Bioplynové stanice, životní prostředí a efektivita provozu

Bioplynové stanice pracují na principu anaerobní fermentace organického substrátu, který chceme zpracovat. Dnešní technologie bioplynových stanic pracují s vysokou účinností a při kvalitním využití tepla jsou schopny pracovat s účinností vyšší než 80 % jako velmi kvalitní lokální zdroje energie a tepla. Pokud použijeme místo kogenerační jednotky trigenerační jednotku, máme k dispozici nejen elektrickou energii a teplo, ale také chlad, který mohou využívat různé technologie zpracování, nebo konzervace, zvláště v subtropických a tropických oblastech.


Rozdělení bioplynových stanic
Bioplynové stanice současné doby můžeme rozdělit podle několika kritérií:
podle obsahu sušiny zpracovávaného substrátu na BPS (bioplynová stanice) klasické (průměrná sušina vstupních substrátů je okolo 10 % - 12 %) nebo tzv. BPS se suchou cestou fermentace (průměrná sušina 25 % a více),
podle druhu biomasy na zemědělské (cíleně pěstované rostliny, kejda, hnůj, podestýlka drůbeže) nebo tzv. odpadářské využívající biomasu z odpadů z výroby, potravinářského průmyslu nebo vytříděný organický materiál z komunálního odpadu)
podle teploty fermentace na BPS mezofilní s pracovní teplotou a sádkou mikroorganizmů ve fermentorech 38 oC - 42 oC nebo BPS pracující v termofilním režimu a s patřičnou sádkou mikroorganizmů 48 oC - 52 oC, podle dalšího zpracování vyprodukovaného bioplynu na BPS vyrábějících elektrickou energii, nebo BPS které plyn čistí až do kvality zemního plynu a tento plyn vypouštějí do plynové sítě.

sKALDA_tECHNIKA_tECHPARK

Obr. č. 1


Technologie bioplynových stanic

Technologií na zpracování substrátů anaerobní digescí je celá řada (v posledních letech v ČR dodávalo technologie BPSaž 39 firem, které nabízeli a stavěli bioplynové stanice - BPS. Jenom velmi obtížně se dá hodnotit, která z technologií je lepší a která horší. Bioplynová stanice, jako technologický celek je vždy originálem a to díky originálnímu složení vstupních substrátů, kterému musí být BPS dokonale přizpůsobena.

Je zřejmě zbytečné popisovat procesy probíhající v průběhu anaerobní fermentace. Důležité je však uvědomit si, že každá z fází probíhá při jiném optimálním pH a jinak dlouho. Zatímco fáze: hydrolýza, acidogeneze a acetogeneze probíhají při neutrálním nebo kyselém pH, poslední fáze metanogeneze, probíhá významně déle a v zásaditém prostředí. To přináší celou řadu technicko - technologických problémů nebo omezení, při navrhování BPS.

Charakteristika

Metan

CH4

Oxid uhličitý

CO2

Vodík

H2

Sulfan

H2S

Bioplyn CH4

60%

objemový podíl [%]

55-70

27-47

1

3

100

výhřevnost [MJ.m-3]

35,8

10,8

22,8

21,5

zápalná teplota [°C]

650-750

585

650-750

hustota [kg.m-3]

0,72

1,98

0,09

1,54

1,2

 

