Všeobecné informácie
Druhy biomasy
Priame spaľovanie
Pyrolýza
Splyňovanie
Anaeróbna fermentácia (výroba bioplynu)
Aeróbna fermentácia (výroba etanolu)
Výroba bionafty mechanicko-chemickou premenou biomasy
Všeobecné informácie
Biomasa vzniká vďaka slnečnej energii a z energetického pohľadu slúži ako jej akumulátor. Výhodou biomasy je, že sa ňou dá pomerne jednoducho a dlhodobo energiu skladovať. Nevýhodou je nízka účinnosť premeny slnečného žiarenia na energiu. Z hektára poľa sa dá za rok získať biomasa s energetickým obsahom 40 až 90 MWh, podľa typu plodiny. To je menej než 1 % slnečného žiarenia, ktoré na túto plochu za rok dopadne. Pri spracovaní biomasy na palivo a jeho spaľovaní na získanie tepla alebo elektriny vznikajú ďalšie straty.
Biomasa z pohľadu možného energetického využitia zahŕňa každý organický zdroj obsahujúci viazanú chemickú energiu, t.j. drevo a drevný odpad v rôznych formách, poľnohospodárske plodiny a odpad z nich, odpady zo živočíšnej a potravinárskej produkcie a biologicky rozložiteľné frakcie priemyselného a komunálneho odpadu.
Na rozdiel od fosílnych palív - uhlia, ropy a zemného plynu - je spaľovanie čerstvej (nefosílnej) biomasy z hľadiska emisií oxidu uhličitého (hlavného skleníkového plynu) v meniacej sa klíme takmer neutrálne. Množstvo uhlíka vo forme oxidu uhličitého, ktorý vzniká spaľovaním nefosílnej biomasy, sa totiž rovná množstvu uhlíka, ktoré rastliny počas svojho života "stiahli" z atmosféry prostredníctvom fotosyntézy. Túto neutrálnu uhlíkovú bilanciu však čiastočne negatívne ovplyvňuje množstvo energie spotrebovanej na ťažbu, dopravu a spracovávanie nefosílnej biomasy predtým, než sa spáli. Spaľovanie fosílnych palív je naopak rozhodujúcim antropogénnym činiteľom prispievajúcim k zmene klímy, pretože sa ním do atmosféry dostáva uhlík vo forme oxidu uhličitého, ktorý bol po milióny rokov viazaný v zemskej kôre.
Biomasa má množstvo výhod nielen v porovnaní s konvenčnými energetickými zdrojmi, ale aj v porovnaní s inými obnoviteľnými zdrojmi energie. Je dlhodobo stabilný energetický zdroj s menšou závislosťou na krátkodobých výkyvoch počasia a sezónnej premenlivosti klímy a jej využívanie si vyžaduje relatívne nízke investičné náklady. Biomasa je ale zároveň jediný druh obnoviteľných zdrojov energie, ktorý je závislý od dostatku suroviny na výrobu paliva, jeho stabilnej a spoľahlivej dodávky a podlieha rastu cien v závislosti od rastu dopytu po palive a tiež rastu nákladov na jeho dopravu.
Biomasa na jednej strane predstavuje dôležitý potenciál pre rozvoj regionálnej a lokálnej ekonomiky a poskytuje príležitosť pre oživenie poľnohospodárskej činnosti na vidieku. Na druhej strane, veľké centralizované energetické projekty na báze biomasy môžu znamenať pre vidiecke oblasti obrovské riziko najmä z hľadiska znehodnocovania životného prostredia (napr. nezmyselným zvyšovaním ťažby dreva v lesoch alebo „čistením“ lesov od drevných zbytkov po ťažbe), ale aj kvôli vývozu biomasy ako dôležitého energetického zdroja von z regiónu.
