Bioplyn je hořlavý plyn získaný z přírodní biomasy v důsledku její anaerobní (bez přístupu vzduchu) fermentace. Na procesu rozkladu se aktivně podílejí tři typy mikroorganismů:
- hydrolýza;
- kyselinotvorný;
- metanotvorné.
Produkce bioplynu je možná díky zpracování některých typů bakterií jinými v určitém pořadí.
Výroba bioplynu je vynikajícím řešením problému zpracování biologického odpadu z chovů hospodářských zvířat a vytváření dodatečného zisku pro zemědělské podniky. V důsledku takového recyklačního cyklu je možné řešit problémy životního prostředí spojené s koncentrací velkého množství kapalných a pevných hnojů, produktů rozkladu rostlinných materiálů a domovního odpadu.
Chemický vzorec bioplynu
| Plyn | Химическая формула | Objem |
|---|---|---|
| Metan | CH4 | 40 -70% |
| Oxid uhličitý | CO2 | 30 -60% |
| Jiné plyny | 1 -5% | |
| Vodík | H2 | 0 -1% |
| Sirovodík | H2S | 0 -3% |
Složení bioplynu
Bioplyn se skládá převážně z metanu (50-80 %), oxidu uhličitého (15-50 %) a malého množství amoniaku, sirovodíku, oxidů dusíku a dalších látek. Biometan používaný při výrobě se získává jako výsledek čištění od nečistot. Jeho jediným rozlišovacím znakem od zemního plynu je jeho původ z přírodních rozložitelných zdrojů.
Protože metan působí jako dodavatel energie z tohoto materiálu, všechny normalizované ukazatele tohoto plynu jsou stanoveny v souladu s normami vlastními metanu. Objem výsledného produktu se měří v litrech nebo m3 na 1 kg SS (organické sušiny). Vysoká vlhkost a vysoká teplota mohou mít negativní dopad na kvalitu produktu.
Výroba bioplynu
Uzavřená technologie výroby bioplynu zahrnuje následující cykly:
- Sběr a příprava biomasy. Všechny velké úlomky vstupující do zařízení jsou rozdrceny, pokud je úroveň vlhkosti pod normou, látka se zředí čistou, nechlorovanou vodou.
- Naložení produktu do bioreaktoru a jeho údržba. Kompletně připravený filtrovaný substrát se zahřeje na správnou teplotu a vloží do bioreaktoru. Pravidelně míchejte (1-3x denně), aby nedošlo k oddělení hmoty. Po vzniku přetlaku vstupuje plyn do plynové nádrže.
- Recyklace. Hustý odpad usazený na dně je výborným hnojivem. Přidání do půdy zlepšuje její strukturu a kvalitu. Kapalná vrstva vytvořená na povrchu pevné látky také slouží jako přírodní hnojivo pro urychlení růstu rostlin.
- Čištění plynu. Technologie čištění bioplynu se skládá z několika stupňů, které ovlivňují odstranění specifických látek. Voda se z produktu odstraní kondenzací a oxid uhličitý a sirovodík se odstraní vysokotlakými sorbenty. Postup čištění se provádí na průmyslových zařízeních pomocí přesných indikátorů teploty a tlaku, což je doma nemožné.
- Výroba tepelné a elektrické energie. Vzniklou tepelnou a elektrickou energii lze využít pro potřeby podniku.
Pro suchou fermentaci organických látek se používá pevný stohovatelný substrát, pro mokrou fermentaci se používá tekutá biomasa, která je do tanku dodávána čerpáním. Je třeba poznamenat, že není možné jasně rozlišovat mezi těmito typy oxidace podle jakýchkoli ukazatelů. Zařízení suché a mokré fermentace jsou podmíněně rozděleny do několika skupin podle obsahu sušiny v substrátu.
