Historie a perspektivy OZE – bioplyn

1 Výroba bioplynu

Bioplyn je směs plynů, v níž podstatnou část tvoří metan (50-75 %) a zbytek je doplněn oxidem uhličitým (25-50 %) a malým množstvím dalších příměsí. Vzniká bakteriálním rozkladem organické hmoty za nepřístupu vzduchu. Tento proces se nazývá anaerobní fermentace. V bioplynu je nositelem energie pouze metan, CO₂ a ostatní příměsi jsou balastními plyny. Pro metan izolovaný z bioplynu používáme označení biometan. Energetický obsah 1 m³ biometanu je asi 10 kWh.

1.1 Historie výroby a využití bioplynu ¹

I když zmínky o přírodních procesech, při kterých vznikal hořlavý plyn sahají několik století dozadu, bioplyn se poprvé začal vyrábět až na přelomu 19. a 20. století. Poprvé se začal produkovat z kalů splaškových čistíren odpadních vod. Ze začátku byl bioplyn (tehdy označovaný za kalový plyn) využíván především k vytápění a svícení v provozech čistíren odpadních vod.

Od dvacátých let 20. století se technologie pro zpracování čistírenských kalů dále zdokonaluje, vznikají samostatná zařízení pro anaerobní vyhnívání, objevují se první vyhřívané reaktory, čímž je zvýšena efektivita anaerobního rozkladu. Kalový plyn je již využíván k pohonu elektrických motorgenerátorů a k pohonu motorových vozidel. Od 30. let potom začíná intenzivní výzkum procesu anaerobní fermentace. S rozvojem technologií pro výrobu bioplynu se začaly používat k jeho výrobě mimo čistírenských kalů například i odpady ze zemědělství a potravinářství.

S tím jak se rozvíjela společnost, rostlo i množství organicky rozložitelného materiálu ukládaného na skládky a proto také postupně nabývá na významu využití skládkového plynu. Cílem bylo snížit nebezpečí spojená s nekontrolovanou tvorbou skládkových plynů a účelně je energeticky využít. Od 70. let 20. století se technologie anaerobní fermentace neomezuje pouze na zpracování odpadů, ale jsou již využívány cíleně pěstované energetické plodiny.

1.2 Materiál pro produkci bioplynu - bioodpady

Velký potenciál pro produkci bioplynu skýtají biologicky rozložitelné odpady (také bioodpady či zbytková biomasa). Mezi hlavní producenty bioodpadů patří:

• zemědělství - exkrementy hospodářských zvířat, zbytky rostlin,
• průmysl - potravinářský, živočišný, papírenský,
• domácnosti - kuchyňský odpad, odpady ze zahrad,
• čistírny odpadních vod - čistírenské kaly.

Podstatná část těchto odpadů se v České republice nijak energeticky nevyužívá a často končí na skládkách.

Následující tabulka ilustruje teoretický a dostupný potenciál energie, který je možné získat ze zbytkové biomasy na území České republiky. Teoretický potenciál je vyčíslená energie z veškerého množství bioodpadů. Dostupný potenciál je teoreticky možné využít v současnosti dostupnými technickými prostředky ².

Zdroj: MUŽÍK, Oldřich, SLEJŠKA, Antonín: Možnosti využití anaerobní fermentace pro zpracování zbytkové biomasy.
Biom.cz [online]. 2003-07-14 [cit. 2009-02-08]. Dostupné z WWW. ISSN: 1801-2655.

Aby tato čísla byla lépe představitelná, převedeme je na elektrický výkon, tepelný výkon a v případě, že bychom biometan použili k pohonu motorových vozidel, tak uvedeme i počet osobních automobilů, který by bylo možné pohánět ³. Výsledek ukazuje následující tabulka. I když se jedná "pouze" o odpadní biomasu, potenciál je značný.

Zajímavost

Následující tabulka ukazuje teoretický potenciál využití energie z výkalů hospodářských zvířat. Pokud bychom například veškeré exkrementy jedné dojnice přeměnili na bioplyn, mohli bychom z toho množství ročně vyrobit 1 188 kWh elektrické energie a 1 800 kWh tepelné energie. Pokud bychom tento bioplyn vyčistili a použili k pohonu osobního automobilu na CNG, mohli bychom ujet vzdálenost 4 500 km.