Z biomasy je možné získať energiu niekoľkými spôsobmi, ktoré sa dajú rozdeliť na tri základné kategórie:
- Termochemickou premenou (priamym spaľovaním, pyrolýzou alebo splyňovaním)
- Biochemickou premenou (anaeróbnou fermentáciou alebo aeróbnou fermentáciou)
- Mechanicko-chemickou premenou (lisovaním oleja alebo esterifikáciou surových bioolejov)
Uvedené spôsoby spracovania biomasy umožňujú vyrábať teplo a elektrinu alebo plynné a tekuté palivá pre dopravu. Rôzne kombinácie premeny energie rôznych druhov biomasy znázorňuje nasledujúca schéma (Zdroj: Šúri, 2005):
Druhy biomasy
Pevná biomasa
Drevo je najviac využívaným druhom biomasy na výrobu energie. Ako palivo sa najbežnejšie sa využíva vo forme kusového dreva. Pri dobrom uskladnení si uchováva svoj energetický obsah, ktorý sa dokonca v prvých dvoch až troch rokoch relatívne zvyšuje, pretože drevo vysychá. Všeobecne sa odporúča doba sušenia 18 až 24 mesiacov, je možné je však skrátiť na 12 až 15 mesiacov, keď sa drevo rozreže na menšiu dĺžku alebo pozdĺžne rozštiepa.
Energetická hodnota 1000 kg suchej drevnej hmoty sa rovná energetickej hodnote:
- 450 kg čierneho uhlia
- 520 kg koksu
- 340 kg vykurovacieho oleja
- 320 kg butánu
Ďalšou bežnou formou drevného paliva sú štiepky. Sú to 2 - 4 cm dlhé kúsky dreva, ktoré sa vyrábajú drvením drevných odpadov napr. tenčiny z prerieďovania porastov, konárov a kôry. Ich výhrevnosť je rovnaká ako výhrevnosť dreva, z ktorého sa pripravujú. Ich výhoda je rýchle schnutie a relatívne nízka cena. Použitie štiepkov umožňuje automatickú prevádzku kotlov s použitím zásobníkov a dopravníkov paliva.
Brikety sú valcovité telesá s dĺžkou asi 15 - 25 cm vyrobené z odpadovej biomasy drvením, sušením a lisovaním bez chemických prísad. Veľká hustota (asi 1 200 kg/m3) a vysoká výhrevnosť brikiet (19 MJ/kg) znižuje potrebný objem paliva a zjednodušuje manipulácia s ním. Oproti kusovému drevu alebo štiepkom je však cena brikiet značne vyššia.
Pelety sú relatívne nová forma drevného paliva. Sú to granule s priemerom 6 - 8 mm a dĺžkou 10 - 30 mm. Vyrábajú sa z odpadového materiálu (napr. z pilín a hoblín) bez chemických prísad lisovaním pod vysokým tlakom. Majú malú vlhkosť (8 - 10 %), relatívne vysokú hustotu (min. 650 kg/m3) a vysokú energetickú hustotu (až 20 MJ/kg). Týmito parametrami sa pelety vyrovnajú uhliu, ich nevýhoda je relatívne vysoká cena.
Slama má vyššiu mernú výhrevnosť ako hnedé uhlie (4,9 kWh/kg suchej hmoty alebo 4,0 kWh/kg slamy s vlhkosťou 15 %). Ako palivo na vykurovanie sa využíva v mnohých krajinách, nielen z dôvodu ochrany životného prostredia, ale aj pre rentabilitu tohto druhu výroby tepla a preto, že poskytuje dodatočný zdroj príjmov pre poľnohospodárov. Účinnosť spaľovania slamy v kotloch je tiež relatívne vysoká (80 – 85 %). Nevýhoda slamy ako zdroja energie je jej nehomogénne zloženie a veľký objem. Plyny unikajúce počas zohrievania (tzv. prchavé zložky) tvoria až 70 % spáliteľných častí slamy, čo komplikuje primiešavanie správneho množstva vzduchu. Slama obsahuje niektoré chlórové zlúčeniny, ktoré môžu spôsobovať koróziu materiálov, hlavne pri vyšších teplotách. Preto sa slama spaľuje zvyčajne vo väčších kotolniach pripojených na centralizovaný systém zásobovania teplom alebo na poľnohospodárske podniky. Kotle na slamu bývajú dimenzované na 60 -70 % maximálnej záťaže, čo umožňuje jednoduchšiu a ekonomickejšiu prevádzku počas letných mesiacov s nízkym odberom tepla.