Určitý způsob zatížení poskytuje anaerobním bakteriím nové podíly organické hmoty a na něm závisí účinnost tvorby bioplynu. Při kontinuálním a kvazikontinuálním zavážení biomasa vstupuje do reaktoru 1-2x denně v malých dávkách. Bioplynová stanice v tomto případě pracuje s průtočnou nebo zásobníkovou průtočnou technologií. Akumulační technika z důvodu rozdílných technických a ekonomických parametrů je dnes již nevhodná.
Průtokový způsob byl dříve nejoblíbenější při výrobě bioplynu. Je pro ni typické, že do reaktoru je současně dodávána čerstvá porce a fermentovaná organická hmota je přemístěna do speciálního skladu. Biomasa vstupuje do skladu přemístěním nebo odstraněním určitým způsobem.
S průtokovou technologií je reaktor vždy plný – vyprázdní se v případě kontroly zařízení nebo plánované údržby. Metoda poskytuje optimální výtěžek bioplynu a vysokou produktivitu reaktoru. Proces však může tvořit kanály, kterými je substrát odstraněn z reaktoru a přemístěn do skladu v nefermentovaném stavu. V důsledku toho organické zbytky dozrávají ve skladu, což vede k tvorbě bioplynu. Ve většině instalací s průtokovou technologií je úložiště otevřené a tvorba metanu za takových podmínek je výbušný proces.
V technologii storage-flow se používá uzavřený sklad ve formě skladu, před kterým je instalován průtokový reaktor. Část metanu se vyrábí v zásobní nádrži a odstraňuje se z ní stejným způsobem jako z průtokového reaktoru. Kombinovaná technologie umožňuje zvýšit objem výstupního plynu a zjednotit proces fermentace.
Bioplynové stanice
K výrobě bioplynu se používají průmyslová zařízení. Takové zařízení je charakterizováno přítomností mechanizace a automatizace, homogenizace a topných systémů. Moderní bioplynová stanice by měla mít následující vybavení:
- nádrž na homogenizaci;
- nakladač surovin bioplynu;
- reaktor;
- míchací zařízení;
- plynová nádrž – speciální technologický sklad;
- systém míchání vody;
- čerpací stanice;
- čerpací zařízení;
- oddělovač;
- řídicí a měřicí instalace s vizualizací;
- ovládací zařízení;
- bezpečnostní systém.
Specifika fungování průmyslového zařízení je založena na periodickém zavážení biomasy do reaktoru pomocí čerpací stanice nebo nakladače.
Tlakový reaktor, vyrobený ze železobetonu nebo oceli s povlakem, je izolovaná a vyhřívaná nádrž, která je vybavena míchadly. Funguje bez přístupu vzduchu. Reaktor obsahuje prospěšné mikroorganismy, jejichž životně důležitou činnost zajišťuje biomasa. Pro udržení vitální aktivity bakterií se dodávají organické suroviny, které se zahřívají na 35-38 ° C a pravidelně se míchají. Vzniklý bioplyn se hromadí v plynojemu. Dalším technologickým procesem je čištění bioplynu jeho průchodem přes čistící systém. Poslední fází je dodávka spotřebitelům v kotli nebo elektrickém generátoru.
Zařízení na výrobu bioplynu lze postavit ve všech regionech, kde jsou soustředěny zemědělské podniky nebo související průmyslová odvětví. Elektřina získaná z bioplynu umožňuje pokrýt špičkové zatížení sítě a výpadek elektřiny v případě využívání nestabilních obnovitelných zdrojů energie, řekněme větrných nebo solárních elektráren. V procesu využití biomasy fermentované v bioplynových nádržích na zemědělské půdě dochází k výraznému agrotechnickému efektu – regeneraci a zvýšení úrodnosti, zlepšení struktury polí a zvýšení živin organického původu. Zvýšení množství organických hnojiv díky organickým surovinám zpracovávaným v bioplynových reaktorech přináší spotřebitelské výhody. Stimuluje se vytváření trhu pro čisté zemědělské produkty a zvyšuje se jeho konkurenceschopnost.
