Biotechnologické využití bioplynu

Biotechnologické využití bioplynu

Obsah kapitoly

1. 19.1 Charakteristika bioplynu
2. 19.2 Zdroje na výrobu bioplynu
3. 19.3 Vznik bioplynu
   1. 19.3.1 Chemické reakce vedoucí k tvorbě bioplynu
   2. 19.3.2 Schéma bioplynové stanice
   3. 19.3.3 Technologie k výrobě bioplynu
   4. 19.3.4 Faktory mající vliv na kvalitu bioplynu
   5. 19.3.5 Úprava bioplynu
4. 19.4 Využití bioplynu
5. Testové otázky

19.1 Charakteristika bioplynu

Bioplyn je plynná směs, která vzniká anaerobním rozkladem biomasy za přítomnosti bakterií a enzymů. V přírodě vznikají tímto způsobem různé plyny (skládkový plyn, zemní plyn, důlní plyn či plyn v trávicích traktech přežvýkavců a termitů). Hlavní reakce, která vede ke vzniku bioplynu, se nazývá anaerobní fermentace nebo též metanogeneze, metanové kvašení, biometanizace. Hlavní a energeticky využitelnou složkou bioplynu je metan (CH₄). Jeho podíl může činit až 75 %, druhou nejvíce zastoupenou složkou je oxid uhličitý (CO₂) – až 50 %. Minoritními plyny jsou oxid uhelnatý, amoniak, sulfan atd. Pro další využití se tento „surový“ bioplyn dále upravuje, aby jeho využití bylo co nejefektivnější. Metan je zdrojem dalšího využití, ale současně je třeba připomenout, že je to jeden z hlavních skleníkových plynů, podílejících se na změnách klimatu.

Zpět na začátek

19.2 Zdroje na výrobu bioplynu

Kromě dřeva se dá použít všechna biomasa, ale nejvhodnější je biomasa odpadní. Biomasu odpadní tvoří:

1. Rostlinné zbytky ze zemědělské výroby (sláma, odpady ze sadů, vinic, pastvin a luk).
2. Rostlinné zbytky ze zemědělské výroby (sláma, odpady ze sadů, vinic, pastvin a luk).
3. Živočišné zbytky ze zemědělské výroby. Jedná se především o exkrementy z chovu hospodářských zvířat – zejména kejda (prasečí výkaly), která je klasifikována jako toxický zemědělský odpad, takže její energetické využití má užitek i z hlediska odpadového hospodářství. Dále sem patří jateční zbytky (např. vemena), které jsou jinak nevyužitelné a mohou tvořit až 50 % jateční hmotnosti zvířete.
4. Komunální organické odpady (listí, tráva z veřejných ploch, zbytky jídel z veřejného stravování, kaly z čističek odpadních vod).
5. Organické odpady z průmyslových závodů (moštárny, mlékárny, pálenice, lihovary, cukrovary, koželužny, papírny, konzervárny, textilky ...).

Zpět na začátek

19.3 Vznik bioplynu

Tvorba bioplynu a jeho energeticky bohaté sloučeniny metanu probíhá při katabolické anaerobní reakci, tedy reakci štěpné, kdy z látky složitější vzniká látka jednodušší za současného uvolnění energie. Reakce se nazývá metanogeneze (fermentace)

1) reakce - anaerobní fermentace organické látky (vznik bioplynu)

C₆H₁₂O₆ → 3 CH₄ + 3 CO₂ + sušina + energie (teplo)

Organická sloučenina (glukóza) se rozkládá vlivem tepla bez přístupu kyslíku a vzniká metan, oxid uhličitý, druhotná sušina a uvolňuje se energie ve formě tepla. Pokud dojde k rozkladné reakci za přístupu kyslíku, biomasa se mění v humus.

2) reakce – aerobní rozklad organické látky (kompostování - vznik humusu)

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + humus + energie (teplo)

Organická sloučenina (glukóza), se rozkládá za přítomnosti kyslíku a vzniká oxid uhličitý, vypařuje se voda, uvolňuje se teplo do ovzduší a vzniká humus.

Zpět na začátek

19.3.1 Chemické reakce vedoucí k tvorbě bioplynu

Výroba metanu probíhá řízeně v bioplynových stanicích a k výslednému produktu vedou čtyři na sebe navazující reakce.

1. Hydrolýza – reakce probíhající na vlhkém vstupujícím substrátu, během níž dojde štěpnou reakcí za pomocí enzymů k rozkladu polymerů na monomery (polysacharidy – sacharidy...).
2. Acidogeneze – anaerobní reakce, při které přítomné bakterie odčerpají veškerý kyslík.
3. Acetogeneze – další činností bakterií dojde k rozkladu organických kyselin na vodík, oxid uhličitý a kyselinu octovou (CH₃COOH).
4. Metanogeneze – činností bakterií vzniká metan. Metanogenní bakterie ho vytvářejí z kyseliny octové, hydrogenotrofní bakterie z vodíku a oxidu uhličitého.

