Bioplynové stanice: výpočet, schéma a technologie získávání bioplynu z hnoje v domácnosti

Skládá se z metanu, oxidu uhličitého a vodní páry, obsahuje také minoritní látky, jako je dusík, kyslík, sirovodík a čpavek. Procento různých složek bioplynu závisí na výchozím složení suroviny a podmínkách chemické reakce (teplota, jednotnost složení suroviny podle objemu, doba setrvání suroviny v reaktoru atd.) .

Zařízení na výrobu bioplynu a generátory plynu využívající bioplyn jsou zvláště důležité pro venkovské domácnosti, které mají stálý zdroj organického odpadu. Může se jednat o chov hospodářských zvířat – v tomto případě je zajištěna prakticky bezodpadová výroba, kdy i odpad, který je obvykle předmětem likvidace, je využíván k výrobě elektrické nebo tepelné energie.

Zásobování bioplynem je také možné organizovat tam, kde je možné pravidelně nakupovat potřebné suroviny (například v blízkosti chovů hospodářských zvířat, jatek, zahradnictví atd. – všude tam, kde neustále vzniká organický odpad).

Jak se získává biologický plyn?

Pro výrobu plynu je vhodná suchá i mokrá (obsah suché suroviny méně než 15 %) biomasa. Na farmách jsou nejrozšířenější zařízení využívající mokrou biomasu: takové bioreaktory se snadněji vyrábějí a obsluhují, jejich cena je nižší a suroviny vám leží doslova pod nohama (hnůj, potravinový odpad atd.).

Výrobní proces je celkem jednoduchý. V první fázi fermentace se složité organické látky rozkládají na jednodušší organické sloučeniny a trávu a ve druhé pomáhají bakterie tvořící metan přeměnit vzniklé sloučeniny na metan, oxid uhličitý a vodu.

Bioplynové stanice mají ještě jednu významnou výhodu. Produkují nejen plyn potřebný pro energii, ale také zpracovávají odpad tak, aby si zbytek zachoval dostatek živin a mohl být použit jako hnojivo. Jinými slovy, bioplynová stanice umožňuje organizovat výrobu, ve které i odpad slouží jako surovina pro získávání zdrojů potřebných v ekonomice: elektrické a tepelné energie, hnojiv.

Generátor bioplynu se neliší od klasického generátoru plynu, protože bioplyn a zemní plyn mají podobné složení. Jediný rozdíl je v tom, že bioplynová stanice může poskytnout venkovskému domovu úplnou autonomii, protože surovina pro výrobu elektrické nebo tepelné energie (plyn) se vyrábí přímo na farmě a není nakupována a dodávána zvenčí.

Nepochybnou výhodou bioplynu je, že díky němu je možné zajistit nejen dostupnost elektřiny, ale i dodávky tepla a také paliva do kamen.

Pokud používáte plyn podle kombinovaného schématu (příjem elektrické a tepelné energie), pak celková účinnost systému dosahuje 90%. V tomto případě je odpadní horký plyn využíván k výrobě tepelné energie, která slouží k ohřevu vody v otopném systému a systému zásobování teplou vodou.

Než však zorganizujete výrobu biologického plynu na svém místě, musíte si spočítat: kolik bioplynu je potřeba pro vaši farmu, jaká by měla být kapacita bioplynové stanice a kolik surovin bude potřeba k zajištění požadovaného množství bioplyn.

Je třeba poznamenat, že v mnoha případech není dodávka energie bioplynu do farem schopna plně pokrýt potřebu elektrické a tepelné energie: není dostatek surovin pro výrobu potřebného množství bioplynu. V této situaci jsou možné dvě možnosti: buď se surovina nakoupí (to je možné, pokud je její zdroj v blízkosti, například velký komplex hospodářských zvířat, dřevozpracující průmysl atd.), nebo se generátor bioplynu použije společně s dalšími zařízeními jako součást celkového systému zásobování energií (například společně s větrným generátorem, solárními panely atd.).

Zařízení na výrobu biologického plynu

Při výpočtu kapacity bioplynové stanice musíte vědět, že objem vyrobeného bioplynu závisí na mnoha faktorech, včetně reakční teploty, množství výchozího materiálu, typu suroviny, jejího bakteriálního složení atd. Různá množství bioplyn se získává z různých odpadů.