Vplyv vlhkosti na výhrevnosť pevnej biomasy
Výhrevnosť dreva je porovnateľná s hnedým uhlím. Pri rastlinných palivách však kolíše podľa druhu dreva a vlhkosti. Čerstvo vyťažené drevo ma relatívnu vlhkosť až 60 %. Na vzduchu prirodzene dobre preschnuté kusové drevo ma relatívnu vlhkosť asi 20 % (túto hodnotu dosiahne po asi dvojročnom skladovaní na prevetrávanom mieste). Pri takejto vlhkosti je spaľovanie kusového dreva efektívne. Optimálna vlhkosť pre spaľovanie štiepok je 30 - 35 %. Pri nižšej vlhkosti má horenie explozívny charakter a mnoho energie uniká s dymovými plynmi. Pri vyššej vlhkosti sa veľa energie spotrebuje na vyparenie vody a spaľovanie je nedokonalé. Drevené brikety môžu mať relatívnu vlhkosť od 3 do 10 %, závisí to od kvality lisovania.
| DRUH PALIVA | OBSAH VODY | VÝHREVNOSŤ | MERNÉ HMOTNOSTI | ||
| [%] | [MJ/kg] | [kg/m3] = [kg/plm] | [kg/prm] | [kg/prms] | |
| Listnaté drevo | 15 | 14,605 |
678 |
475 | 278 |
| Ihličnaté drevo | 15 | 15,584 | 486 | 340 | 199 |
| Borovica | 20 | 18,4 | 517 | 362 | 212 |
| Vŕba | 20 | 16,9 | |||
| Jelša | 20 | 16,7 | |||
| Hrab | 20 | 16,7 | |||
| Agát | 20 | 16,3 | |||
| Dub | 20 | 15,9 | 685 | 480 | 281 |
| Jedľa | 20 | 15,9 | |||
| Jaseň | 20 | 15,7 | |||
| Buk | 20 | 15,5 | 670 | 469 | 275 |
| Smrek | 20 | 15,3 | 455 | 319 | 187 |
| Breza | 20 | 15,0 | |||
| Smrekovec | 20 | 12,9 | |||
| Topoľ | 20 | 12,18 | |||
| Drevná štiepka | 30 | 15,49 | 210 | ||
| Slama obilnín | 10 | 14,49 | 120 | (balíky) | |
| Slama kukurice | 10 | 14,40 | 100 | (balíky) | |
| Slama ľanová | 10 | 16,90 | 140 | (balíky) | |
| Slama repky | 10 | 16,00 | 100 | (balíky) | |
Výhrevnosť biomasy. Zdroj: EkoWATT. Prepočty objemových mier (posledné tri stĺpce) nájdete v rubrike Skratky a jednotky v ľavom menu.
Mokrá biomasa
Mokrú biomasu nemožno spaľovať priamo. Využíva sa ako vstupná surovina v bioplynových technológiách, ktorých výsledkom je energeticky hodnotné palivo - bioplyn.
Tento druh biomasy tvoria najmä:
- tekuté organické odpady z priemyselných výrob: odpady z prevádzok na spracovanie a skladovanie rastlinnej produkcie (cukrovary), odpady z bitúnkov, mliekární, liehovarov, konzervární a podobne
- tekuté alebo mokré odpady zo živočíšnej výroby: najmä hnoj a močovka
- tekuté komunálne organické odpady: kaly a organický odpad z čističiek odpadových vôd
Ostatné energetické plodiny
Využívajú sa ako vstupná surovina v špeciálnych technológiách na získavanie energeticky hodnotných palív, najmä bionafty a liehu.
- Olejniny: repka olejná, slnečnica, ľan, tekvica (semeno)
- Škrobové a cukornaté plodiny: zemiaky, cukrová repa, obilie (zrno), topinambur, cukrová trstina, kukurica
Pestovanie týchto druhov plodín na výrobu energie je diskutabilné. Energetická kríza a prijímanie adaptačných opatrení proti globálnemu otepľovaniu, vývoj technológií na výrobu bionafty, verejné subvencie, poľnohospodársky výskum a pomerne nenáročné poľnohospodárske postupy na pestovanie týchto plodín umožnili obrovský rozvoj priemyslu zameraného na výrobu biopalív. Pestovanie týchto plodín však vytláča tradičnú skladbu rastlinnej výroby, podporuje neudržateľné poľnohospodárske praktiky (monokultúry, chemizáciu, používanie geneticky manipulovaných plodín), deformuje ekonomiku poľnohospodárstva a ohrozuje potravinovú bezpečnosť krajín a regiónov (orientáciou na pestovanie technických plodín na úkor produkcie potravín).