Produktivita výrobního procesu
Zvýšení teploty nijak neovlivňuje výkon plynu. Hlavní podmínkou pro zvýšení produktivity může být zvýšení objemu zpracovávaných surovin. To je možné při použití většího bioreaktoru. Celkový objem bioreaktoru je vypočítán na základě cyklu celého zpracování biomasy: mezofilní proces (12-30 dní), termofilní proces (3-10 dní).
Dalšími podmínkami pro zvýšení produktivity výroby bioplynu jsou maximální mletí materiálu, optimální množství vody a periodické míchání, které vytváří komfortní podmínky pro mikroorganismy přispívající k odstraňování metanu.
Z hnoje jedné krávy lze získat až 4,2 m3 bioplynu za den. Energie obsažená v jednom m3 bioplynu odpovídá energii 0,6 m3 zemního spalitelného plynu, 0,74 l oleje, 0,65 l motorové nafty, 0,48 l benzínu atd. Při využití bioplynu se také šetří topný olej, uhlí, elektřina a další nosiče energie. Zavedením bioplynových stanic se zlepšuje ekologická situace v chovech hospodářských zvířat, drůbeže a přilehlých oblastech a je zabráněno vzniku škodlivých odpadních vod.
Suroviny pro bioplyn
K získávání surovin pro bioplyn lze využít jak zemědělsko-průmyslový organický odpad, rostlinné suroviny, tak odpad z domácností. Nejoblíbenější druhy odpadu jsou:
- zvířecí hnůj a ptačí trus;
- rostlinný odpad;
- nekvalitní sklizeň obilí a zeleniny;
- obilné výpalky;
- odpad z masa a rybolovu;
- řepné řízky;
- odpad z továren na pivo a mléko;
- organický odpad z domácností;
- zbytky z výroby řepkového semene.
Veškerý zpracovávaný materiál musí splňovat určité normy. Objem produktu, přepočtený na jednotku fermentované biomasy, přímo závisí na stupni vlhkosti použitých surovin. Například každý druh hnoje poskytuje jiné množství bioplynu na kilogram biomasy s různým obsahem metanu.
Odpad z řepy má největší procento metanu. Z toho vyplývá, že palivo získané v cukrovarech obsahuje maximální množství bioplynu s nejvyšší výtěžností. Podle toho, jaká surovina je použita, se upravuje postup její výroby.
Při likvidaci suchého nebo pevného materiálu se využívá mechanické nakládání do šnekového dopravníku. Tekutá surovina vstupuje do nádrže gravitací. Pokud je vyžadována další hydrolýza nebo čištění biomasy, prochází dalším bioreaktorem připojeným k hlavnímu.
Průmyslové aplikace
Bioplyn, jehož výroba je odůvodněna nejen uspokojováním potřeb spotřebitelů efektivním palivem, ale také ochranou životního prostředí, má široké uplatnění v podobě:
- suroviny pro elektřinu;
- pohonné hmoty pro automobily;
- uspokojovat energetické potřeby malých a středních farem;
- řešení problému přirozené likvidace odpadu.
Přestože se jedná o levný a ekologický zdroj energie, v tuzemsku si teprve získává na oblibě. Rozvoj bioplynových technologií umožní uvést do praxe řadu pozitivních opatření v oblasti agroprůmyslové ekonomiky.
Růst cen a systematické snižování vyčerpatelných přírodních zásob uhlovodíků nás nutí stále více přemýšlet o výrobě a využívání alternativních palivových metod. Jedním z nejoblíbenějších je dnes tzv. bioplyn získávaný z organického odpadu.
Co je bioplyn a jaké jsou jeho výhody?
Bioplyn je směs 55–75 % metanu, 25–45 % oxidu uhličitého a malého množství vodíku, sirovodíku a dalších plynů, získávaná v důsledku činnosti bakterií při rozkladu biomasy. Hlavní užitečnou složkou tohoto biopaliva je metan, při jehož spalování se uvolňuje 20–25 MJ energie, přibližně stejně jako při spalování 1,5 kg uhlí.