Při plánování použití bioplynu k uspořádání autonomního napájení pro venkovský dům musíte vědět, že:

• vytápění 1 m2 obytných prostor vyžaduje cca 45 m2 plynu;
• Pro získání 1 kW/h elektřiny je potřeba 0,7-0,8 m2 plynu.

• provoz v „přírodním“ režimu – bez ohřevu a míchání biomasy v reaktoru;
• s mícháním biomasy, ale bez ohřevu;
• s mícháním a ohřevem biomasy;
• s promícháváním a ohřevem biomasy, vybaveno řídicím zařízením a přístroji pro řízení fermentačního procesu.

V tomto případě je pro výrobu bioplynu nutný bioreaktor (nádoba, ve které se provádí anaerobní digesce biomasy) a plynojem (zařízení na sběr bioplynu).

Všechny ostatní komponenty jsou žádoucí, ale volitelné. Zvyšují snadnost použití zařízení (řídicí prostředky, zařízení pro řízení fermentačního procesu) a zvyšují jeho produktivitu (zařízení pro ohřev a míchání biomasy), bioplyn však lze získat i bez nich.

Často se má za to, že ohřev biomasy je povinný, protože to zvyšuje produktivitu reaktoru a rychlost produkce bioplynu. Je ale třeba vzít v úvahu, že současně se zvyšuje i spotřeba energie na výrobu bioplynu.

Když mluvíme o nízkoenergetickém generátoru určeném k poskytování energie jedné domácnosti, může taková nadměrná spotřeba vést k výraznému nárůstu cen paliva a nerentabilnosti instalace. Majitelé soukromých domů proto ve většině případů využívají bioplynové stanice buď bez vytápění, nebo s mírným ohřevem (maximálně do 40 °C).

Mimochodem, při provozu zařízení v chladném období je vytápění povinné, protože při teplotách pod 8 ° C se proces anaerobního rozkladu biomasy zastaví.

Instalace

Bioreaktor je velmi vhodné umístit přímo pod prostory, kde se chovají zvířata. Podobné možnosti jsou běžné na farmách v Německu a USA: hnůj ze stodoly jde přímo do zařízení, ve kterém se vyrábí bioplyn. Zároveň se snižují energetické náklady na vytápění, protože v chladném období je místnost pro zvířata vytápěna a je možné se obejít bez dodatečného ohřevu bioreaktoru.

Míchání biomasy v reaktoru také není nutné, pokud to znamená značné energetické náklady. Míchání zajišťuje rovnoměrné složení směsi v reaktoru, což zlepšuje podmínky pro fermentaci a odstraňuje krustu, která plave na povrchu fermentované hmoty a zabraňuje uvolňování plynu. To vše zvyšuje produktivitu instalace, ale obejdete se bez toho.

Absence topení a/nebo zařízení pro míchání biomasy v zařízení vede k delšímu cyklu rozkladu, to znamená, že se prodlužuje doba pro získání biologického plynu.

Bioplyn je produktem anaerobního (bez přístupu vzduchu) rozkladu organických látek různého původu (hnůj, potravinářský odpad, ostatní biologický odpad). Bioplyn se skládá z 50-70 % metanu (CH4) a 30-50 % oxidu uhličitého (CO2). Může být použit jako palivo pro výrobu tepla a elektřiny. Bioplyn tvoří 3-4 % energetické bilance evropských zemí. Ve Finsku, Švédsku a Rakousku díky vládním pobídkám pro bioenergii její podíl dosahuje 15–20 %. V Číně je v provozu 12 milionů malých „rodinných“ bioplynových stanic, které dodávají plyn především do kuchyňských sporáků. Tato technologie je rozšířena v Indii a Africe (obr. 1). V Rusku lze zařízení na výrobu bioplynu spočítat na prstech jedné ruky. U nás výzkum v tomto směru začal ve 40. letech minulého století, ale pak byly práce fakticky utlumeny.

Dnes je však v Rusku obnoven zájem o bioplyn. Zejména ze strany venkovských výrobců. Řada zemědělských podniků začala stavět výrobny bioplynu. Na trh také vstoupila řada společností nabízejících služby v oblasti výstavby a uvádění bioplynových stanic do provozu. Ve skutečnosti se tato technologie nyní posouvá z experimentální fáze do fáze komerčního produktu.