Metanogeneze (fermentace) je finální a hlavní reakcí pro tvorbu bioplynu. Podle charakteru vstupního substrátu a použité technologie se používá buď suchá, nebo mokrá fermentace. Obecně rozšířenější je mokrá fermentace (zvláště v zemědělství), která zpracovává mokrou biomasu (například kejdu), suchá fermentace je obvyklejší třeba při zpracovávání domovních a komunálních odpadů (sušina tvoří 30 a více procent). Po ukončení fermentace zůstává ve fermentoru kapalný zbytek (fugát) a tuhý zbytek (digestát). Pevný je využitelný jako hnojivo, kapalný, např. jako očkovací látka pro nový substrát k fermentaci.

Průběh metanogeneze je řízeným procesem v tzv. reaktoru a lze ho částečně ovlivnit vytvořením vhodných podmínek. Do reaktoru se přidávají minerální látky, vitamíny, enzymy, biogenní prvky a živiny. Z fyzikálních faktorů je důležitá provozní teplota, pH hodnota substrátu a tlak v reaktoru. Řízená výroba bioplynu probíhá v bioplynových stanicích.

Zpět na začátek

19.3.2 Schéma bioplynové stanice

Bioplynové stanice se od sebe odlišují v závislosti na stáří, velikosti, charakteru substrátu, který zpracovávají, typu technologie výroby a pořizovacích nákladech. Hlavní části bioplynové stanice:

1. Skladovací nádrž

   Jelikož přísun substrátu pro bioplynovou stanici nemusí být konstantní, je třeba ho při zvýšené dodávce někde skladovat. K tomu slouží uskladňovací nádrže či jímky. Ty musí být odolné proti chemickým a fyzikálním vlivům z prostředí (tlak, teplota, voda, UV-záření …) a nesmí být zdrojem zápachu pro okolí.

2. Přípravná nádrž

   Již z názvu je patrné, že zde dochází k úpravě zpracovávaného substrátu před vlastní metanogenezí. Především se zde přijímaný substrát rozmělňuje a drtí, což vede ke zvýšení účinnosti bakteriálního působení a k urychlení rozkladu. V případě použití mokré fermentace zde dochází také k ředění substrátu, k čemuž se používá např. kejda, odpadní voda či kapalný fugát z předchozí fermentace nebo z výroby motorových paliv.

   Současně se v přípravné nádrži substrát tzv. hygienizuje – to znamená, že se pomocí mikroorganizmů zbavuje nežádoucích látek. Tato technologie vyžaduje vysoké odborné znalosti, aby nedošlo vlivem působení bakterií současně ke komplikacím (například ke zpomalení či zastavení rozkladného procesu).

3. Reaktor (fermentor)

   Je to nejdůležitější součást celé bioplynové stanice. Může mít různý tvar i velikost. Může být nadzemní, polozapuštěný či podzemní. Může být orientován svisle nebo horizontálně. Materiál, ze kterého je vyroben, musí odolávat vlhkosti, tlaku, slunečnímu záření. Zpravidla se na výrobu reaktorů používá beton, plast, ušlechtilá nerezová ocel, železobeton. Pro snadné vyprazdňování musí být reaktor vybaven míchadly, které zamezují tvorbě usazenin. Moderní reaktory jsou také vybaveny monitorovacími prostředky pro kontrolu průběhu metanogeneze.

4. Bioplynová koncovka

   Jedná se o zařízení, které slouží k odvodu vyrobeného bioplynu do plynojemu. Vyrobený bioplyn se zde upravuje – viz kapitola 19.3.5. Úprava bioplynu. V bioplynové koncovce se kontroluje a reguluje výroba bioplynu.

5. Kalová koncovka

   Toto zařízení slouží k úpravě a čištění zbytků z reaktoru. Zbytkový substrát je zde za pomoci čerpadel, sít, lisů, filtrů oddělen na tuhý a tekutý. Tuhý zbytek, pokud je bez kontaminace těžkými kovy, se může dále použít jako hnojivo na pole, k výrobě pelet nebo jako podestýlka při chovu hospodářských zvířat. Bohužel pevný digestát bývá často zdrojem nežádoucích látek (Cl, K, S ...), takže jeho využití pro spalování i jako hnojiva je problematické. Tekutý zbytek je využitelný na ředění (očkování) nově vstupujícího substrátu nebo se dá využít přímo na výrobu bioplynu, při nadbytku se dá po nějakou dobu skladovat ve zbudovaných jímkách.

