Energetický potenciál bioplynu v SR
ÚVOD
Technológie na báze bioplynu boli na Slovensku zavedené počas minulého storočia v rámci hygienických opatrení a tiež za účelom zníženia objemu a zápachu narastajúcich množstiev mestského odpadu. V súčasnosti sa zariadenia na výrobu bioplynu na Slovensku využívajú na výrobu energie a na recykláciu živín pri výrobe hnojív pre rastlinnú výrobu. Hlavným zdrojom surovín, ktoré sa spracovávajú v týchto zariadeniach na výrobu bioplynu, je hnoj z fariem, zvyšky rastlín a organický odpad z priemyslu, domácnosti a z oblasti služieb [1], [19].
Pri vzniku bioplynu (tzv. anaeróbnym rozkladom) dochádza ku štiepeniu organických materiálov na jednoduché neorganické látky a plyn. Tento proces sa deje bez prístupu kyslíka prostredníctvom mikroorganizmov (baktérií):
biomasa + baktérie = bioplyn (CH4, CO2, ...) + živiny (N, P, K, S, ...)
Tento proces rozkladu viac alebo menej zodpovedá procesu, ktorý prebieha vo voľnej prírode. Hlavný rozdiel medzi nimi je v tom, že v prírode sa daný rozklad uskutočňuje v prítomnosti kyslíka, tzv. aeróbne produkty a medziprodukty procesu sa preto odlišujú a líši sa aj chemické rozloženie konečných produktov.
V súčasnosti energetické využívanie biomasy na Slovensku výrazne zaostáva za potenciálnymi možnosťami SR. Využiteľný ročný potenciál biomasy je viac ako 35 PJ, obr. 1 a Tab.1. Podiel zhodnocovanej biomasy na celkovej spotrebe primárnych palivovo-energetických zdrojov v SR je v súčasnosti len asi 1 %, čo odpovedá cca 9 PJ [9].
Obr. 1 - Technický využiteľný potenciál biomasy v SR
Druh biomasy | Využiteľné množstvo, t/rok |
Energet. ekvivalent TJ/rok |
---|---|---|
Lesná biomasa Tenčina stromov do 7 cm Odpadová hrubina stromov Odpad po manipulácií s drevom Palivové drevo Biomasa z prerezávok Pne a korene Odpad po mech. spracovaní dreva |
250 740 76 200 110 590 323 900 14 300 23 500 103 800 |
2 383,05 724,00 1 050,69 3 079,81 138,58 223,25 1 170,00 |
spolu | 903 030 | 8 769,38 |
Poľnohospodárska biomasa Obilná slama Repková a slnečnicová slama Odpad z ovocných sadov a viníc Bioplyn Bionafta |
272 700 161 300 50 400 43 530* 5 500 |
3 861,00 2 223,30 528,6 972,5 214,5 |
spolu | 489 900 | 7 799,90 |
Odpad z drevospracujúceho priemyslu Kusový odpad Jemnozrnný odpad Kvapalný odpad |
483 000 322 000 460 000 |
5 680,10 3 741,70 6 440,00 |
spolu | 1 265 000 | 15 861,80 |
Kaly z ČOV | 31 022 | 682,50 |
Komunálny odpad Komunálny odpad Drevný komunálny dopad |
177 000 133 200 |
1 062,00 1 466,00 |
spolu | 310 200 | 2 528,00 |
celkom | 2 968 130 | 35 641,58 |
Poznámka: * tis. m3, v tab. 1 nie sú uvedené energetické porasty. |
I. VÝROBA BIOPLYNU
Bioplyn sa získava ako produkt fermentácie biomasy, ktorú predstavuje poľnohospodársky alebo iný organický odpad, rastliny priamo pestované pre tento účel. Rozklad organických látok prebieha anaeróbnym spôsobom pomocou termofilných baktérií. Pri vlastnej metánovej fermentácií sa metán (i niektoré uhľovodíky) tvorí z organických kyselín a vodíka [13], [17].
Anaeróbny rozklad surovín je dvojfázový [2]:
- acidogénna fáza - produkcia nižších mastných kyselín,
- metanogénna fáza - tvorba metánu z organických kyselín, z CO2 a H2.