Technologie výroby bioplynu je poměrně jednoduchá (obr. 2): organická hmota (hnůj, odpad atd.) je periodicky přiváděna do reaktorové nádrže, kde probíhá fermentační proces. Aby proces probíhal normálně, je nutné udržovat v reaktoru určitou teplotu a obsah promíchat. Všechny operace jsou prováděny tak, aby byl vyloučen přístup vzduchu do reaktoru. Za proces fermentace jsou zodpovědné bakterie. Do rostliny se obvykle dostávají společně s biomasou (obsaženou v hnoji). Nebo jsou zavedeny konkrétně – jednou v okamžiku spuštění reaktoru. Horní část reaktoru – plynojem – slouží ke sběru a skladování bioplynu. V souladu s tím je „fermentovaná“ biomasa, která je v podstatě univerzálním organickým hnojivem (biohumus), odebírána ze dna.

Průběh tohoto procesu dělíme podle teplotního režimu:

– psychofilní (do ≈25 °C)

– mezofilní (od 32 do 42 °C)

– termofilní (od 50 do 57 °C)

Bioplyn, jak již víme, se skládá z metanu a oxidu uhličitého. Lze je oddělit a metan použít jako běžný zemní plyn. Častěji se však bioplyn používá bez separace v elektrárnách upravených speciálně pro tento druh paliva. Plyn je dodáván přímo z plynové nádrže. Bioplyn lze využít v kotelnách (k výrobě tepla), v plynových turbínách nebo plynových pístových motorech. Obvykle pracují v kogeneračním režimu – vyrábějí elektřinu a teplo. Jak poznamenává Mark Poteryaev, vedoucí oddělení výroby EnTerra Group of Companies, plynové pístové jednotky vykazují nejlepší vlastnosti v bioplynových elektrárnách. Jsou účinnější než plynové turbíny.

Trigenerační zařízení (elektřina-teplo-chlad) dosud nebyla vyvinuta. Bioplyn má však v tomto směru dobré vyhlídky. Pokud je situace uvedena do ideálního stavu, může bioplynový komplex pracovat v režimu „pentagenerace“ – vyrábět elektřinu, teplo, chlad, organická hnojiva a „suchý led“. Ten lze získat v procesu dělení bioplynu na metan a oxid uhličitý v membránových kontaktorech, kde jsou hlavní složky separovány na technicky čistý metan a CO2. Podobné technologie byly testovány na počátku 80. let v Oděse na stanicích ministerstva obrany.

Rýže. 3 Schéma bezodpadové výroby v uzavřeném cyklu na bioodpad

Suroviny pro bioplynové stanice jsou v dostatečném množství dostupné na čistírnách odpadních vod, na skládkách odpadků, vepřínách, drůbežárnách a kravínech. Právě zemědělské podniky jsou v blízké budoucnosti považovány za hlavní spotřebitele bioplynových technologií. Ve prospěch toho hraje dobrá ekonomika takových projektů. Z jedné tuny kejdy se vyprodukuje 30-50 m3 bioplynu s obsahem metanu 60 %. Ve skutečnosti je jedna kráva schopna vyprodukovat 2,5 kubíků plynu za den. No a z jednoho kubíku bioplynu vyrobíte asi 2 kW elektřiny. Navíc se vyrábí organické hnojivo, jehož použití výrazně zlepšuje ekonomické vlastnosti bioplynové stanice. Z výpočtů Marka Poterjajeva je zřejmé, že doba návratnosti výrobního závodu postaveného pro palivovou základnu – stádo 900 kusů dobytka – se v režimu výroby tepla a elektřiny vrátí za 5–7 let, a pokud se vezmou v úvahu náklady na získaná hnojiva, zkrátí se doba návratnosti na 2,5 roku. Mimochodem, odborníci poznamenávají, že výsledný vermikompost je ekologické hnojivo, bez dusitanů, semen plevelů, patogenní mikroflóry a specifických pachů. Spotřeba těchto hnojiv je 1-5 tun místo 60 tun nezpracované kejdy na zpracování 1 hektaru půdy. Testy také ukazují zvýšení výnosu o 2-4 krát.

Řešení od GC “EnTerra”

ZAO GC EnTerra je jedním z prvních profesionálních hráčů v Rusku na trhu technických řešení pro výrobu zařízení na výrobu bioplynu. Společnost vyvíjí a staví na klíč malé výrobní jednotky, které pracují na různé druhy paliv – klasický plyn a topný olej, syntézní plyn (vyrábí se z pilin, rašeliny a dalších látek) a bioplyn. Navíc právě v projektování bioplynových elektráren byla implementována poměrně zajímavá technická řešení, díky nimž se tento typ energie, který je pro Rusko stále nový, může ukázat jako velmi úspěšné řešení pro organizaci zásobování hospodářských zvířat energií, zpracovatelské, komunální a další podniky.

Řešení od EnTerra Group je založeno na technologii, která se po mnoho let dobře vyvíjela: jednotka reaktor-držák-plyn-píst. Je třeba poznamenat, že existují dva hlavní typy reaktorů: pozemní (velmi vyvinutý například v Německu) a zakopaný (oblíbený v Dánsku). V ruských podmínkách jsou také výhodnější podzemní reaktory, protože lépe udržují teplo a vyžadují méně energie k udržení optimální teploty. Specialisté skupiny EnTerra Group of Companies spojili nejmodernější vědecký vývoj a sériová, provozem prověřená zařízení do jediného projektu. Výsledkem je, že zákazníkovi je nabídnut vyvážený projekt s vlastnostmi vybranými přesně pro konkrétní provozní podmínky. Další důležitou kvalitou bioplynových stanic od EnTerra Group je plně automatizovaný provozní režim.

Při vývoji projektu se podařilo vyřešit zásadní problém: byl vyvinut (díky ruské matematické škole) model pro výpočet reaktoru, ve kterém bude probíhat fermentace biomasy v optimálním režimu v celém objemu nádrže. To je mimochodem právě ten problém, který „lidoví řemeslníci“, kteří si vytvářejí vlastní bioplynové stanice, většinou neřeší. Dalším rysem bioplynového řešení od EnTerra Group je automatizace všech procesů – od přivádění biomasy do reaktoru až po výrobu elektřiny. Ve všech fázích (fermentace, tvorba směsi plynů před přívodem do motoru atd.) se provádí přístrojové řízení. Informace ze senzorů jsou odesílány do jediného automatizovaného systému řízení procesu, který neustále zajišťuje optimální provozní parametry pro všechny prvky instalace. Automatizační systém řídí provoz čerpací stanice, směšovačů, topného systému, plynové automatiky, generátoru a dodávky elektřiny spotřebiteli. Elektrická část instalace je vybavena reléovou ochranou a dalšími ochrannými mechanismy. Kromě toho může generátor pracovat jak v autonomním „ostrovním“ režimu, tak paralelně s elektrickými sítěmi.

Obecně GC “EnTerra” nabízí zákazníkovi následující rozsah služeb:

1. Příprava předprojektové dokumentace.

2. Vypracování studie proveditelnosti pro bioplynovou stanici.

3. Vypracování pracovního projektu (včetně automatizačního systému).

4. Nákup zařízení a komponentů.

5. Výstavba a instalace zařízení.

6. Spuštění a dosažení technologického provozního režimu.

7. V případě potřeby schválení tarifu a získání technických specifikací pro připojení k sítím.

Instalace se bude skládat přibližně z následujících prvků: 2 přijímací nádrže; 2 držáky plynu; 2 fermentační nádrže; 1 kontejner (rychle postavená budova) se skupinou čerpadel; 1 nádoba s plynovou pístovou jednotkou a automatizačním systémem. Výstavba a zprovoznění instalace trvá 8-10 měsíců (v závislosti na parametrech projektu).

Dnes je hlavním (ale ne jediným) odběratelem bioplynových stanic (mini-CHP) ruský chov hospodářských zvířat. Právě v podmínkách farmy nebo drůbežárny má takový projekt nejlepší ekonomické ukazatele. Například pro stádo 900 kusů skotu (na základě množství vyprodukovaného hnoje) bude bioplynová stanice stát 45 milionů rublů. Doba návratnosti projektu je 2,5 roku. Při určování doby návratnosti vycházíme z tarifu pro zemědělské podniky ve výši 3,8-4,5 rublů. za 1 kW h elektřiny a z nákladů na vermikompost 8 rublů. na 1 kg. Pokud nebereme v úvahu hnojivo vyrobené v reaktoru, zvyšuje se doba návratnosti bioplynové stanice na 5 let. Zařízení, které běží na odpad z masokombinátu, se zaplatí za necelé dva roky.

Zajímavé téma? Přihlaste se k odběru našich novinek na ZEN | Kanál v telegramu | Skupina VK.