6. Plynojem

   Plynojem je nádrž různého tvaru i velikosti, sloužící k uskladnění vyrobeného, přebytečného bioplynu. Z bezpečnostního hlediska musí plynojemy splňovat podobné požadavky jako fermentory. Musí být tedy vyrobeny z materiálů odolávajícím vlhkosti (koroze), tlaku, teplotě, UV záření. Dle kapacity bioplynové stanice se vyrábějí plynojemy nízkotlaké, střednětlaké a vysokotlaké. Pro případ nadprodukce bioplynu, která by nešla skladovat, jsou plynojemy vybaveny řízenými hořáky, které přebytečný bioplyn spálí.

   Obsluha bioplynové stanice pravidelně kontroluje na měřících přístrojích při výstupu z bioplynové stanice řadu hodnot, dle kterých lze průběh rekcí vedoucích k výrobě bioplynu ovlivňovat. Patří sem například provozní teplota, tlak, stav naplnění fermentoru, pH hodnoty substrátu, množství vyrobeného bioplynu. K tomuto monitoringu slouží různé indikátory, od těch jednodušších až po moderní elektronické, infračervené aj.

Obr. 19.1: Reaktor v Poběžovicích

Obr. 19.2: Reaktor s plynojemem v Poběžovicích

Obr. 19.3: Bioplynová stanice v Olešné

Obr. 19.4: Schéma bioplynové stanice

Zpět na začátek

19.3.3 Technologie k výrobě bioplynu

Jak již bylo uvedeno, výroba bioplynu, tedy i metanu, probíhá řízeně v bioplynových stanicích, které mohou být různé (viz předchozí kapitola).

Hlavní parametry, ve kterých se jednotlivé technologie liší:

1. Teplota fermentace

   Podle typu zúčastněných bakterií rozlišujeme tři různá teplotní pásma:

   1. psychrofilní bakterie – 15­–20 °C
   2. mezofilní bakterie – 32–40 °C
   3. termofilní bakterie – 42–55 °C
2. Počet procesních stupňů (fermentací)
   1. jednostupňové bioplynové stanice – jednotlivé fáze fermentace se prolínají
   2. dvoustupňové bioplynové stanice – 2 oddělené fermentační fáze
   3. třístupňové bioplynové stanice – 3 oddělené fermentační fáze
3. Způsob dávkování substrátu určeného ke zpracování
   1. Plynulé dávkování (kontinuální) – vysoce modernizovaná, zpravidla zautomatizovaná linka, zajišťující plynulé dávkování substrátu do fermentoru. Používá se především při zpracovávání tekutého substrátu.
   2. Poloplynulé dávkování (semikontinuální) – fermentor je průběžně doplňován novým substrátem, výroba bioplynu je konstantní. Linka není plně zautomatizovaná, obsluha kontroluje a reguluje dávkování. Používá se při zpracovávání polotekutých odpadů.
   3. Přerušované dávkování (diskontinuální) – tato metoda je používána u starších bioplynových stanic a také u stanic, které zpracovávají biomasu tzv. suchou fermentací. Fermentor je v určitých intervalech plněn substrátem, takže výroba bioplynu není konstantní. Do procesu musí aktivně zasahovat obsluha bioplynové stanice.
4. Charakter vstupujícího substrátu
   1. Technologie na zpracování tekutých látek – touto metodou se zpracovávají substráty, které mají obsah sušiny do 3 %, (optimum se nachází v rozmezí 8–15 %). Vhodnou surovinou pro toto využití jsou exkrementy hospodářských zvířat a čistírenské kaly. Tekutý substrát vyžaduje při zpracovávání stálé míchání, jinak hrozí tvorba usazenin.
   2. Technologie na zpracování pevných látek – tyto technologie se používají na zpracovávání substrátu, který obsahuje do 30 % sušiny‚ (optimum se nachází v rozmezí 20­–25 %). Pro toto využití je vhodná například chlévská mrva, zbytky jídel, sláma, pevný odpad z jatek… Tato technologie poskytuje menší produktivitu bioplynu než technologie předchozí.
   3. Kombinované technologie – pro svou univerzálnost jsou nejrozšířenějšími technologiemi. Výrobce může bioplynovou stanici využívat bez ohledu a omezení vzhledem k momentálnímu stavu a konzistenci vstupujícího substrátu.

Zpět na začátek

19.3.4 Faktory mající vliv na kvalitu bioplynu

Efektivita výroby bioplynu je odvislá od řady faktorů. Některé již zde byly zmíněny. Jedná se především o kvalitu vstupujícího substrátu a typ bioplynové stanice. V předchozí kapitole byly zmíněny odlišnosti v používaných technologiích dle typu bioplynové stanice, nyní pár faktů o vstupujícím substrátu, na jehož kvalitě je značně závislý výsledný efekt.