Bloková schéma je uvedená na obr. 2
Obr. 2 - Schéma anaeróbneho rozkladu exkrementov
|
|
Bioplyn je možné priamo spaľovať (náhrada zemného plynu, propán-butánu, svietiplynu) pre vykurovanie, ohrev technologickej a úžitkovej vody, sušenie produktov a v klimatizačných zariadeniach. Ďalšie využitie bioplynu je v domácnostiach, závodných kuchyniach, v poľnohospodárskej výrobe a v podmienkach rastlinnej a živočíšnej výroby a na výrobu elektrickej energie v spaľovacích motoroch spojených s generátorom elektrického prúdu (v kogeneračných jednotkách).
Pevný zvyšok po anaeróbnom rozklade má veľmi dobré vlastnosti ako organické hnojivo. Jeho použitím na kultiváciu poľnohospodárskej výroby sa zlepšuje ekonomika celého procesu a riešia sa ekologické problémy. Ďalej sa zistilo, že má vysoký obsah vitamínu B12. Termofilna teplota bezpečne inaktivuje vegetatívne bunky a vajíčka parazitov a táto skutočnosť je veľmi významná pre krmovinové využitie zvyšku [14], [15].
Uvedené skutočnosti zvýrazňujú ekonomický význam metánovej fermentácie pre využitie v energetickej a ďalších oblastiach. Takýmto spôsobom sa môžu spracovať na rozmanitejšie druhotné zdroje biomasy, napr. odpady z lesnej ťažby, znečistené piliny, brusný prach, poľnohospodárske odpady (v rôznom stupni rozkladu), zvyšky etanolovej fermentácie a z výroby kŕmnych bielkovín, exkrementy a iné. Vzhľadom na malú koncentráciu spomínaných zdrojov surovín sa budujú prevažne malokapacitné výrobné jednotky (30 m3 bioplynu za deň). V SRN produkuje 800 závodov bioplyn z exkrementov dobytka, ktorý zabezpečuje na farmách 50% teplej a 35% elektrickej energie. Predpokladá sa vybudovanie ďalších 4 000 podobných závodov [4]. Konverzia metánu na elektrickú energiu predstavuje najpraktickejší spôsob využitia bioplynu. Metán je 20 násobne účinnejší skleníkový plyn ako CO2, preto zníženie biologických metánových emisií predstavuje jeden z najdostupnejších spôsobov pre redukciu emisií skleníkových plynov.
Exkrementy sú produkty prerušeného procesu produkcie bioplynu z krmiva (seno, slama a pod.), ktoré vznikajú v dôsledku hydrolýzy v zažívacom trakte dobytka, čím sa zabezpečuje jej energetická zásoba s metánom a to vedľajším produktom (obr. 3). Hlavný produkt je hnojivo bohaté na dusík, fosfor, draslík, vápnik, horčík, pričom obsahuje málo uhlíka. Z fyziologického hľadiska je zažívací systém prežúvavcov dokonalý fermentor [2].
Obr. 3 - Fermentácia v zažívacom systéme prežúvavcov
II. POTENCIÁL BIOPLYNU
Hlavné suroviny použiteľné pre anaeróbny rozklad a ich zdroje v SR je možné rozdeliť nasledovne:
|
II.1 Bioplyn z poľnohospodárskej produkcie - bioplyn
Výroba bioplynu v poľnohospodárskom sektore využíva ako primárnu surovinu hnoj z fariem. Najvhodnejšou surovinou pre výrobu bioplynu sú tekuté a polotekuté výkaly a nie plne recyklovateľný tuhý hnoj, Tab. 2 [4]. Jedná sa o najvýznamnejší zdroj bioplynu na Slovensku.