Zdroj: Jan Motlík a kol., Čisté teplo: Příležitost leží ladem, Potenciál výroby tepla z obnovitelných zdrojů energie,
vydaly Hnutí Duha a Calla, 2008. ISBN: 978-80-86834-22-1

Pro srovnání: v čistírnách odpadních vod je u nás zpracováno asi 21 kg sušiny čistírenského kalu na jednoho obyvatele ⁴. Z tohoto množství můžeme hrubým odhadem získat 8,5 m³ bioplynu, což odpovídá asi 17 kWh elektrické energie, 26 kWh tepelné energie a ujetí 65 km automobilem na CNG.

V roce 2006 bylo na území ČR vyprodukováno 175 000 tun (sušiny) čistírenských kalů z komunální sféry. Na kanalizaci bylo napojeno 8,2 mil. obyvatel ČR ⁶. Pouze asi 50 % čistírenských kalů je stabilizováno biologickou cestou. Tam kde jsou čistírenské kaly stabilizovány pomocí anaerobní fermentace, je vzniklý bioplyn většinou používán k pokrytí energetických potřeb čistíren odpadních vod. Následující tabulka ukazuje teoretický energetický potenciál zpracování čistírenských kalů pomocí anaerobní fermentace.

1.2.1 Předpoklady pro energetické využití odpadní (zbytkové) biomasy

Zbytkovou biomasu není energeticky ani ekonomicky výhodné vozit na velké vzdálenosti, proto by měla být energeticky zpracována co nejblíže místa svého vzniku. Uvádí se, že bioodpady pro anaerobní fermentaci by měly být transportovány maximálně 5 až 30 km do místa jejich zpracování ⁷. Tato skutečnost hovoří pro decentralizaci produkce energie z bioodpadů. Vezmeme-li rádius 5 km od bioplynové stanice, na pokrytí území naší republiky by bylo třeba cca 1 000 bioplynových stanic.

Vhodným řešením pro zpracování bioodpadu by mohlo být využití již existujících čistíren odpadních vod s již vybudovanými reaktory pro anaerobní fermentaci. Modernizací bioplynového hospodářství v čistírnách odpadních vod, která spočívá v intenzifikaci procesu zpracováním kalů s vyšším obsahem sušiny, je možné často uvolnit i více než polovinu stávající kapacity fermentorů. Uvolněná kapacita může sloužit ke zpracování bioodpadů. Kofermentace čistírenských kalů s vysokým obsahem dusíku spolu s bioodpadem, který má vysoký obsah uhlíku, může zlepšit chemické vlastnosti zpracovávaného materiálu (poměr C/N) a zlepšit výnosnost bioplynu . Čistírny odpadních vod mají často výhodnou polohu pro svoz komunálního bioodpadu.

Dalším vhodným místem pro umístění bioplynové stanice jsou zemědělské areály, kde je zajištěna celoroční dodávka zpracovávaného materiálu. I zemědělské bioodpady je vhodné zpracovávat společně s komunálními či průmyslovými bioodpady.

Připojení bioplynových stanic do plynové rozvodné sítě, kam by bylo možné dodávat bioplyn vyčištěný na kvalitu zemního plynu, by výrazně zlepšilo efektivitu využití bioplynu. Přestalo by být nutné zužitkovávat vyprodukovaný bioplyn v místě jeho vzniku a vyrovnal by se denní i sezónní nesoulad mezi jeho produkcí a spotřebou.

1.3 Materiál pro produkci bioplynu - energetické plodiny

Biomasa jako zdroj obnovitelné energie skýtá v podmínkách České Republiky ze všech obnovitelných zdrojů největší potenciál využití . V rostlinách (biomase) se ukládá přibližně 0,25-1 % slunečního příkonu, který na ně dopadá. V podmínkách České republiky je to okolo 0,5 % ¹⁰. Pro srovnání, sluneční kolektory (pro ohřev TUV) dokáží využít asi 30 % energie dopadajícího slunečního záření, zatímco fotovoltaika umí přeměnit v elektrickou energii asi 15 % dopadajícího slunečního záření. Takto vyrobenou energii však musíme ihned spotřebovat, kdežto sluneční energii uloženou v biomase můžeme skladovat a přeměnit v elektřinu či teplo právě tehdy, když je potřeba.

