Zemní a syntetický zemní plyn patří mezi hlavní světové zdroje energie. Moderní trendy ve vývoji teplárenského komplexu, klimatické změny a rostoucí ceny zemního plynu však vyžadují nové a alternativní zdroje energie. Věda nestojí na místě, často umožňuje využívat nestandardní způsoby získávání energie.
V tomto článku se budeme zabývat perspektivami bioplynu a biosyntetického plynu získaného z biomasy a také jejich (bioplyn a bio-LPG) charakteristikami.
Nejprve si ujasněme terminologii. Bioplyn je plyn získaný přírodními procesy, uměle „opakovaný“ v průmyslovém měřítku, zatímco biosyngas (syngas, syntézní plyn) je plyn získaný jako výsledek biochemických reakcí.
Bioplyn a biosyntetický plyn jsou univerzální. Lze je využít k výrobě elektřiny, tepla a jako biopalivo (biometan). Surovinou pro bioplyn jsou organické odpady (komunální, průmyslové, zemědělské), čistírenské kaly, hnůj a hnojiva, dřevo, energetické plodiny, zemědělský odpad, siláž atd. anaerobní trávení. Dřevní biomasa, včetně uhlí, není pro tento konkrétní proces vhodná kvůli vysokému obsahu ligninu, polymeru přírodního původu, ale lze ji využít k výrobě biosyntetického plynu. termochemické zplyňování.
Výroba bioplynu z organického odpadu anaerobní digescí je ekonomičtější ve srovnání s výrobou biosyntetického plynu zplynováním. Přibližné náklady na sadu zařízení na výrobu bioplynu o objemu až 7500 nm 3 /h anaerobní digescí dosahují 5000 USD. K výrobě biometanu z biomasy (methanace) je zapotřebí dalších až 2600 USD za každé nm3/h. Výroba biosyngasu může stát až 20 USD za GJ. Pokud se zpracuje také na syntetický zemní plyn (SNG) (metan), kapitálová investice se zvýší o dalších 25 %.
Tyto ceny jsou přibližné a platí pro rok 2013. V příštích 10-15 letech se může požadovaná investice do výroby zvýšit o 10-15%.
Výroba bioplynu z biomasy
Proces anaerobní digesce je mikrobiologický proces rozkladu biomasy v bioreaktorech za nepřítomnosti kyslíku, jehož výsledkem je tvorba bioplynu a vyhnilého kalu, který je následně využíván jako organické hnojivo. Tento proces se skládá z hydrolýzy, acidogeneze, acetogeneze a methanogeneze. V poslední fázi se tvoří metan.
Hlavními ukazateli, které ovlivňují cenu výroby, jsou teplota trávení (mezofilní aerobní rozklad při 30-45ºC, termofilní aerobní rozklad při 50-60ºC), hodnota pH (pH 6,5-8), udržování stálého míchání pracovního prostředí, přítomnost biogenních látek (poměr organického uhlíku k dusíku 20-30), doba zdržení (až 20 dní nebo více v závislosti na teplotě), přítomnost toxických látek ve výchozím materiálu. K rozkladu může docházet také u látek s vysokou (koncentrace sušiny 5–15 %) a nízkou (více než 15 %) vlhkostí: první možnost vyžaduje méně investic, zatímco druhá možnost vyžaduje nižší provozní náklady a má vyšší produktivitu plynu na jednotku suroviny.
Bioplyn z rostlinných zbytků
Existuje i třetí, méně obvyklá možnost – výroba bioplynu z rostlinných zbytků, kdy dochází k tzv. pasivní (přirozené) anaerobní digesci. Využití této metody má omezení zejména v rozvojových zemích kvůli vysokému zatížení životního prostředí. Ale díky implementaci Kjótského protokolu a mechanismu čistého rozvoje* lze omezení zrušit.