Preto je treba veľmi citlivo pristupovať k príprave energetických projektov na báze týchto typov plodín. Samosprávy aj regióny by mali zodpovedne hodnotiť navrhované zámery tohto druhu v ich území (napríklad zo strany externých investorov) a mali by dôsledne posúdiť ich dlhodobé ekonomické, sociálne a ekologické účinky.
|
1 prm = 0,6 až 0,7 plm |
Priame spaľovanie
Spaľovanie je chemický proces rýchlej oxidácie (reakcia horľavých zložiek paliva s kyslíkom), pri ktorom sa uvoľňuje teplo. Horľavé časti biomasy (celulóza, polyóza a lignín) oxidujú na oxid uhličitý a vodnú paru a slnečná energia, nahromadená v biomase počas fotosyntézy, sa pri horení mení na teplo. Získaná tepelná energia se využíva na vykurovanie a ohrev vody, iné technologické procesy alebo na výrobu elektrickej energie.
Spaľovanie je najstaršia známa forma premeny organických palív na tepelnú energiu. Preto sú spaľovacie procesy aj technológie v súčasnosti teoreticky veľmi dobre opísané a dostupný sortiment spaľovacích zariadení je široký, pričom sú schopné spaľovať prakticky akékoľvek palivo od dreva, slamy po trus alebo odpad.
Najvýznamnejším a najviac využívaným palivom z kategórie biomasy je stále drevo. Spaľovací proces v dreve má niekoľko fáz:
| Fáza sušenia | Pri zahrievaní dreva pri počiatočnej teplote do 150 °C sa najprv z neho odparuje voda. Voda vo vnútri dreva začne vrieť a uniká vo forme pary z bunkových štruktúr (aj staré a relatívne suché drevo obsahuje až 15 % vody vo svojich bunkových štruktúrach). |
| Fáza pyrolýzy | Potom sa dodávaným teplom pri teplote 150 – 600 °C z dreva uvoľňuje plyn. Práve drevo je špecifické tým, že medzi tuhými palivami obsahuje najvyšší podiel pyrolýzou uvoľňovaných plynných látok (75 - 85 %), ktoré nehoria na rošte, ale medzi roštom a komínom. Aby bolo spaľovanie efektívne, je potrebné zabezpečiť, aby tento plyn neunikal do komína. |
| Fáza spaľovania plynnej zložky | Po dosiahnutí zápalnej teploty (do 1400 °C) a pri dostatočnom prísune kyslíka dochádza k vznieteniu tohto plynu (tzv. sekundárne spaľovanie) a následnému uvoľňovaniu tepla. Vzniknuté teplo ďalej znižuje vlhkosť paliva, pričom sa uvoľňuje ďalší plyn. |
| Fáza spaľovania pevných látok | Zvyšok dreva a najmä uhlík ostáva v pevnej forme na rošte, povrchovo sa okysličuje na oxid uhoľnatý (CO) a pri dodaní ďalšieho kyslíku oxiduje na oxid uhličitý (CO2), pričom ako odpad vzniká popol. Tento dej sa uskutočňuje pri teplote okolo 1400 °C. |
Pri rovnomernom dodávaní paliva a dostatočnom prívode kyslíka prebiehajú všetky fázy spaľovacieho procesu súčasne a teplo sa vytvára rovnomerne. Aby bolo spaľovanie účinné, je potrebné zabezpečiť dostatočne vysokú teplotu, dostatočný prístup vzduchu a dostatok času na úplné spálenie paliva. Ak pri horení nie je zabezpečený prívod dostatočného množstva vzduchu, horenie je neúplné a vznikajúci dym je čierny, zápacha a obsahuje decht, ktorý sa usadzuje v komíne a môže sa vznietiť. Ak je pri horení veľké množstvo vzduchu, klesá teplota a plyny unikajú z dreva nespálené, pričom uniká značná časť vyrobenej energie.
Aj keď je priame spaľovanie je najrozšírenejšia forma využitia energie biomasy, nie vždy je to proces účinný. Návrh spaľovacieho zariadenia s dobrou účinnosťou si vyžaduje pochopenie celého spaľovacieho procesu. Moderné spaľovacie systémy majú účinnosť spaľovania až 90 %.
Pyrolýza
Pyrolýza je starý a jednoduchý termochemický spôsob úpravy biomasy na palivo vyššej kvality, napríklad dreva na drevné uhlie. spočíva v zohrievaní biomasy (ktorá sa dodáva rozdrvená do reaktora) bez prítomnosti vzduchu na teplotu 300 až 500 °C, až kým z nej neuniknú všetky prchavé látky. Zvyšok (napr. drevné uhlie) je palivo s takmer dvojnásobnou energetickou hustotou v porovnaní so vstupnou surovinou, ktoré aj lepšie horí (pri vyššej teplote). Podľa obsahu vlhkosti a účinnosti procesu na výrobu jednej tony drevného uhlia je treba asi 4 až 10 ton dreva.