Tab. č. 1- Bioplyn a jeho hlavní složky

Bioplyn ve své klasické podobě je energeticky chudé palivo. Kvalita bioplynu je podle struktury vstupních substrátů kolísavá, je však zásadní z hlediska energetické hodnoty tohoto chudého paliva. Energetická hodnota bioplynu je určena obsahem metanu v plynu a víme, že kogenerační jednotky pracují i při sníženém obsahu tohoto plynu např. až na pouhých 40 - 45 % CH4 v bioplynu. Z hlediska kvality bioplynu jerozhodující obsah vodních par a CO2, z hlediska vlivu na životní prostředí a trvanlivost motorů je rovněž důležitý obsah síry ve formě sulfanu H2S a obsah fosforu. To jsou hlavní složky bioplynu způsobující destrukci kogeneračních jednotek. U BPS odpadářského typu může činit problém kromě výše uvedených látek ještě obsah amoniaku nebo silikátů, které se mohou vysrážet ve spalovacím prostoru kogenerační jednotky. Proto je velmi důležité jednak sledovat kvalitu vstupních substrátů do BPS a kvalitu bioplynu a dále zabezpečit maximální ochranu nejdražšího agregátu BPS - kogenerační jednotky.

 

Vliv na životní prostředí
Využívání BPS a technologie anaerobní fermentace biomasy spojená s výrobou bioplynu a jeho následným energetickým využitím má velmi pozitivní vliv na životní prostředí. Do jisté míry kopírujeme řešení běžné v přírodě při tvorbě bahenního plynu ovšem s tím rozdílem, že tento plyn s obsahem metanu (který je z hlediska vlivu na ochrannou ozónovou vrstvu atmosféry 11x agresivnější proti běžnému polutantu CO2), metanovou složku bioplynu spálíme v KJ a do atmosféry vypouštíme pouze zplodiny spalování v KJ.

V čem spatřujeme zejména výhody při ochraně životního prostředí prostřednictvím BPS:

Řízená anaerobní fermentace - Organické materiály jsou řádně anaerobně prokvašeny v uzavřených nádobách fermentorů, bez úniku metanu a CO2 do ovzduší.


Zabezpečení jímání metanu a jeho energetické využití - Využití energetického obsahu metanu v kogenerační jednotce BPS je velmi výhodné technologicky i energeticky. Lokální zdroj energie a tepla, bez dalšího zatížení rozvodné sítě umožňuje stabilizovat lokalitu a snižovat emise při spalování tuhých paliv.


Zamezení úniku CH4 do atmosféry - Zásadní je energetické využití CH4 ke spálení v KJ a zamezení jeho výrazného negativního vlivu na ozónovou vrstvu atmosféry. Dále je možné bioplyn upravit až do kvality CNG (zemního plynu), který můžeme využít jako palivo dopravních prostředků.

Zamezení dalšího rozkladu a využití produktů fermentace pro hnojení půdy - Zatímco dříve neřízeně docházelo k rozkladu organických materiálů na skládkách, na hromadách hnoje a kompostů, anaerobně je materiál velmi šetrně a dokonale rozložen a energeticky využit. Digestát po fermentaci je důležitým hnojivem pro rostliny s dobře přístupným a využitelným zbytkovým dusíkem a agronomové mají s tímto hnojivem velmi dobré zkušenosti.


Odstranění zápachu a hygienických rizik - BPS zemědělská i odpadářská významným způsobem, při správném používání omezuje hygienická rizika, neboť závadné materiály v substrátu jsou ošetřeny hygienizací(po dobu 1 hodiny se ohřívají na teplotu minimálně 70oC) nebo TTH (termotlakou hydrolýzou - procesem který materiál sterilizuje při teplotě 130 - 180oC a při tlaku 12 bar). BPS je plynotěsné zařízení a při správném nakládání se substráty na vstupu BPS a při správném a úplném prokvašení nemohou vznikat aromatické uhlovodíky způsobující zápach.


Náhrada fosilních paliv - Náhrada fosilních paliv pro vytápění obnovitelným zdrojem energie s významně menším negativním vlivem na životní prostředí. Poslední novinkou je úprava bioplynu na kvalitu zemního plynu novou metodou patentovanou Ústavem chemických procesů Akademie věd v ČR v loňském roce pomocí semipermeabilní membrány. Tato metoda umožňuje kromě čtyř známých metod úpravy bioplynu jednostupňovým procesem výrazně zkvalitnit bioplyn, který lze využít jako palivo pro dopravní prostředky.