1) Poměr uhlíkatých a dusíkatých sloučenin

Optimálním poměrem uhlíkatých a dusíkatých látek je 30 : 1. Bohaté na uhlík jsou rostlinné zbytky, hodně dusíku obsahují například exkrementy a čerstvá, zelená biomasa. Pro dodržení správného poměru těchto složek se vstupující substrát mnohdy mísí.

2) Vysoký obsah organických sloučenin

Čím vyšší je obsah organické složky (tuky, cukry, bílkoviny), tím je lepší vytěžitelnost bioplynu.

3) Hodnota pH vstupujícího substrátu

Přítomnost síry, způsobující kyselé hodnoty pH, zpomaluje výrobu bioplynu. Optimální hodnoty jsou kolem neutrálního pH.

4) Přítomnost anorganické složky

Anorganické složky nemohou být zdrojem bioplynu. Nepodléhají biologickému rozkladu. Čím větší přítomnost písku, kamení atd., tím menší efektivita.

5) Čistota vstupujícího substrátu

Pokud je vstupující surovina napadena mikroorganizmy (plíseň, sněť, hniloba…), výsledný efekt se snižuje.

6) Přítomnost tlumících látek (inhibitorů)

Jako inhibitory se mohou projevit např. různé chemické sloučeniny pocházející z postřiků, emisí, mohou to být chemické sloučeniny, například léky z živočišných těl nebo z jejich exkrementů.

Zpět na začátek

19.3.5 Úprava bioplynu

Bioplyn obsahuje po svém vzniku řadu nežádoucích látek, jejichž přítomnost snižuje možnosti a efektivitu jeho využití. Je to především sulfan, který v reakci s vodní párou vytváří kyselinu sírovou, která působí korozivně na tělesa bioplynové stanice a zkracuje jejich životnost. Proto se „surový“ bioplyn odsiřuje, suší a kondenzuje. Odsíření probíhá buď biologickou, nebo chemickou cestou, při které se přítomný sulfan mění pomocí bakterií nebo chemických sloučenin na síru. Při sušení se bioplyn zbavuje nadbytku vodní páry vysokou teplotou a při chlazení se vlhkost snižuje prostřednictvím kondenzace v plynovodu. Tekutý kondenzát se potom odvádí do odlučovače.

Zpět na začátek

19.4 Využití bioplynu

Bioplyn je energetický zdroj a dá se tedy využít jako jakékoliv jiné palivo. Možnosti využití jsou následující:

1. Přímé spalování

   Jedná se o nejčastější a nejjednodušší využití. Vyrobený bioplyn (metan) se dá využít na svícení, ohřev či čerpání vody, vaření, sušení, chlazení. Toto použití vyžaduje úpravu bioplynu dle předchozí kapitoly, aby nedošlo k poškození spotřebiče.

2. Výroba elektrické energie a tepla – kogenerace

   O kogeneraci bylo pojednáno v kapitole 18.1. Na trhu se vyskytují různé typy kogeneračních jednotek. Při konečné produkci připadá cca 30 % využití na elektřinu a 60 % na teplo. Zbytek jsou ztráty.

3. Výroba elektrické energie, tepla a chladu (trigenerace)

   Kogenerační jednotka se propojí s chladící jednotkou. Tím je docíleno nejen využití tepla na topení v chladných dnech, ale i chlazení – například do klimatizačních jednotek v létě. Toto využití je zatím v ústraní.

4. Pohonná hmota spalovacích motorů

   Čistý bioplyn (až 90 % metanu) je velmi vydatné a ekologické palivo. Do spalovacích motorů se ale může použít až po důkladné úpravě „surového“ bioplynu, což může být finančně náročné. Motoristé znají toto palivo pod značkou CNG (compressed natural gas). V Evropě je takto bioplyn nejvíce využíván v severských zemích (Švédsko, Dánsko). Ve Švédsku uvedli do provozu na bioplyn dokonce i vlak.

5. Bioplyn jako součást palivových článků (Sterlingův motor)
6. Bioplyn jako zdroj vodíku

   Vodík jako alternativní palivo je dlouhodobě diskutovaným tématem. Jednou z možností, jak ho vyrobit, je i úprava bioplynu. Tento vývoj probíhá především v USA, Japonsku a Německu. Negativním prvkem při možném využití vodíku je jeho těkavost (nebezpečí výbuchu) a finančně nákladná výroba.

7. Dodávka do sítě zemního plynu

   Jde spíše o perspektivní využití přebytků při výrobě bioplynu. V současnosti se využívá málo pro technickou náročnost procesu. Výhodou je pohotovostní řešení a okamžité finanční zhodnocení. Nevýhodou jsou nároky na technickou úpravu bioplynu a jeho transport. V současnosti se tento způsob využití ověřuje ve Švédsku, Nizozemí a Německu.

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek