Bioplyn, kogenerace a biomasa - synergická kombinace

Z vlastního rozhodnutí obce Kněžice, po několikaleté pracné přípravě a po získání dotace z evropských fondů přes Ministerstvo životního prostředí České republiky, se v roce 2006 podařilo nákladem 135 milionů korun (včetně DPH) realizovat projekt s názvem "Kněžice - energeticky soběstačná obec". Od té doby bylo zařízení několikrát modernizováno.

Energetická soustava obce Kněžice

Schéma energetické soustavy obce Kněžice se základními údaji o celém zařízení a o jeho provozu je na obrázku 1. Bioplynová stanice s jednou kogenerační jednotkou je v provozu nepřetržitě a vyrábí ze zemědělských, z potravinářských a z dalších odpadů elektřinu na prodej do elektrizační sítě, teplo pro ohřev fermentoru a pro vytápění obce a kvalitní hnojivo pro místní zemědělství. Kotelna na biomasu se dvěma teplovodními kotli o celkovém tepelném výkonu 1200 kW je v provozu podle potřeby pouze v topném období, kdy by přebytečné teplo ze samotné bioplynové stanice nestačilo na vytápění obce. Z bioplynové stanice a z kotelny na biomasu se teplo přivádí podzemním bezkanálovým rozvodem z předizolovaného potrubí do všech připojených objektů.

Obrázek 1: Schéma energetické soustavy obce Kněžice s vyznačením energetických toků

Soustava je v provozu od podzimu 2006. Provoz veškerého technologického zařízení bioplynové stanice, kotelny a rozvodu tepla v obci je plně automatický a je trvale sledován a zaznamenáván. Dále uvedené údaje o výkonech jednotlivých zařízení bioplynové stanice a kotelny již byly v provozu ověřeny. Celoroční údaje o výrobách a spotřebách energie jsou převzaty z provozních záznamů v roce 2008.

Z ekonomického hlediska je velký rozdíl mezi částí projektu, do které patří bioplynová stanice s výrobou elektřiny, a částí projektu, do které patří kotelna a celá soustava centrálního zásobování obce teplem. Za přibližně 1/3 investice byla postavena celá bioplynová stanice a vývod elektřiny do elektrizační soustavy, která přináší obci 80 % ročního finančního přínosu z tohoto projektu a šetří v české energetice cca 2000 tun emisí CO₂ za rok. A celé 2/3 investičních prostředků byly vynaloženy na kotelnu a rozvodu tepla, které přináší jen zbylých 20 % z celkového ročního finančního přínosu a šetří cca 600 tun emisí CO₂ za rok. Tento nepoměr mezi vynaloženými investičními náklady a ekonomickým a enviromentálním přínosem jednotlivých částí projektu je dán především nutnou velkou investicí do rozvodu tepla v rozptýlené venkovské zástavbě nevelkých vytápěných objektů.

Bioplynová stanice

Bioplynová stanice Kněžice má v současné době jeden anaerobní reaktor - fermentor, s objemem kalové části cca 2500 m³, nad jehož hladinou je beztlakový plynojem bioplynu s objemem 800 m³, zakrytou homogenizační jímku s objemem cca 200 m³ pro promíchávání vstupních zpracovávaných surovin a odpadů před jejich přečerpáním do fermentoru, hygienizační linku pro tepelnou hygienizaci rizikových odpadů, drticí linku pro rozmělnění tuhých rizikových odpadů, dvě uskladňovací nádrže na vyfermentovaný kal s celkovým objemem 2 x 6600 m³. Hygienizační linka s drticí příjmovou linkou a kogenerační jednotka jsou umístěny ve vlastních halách v provozní budově bioplynové stanice. Ostatní zařízení a nádrže jsou venkovní objekty.

Hygienizační linka má uzavřený, tepelně izolovaný, teplou topnou vodou vytápěný hygienizační tank s objemem 4 m³. Z hygienizačního tanku se horká náplň vypouští samospádem do homogenizační jímky. Homogenizační jímka má uzavíratelnou násypku a potrubní přípojku pro příjem pevných a kapalných surovin a odpadů a odsávání atmosféry z prostoru pod zastřešením jímky přes biologický filtr.