Pyrolýza sa považuje za atraktívnu technológiu vďaka tomu, že sa uskutočňuje pri relatívne nízkych teplotách. Tým sa znižujú emisie škodlivín v porovnaní s úplným spaľovaním biomasy. Nižšie emisie z tohto procesu viedli aj k pokusom o pyrolýzu takých materiálov, ako sú plasty alebo pneumatiky.
Pyrolýza funguje aj v prítomnosti malého množstva vzduchu (splyňovanie), vody (parné splyňovanie) alebo vodíka (hydrogenácia). Okrem drevného uhlia majú veľký energetický význam aj ďalšie produkty pyrolýzy. Moderné pyrolytické systémy sú schopné zachytávať prchavé látky, ktoré počas pyrolýzy vznikajú. Jednou z nich je metán, vhodný na výrobu elektriny v plynových turbínach. Energetický potenciál kvapalných produktov pyrolýzy sa podobá rope, ale pretože tieto produkty obsahujú niektoré nežiadúce kyseliny, musia sa pred ďalším energetickým využitím upraviť.
Pri rýchlej pyrolýze dreva pri teplote 800 až 900 °C sa vyrobí iba 10 % drevného uhlia a až 60 % materiálu sa zmení na energeticky hodnotné palivo - plyn bohatý na vodík a oxid uhoľnatý. Rýchla pyrolýza tak konkuruje bežným splyňovacím procesom, ale na rozdiel od splyňovania sa navyužíva na komerčnej úrovni.
Splyňovanie
Splyňovanie je jednoduchý termochemický proces výroby plynných palív z palív pevných. Princípy splyňovania biomasy sú známe od začiatku 19. storočia. Armády počas 2. svetovej vojny inštalovali do miliónov vojenských vozidiel splyňovacie agregáty, ktoré vyrábali drevoplyn, ktorý sa v motoroch spaľoval. Masívne využívanie ropy po vojne zatlačilo záujem o splyňovaciu technológiu do úzadia a oživenie nastalo až po ropnej kríze v 70. rokoch.
Splyňovanie je proces, pri ktorom vznikajú horľavé plyny (vodík, oxid uhoľnatý, metán) a niektoré nehorľavé produkty. Celý proces sa uskutočňuje pri nedokonalom (čiastočnom) horení a ohrievaní biomasy teplom vznikajúcim pri horení. Vznikajúca zmes plynov má vysokú energetickú hodnotu a môže sa použiť ako palivo na výrobu tepla, elektriny alebo na pohon motorových vozidiel. Motory vo vozidlách na tento druh paliva však majú nižší výkon asi o 40 % v porovnaní s benzínovým motorom.
Splyňovanie sa deje v kotli s obmedzeným prístupom vzduchu. Nedostatok kyslíka spôsobuje nedokonalé horenie. Pri úplnom horení uhľovodíkov (z ktorých sa skladá drevo) sa kyslík spája s uhlíkom, pričom vzniká CO2 a voda H2O. Obmedzený prístup vzduchu ešte stále umožňuje mierne horenie a vzniká CO, ale vodík sa nespája len s kyslíkom za vzniku molekuly vody, ale uvoľňuje sa ako čistý plyn - H2. V tomto procese sa uvoľňujú aj iné zložky, napríklad uhlík, ktorý tvorí dym. Teplo vznikajúce pri nedokonalom spaľovaní sa využíva na to, aby sa porušovali väzby medzi uhľovodíkovými atómmi. Vznikajúce uhlíkové a vodíkové atómy sa však spájajú s inými, pričom sa uvoľňuje teplo, ktoré udržuje celý proces bez potreby energie zvonku. Plyny, ktoré v tomto procese vzniknú, sa môžu využiť ako palivo. Ich zloženie je možné ovplyvniť konštrukciou splyňovacieho zariadenia (napr. je možné takto zvýšiť podiel produkovaného metánu).