Aby bylo ospravedlnitelné pěstování biomasy pro produkci energie, je nezbytné, aby bylo z tohoto procesu získáno více energie v použitelné formě, než kolik do něho bylo vloženo. Jinak řečeno, energetická bilance (energetický poměr) udávající poměr získané energie k energii vložené by měla být co nejvyšší. Za účelem zjištění energetických vstupů a výstupů se provádí tzv. analýzy životního cyklu. V případě produkce energie anaerobní fermentací z energetických plodin se do této analýzy zahrnuje pěstování plodiny (výroba průmyslových hnojiv, výroba zemědělské techniky, pohonné hmoty k obdělávání polností atd.), samotný proces anaerobní fermentace (energie pro stavbu bioplynové stanice, energie spotřebovaná při provozu atd.) a energie pro zužitkování bioplynu (energie k výrobě zařízení k zužitkování bioplynu, provozní energie atd.).

Celková efektivnost závisí na mnoha proměnných, a bude se proto lišit případ od případu. Podle studie vzniklé v rámci projektu CROPGEN ¹¹ má velký vliv na výslednou energetickou bilanci produkce bioplynu volba energetické plodiny, lokální klimatické a půdní podmínky pro její pěstování, a dále použití průmyslových hnojiv a nutnost zavlažování. V rámci tohoto projektu vznikly analýzy životního cyklu pro 8 různých plodin používaných pro výrobu bioplynu. Podle této studie dosahuje nejlepší energetické bilance pěstování kukuřice a triticale. Pozitivní dopad na energetickou bilanci má použití digestátu místo průmyslových hnojiv. Energeticky nejvýhodnější je použití bioplynu pro pohon motorových vozidel ¹².

2 Využití bioplynu

Jsou čtyři základní způsoby, kterými je možné energeticky zužitkovat bioplyn. Tyto způsoby demonstruje následující schéma.

Zdroj: Biogas Production and Utilisation, IEA Bioenergy: T37:2005:01, přístupné ZDE.

Nejjednodušším použitím bioplynu je jeho přímé spálení pro výrobu tepla. Účelnějším využitím než pro výrobu tepla je kombinovaná výroba elektrické energie a tepla, tzv. kogenerace. Použití bioplynu do palivových článků je spíše hudbou budoucnosti. Velkým a v naší republice zatím nedoceněným potenciálem je využití bioplynu jako pohonné hmoty pro motorová vozidla. Toto použití vyžaduje vyčištění bioplynu na 98% metan, tzv. biometan, a jeho stlačení na 20 MPa (200 atmosfér).

2.1 Kogenerace

Kogenerace je nejčastějším způsobem využití bioplynu v České republice. Celková účinnost přeměny energie obsažené v bioplynu se uvádí kolem 85% (35% elektrická a 50% tepelná). Výroba elektrické energie z bioplynu v kogeneraci s teplem je v České republice podporována podle zákona č. 180/2005 Sb. garantovanými výkupními cenami a zelenými bonusy pro výkup elektrické energie.

Bioplyn je spalován v pístovém spalovacím motoru, který roztáčí generátor elektrické energie. Olej motoru a výfukové plyny jsou ochlazovány a získané teplo je dále využito například k vytápění rodinných domků nebo průmyslových provozů.

2.2 Využití bioplynu jako paliva pro automobily

Bioplyn se jako palivo pro motorová vozidla v České republice zatím nevyužívá. V Evropě jsou v tomto směru nejdále skandinávské země, především Švédsko. V České republice je upřednostňováno použití kapalných biopaliv, bionafty a bioetanolu, protože mohou být přimíchávána do konvenčních pohonných hmot. Biometan je na rozdíl od bionafty a bioetanolu plynným biopalivem. Sériově vyráběné automobily s pohonem na CNG (compressed natural gas) nebo-li stlačený zemní plyn mohou tankovat vedle zemního plynu i biometan, obě paliva jsou identická a liší se pouze ve způsobu vzniku.