Fermentor je vytvořen jako železobetonová, tepelně izolovaná nádoba o průměru 20 metrů s výškou válcové části 10,5 metru. Shora je zakryt kuželovou membránovou střechou. Pod střechou reaktoru nad hladinou kalu je plynojem z volné plynotěsné membrány. Obsah reaktoru se pravidelně promíchává dvěma vrtulovými míchadly reaktoru a ohřívá se trvale na teplotu 40°C. Ohřev kalu se provádí v externím výměníku tepla teplem z kogenerační jednotky. První uskladňovací nádrž je hermeticky zastřešena, bioplyn z této nádrže se také využívá v kogenerační jednotce.

Bioplynová stanice má dvoustupňové odsiřování surového bioplynu. První stupeň se provádí trvalým přidáváním malého množství vzduchu do bioplynu v plynojemu. Druhý stupeň se provádí v absorpčních filtrech absorpční hmotou na bázi dřevěných pilin a absorbující železité chemikálie.

Kotelna na spalování biomasy

V kotelně na biomasu jsou dva automatické teplovodní kotle o celkovém výkonu 1200 kW, větší kotel spaluje slámu, menší kotel štěpku a dřevní odpad. Provozní zásobník kotle na slámu je přibližně na 8 hodin provozu, provozní zásobník štěpky na více než jednodenní automatický provoz. Krytý sklad pojme zásoby paliva na několik týdnů provozu kotelny. U kotelny je instalován tlakový teplovodní akumulátor tepla s vodním objemem 50 m³.

Větší kotel spaluje slámu zrnin nebo energetický šťovík v suchém stavu, v obřích balících o rozměrech až 0,8 x 1,2 x 2,5 metru, přibližně 1 balík za 1,5 hodiny. Sláma je odřezávána ze svisle postaveného balíku přikládacím zařízením kotle po vrstvách o síle cca 0,5 metru. V klidovém stavu je přikládací tunel od ohniště oddělen vodou chlazenou přepážkou. Druhý kotel spaluje dřevní štěpku s průměrnou zrnitostí 40 x 40 x 40 mm. Parametry kotlů jsou uvedeny v tabulce.

Oba kotle mají maximální konstrukční přetlak topné vody 0,4 MPa a maximální teplotu výstupní topné vody 110 °C. Výkon kotlů je automaticky regulován podtlakem ve spalovací komoře a počtem cyklů přikládání. Rozsah regulace výkonů obou kotlů je 30 až 100 % jmenovitého výkonu, krátkodobá přetížitelnost kotlů je 10 %. Kotle jsou v provozu pouze v topném období, kdy přebytečné teplo z bioplynové stanice nestačí na pokrytí potřeby tepla v soustavě CZT. V létě slouží jako záložní zdroj pro případ výpadku nebo odstávky kogenerační jednotky.

Centrální rozvod tepla

Rozvod tepla je proveden bezkanálovým předizolovaným potrubím v celkové délce tras cca 6 kilometrů. Maximální použitý rozměr vnitřního potrubí je DN 125. Jmenovité teploty topné vody v soustavě jsou 105/70°C. Potrubí je v celé délce vybaveno alarmovými vodiči pro lokalizaci případných netěsností. Alarmové vodiče jsou napojeny na dva detekční přístroje netěsností, které jsou trvale v pohotovostním provozu.

Předávací stanice v zásobovaných objektech jsou tlakově nezávislé, automatické, s kontinuálním přenosem dat do řídicího centra. Napojení je provedeno v souladu s individuálními požadavky majitelů vytápěných objektů, v některých případech je ponechán původní kotel na tuhá paliva jako záložní zdroj. Provozní parametry se zadávají na místních terminálech v objektech. Do centrálního řídicího systému jsou přenášeny jen informace o hlavních provozních parametrech, o poruchách a o odebrané tepelné energii.

Skladba surovin pro bioplynovou stanici a kvalita bioplynu

Podle původních záměrů měly být hlavními surovinami zemědělské materiály, jako je kukuřičná siláž, znehodnocená krmiva, kejda a podobné odpady doplněné obsahem septiků a žump svážených z Kněžic i z okolních obcí. Bioplynová stanice tak měla nahradit v obci dosud neexistující čističku odpadních vod. Při zpracovávání prováděcího projektu v roce 2005 byla skladba surovin významně upravena.

Ve skutečném provozu se zpočátku využívala pro z více než 80 % vepřová a drůbeží kejda, zbytek byla klihovková voda z výroby sádla a jen příležitostně i jiné suroviny. V roce 2008 pocházelo asi 2/3 bioplynu z odpadů z průmyslové výroby biopaliv a z výroby sádla, jen nepatrné množství bioplynu bylo i z obsahu místních septiků a žump. Z uvedeného je vidět, nakolik je biologický proces "pružný" z hlediska vstupních surovin.