Zloženie plynov vznikajúcich pri pyrolýze:
H2: 18 – 20 %
CO: 18 – 20 %
CH4: 2 – 3 %
CO2: 8 – 10 %
N2: 47 – 54 %
Splyňovacie kotly sú konštruované tak, aby sa pri horení dreva uskutočňovala pyrolytická destilácia, pri ktorej sa všetky spáliteľné zložky dreva splyňujú. Spaľovanie sa uskutočňuje trojstupňovým procesom v rôznych zónach kotla:
1. zóna: Vysúšanie a splyňovanie drevnej hmoty
2. zóna: Horenie drevného plynu na tryske s prívodom predohriateho sekundárneho vzduchu
3. zóna: Dohorievanie v nechladenom spaľovacom priestore
Takto riadený systém spaľovania má vysokú účinnosť (do 90 %). Výkon kotla je plynulo regulovateľný od 40 do 100 %. Reguláciu kotla zabezpečuje elektronický regulátor podľa jeho prevádzkovej teploty a potrebnej teploty vo vykurovaných priestoroch. V splyňovacích kotloch je možné spaľovať drevo v rôznych formách (kusové drevo, drevná štiepka, drevené brikety alebo pelety). Kotol musí mať samostatný a dostatočne tepelne izolovaný komín.
Anaeróbna fermentácia (výroba bioplynu)
Z energetického pohľadu možno energiu z biomasy získavať takmer výhradne spaľovaním. Jej výhrevnosť je daná množstvom tzv. horľaviny - zmesi horľavých uhľovodíkov bez vody a popoloviny, t.j. celulózy, hemicelulózy a lignínu. Tie druhy biomasy, ktoré sa nedajú spaľovať priamo, je možné energeticky využiť tak, že sa najprv biochemickými procesmi zmenia na kvapalné alebo plynné palivá. Ich spaľovaním získame energiu (teplo alebo elektrickú energiu).
Princíp výroby bioplynu
Anaeróbna fermentácia (anaeróbne vyhnívanie alebo metánové kvasenie) je biochemická premena biomasy, pri ktorej sa uvoľňuje bioplyn. Fermentácia sa uskutočňuje vo vzduchotesnej nádrži bioplynovej stanice (fermentore), kde sa biomasa zahrieva na prevádzkovú teplotu počas presne stanovenej doby zdržania (obyčajne experimentálne overenej). Tu sa biomasa bez prístupu vzduchu za pôsobenia metanogénnych baktérií pri teplote 5 až 60 °C rozkladá, pričom vzniká bioplyn a kvapalný alebo kašovitý digestát.
| Baktérie | Teplota fermentovanej biomasy [°C] |
| Psychrofilné | 5 - 30 |
| Mezofilné | 30 – 40 |
| Termofilné | 45 – 60 |
Pri fermentácii sa najčastejšie využíva mezofilné pásmo. Optimálné teplotné pásma anaeróbných baktérií ukazuje tabuľka vpravo:
Bioplyn je zmes plynov s obsahom metánu a oxidu uhličitého. Jeho hlavnou výhrevnou zložkou je metán (CH4), ktorý tvorí asi 55 - 70 % objemových percent bioplynu. Výhrevnosť bioplynu je 19,6 - 25,1 MJ/m3.
Schéma poľnohospodárskej bioplynovej stanice
1. Násypka
2. Homogenizačná nádrž
3. Vrtuľové miešadlo
4. Kalové čerpadlo
5. Fermentor
6. Miešanie fermentora
7. Plynový dóm
8. Plynové potrubie
9. Prepadové potrubie
10. Konečná skladovacia nádrž
11. Membrána plynojemu
12. Výpustné potrubie digestátu
13. Vrtuľové miešadlo
14. a 15. Kogeneračná jednotka
16. Výmenník tepla
Základné funkcie bioplynovej stanice
Príjem a úprava vstupnej suroviny: Pred vstupom suroviny do fermentora sa jednotlivé substráty mechanicky upravujú podľa potreby drvením, zmiešavaním, homogenizáciou, riedením a podobne. Úprava vstupnej suroviny je potrebná najmä pri mokrej fermentácii. Podľa druhu substrátov môže mať príjem jeden alebo dva zásobníky – na tuhé materiály (sušina nad 20 %) a kvapalné materiály (sušina do 12 %).
Fermentácia a výroba bioplynu: Fermentácia sa obyčajne uskutočňuje vo veľkých vyhnívacích nádržiach – fermentoroch - a skladá sa zo štyroch fáz:
- Hydrolýza: Deje sa ešte v prostredí, ktoré obsahuje zvyškový vzdušný kyslík. Polymérne organické látky (polysacharidy, tuky, bielkoviny) sa s pomocou aeróbnych baktérií rozkladajú na monoméry – alkoholy a mastné kyseliny, pričom sa uvoľňuje vodík (H2) a oxid uhličitý (CO2).
- Acidogenéza: Dochádza k spotrebe zvyškov vzdušného kyslíka, vytvára sa anaeróbne prostredie a vznikajú vyššie organické kyseliny. Túto premenu vykonávajú fakultatívne anaeróbne mikroorganizmy, ktoré sú schopné existovať v obidvoch prostrediach.
- Acetogenéza: Acidogénne baktérie menia vyššie organické kyseliny a alkoholy na kyselinu octovú, H2 a CO2.
- Metanogenéza: Je posledná fáza rozkladného procesu, v ktorom metanogénne baktérie v prostredí bez prístupu vzduchu rozkladajú kyselinu octovú na metán (CH4) a CO2 a hydrogenotrofné baktérie vytvárajú metán z H2 a CO2.
Výroba energie: Vyrobený bioplyn sa môže použiť na výrobu tepla v teplovodných alebo parných kotloch alebo na kombinovanú výrobu tepla a elektriny v kogeneračných jednotkách. Prípadne je možné ho ďalej čistiť a predávať výrobcom tepla alebo ho využívať ako palivo do motorových vozidiel.
Uskladnenie a odbyt digestátu: Vedľajší produkt bioplynovej stanice je organický materiál, ktorý je možné buď využiť priamo ako hodnotné organické hnojivo alebo ho pri nižšom obsahu vody stabilizovať kompostovaním.
Vstupné suroviny
Efektívnosť prevádzky bioplynovej stanice závisí od stabilnej dodávky vhodnej vstupnej suroviny. V praxi sa najčastejšie využíva hnoj a hnojovica zo živočíšnej výroby, menej odpady z rastlinnej výroby. Ideálne je umiestniť bioplynovú stanicu v areáli poľnohospodárskeho družstva s chovom dobytka alebo v jeho blízkosti. Vstupný substrát by ale nemal obsahovať antibiotiká používané pri chove zvierat, ktoré ničia metanogénne baktérie a brzdia tvorbu bioplynu. Bioodpad z domácností, reštaurácií alebo školských jedální je vhodný doplnok surovinovej základne pre bioplynovú stanicu. Vhodná je aj pokosená tráva, lístie, ďalšie biologické odpady zo živočíšnej a rastlinnej poľnohospodárskej výroby a nevyužitá kukuričná siláž.
Pomer uhlíka a dusíka v premiešanej vstupnej surovine by mal byť v rozsahu 20:1 – 40:1. Príliš vysoký podiel uhlíkatých látok znižuje efektivitu fermentačného procesu a produkciu bioplynu. Príliš vysoký podiel dusíkatých látok spôsobuje zvýšenú tvorbu amoniaku (NH4) a zápach bioiplynovej stanice. Preto je dôležité zloženie materiálov, z ktorých sa mieša surovina vstupujúca do fermentačnej nádrže. Látky bohaté na uhlík sú slama, tráva, drevný odpad a vysušený rastlinný odpad. Suroviny bohaté na bielkoviny (odpad z mliečnej a mäsovej výroby) sú zasa bohaté na dusík.
Obsah sušiny vo vstupných surovinách by nemal klesnúť pod 3 %, pretože fermentácia by prestala byť energeticky efektívna – bioplynová stanica by na svoju prevádzku spotrebovala viac energie, než je využiteľná energetická hodnota vyrobeného bioplynu. Prostredie vo fermentore by malo byť neutrálne alebo veľmi mierne alkalické (hodnota pH 7 – 7,8).
Podľa konzistencie vstupnej suroviny môže byť fermentácia mokrá (vstupný substrát má obsah sušiny 4 – 12 %) alebo suchá (obsah sušiny vo vstupnom substráte je 20 – 50 %).
Bioplyn z poľnohospodárskej produkcie
Výroba bioplynu v poľnohospodárskom sektore využíva ako primárnu surovinu hnoj z fariem. Najvhodnejšou surovinou pre výrobu bioplynu sú tekuté a polotekuté výkaly – tie predstavujú najvýznamnejší zdroj bioplynu na Slovensku.