Zajímavé je srovnání biopaliv z hlediska výtěžnosti energie na 1ha plochy zemědělské půdy. Největších energetických výnosů je v tomto ohledu v současnosti dosahováno přeměnou biomasy pomocí anaerobní fermentace na bioplyn. Bionafta a bioetanol v našich podmínkách se srovnatelnými náklady na vyrobený GJ energie dosahují ve srovnání s bioplynem a Btl ("biomass to liquid", tzv. biopalivo druhé generace) asi třikrát nižšího energetického výnosu z hektaru zemědělské půdy ¹³. Tento fakt ilustruje následující obrázek, který znázorňuje, jak si stojí jednotlivá biopaliva ve výtěžnosti energie ze zpracované biomasy na 1 ha pěstovaných plodin, převedeno na ujeté kilometry.

Zdroj: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V.

Následující tabulka srovnává energetické vstupy a výstupy pěstování a zpracování jednotlivých druhů biopaliv. Důležitým údajem je poměr energie získané v celém procesu produkce daného biopaliva a energie do tohoto procesu vložené. V dnešní době můžeme předpokládat, že veškerá vložená energie je fosilního původu. Čím větší je tento poměr, tím je produkce daného biopaliva energeticky výhodnější. S nejnižší energetickou účinností je produkována bionafta z řepky olejky. Dobrého poměru je dosahováno při pěstování kukuřice a triticale k produkci bioplynu. Nahrazením 50 % průmyslových hnojiv digestátem může výrazně vylepšit energetickou bilanci výroby biometanu.

Zdroj: Renewable energy from crops and agrowastes, D30b: Assessment of the potential for crop-derived biogas as an energy source in the EU,
taking into account technical and environmental issues and socio-economic impact, CROPGEN project no. SES6-CT-2004-502824, Dostupné ZDE.

Energetická návratnost

Energetická návratnost (Energy payback time – EPBT) udává dobu, za kterou se vrátí energie potřebná k výstavbě, provozu a zlikvidování energetického zařízení. Analýzy životního cyklu, ze kterých je EPBT odvozováno jsou časté v souvislosti se solárními či větrnými elektrárnami. Pro bioplynové stanice je množství studií výrazně nižší.

Na University of Southampton byla provedena studie životního cyklu pro bioplynovou stanici¹⁴ s objemem reaktoru 3800 m³. Spotřeba energie na výrobu materiálu (beton, ocel a jiné), výrobu zařízení a instalaci této bioplynové stanice byla 42,18 GJ. Pokud je jako materiál pro výrobu bioplynu použita kukuřičnou siláž, je roční zisk enertie 42 GJ v podobě tepla a elektřiny. Tento údaj již zahrnuje energetické nároky na pěstování kukuřice, na dopravu, energetické ztráty apod. EPBT vychází přibližně 1 rok. V případě zpracování biologicky rozložitelných odpadů se energetická efektivnost systému zlepšuje – odpadají náklady na pěstování a zpracování surovin (v tomto případě činily 7,429 GJ ročně). Ve studii není počítáno s energetickými náklady na likvidaci bioplynové stanice po skončení doby její životnosti.

Pro podmínky Indie byla zpracována studie životního cyklu bioplynových systémů¹⁵ o  kapacitách reaktorů od 2 do 10 m³ a dále do 35 m³, ve srovnání s bioplynovými stanicemi budovanými v ČR nebo jinde v EU se jedná o relativně malé systémy. V této studii je EPBT vyhodnocen jako podíl energie potřebné k výrobě a instalaci bioplynového systému (tzv. Embodied Energy Value – EEV) a čisté denní produkce energie. Opět tedy chybí náklady na likvidaci bioplynové stanice na konci životnosti. Hodnota EPBT tady vychází od 0,13 roku pro nejmenší bioplynovou stanici s objemem reaktoru 2 m³ a s rostoucím objemem reaktoru klesá až na 0,05 roku pro reaktor o objemu 10 m³. Zjištěné hodnoty jsou výrazně nižší než pro výše uvedené velké systémy, jedná se zřejmě o jednoduchá zařízení bez regulace procesu. Pomocí matematických metod je hodnota EPBT vyhodnocena i pro reaktor o objemu 35m³ a podle této studie vychází na 0,92 roku.