 

Technologie ochrany kogeneračních jednotek bioplynových stanic

Ochranu kogenerační jednotky před poškozením vlivem nekvalitního bioplynu lze řešit zásadně těmito způsoby:

Úpravou kvality bioplynu - Úprava kvality bioplynu spočívá v jeho ochlazení a vysrážení vodních par z bioplynu, to je již standardní záležitost každé BPS. Dále jeho dalším vysušením, odsířením a zvýšením poměrného obsahu CH4,jako hlavní energetické složky bioplynu.


Ochranou spalovacího prostoru kogenerační jednotky - To lze částečně zajistit zejména velmi kvalitním a tím pádem také drahým mazacím olejem se speciálními aditivy právě pro ochranu spalovacího prostoru motoru KJ (kogenerační jednotky).


Obtokovou filtrací - Ochranu a ošetření mazacího média (oleje) a zásadní prodloužení jeho životnosti zajistíme připojením obtokové filtrace k jednotce.

 

Ideálním způsobem ochrany kogenerační jednotky je kombinace všech výše uvedených způsobů ochrany a jako vždy záleží na ekonomické návratnosti dodatečně vynakládaných prostředků.

 

Nejčastější druhy opotřebení motoru kogenerační jednotky

Eroze - Jemné částice v rychle tekoucím oleji naráží na povrch či hrany a vyráží další částice (je to efekt pískování).
Abraze, otěr - Tvrdé částice mezi pohyblivými součástmi poškozují plochy (otěr).
Kavitace - Podíl vody v oleji se pod vysokým tlakem odpaří, imploduje a vytrhává částice z kovových povrchů.
Koroze - Voda nebo chemické znečištění oleje působí rez nebo chemické reakce, které poškozují povrchy.
Odbourávání oleje - Vysoké teploty, oxidace a hydrolýza působí stárnutí oleje. Zbytky tohoto procesu rozpadu, podobné pryskyřicím se usazují na kovových povrchách.
Kyseliny - Zvýšenou tvorbou koroze kvůli kyselým součástem v oleji se současně zvyšuje znečištění. Jakmile se částice (eroze, abraze) dostanou na zkorodované plochy, vyráží odtud další částice.
Opotřebení na kuličkových a jiných ložiskách - Vysoký tlak, vysoké teploty, obrušování, abraze, koroze a eroze jsou hlavní činitele znečištění mazacího oleje v ložiskách.
Zanesení pryskyřicemi - Jakékoliv snížení teploty v mazacím oleji způsobuje shlukování produktů stárnutí oleje - pryskyřičných látek a jejich následné usazování na povrchu.

Obtokovou filtrací všechny tyto procesy významně omezíme nebo zpomalíme.


Obtoková filtrace CJCTM
Odstraní mechanické nečistoty, vodu, produkty odbourávání a stárnutí oleje tzv. měkké pryskyřice a kyseliny v oleji. 80 % nákladů na opravy a údržbu je způsobeno znečištěním provozních kapalin. To dokládají nezávislé výzkumy hydraulických a mazacích systémů. Tyto náklady, které lze však výrazně omezit nebo dokonce vyloučit, vznikají jednak zhoršením specifických vlastností olejů, především však kvůli opotřebení následkem nečistot, ve formě pevných částic, vody a tvorbou pryskyřic a kyselin.

Nejčastějšími druhy opotřebení kogenerační jednotky jsou: eroze, abraze, kavitace, koroze, odbourávání oleje a kyseliny nebo voda v oleji.


Obtoková jemná filtrace
Stabilní vysoké čistoty oleje je možné docílit pouze kontinuální jemnou obtokovou filtrací, jako doplněk k průtokovým filtrům. Pouze v obtokovém režimu lze rychlost průtoku přizpůsobit provoznímu fluidu a hustotě filtračního materiálu. Olej při tom může proudit tělesem filtru extrémně pomalu, takže i nejmenší mikročástice se dostanou do hloubky filtračního materiálu, kde jsou zachyceny.
Ozubené čerpadlo zařízení jemné filtrace CJCTM nasává znečištěný olej z nádrže systému stroje a čerpá ho pomalu a s konstantním dodávaným množstvím skrze patronu jemné filtrace CJCTM. Olej protéká patronou radiálně zvnějšku dovnitř a odtéká vyčištěný a vysušený středem spodkem filtru, bez tlaku zpět do systému.

Skalda_Technika_Techpark

Obr. č. 2 - Nové provedení obtokové filtrace

Manometr na víku filtru ukazuje potřebu výměny patrony. Za tímto účelem je nutno zařízení jemné filtrace CJCTM krátkodobě vypnout. Motor kogenerační jednotky při tom zůstává v provozu.

 

Náklady na pořízení a likvidaci klesají
Jemná filtrace prodlužuje mnohonásobně životnost provozních kapalin. Tím klesají nejen pořizovací náklady na nové provozní kapaliny, ale také náklady na likvidaci kontaminovaných použitých kapalin jsou minimální.

 

Doby provozu stroje se prodlužují, produktivita stoupá
Prostoje strojů vznikají nejvíce kvůli znečištěným provozním kapalinám. Kontinuální jemná filtrace minimalizuje neplánované odstávky. Náklady na údržbu a opravy klesají, produktivní vytížení strojů stoupá.

 

Ochrana komponentů systému před korozí
V mnoha hydraulických i mazacích olejových systémech nelze zabránit vzniku kondenzované vody. Patrony (filtrační vložky) jemné filtrace CJCTM tuto vodu průběžně odstraňují a zabraňují tím korozi komponentů.

 

Prodloužení životnosti filtrů hlavního proudění
Jemná filtrace odlehčuje drahé filtry hlavního proudění, které následkem toho nepotřebují tak častou výměnu.

 

Ochrana životního prostředí a zdrojů, emise CO2 klesají
Jeden litr starého oleje vytvoří při spalování emise CO2 v množství 2,6 kg. Každý litr oleje, který je déle používán, pomáhá tedy velmi výrazně životnímu prostředí a snižuje emise CO2. Navíc šetříme již tak omezené zdroje ropy.

 

Příliš vody v oleji - CJCTM Filtrační odlučovače
Při větším množství vody v oleji nebo při opakujícím se vnikání vody do olejového systému představuje filtrační odlučovač CJCTM smysluplné řešení při současném vysušení oleje i filtraci. Zvlášť vyrobené vložky jemné filtraceCJCTM typu BLAT zadrží pevné znečištění a produkty odbourávání oleje, aniž by absorbovaly podíly vody. Voda se vyloučí v následném procesu v prvku koalescence. Tento proces koalescence začíná již v patroně jemného filtru CJCTM .

Při ověřovacích pokusech, které byly prováděny v Dánsku v průběhu let 2007-2008 na bioplynových stanicích firmy E. ON byly výsledky na kogenerační jednotce MAN 2842 o výkonu 300kWe následující:

Pokus č. 1 - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 1640 provozních hodin
Pokus č. 2 - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 1236 provozních hodin
Pokus č. 3 - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 2275 provozních hodin

U další kogenerační jednotky Caterpillar 3516 o výkonu 1020 kW bylo dosaženo prodloužení doby výměny oleje z 1900 na 3997provozních hodin. To vše při zajištění standardní viskozity.
Jak bylo experimentálně ověřeno, pomocí filtrační obtokové jednotky lze prodloužit životnost mazacího oleje v kogenerační jednotce 2 - 5 krát a tak významným způsobem šetřit provozní náklady, neboť jedna výměna oleje v kogenerační jednotce (o výkonu 1MWe) stojí okolo 70 tis. Kč, nehledě na přerušení dodávek elektrické energie a ztráty z nevyrobené elektrické energie.

 

Krátkodobé výhody režimu off - line filtrace:
Byla zásadním způsobem prodloužena životnost maziv a to v rozsahu 2 - 5 krát.
Zároveň byla prodloužena ve stejném rozsahu výměna mazacího oleje.
Nižší celkové náklady na filtraci (o 50 - 80 %).
Snížení nákladů na údržbu zařízení.
Minimální náklady na instalaci.
Minimální školení vyžadované pro provoz filtrační jednotky.
Nevyžaduje vypnutí KJ pro výměnu filtračních vložek.

 

Dlouhodobé výhody off-line filtrace:
Prodloužená životnost mazaných součástí KJ.
Prodloužená životnost oleje.
Prodloužení životnosti provozních filtrů.
Zkrácení prostojů v důsledku poruchy zařízení.
Snížení dopadů na životní prostředí.

 

Vlastnosti CJCTM filtrační jednotky oleje
Kompaktní, samostatně pracující a zcela oddělená od hlavního systému, s vlastním čerpadlem a motorem.
Může pracovat 24 hodin denně, i když je hlavní systém vypnut.
Filtrační vložka využívá hlubokou filtraci média a konzistentní hustota umožňuje jemnou filtraci, s běžnoudobou životnosti 12-18 měsíců.
Filtrační vložka má 2,2 m2 vnější plochu povrchu, aby bylo možné filtrovat pomalým, rovnoměrným průtokem potřebným pro velmi jemnou filtraci.
Filtrační vložka má vysokou kapacitu filtrace nečistot, v průměru mezi 5 a 7 kg (12 a 15 kg), což je důležité pro ekonomický provoz.
Hlavní systém nemusí být vypnut, při výměně filtrační vložky.

 

Kontinuální nebo diskontinuální filtrace
Filtrace samozřejmě velmi dobře funguje při kontinuálním pracovním režimu. Rozdíl mezi kontinuální a diskontinuální filtrací názorně ukazuje následující graf.

Skalda

 

Slalda

Graf. č.1 - Porovnání práce obtokové filtrace v kontinuálním a přerušovanémrežimu

Z grafu je patrné, že ideální je kontinuální proces čištění, při kterém olej funguje jako čisticí prostředek v motoru nebo v hydraulickém systému strojů.

 

Výsledky dosažené s CJCTM OFF-LINE FILTRY C. C. JENSEN a.s. DENMARK:
Zvýšená kvalita oleje a prodloužená životnost 2 - 5 krát
Zlepšené výsledky rozboru oleje snížením obsahu polutantů
Čistší strojní součástky a významně prodloužená životnost KJ
Filtrační vložka filtru naplněná všemi odstraněnými nečistotami

 

Ekonomický rozbor vhodnosti nákupu obtokové filtrace
Pro ekonomickou analýzu (byl použit výpočet pro konkrétního investora - zemědělské družstvo ve Středočeském kraji, které vlastní BPS s KJ TCG 2020 o výkonu 1MW) můžeme využít několik ekonomických ukazatelů, které nám mohou pomoci při rozhodnutí, zda toto zařízení je ekonomicky vhodné pořídit či nikoliv.

 

Doba návratnosti
Tento ekonomický ukazatel je velmi jednoduchý, ale nebere v úvahu náklady kapitálu a inflaci. Pokud provozně uspoříme ročně jednu výměnu oleje v KJ v hodnotě 67 tis. Kč, bude KJ pracovat cca o 4 hodiny/rok déle a prodloužíme životnost KJ, můžeme počítat:

 

Doba návratnosti prostá:

= = 0
Kritérium: Ts → min,Ts= 1 - 2,5 roku

 

Diskontovaná doba návratnosti (reálná)

 

= = 250/261 - 250/87 = 1 -2,9 roku


=   = 0
DCFT jsou roční diskontované peněžní toky investora:
Kritérium: Tsd → min

NPV - čistá současná hodnota projektu

Pokud investice obsahuje výnosy, volíme variantu s co nejvyšším NPV. Čistá současná hodnota je v dnešní době jedním z nejvhodnějších kritérií. Je v ní zahrnuta celá doba životnosti projektu i možnost investování do jiného stejně rizikového projektu.