Surovina | Výťažok (l/kg org. mat.) |
Surovina | Výťažok (l/kg org. mat.) |
---|---|---|---|
prasačí exkrement | 445 | Rastlinné osivo | 620 |
hovädzí exkrement | 200 | Konope | 360 |
vtáčí trus | 465 | tráva | 415 |
konský trus | 250 | vysoké trávy | 495 |
stajňový hnoj | 225 | rákosie | 170 |
pšeničná slama | 250 | ďatelina | 460 |
slama zo žita | 250 | zeleninové zbytky | 345 |
jačmenná slama | 275 | zemiaková vňať | 385 |
ovosná slama | 300 | listy cukrovej repy | 450 |
kukuričný odpad | 420 | listy slnečnice | 300 |
odpad repky olejnej | 200 | poľnohospodársky odpad | 370 |
odpad z ryže | 225 | listy zo stromov | 250 |
ryžová lúštenina | 155 | kal z odkaliska | 525 |
Na obr. 4 je znázornená výnosnosť rôznych odpadových surovín, z ktorého jasne vyplýva ekonomická efektívnosť ich využitia [4].
Obr. 4 - Výnosnosť bioplynu z rôznych substrátov
Typické alternatívne využitie farmárskeho hnoja na Slovensku spočíva v jeho voľnom aplikovaní na otvorenom poli, kde dochádza k jeho aeróbnemu rozkladu. Tento proces prebieha pomaly a s rizikom odplavovania živín do spodných vôd a úniku metánu do atmosféry, čo prispieva ku globálnemu otepľovaniu Zeme (metán je skleníkový plyn).
Nová štruktúra poľnohospodárstva na Slovensku (po zamatovej revolúcií v roku 1989) je zobrazená v Tab. 3, pričom počty dobytka a hydiny sú zobrazené v Tab. 4 [1]. Tu je dôležité podotknúť skutočnosť neustáleho poklesu stavu dobytka a hydiny priemerne o 20 až 40 % za 5 rokov [6].
Farmy resp. podnikatelia | Malé podniky |
Stredné podniky |
Veľké podniky |
Celkom |
---|---|---|---|---|
Samostatní roľníci, neuvádzaní v podnikovom registri | 8 585 | 13 | 8 597 | |
Samostatní roľníci, uvádzaní v podnikovom registri | 11 | 11 | ||
Verejné obchodné spoločnosti | 4 | 1 | 5 | |
Spoločnosti s ručením obmedzeným | 88 | 51 | 139 | |
Akciové spoločnosti | 13 | 55 | 2 | 70 |
Poľnohospodárske družstvá | 83 | 909 | 4 | 996 |
Štátne podniky | 75 | 158 | 6 | 239 |
Rozpočtové a príspevkové organizácie | 19 | 29 | 1 | 49 |
Súkromný sektor | 8 782 | 1 022 | 5 | 9 809 |
Verejný sektor | 97 | 194 | 8 | 299 |
Celkom | 17 756 | 2 432 | 26 |
Počet v tis. | Štátne farmy |
Poľnohos. družstvá |
Samostatní roľníci |
Ostatní | Poľnohos. celkom |
---|---|---|---|---|---|
Hovädzí dobytok: z toho kravy |
147 57 |
599 223 |
120 51 |
53 24 |
929 355 |
Ošípané: z toho prasnice |
249 21 |
1 129 97 |
428 27 |
270 15 |
2 076 160 |
Hydina: z toho sliepky |
1 468 738 |
2 277 1 022 |
5 241 928 |
4 396 1 937 |
13 382 7 625 |
Spolu | 1 864 | 4 005 | 5 789 | 4 719 |
Vo všeobecnosti je možné v oblasti bioplynu uvažovať s nasledujúcimi hodnotami potenciálu získaného z hnojiva poľnohospodárskych fariem [1], [3], [4], [5],... Tab.5.
Kategória | Sušina exkrementov kg/deň |
Exkrementy celkom, priemer kg/deň |
Množstvo bioplynu m3/deň |
Elektrická energia kW/rok |
---|---|---|---|---|
Hovädzí dobytok (priemerné hodnoty) | ||||
Dojnica (550 kg) Hovädzí odpad chov jalovíc (330 kg) teľatá (100 kg) |
6 3 3,5 1,25 |
60,0 30,0 35,0 12 - 15 |
1,7 1,2 0,9 0,3 |
3 666 - 2 444 - |
Ošípané (priemerné hodnoty) | ||||
výkrm (70 kg) prasnice (170 kg) prasnice s prasiatkami (90 kg) prasiatka (23 kg) kanci (250 kg) |
0,5 1,0 0,55 0,25 1,3 |
8,5 14,0 9,0 4,0 18,5 |
0,2 0,3 0,2 0,15 0,3 |
428 467 - - - |
Hydina (priemerné hodnoty) | ||||
nosnice (2,2 kg) broiler (0,8 kg) kurčatá (1,1 kg) |
0,036 0,020 0,020 |
0,16 - 0,30 0,009 0,009 |
0,016 - - |
35,5 18,3 - |
K tab. 5 je nutné podotknúť skutočnosť, že je treba počítať s výťažkom o 10 - 30% nižším v prípade prenorového ustajnenia, resp. s produkciou bioplynu o 0,15 - 0,35 m3 na 1 kg slamy vyššou v prípade ustajnenia na slame alebo na pilinách, s ich následnou hydrolýzou vo fermentore. Schéma kontinuálnej výroby bioplynu je zobrazená na obr. 5 [7].
Obr.5 - Schéma získavania bioplynu a jeho následného spracovávania
Hrubý odhad potenciálu bioplynu na Slovensku sa dá vypočítať napríklad tak, že uvažujeme exkrementy z 1 milióna kráv, ktoré vyprodukujú 10 miliónov ton močovky, z ktorej je možné vyrobiť 0,23 miliárd m3 bioplynu ročne, čo je 1,5 miliárd kWh elektrickej energie (alebo v prípade využitia parogeneračných cyklov 0,5 miliárd kWh elektriny a 1 miliarda (3,6 PJ)) tepla [1, čo odpovedá energetickému ekvivalentu cca 7 800 TJ/ ročne [9].
II.2 Plyn z komunálneho a priemyselného odpadu - skládkový plyn
V zmysle nariadenia vlády č. 606/1992 Zb. o nakladaní s odpadmi bolo prevádzkovaných v roku 2001 na Slovensku 165 skládok odpadov a to v zložení [1],[10],[21]:
Najrozšírenejším spôsobom zneškodňovania odpadov je stále ich skládkovanie 23,3% (3,7 mil. ton) na čom sa podieľa hlavne kategória komunálny odpad a to 63,47 % (1,08 mil.ton). Podľa údajov z RISO sa v roku 2001 zneškodnilo spaľovaním 550 798,97 ton odpadu všetkých kategórií, čo predstavuje 3,5 % odpadov. Z celkového množstva odpadov vzniknutých v roku 2001 sa v SR zhodnocuje 8 180 954,88 ton, čo predstavuje 51,17 %. V Slovenskej republike vzniklo podľa údajov RISO a po ich prepočítaní na sušinu 2 095 577,5 mil. ton komunálneho odpadu, čo je 389,6 kg/obyvateľa na rok [14], [19]. Komunálny odpad je odpad z domácnosti vznikajúci na území obce pri činnosti fyzických osôb a odpad podobného charakteru vznikajúci pri činnosti právnických osôb alebo fyzických osôb oprávnených na podnikanie, ako aj odpad vznikajúci pri činnosti obce pri čistení verejných komunikácií a priestranstiev, ktoré sú v správe obce, ako aj pri údržbe verejnej zelene vrátane parkov a cintorínov, pričom podľa [16] je zastúpenie biodegradovateľného odpadu v komunálnom odpade cca 28 %. Spôsob získavania skládkového plynu je zrejmý z obr.6.
II. 3 Plyn z čističiek odpadových vôd - kalový plyn Celkový počet ČOV v obciach na Slovensku bol v roku 1997 - 363 a ich súhrnná čistiaca kapacity dosahovala 2 mil. m3 odpadových vôd denne. Okrem toho mnohé veľké priemyselné podniky majú vlastné ČOV (v súčasnosti existuje na Slovensku cca 35 takýchto podnikov [1]). Pri odhade potenciálu výroby kalového plynu na Slovensku, je potrebné vedieť i údaje uvedené v Tab. 7, (pričom celkový uvažovaný počet slovenských obcí je 2 871), v Tab. 8 a Tab. 9.
Z hľadiska produkcie kalového plynu je dôležité uviesť skutočnosť, že na ČOV je v SR napojených cez kanalizačný systém len cca 49% obyvateľov, a aj to hlavne v mestách, keďže obyvatelia vidieka viac využívajú žumpy. Ročná využiteľná kapacita kalového plynu z ČOV bola odhadnutá na 31 mil. m3 [13], čo odpovedá 59,58 GWh elektrickej energie a 386,2 TJ tepla ročne.
II. 4 Plyn z drevného odpadu - drevný plyn V súčasnosti dochádza k určitej renesancii drevného plynu, ktorý sa využíval bežne v dobách vojen (napr. II. svetová vojna), kvôli nedostatku benzínu na pohon civilných i vojenských vozidiel. Ďalej drevný plyn vznikal pri výrobe drevného uhlia, napr. v milieroch, či v rôznych typoch generátorov za rôznym účelom [7],[11],[12],[18]. Zariadenie pre výrobu drevného plynu najčastejšie zahŕňa:
Jeho výhrevnosť sa pohybuje v rozmedzí od 4,6 - 5,85 MJ/m3. A keďže ani do budúcnosti sa väčším využívaním drevného plynu veľmi neuvažuje, nebude v ďalšom podrobnejšie analyzovaný (niektoré odhady sú uvedené v Tab.10). Avšak tu je potrebné podotknúť skutočnosť, že tento typ plynu po odstránení dechtu môže byť mimoriadne zaujímavým pre jeho následné využitie v kogeneračných jednotkách. Experimenty s týmto typom plynu sa v súčasnosti prevádzajú napr. vo firmách HOCHREITER, SRN, JENBACHER, A , ...[4],[20]. II. 5 Plyn z gumárenského odpadu - pyrolýzny plyn Vyžitie gumárenského odpadu je v súčasnej dobe v štádiu experimentálneho výskumu. Technológia využívania gumárenského odpadu (použitých pneumatík, pásov zo strojárskej a hutníckej výroby, hadíc z eletropriemyslu a pod.) spočíva v nasledovných krokoch:
vodík - 11,4; metán - 37,28; etán - 11,33; propán - 3,4; bután - 0,5; etylén - 18,0; propylén - 11,66; butadién - 2,0; a niektoré ďalšie plynné zlúčeniny. Keďže využitie takto získaného plynu je v počiatkoch, nebude mu v ďalšom venovaná väčšia pozornosť.
Potenciálna produkcia vymenovaných plynov na Slovensku je relatívne vysoká a niektoré snahy o potvrdenie reálnosti jej využitia už začali. Maximálna (teoretická) resp. potenciálna produkcia plynu sa odhaduje na 15 PJ, z čoho 10 PJ pochádza z využitia poľnohospodárskych exkrementov a 5 PJ z ostatných zdrojov organických odpadov. Reálna potenciálna výroba bioplynu resp. vymenovaných plynov na Slovensku predstavuje cca 6,5 PJ v poľnohospodárskom sektore a 3 PJ v oblasti odpadov [1],[22],[23]. V náväznosti na horeuvedené údaje, bola vytvorená na Tab.10, ktorá sumarizuje všetky prezentované údaje. Tu je potrebné zároveň uviesť skutočnosť, že všetky prezentované typy plynov je možné využívať v kogeneračných jednotkách, obr.7 a obr.8, za účelom získavania elektrickej energie a tepla resp. prostredníctvom trigenerácie za účelom získavania elektrickej energie, tepla a chladu zároveň.
ZÁVER Predložený príspevok si v žiadnom prípade nenárokuje pozornosť z hľadiska úplnosti predkladaných informácií, snaží sa len vyprovokovať širšiu odbornú verejnosť, laickú verejnosť a legislatívnu verejnosť k väčšej aktivite v oblasti využívania často podceňovaných energetických zdrojov.
LITERATÚRA Reklama |