Hlavní výhodou bioplynu je, že se získává z organického odpadu. Tím jsou vyřešeny dva problémy najednou: recyklace potravinového odpadu a získávání relativně levného a energeticky náročného paliva. Odpad vznikající při výrobě bioplynu se využívá také jako hnojivo. Další výhodou tohoto přístupu je úspora přírodních zdrojů a snížení vypouštění škodlivých skládkových plynů do atmosféry.
Technologie bioplynu
Dnes je známo více než 60 různých technologií výroby bioplynu, lišících se druhy a poměry použitých složek, ale i schématem zpracování a konstrukcí zařízení. Tak či onak je založen na procesu, jehož podstatou je sekvenční rozklad biomasy třemi skupinami bakterií – hydrolytické, kyselinotvorné a metanotvorné.
Hlavním prvkem každé bioplynové stanice je reaktor – uzavřená nádoba, ve které probíhá výše popsaný proces. V tomto případě v důsledku reakce v horní části nádrže vzniká bioplyn, ze kterého se následně uvolňuje metan a ve spodní části se hromadí odpadní hmota vhodná k použití jako hnojivo.
Aby proces tvorby bioplynu proběhl úspěšně a efektivně, jsou nutné určité podmínky. Zejména je nutné udržovat teplotu v nádobě minimálně 30 C. Hmota v ní musí být neustále promíchávána a odstraněná odpadní část musí být neprodleně nahrazena novým odpadem. Důležité je také složení biomasy dodávané ke zpracování.
Jaký odpad se používá k výrobě bioplynu
Poměr látek ve složení biomasy přímo ovlivňuje množství a rychlost produkovaného bioplynu a také obsah metanu v něm. Nejlepšího efektu se dosáhne kombinací fekálních kalů, potravinového a rostlinného odpadu ze zemědělského a dřevozpracujícího průmyslu. Nejjednodušší zařízení na výrobu bioplynu však lze vyrobit a použít v soukromém domě nebo venkovském domě. Takzvané rodinné bioplynové stanice se aktivně využívají v Indii, Nepálu, Vietnamu a dalších zemích. Jde vlastně o modernější verzi kompostovacích jímek, do kterých se ukládá odpad vzniklý v domácnosti v důsledku činnosti hospodářských zvířat a lidí.
V Evropě se bioplyn vyrábí v průmyslovém měřítku. Tato možnost je zajištěna vytvořením vhodné infrastruktury v zemědělských podnicích a čistírnách odpadních vod. Lídrem v této oblasti je Dánsko, kde biopaliva zajišťují 18 % veškeré spotřeby energie. Bioplyn pohání více než polovinu evropských drůbežích farem, kde se vyrábí, a ve Švýcarsku se používá jako palivo pro více než 10 % veřejné dopravy.
V Rusku se bioplynové stanice zatím aktivně nevyužívají, přestože zdrojů na výrobu biopaliva je dostatek: v zemi se ročně vyprodukuje až 300 milionů tun organického odpadu. Jejich zpracování potenciálně umožňuje vyrobit asi 90 miliard metrů krychlových bioplynu.
Přitom na některých místech u nás se tato myšlenka již ujala. V čistírnách Kuryanovsky tak veškerý kal uvolňovaný z odpadních vod fermentuje v metanových nádržích při teplotě 53 C, což umožňuje získat bioplyn s obsahem metanu až 65 %. Toto palivo se používá v místních mini-CHP. Aby tak pomohli zvýšit množství biopaliva vyrobeného v Ruské federaci, nemusejí Moskvané montovat vlastní zařízení – stačí zlikvidovat co nejvíce organického odpadu kanalizací instalací drtiče potravinového odpadu na adrese Domov.