Srovnávací tabulka charakteristik bioplynu a zemního plynu
| Struktura | Bioplyn | Plyn z odpadu organického původu | Zemní plyn |
|---|---|---|---|
| Metan | 50 70-% | 35 65-% | 80 90-% |
| Oxid uhličitý | 25 45-% | 15 50-% | 0,7 1-% |
| Vodní pára | 1 5-% | – | |
| Kyslík | 0 5-% | ||
| Dusík | 5 40-% | 0 14-% | |
| Sirovodík, mg/m3 | 0-4000 | 0-100 | |
| Amoniak, mg/m3 | 100 | 5 | |
| Vodík | |||
| Jiné uhlovodíky | 3-10 | ||
| Minimální výhřevnost, kW/Nm 3 | 6,5 | 4,4 | 9-11 |
| Maximální Wobbeho index, kW/nm 3 | 6-10 | 5-7 | 12-15 |
Tabulka poměrů některých druhů biomasy a objemu vyrobeného bioplynu
| Zdroj biomasy | Objem vyrobeného bioplynu, nm 3 /rok |
|---|---|
| 1 dojnice (20 m3 kejdy za rok) | 500 |
| 1 prase (1,5-6 m3 kejdy za rok) | 42-168 |
| skot (3-11 m3 suchého hnoje za rok) | 42-168 |
| 100 kuřat (1,8 m3 slepičího hnoje za rok) | 240-880 |
| kukuřičná siláž z 1 hektaru pod podmínkou získání 40-60 tun produktů z 1 hektaru | 7040-10560 |
| tráva z 1 hektaru, za předpokladu získání 24-43 tun produktů z 1 hektaru | 4118 – 6811 |
Výroba biosyngasu, mimo jiné z uhlí
Biosyntetický plyn se získává tepelným zplyňováním různé biomasy obsahující uhlík. Během procesu zplyňování dochází k tvorbě syntetického plynu, sloučenin vodíku a oxidů/oxidů uhlíku.
Tato metoda je známá již dlouhou dobu: poprvé se začala používat na konci 1921. století, v Německu se hojně používala během druhé světové války a v roce XNUMX byl patentován první generátor plynu s fluidním ložem.
V závislosti na poměru vodíku a oxidů uhlíku za působení katalyzátorů lze biosyngas využít jak pro průmyslové účely v různých chemických procesech, pro výrobu metanu a výrobu metanolu a čpavku, tak pro výrobu biopaliv, různých chemikálií a elektřiny.
Proces zplyňování uhlí probíhá v reaktorech, kde proces pyrolýzy probíhá nejprve při teplotách nad 400°C. V důsledku toho se tvoří těkavé látky obsahující vodík, pryskyřice, fenolové a uhlovodíkové páry. Dále se zuhelnatělá látka zplyňuje při teplotě 800-1800°C za vzniku syntézního plynu s vysokým obsahem vodíku a uhlíku. Koeficient přeměny energie v důsledku zplyňování uhlí je 70-80%.
Náklady na výrobu biosyngasu závisí na složení závodu, zda je součástí podniku vyrábějícího např. čpavek nebo pouze syntézní plyn, na požadavcích na jeho složení a komplexu zařízení.
Souhrnná tabulka charakteristik syntetického zemního plynu a syntézního plynu z uhlí o výhřevnosti 20700 – 27300 kJ/kg
| Parametry | Biosyngas | Biosyngas/N2 | SNG |
|---|---|---|---|
| Produktivita, MW | 210-310 | 210-310 | 170-260 |
| Zásoba uhlí, GJ/hod | 800-1200 | 800-1200 | 800-1200 |
| Výtěžnost hlavního produktu, GJ/hod | syngas – 670-1000 | syngas – 560-810 H2 – 110-190 | SNG – 560-840 |
| Výtěžnost přidružených látek: kyselina sírová, kg/h | 120-1350 | 120-1350 | 120-1350 |
| Tepelná účinnost procesu zplyňování, % | 73-75 | 73-75 | 60 |
| Emise oxidu uhličitého CO2, kt/PJ | 55 | 55 | 78 |
| CH uvolňování metanu4, kt/PJ | 0,0061 | 0,0061 | 0,0061 |
| Uvolňování oxidu dusnatého N2O, kt/PJ | |||
| Při použití systému zachycování a zadržování uhlíku emise CO2 se sníží na: | až 99% | až 99% | až 99% |
Biometan
Biometan se vyrábí z bioplynu a syntézního plynu metanací, který se používá v rozvodných sítích plynu nebo jako biopalivo. Tento proces zahrnuje odstraňování oxidů uhlíku ze vstupního plynu bohatého na vodík. Mezi technologie, které se k tomu používají, patří mokré čištění plynu, aminové praní, mechanické čištění organickými rozpouštědly a adsorpce pomocí tlakového cyklování. A kryogenní výrobní metody se používají ke zkapalnění metanu.
Výroba biometanu začala v 80. letech 1984. století v jednom z největších průmyslových závodů, který se nachází v Severní Dakotě (USA) a funguje od roku XNUMX.
Závěry
Účelem této recenze nebyl detailní popis technické stránky procesu získávání bioplynu a syngasu, ale pouze exkurz do tohoto tématu z pohledu perspektiv využití těchto druhů paliv a jejich vlastností. Na základě analýzy můžeme s jistotou dojít k závěru, že maximální výrobní potenciál je zaznamenán právě pro výrobu biosyngasu, což již potvrzuje široká distribuce továren a podniků na jeho výrobu.
*Závazky rozvinutých zemí a zemí s transformující se ekonomikou snížit emise skleníkových plynů do atmosféry
Program analýzy systému energetických technologií: Výroba bioplynu a biosyngasu,
Program analýzy systému energetických technologií: Výroba syngasu z uhlí
Bioplyn je ukázkovým příkladem toho, jak vysoké zisky lze dosáhnout z odpadu. Vedlejší produkty hospodářské činnosti se v důsledku zpracování stávají ekologickým plynným palivem. Tento cyklus recyklace odpadů umožňuje vytvořit uzavřené výrobní zařízení založené na zemědělském podniku nebo městském zařízení na zpracování.
Výroba bioplynu
Výroba bioplynu není možná bez speciálního zařízení: bioplynové stanice. Jedná se o komplex inženýrských staveb sestávající ze zařízení a kontejnerů, které jsou určeny pro skladování a přípravu surovin, výrobu bioplynu, jeho sběr a čištění. Při výrobě se uvolňují vedlejší produkty zpracování – suchá část sloužící k získávání vysoce kvalitních minerálních hnojiv a vody. Pro výrobu elektřiny se bioplynová stanice někdy kombinuje s mini plynovou turbínou nebo jiným generátorem. Aby se vytvářela nejen elektřina, ale i dodatečná tepelná energie, je výroba bioplynu vybavena kogeneračními zařízeními.
Bioplyn se vyrábí ve speciálních, korozivzdorných válcových utěsněných nádržích nazývaných fermentory. V těchto tancích probíhá fermentační proces. Před vstupem do fermentoru však surovina vstupuje do přijímací nádrže. Tam se pomocí speciální pumpy míchá s vodou do homogenity. Poté je již připravená surovinová základna dodávána z přijímací nádrže do fermentorů. Stojí za zmínku, že proces míchání není v tuto chvíli zastaven. Pokračuje, dokud není přijímací nádrž prázdná. Teprve když je nádrž prázdná, čerpadlo se automaticky zastaví a začne se uvolňovat bioplyn. Nedaleko se nachází plynojem, do kterého proudí plyn potrubím.
Bioreaktor musí být umístěn v samostatné, prefabrikované místnosti, což je nezbytná nutnost, která je dána jak bezpečnostními normami, tak tím, že pro tvorbu bioplynu je nutné udržovat stálou, relativně vysokou teplotu 30 – 50 st. C°. Technologie výroby bioplynu zahrnuje periodické míchání směsi fermentovatelných složek. Tento proces zabraňuje jejich oddělení a zastavení fermentačního procesu.
Aby zařízení na výrobu bioplynu správně fungovalo, je třeba dbát na mletí velkých kusů surovin, protože pomáhají zpomalovat rychlost uvolňování metanu. Provoz profesionálních bioplynových stanic je monitorován počítačem. Pro obsluhu několika středně velkých stanic nebudou zapotřebí více než dva lidé.
Suroviny pro bioplyn
Hlavními surovinami pro tvorbu bioplynu jsou organické složky tuhého komunálního odpadu. Navíc lze využít i odpadní vody, kapalné a pevné odpady ze zemědělské výroby.
Suroviny musí splňovat určité požadavky. Objem vyprodukovaného bioplynu na jednotku fermentovatelné látky závisí na úrovni vlhkosti suroviny. Například různé druhy hnoje produkují různé množství bioplynu na kilogram materiálu s různým procentem metanu. Nejvyšší výtěžnost bioplynu a nejvyšší procento metanu v něm se získává z řepných naťů. Získávání paliva v továrnách na řepu a cukrovary lze tedy nazvat nejúčinnějším.
Na základě toho, jaké suroviny budou k výrobě bioplynu použity, se mění i zařízení pro jeho tvorbu. Například při použití suchých nebo pevných surovin se musí mechanicky nakládat do šnekového dopravníku, který dodává surovinu do reaktoru. A při použití odpadní vody nebo hnoje se surovina samospádem dostává do nádrží, odkud se v případě potřeby pomocí čerpadel dostává do bioreaktoru. V některých případech suroviny vyžadují dodatečné čištění a hydrolýzu. V tomto případě bude mít systém výroby bioplynu dva bioreaktory propojené dohromady.
Chemické složení bioplynu:
- 50-87% metanu
- 13-50% oxidu uhličitého
- vodík
- sirovodík
- amoniak.
Po úplném vyčištění se získá biometan, což je obdoba zemního plynu. Cca 10-15% vyrobeného bioplynu se spotřebuje na údržbu fermentoru pro udržení požadované teploty 35-40 0C. Zbývající bioplyn se využívá k výrobě elektrické a tepelné energie. Tento bioplyn je vynikající pro vytápění průmyslových skleníků a farem.