Produkovaný bioplyn obsahuje průměrně cca 60 až 65 % metanu a má výhřevnost cca 23 MJ/Nm³. Vlivem vysokého podílu prasečí a drůbeží kejdy byl dříve v surovém bioplynu velký obsah sulfanu - H₂S. Jiné podobně škodlivé příměsi se v bioplynu v Kněžicích téměř nevyskytují. V současné době, při dvojstupňovém odsiřování bioplynu, je i obsah sulfanu v bioplynu zanedbatelný.

Palivo pro kotelnu

Přibližně polovinu paliva tvoří méně hodnotná dřevní štěpka a polovinu sláma zrnin a energetický šťovík. Uvedená paliva obec nakupuje přímo v areálu kotelny od několika stálých i nahodilých dodavatelů za předem vyhlášené ceny, závislé na vlhkosti a kvalitě dodaného paliva.

V areálu kotelny jsou vybudovány skladové prostory a přístřešky pro mnohaměsíční zásoby obou druhů paliv. V těchto skladových prostorách část paliva při skladování vysychá a zvyšuje svojí výhřevnost. Manipulace s palivem pro kotle v areálu kotelny a občasné zakládání paliva do zásobníků přikládacího zařízení kotlů se provádí s využitím univerzálních traktorových nakladačů.

Celkové toky elektřiny

Elektřinu vyrábí kogenerační jednotka se spalovacím motorem na bioplyn a synchronním třífázovým generátorem. Z vyrobené elektřiny jsou cca 2 % využita pro pokrytí vlastní spotřeby kogenerační jednotky. Dalších asi 15 % se spotřebuje na provoz bioplynové stanice. Zbylých cca 83 % z vyrobené elektřiny je dodáno do distribuční sítě 22 kV.

Vyrobená elektřina je prodávána obchodníkovi s elektřinou PRE Praha v režimu tzv. zelených bonusů. Naopak elektřina pro vlastní spotřebu je nakupována od společnosti ČEZ. Pokud není kogenerační jednotka v provozu, je veškerá vlastní spotřeba bioplynové stanice odebírána z distribuční sítě. Vlastní spotřeba kotelny je odebírána z distribuční sítě i v případě, že je kogenerační jednotka v provozu.

Sázka na jednu větší kogenerační jednotku s vyšší účinností se zatím vyplatila.

Podle původního záměru měla být bioplynová stanice osazena dvěma polovičními kogeneračními jednotkami s elektrickou účinností cca 34 %. Výhodou mělo být především zachování alespoň poloviční výroby elektřiny při poruše jedné jednotky. V Kněžicích je v souladu s trendem poslední doby nainstalována jen jedna jednotka o výkonu 330 kW s účinností 38,7 %. Uvedený rozdíl účinností znamená, že menší kogenerační jednotky by vyráběly o cca 12 % elektřiny méně. Další výhodou jsou nižší investiční náklady.

Soběstačnost ve výrobě tepla

K soustavě rozvodu tepla, do které se z bioplynové stanice a z kotelny na biomasu dodává teplo z obnovitelných zdrojů, je v Kněžicích připojeno prostřednictvím celkem 149 tlakově nezávislých předávacích stanic asi 95 % celkové spotřeby tepla v obci. Celoroční naměřená užitečná spotřeba tepla připojených domů pro vytápění a ohřev teplé užitkové vody byla v roce 2008 cca 2000 MWh, neboli 7200 GJ. Ztráty tepla v rozvodné teplovodní síti, dlouhé celkem cca 6 km, byly v roce 2008 cca 1200 MWh, resp. 4300 GJ. Celková dodávka tepla do teplovodu byla tedy v roce 2008 cca 3200 MWh.

Kogenerační jednotka vyrobila z bioplynu kromě elektrické energie ještě cca 2900 MWh tepla, z něhož se asi 35 %, tedy cca 1000 MWh, spotřebovalo na ohřev fermentoru bioplynové stanice a zbylých cca 1600 MWh, tedy cca 5800 GJ, bylo postupně celý rok dodáváno do teplovodu. Toto teplo z kogenerační jednotky stačilo na spotřebu tepla v obci na ohřev teplé užitkové vody v domech a na občasné přitápění v domech po celou dobu mimo topné období, tedy celé léto a po část jara a podzimu.

V topném období roku, tedy především v zimních měsících, bylo navíc do rozvodu tepla v Kněžicích dodáváno teplo z kotelny, celkem cca 1600 MWh. Z kotelny bylo také teplo do soustavy v Kněžicích dodáváno po dobu 14 dnů v měsíci červenci, v době kdy probíhala střední oprava kogenerační jednotky.

Soběstačnost ve výrobě elektřiny

Kněžická kogenerační jednotka vyrobí za rok celkem 2600 MWh elektrické energie, a dodá do elektrizační soustavy celkem 2200 MWh. Roční celková naměřená spotřeba elektřiny (maloodběru i velkoodběru) je v Kněžicích cca 2000 MWh za rok. Rozdíl, celkem 400 MWh, tedy cca 15 % z vyrobené elektrické energie, činí vlastní spotřeba kogenerační jednotky, vlastní spotřeba elektřiny v bioplynové stanici a ztráty na distribučním transformátoru.

V produkci elektřiny tedy Kněžice dodávají ze svojí bioplynové stanice a výhradně z obnovitelných zdrojů více elektřiny, než kolik za rok spotřebovávají. Obec Kněžice je tedy, pokud se týká spotřeby tepla a spotřeby elektřiny, skutečně energeticky soběstačná.

Zemědělská a lesní půda v Kněžicích

K úplné energetické soběstačnosti již schází jen náhrada paliva pro dopravní prostředky (automobily a autobusy) a pracovní stroje (traktory a kombajny) pohonnou hmotou z vlastní produkce z obnovitelných zdrojů.

Výhody kombinace bioplyn - kogenerace - kotelna na biomasu - CZT

Jakkoli je ekonomický a ekologický přínos kněžické soustavy centrálního zásobování teplem problematický, právě díky zařazení bioplynové stanice do soustavy rozvodu tepla jsou do jisté míry odstraněny některé provozní nedostatky jak bioplynové stanice, tak kotelny na biomasu a soustavy rozvodu tepla.

Obvyklým nedostatkem bioplynových stanic s kogeneračními jednotkami je nevyužívání více než poloviny vyrobeného tepla a nutnost jeho ztrátového maření. Většinou se toto zbytkové teplo odvádí přes ventilátorové chladiče do atmosféry. Vzhledem k tomu, že se jedná o teplo vyrobené z obnovitelných zdrojů, není tento nedostatek bioplynových stanic tak závažný, jako u energetických zařízení, která využívají fosilní paliva. Přebytečné teplo z termodynamického procesu výroby elektřiny u bioplynových stanic odváděné do atmosféry není přímo spojeno ani s produkcí nebezpečných skleníkových plynů, ani se spotřebou vzácných fosilních paliv. V Kněžicích se ale téměř všechno přebytečné teplo z bioplynové stanice využije v místní soustavě zásobování obce teplem.

Nedostatkem všech soustav centrálního zásobování teplem jsou tepelné ztráty potrubí rozvodu tepla, které činí podle velikosti a rozlehlosti soustavy až několik desítek procent užitečně využitého tepla. V Kněžicích je celková délka dvojtrubkového teplovodního rozvodu cca 6 kilometrů! Ztráty teplovodu činí téměř 40 % celoroční dodávky tepla do soustavy. Zvláště letní provoz kotelen u soustav centrálního zásobování teplem je ekonomicky ztrátový. Vyžaduje i při malé výrobě tepla obsluhu nebo dohled na provoz, vyrobené teplo se přitom z většiny ztratí jako tepelné ztráty teplovodu a není prodáno spotřebitelům.

V Kněžicích je to jinak. Veškeré celoroční ztráty teplovodu kryje přebytečné teplo z bioplynové stanice, které by se jinak muselo přes vzduchový ventilátorový chladič odvést do atmosféry. Přebytečné teplo z bioplynové stanice dostačuje v mimotopném období i k pokrytí celé užitečné spotřeby tepla soustavy CZT, takže kotle na biomasu v Kněžicích nemusí být od konce jara do začátku podzimu vůbec provozovány. Kogenerační jednotku je v Kněžicích nutné chladit nouzovým chlazením jen několik desítek hodin v roce.

Prodej elektrické energie z bioplynové stanice v režimu státem regulovaných zelených bonusů významně zlepšuje ekonomiku celého projektu. Bioplynová stanice je z technického i z finančního hlediska nejdůležitějším článkem celého projektu Kněžice.