Při celkové době životnosti investice obtokové filtrace 20 let, diskontu 3 % a ročních nákladech 30 000 Kč (což je náklad na výměnu filtračních vložek, elektrická energie na pohon čerpadla za rok a práce obsluhy - kontrola) činí IRR 32 %.

Zcela nová služba
V loňském roce firma SKALDA spol. s r.o. - Výhradní zástupce a distributor C.C.JENSEN A/SDenmark pro Českou republiku a Slovensko umožnila ojedinělým přístupem svým zákazníkům a novým potenciálním zájemcům vyzkoušet si přímo na své kogenerační jednotce obtokovou filtraci.
Za smluvně dohodnutých podmínek zájemce dostane zapůjčenu obtokovou filtraci nového typu po dobu jednoho měsíce. Zakoupí si tři filtrační vložky (je to spotřební materiál). Proč právě tři? Z dlouhodobého provozování obtokových filtrací víme, že první vložka díky velkému obsahu nečistot v oleji a v karteru motoru je za krátkou dobu naplněna a musí se vyměnit. Jakmile se mazací olej vyčistí, slouží dál jako mazivo a zároveň funguje jako čistící médium pro karter motoru a dopravní cesty hlavního průtoku oleje. Druhá vložka za normálního provozu a běžného opotřebení kogenerační jednotky vydrží v provozujeden rok. Třetí slouží jako rezerva v případě poškození, protržení atd. Každý zájemce má tedy možnost ověřit si funkčnost a efektivnost obtokové filtrace ve svých konkrétních podmínkách. Montáž je velmi jednoduchá a obsluha je bezúdržbová, kromě vlastní výměny filtračních vložek.

Obr. č. 3 - Filtrační vložka pro nové provedení obtokové filtrace určená pro čištění oleje v kogeneračních jednotkách bioplynových stanic

 

Závěrečné shrnutí
Každý investor a provozovatel bioplynové stanice by měl již od prvopočátku při provozu BPS přemýšlet o dalších možnostech zlepšení provozu a o úsporách nákladů při provozování bioplynové stanice. Výše uvedený konkrétní zemědělský podnik v prvém roce provozu BPS provedl výměnu oleje celkem čtrnáctkrát (67 tis. Kč činila pouze cena jedné výměny oleje).To znamená, že v případě okamžitého nákupu a instalace obtokové filtrace od počátku provozu, by tato malá investice byla zaplacena již po třech výměnách oleje v prvém roce pouze v hodnotě uspořeného oleje. Investor má nákupem filtrační jednotky možnost významně zlepšit práci bioplynové stanice, prodloužit životnost kogenerační jednotky, uspořit náklady na údržbu a snížením spotřeby oleje ušetřit i životní prostředí. Výše uvedený způsob snižování nákladů na provoz ukazuje cestu, jak provoz BPS významně zlevnit. Stejně důležitá je zároveň i významná ochrana životního prostředí.


Text: Ing. Karel Vítek, CSc., agrooil@volny.cz

Foto: C.C. Jensen A/S Denmark a SKALDA spol. s r.o. Česká republika


SKALDA spol. s r. o. , regionální zastoupení a distribuce:

- Off-line filtrace CJC  (C. C. JENSEN Dánsko)

- zařízení firmy Karberg & Hennemann Hamburg, Nemecko pro ČR a SR

Zahradní 927, 39165 Bechyně, Česká republika

tel.: +420 604 48 48 23,

e-mail: skalda.filtration@email.cz,

www.skalda.eu

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
3 + 8 =
Odoslanie formulára

Priemyselné utierky

MEWA - priemyselne_utierky