Využití bioplynu
Výroba a využití bioplynu se vyznačuje řadou výhod, které jsou opodstatněné a potvrzené světovou praxí. Zdůrazněme následující:
- obnovitelný zdroj energie (OZE). Jak je známo, obnovitelná biomasa se používá k výrobě bioplynu
- rozsáhlý seznam surovin používaných k výrobě tohoto typu paliva umožňuje výstavbu bioplynových stanic téměř kdekoli v oblasti koncentrace zemědělské výroby, ale i technologicky příbuzných odvětví
- univerzálnost metod energetického využití bioplynu. Může být využívána jako elektrická a/nebo tepelná energie v místě jejího odběru a dále v jakémkoli zařízení, které je připojeno k plynárenské přepravní síti (pokud je možné do této sítě dodávat vyčištěný bioplyn). Takový plyn lze navíc použít k tankování automobilů.
- stabilita výroby elektřiny z bioplynu v průběhu celého kalendářního roku umožňuje pokrýt špičková zatížení sítě mimo jiné v podmínkách využívání nestabilních obnovitelných zdrojů energie, například solárních nebo větrných elektráren
- vytváření pracovních míst v důsledku vytvoření tržního řetězce od dodavatele biomasy až po obsluhu energetických zařízení
- výrazné snížení negativního vlivu na životní prostředí v důsledku zpracování a neutralizace odpadů metodou řízené fermentace v bioplynových stanicích. Bioplynové technologie lze nazvat jedním z hlavních a nejracionálnějších způsobů recyklace organického odpadu. Výroba bioplynu pomáhá snižovat emise skleníkových plynů do atmosféry.
Výsledná elektrická a tepelná energie bude schopna pokrýt nejen potřeby výrobního komplexu, ale i přilehlé infrastruktury. Je pozoruhodné, že suroviny pro BGU jsou zdarma, v důsledku čehož je zaručena vysoká ekonomická účinnost po skončení doby návratnosti (4-7 let). Náklady na energii vyrobenou v bioplynových elektrárnách nerostou, ale spíše klesají.
Instalace BGU umožňuje:
- nenakupujte neustále rostoucí ceny elektřiny ze sítě
- nenakupovat plyn pro výrobu tepla
- snížit objem nákupů minerálních hnojiv
- snížit kapacitu lagun potřebnou pro skladování
- zlepšit stav životního prostředí.
Bioplyn v Rusku
Zásadním a určujícím faktorem pro rozvoj bioplynové energetiky je podpora na úrovni státu. Například v zemích, kde vláda uplatňuje „výkupní tarif“ na nákup elektřiny z bioplynových stanic, dosahuje podíl energie z bioplynu 20 %. Tato situace je pozorována ve Finsku, Švédsku a Rakousku. Zástupci ruského ministerstva energetiky uvedli, že země dosáhne cíle 10 % energie z alternativních zdrojů všech typů až v roce 2030.
Odborníci jmenují dva slibné směry výroby bioplynu v Rusku:
- výstavba průmyslových stanic
- prodej továrních modulárních jednotek.
Z technologického hlediska se také výroba bioplynových reaktorů rozvíjí dvěma směry. Prvním typem bioplynových stanic jsou modulární horizontální válcové mechanismy, které mají sériově vyráběné mísiče. Takové instalace se dodávají hotové. Druhým konstrukčním typem jsou vertikálně instalované digestoře, nejčastěji montované na místě instalace.
Praktické údaje naznačují, že farma, která má bioplynovou stanici, nespotřebovává více než 15 % vyrobené energie, takže většina jde na prodej. Pro stimulaci výrobců energie z bioplynu vyvíjejí odborníci z ministerstva energetiky celou řadu opatření:
- stanovení přirážky k velkoobchodní ceně elektřiny
- úhradu nákladů za připojení k elektrické síti.
Navzdory poměrně příznivé půdě je však v Rusku v provozu jen několik bioplynových elektráren. První ruský reaktor byl spuštěn v roce 2009 ve vesnici Doshino v regionu Kaluga. Další funguje v regionu Belgorod – bioplynová stanice Baintsury na bázi komplexu pro chov prasat a Luchki. Před několika lety byla v mordovské vesnici Romadanovskoye spuštěna velká bioplynová stanice. Oblast Belgorod je lídrem v produkci ruského bioplynu.
Vzhledem k tomu, že velké množství organického odpadu vzniká právě v zemědělsko-průmyslovém komplexu, je rozvoj bioplynové energetiky nejslibnější ve venkovských oblastech našeho státu. Bohužel je dnes v Rusku biologická hmota převážně považována za zdroj ztrát, protože každoročně se škody způsobené zemědělským odpadem odhadují na přibližně 450 miliard rublů. Zatímco bioplyn je ekologický a levný typ nosiče energie. Pomocí bioplynových technologií lze dosáhnout řady pozitivních vedlejších efektů, které jsou pro ruskou vesnici mimořádně relevantní.
