětnému hnojení – recyklaci živin.
Průmyslové bioplynové stanice
Aplikovatelnost anaerobní technologie na čištění průmyslových odpadních vod má svoje specifika. Základním předpokladem je samozřejmě nutnost dostatečně vysoké koncentrace biologicky snadno rozložitelných organických látek v odpadních vodách. Dále je potřeba si uvědomit, že některé průmyslové odpadní vody jsou téměř monosubstrátové, což znamená, že jejich biologický rozklad bude vyžadovat přítomnost dalších živin, minerálních nebo jiných látek dodávaných s jinou vhodnou odpadní vodou, potřebných pro růst mikroorganismů. Je potřeba zohlednit, nelépe experimentálně, potřebu udržení pufrační kapacity, možnost vzniku inhibičních látek (amoniak, sulfan) apod.
Kromě technologických aspektů je nutné vzít v potaz, že podnikatelské subjekty jsou daleko méně podporovány státem v oblasti čištění odpadních vod než komunální sféra. Praxe ukazuje, že firmy se rozhodují pro anaerobní čištění, resp. předčištění odpadních vod ze dvou důvodů:
1. nemohou již dále vypouštět odpadní vody přímo do recipientu (vysoké zbytkové znečištění po aerobním čištění, nebo nízká vodnatost recipientu),
2. jsou nuceni provádět předčištění odpadních vod před vypouštěním do veřejné kanalizace na úroveň požadovanou místním kanalizačním řádem.
V současnosti evidujeme v České republice 14 funkčních průmyslových čistíren odpadních vod s produkcí bioplynu. Všechny jsou z oblasti potravinářského a farmaceutického průmyslu. Několik zemědělských a komunálních ČOV zpracovává v menší míře další průmyslové odpady (glycerin, jateční odpad, výpalky, kal z celulózek, zbytkový tuk apod.)
Skládky
Tato skupina se od všech předchozích výrazně liší. Reaktorové nádrže jsou zde zastoupeny vlastním tělesem skládky v němž se uložené odpady rozkládají. Vznikající bioplyn – skládkový plyn, je ze skládek odsáván přes soustavy sběrných věží či vrtů nebo ze systému horizontálních drenáží.
Současný značný rozvoj využívání těchto zdrojů bioplynu je podporován podmínkami výkupu elektrické energie. V rozšiřování využitelnosti těchto zdrojů hrají hlavní roli ekonomické dopady vzájemného působení investičních nákladů na odplyňovací systém a kapacity skládkového tělesa. Pro skládky s úložnou kapacitou pod 200 000 t TKO se ekonomické podmínky rychle zhoršují a u těles s kapacitou pod 100 000 tun TKO je využívání bioplynu praktikováno jen vzácně.
Přesto, že neustále klesá podíl biologicky rozložitelného komunálního odpadu (BRKO) ukládaného na skládkách, a tím klesají i kapacity v produkci skládkového plynu, existuje dosud poměrně značný potenciál na skládkách, kde jsou odplyňovací systémy plánovány anebo dokonce již částečně vybudovány, ale kde bioplyn dosud není využíván.
Dnešní elektrický výkon instalovaný na skládkách se odhaduje na 5 MW z toho 2 MW
na skládkách poblíž Prahy.
Závěr
Anaerobní fermentace – rozklad organických látek na bioplyn a nerozložený zbytek je technologie využívaná již několik desetiletí. Umožňuje, na rozdíl od spalování, zpracovávat i suroviny s vysokým obsahem vlhkosti. Nerozložený zbytek, zachovávající si všechny hnojivé vlastnosti zpracovávané suroviny je možno použít k recyklaci živin. Vznikající bioplyn potažmo metan je možné využívat k přímému spalování, výrobě elektrické energie a tepla, nebo jej upravit na kvalitu zemního plynu a následně dodávat do sítě zemního plynu.
Česká republika má dostatečný surovinový potenciál pro výstavbu několika set nových bioplynových stanic, hlavně zemědělských a průmyslových. Zákon 180/2005 zajišťuje výkup elektrické energie z bioplynu a výkupní ceny elektrické energie jsou bezesporu motivační. Finanční pobídky státu jsou na úrovni, která zabezpečila rozvoj výstavby bioplynových stanic v okolních vyspělých zemích.
Stavy a energetické bilance bioplynových stanic v ČR
Bioplynové
stanice/
(r. 2005)/ Počet
zařízení/ Produkce
bioplynu/ Instalovaný
elektrický výkon/ Vyrobená
elektřina
(ks)/ (mil. m3/rok)/ (MWel)/ (MWh/rok)
Průmyslové 14/ 5,5/ 1,3/ 2 300
Zemědělské 11/ 5,8/ 1,73/ 7 357
Komunální ČOV 95/ 58,5/ 15,78/ 64 683
Skládky 28/ 70,4/ 14,81/ 85 312
Celkem 144/ 139,7/ 33,34/ 159 434