Závěrem

K výrobě bioplynu mohou být použity bioodpady, které nejen že v současnosti nejsou energeticky využívány, ale jejich likvidace je spojena s vysokými náklady a negativními dopady na životní prostředí. Použitím cíleně pěstovaných energetických plodin k produkci bioplynu je dosahováno lepších energetických výnosů na hektar obdělávané půdy a lepšího energetického poměru než při produkci bionafty a bioetanolu.

Výroba bioplynu může být značně decentralizovaná, protože stejně efektivně vyrobíme bioplyn v malých bioplynových stanicích jako ve velkých. Při existenci velkého množství menších bioplynových stanic může být materiál vhodný pro anaerobní fermentaci zpracovávaný co nejblíže místa svého vzniku. Tím se sníží nároky na dopravu a mohou tak být využity i ty zdroje, které by se jinak nevyplatilo na větší vzdálenosti vozit. Napojení těchto bioplynových stanic na rozvodnou plynovou síť zajistí flexibilitu celého systému. V České republice zatím není podporováno pumpování biometanu do plynové rozvodné sítě ani užití bioplynu jinak než na kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Alternativní využití bioplynu jinak než v kogeneraci je tak relativně znevýhodněno.

---

¹ Straka, F. a kol. BIOPLYN příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů, 2. rozšířené vydání. GAS, Praha 2006
² Mužík, O., Slejška, A.: Možnosti využití anaerobní fermentace pro zpracování zbytkové biomasy. Biom.cz , (8. 2. 2009), ISSN: 1801-2655, Dostupné ZDE.
³ Budeme počítat s 60% obsahem metanu v bioplynu, s účinností kogenerační jednotky 33 % elektrickou a 50 % tepelnou. Pro převedení na množství automobilů poháněných biometanem (BM) předpokládáme spotřebu jednoho automobilu 8 m³ BM/100km a 20 tis. km najetých za rok.
⁴ Podle údajů ČSU z roku 2006, dostupných ZDE. (21. 2. 2009)
⁵ Počítáme-li s produkcí 400 m³ bioplynu na tunu sušiny.
⁶ Zdroj ČSU
⁷ Possible European Biogas Supply Strategies - A Study on Behalf of the Government Parliamentary Group
Bündnis 90/The Greens, Institut für Energetik und Umwelt GmbH, 2007. Dostupný ZDE. (21. 2. 2009)
⁸ Zhang, L.: Enhanced biogas production of sewage sludge/waste activated sludge by co-digestion with organic solid waste in municipal wastewater treatment plant - Analysis of its application to the city of Kingston, 2007. Dostupné ZDE. (10. 2. 2009)
⁹ Zpráva Nezávislé odborné komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu. Verze k oponentuře, 30.9.2008.
¹⁰ Gaillyová, Y., Hollan, J.: (Staro)nová role venkova a zemědělství, Dostupné ZDE. (21. 02.2009)
¹¹ Výzkumný projekt CROPGEN byl financován Evropskou Unií. Projektu se účastnilo 11 organizací ze šesti evropských zemí. Cílem tohoto projektu byla udržitelná produkce paliva z biomasy a její integrace do současné energetické infrastruktury ve střednědobém horizontu. Projekt byl dokončen v polovině roku 2007.
¹² http://www.cropgen.soton.ac.uk/deliverables/CROPGEN_D19_Soton.pdf
¹³ Smrž, M.: Cesta k energetické svobodě, Energetický informační servis WISE Brno 2007
¹⁴ Dr Andrew Salter, lecture given at 18th Jyväskylä University Summer school
¹⁵ Mohd Arif, Jamshed A. Usmani, Avinash Chandra, Life Cycle Analysis of Biogas System, The 2nd Joint International Conference on “Sustainable Energy and Environment (SEE 2006)” 21-23 November 2006, Bangkok, Thailand.