Priemerné výťažky v l/kg bioplynu z 1 kg suchého materiálu ukazuje nasledujúca tabuľka:
| Surovina | Výťažok (l/kg org. mat.) |
Surovina | Výťažok (l/kg org. mat.) |
| Rastlinné osivo | 620 | Listy slnečnice | 300 |
| Kal z odkaliska | 525 | Ovosná slama | 300 |
| Vysoké trávy | 495 | Jačmenná slama | 275 |
| Vtáčí trus | 465 | Konský trus | 250 |
| Ďatelina | 460 | Pšeničná slama | 250 |
| Listy cukrovej repy | 450 | Slama zo žita | 250 |
| Prasací exkrement | 445 | Listy zo stromov | 250 |
| Kukuričný odpad | 420 | Stajňový hnoj | 225 |
| Tráva | 415 | Odpad z ryže | 225 |
| Poľnohospodársky odpad | 385 | Hovädzí exkrement | 200 |
| Zemiaková vňať | 370 | Odpad repky olejnej | 200 |
| Konope | 360 | Rákosie | 170 |
| Zeleninové zbytky | 345 | Ryžová lúštenina | 155 |
Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2
Nasledujúci graf znázorňuje výnosnosť bioplynu z rôznych odpadových surovín, z ktorej vyplýva ekonomická efektívnosť ich využitia.
Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2
Množstvo exkrementov a množstvo bioplynu resp. elektrickej energie, ktorú možno získať z exkrementov poľnohospodárskych zvierat, ukazuje ďalšia tabuľka. Je treba počítať s výťažkom o 10 – 30 % nižším v prípade nepodstielaného ustajnenia, resp. s produkciou bioplynu o 0,15 - 0,35 m3 na 1 kg slamy vyššou v prípade ustajnenia na slame alebo na pilinách, s ich následnou hydrolýzou vo fermentore.
| Kategória | Sušina exkrementov kg/deň |
Exkrementy celkom, priemer kg/deň |
Množstvo bioplynu m3/deň |
Elektrická energia kW/rok |
| Hovädzí dobytok (priemerné hodnoty) | ||||
| Dojnica (550 kg) | 6,00 | 60 | 1,7 | 3 666 |
| Hovädzí odpad | 3,00 | 30 | 1,2 | - |
| Chov jalovíc (330 kg) | 3,50 | 35 | 0,9 | 2 444 |
| Teľatá (100 kg) | 1,25 | 12 - 15 | 0,3 | - |
| Ošípané (priemerné hodnoty) | ||||
| Výkrm (70 kg) | 0,50 | 8,5 | 0,20 | 427 |
| Prasnice (170 kg) | 1,00 | 14,0 | 0,30 | 468 |
| Prasnice s prasiatkami (90 kg) | 0,55 | 9,0 | 0,20 | - |
| Prasiatka (23 kg) | 0,25 | 4,0 | 0,15 | - |
| Kanci (250 kg) | 1,30 | 18,5 | 0,30 | - |
| Hydina (priemerné hodnoty) | ||||
| Nosnice (2,2 kg) | 0,036 | 0,16 - 0,30 | 0,016 | 35,5 |
| Broiler (0,8 kg) | 0,020 | 0,009 | - | 18,3 |
| Kurčatá (1,1 kg) | 0,020 | 0,009 | - | - |
Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2
Plyn z čistiarní odpadových vôd - kalový plyn
Po poľnohospodárstve je druhý najvýznamnejší zdroj plynu na Slovensku je sektor čistiarní odpadových vôd (ČOV). Odhaduje sa, že ročná využiteľná kapacita kalového plynu z ČOV na Slovensku je 31 mil. m3, z ktorých by sa dalo vyrobiť 59,58 GWh elektrickej energie a 386,2 TJ tepla ročne.
Problém spracovávania kalov z ČOV vo fermentore je výskyt tzv. siloxánov, organických zlúčenín kremíka v kalovom plyne, ktoré poškodzujú spaľovacie motory kogeneračných jednotiek. Preto sa tento druh bioplynu musí pred kogeneráciou čistiť, čo čiastočne zvyšuje náklady spracovania bioplynu.
Čistenie bioplynu
| Plynná zložka bioplynu | Chemický vzorec | Percentuálny obsah |
| Metán | CH4 | 40 - 75 % |
| Oxid uhličitý | CO2 | 25 - 55 % |
| Vodná para | H2O | 0 - 10 % |
| Dusík | N2 | 0 - 5 % |
| Kyslík | O2 | 0 - 2 % |
| Vodík | H2 | 0 - 1 % |
| Amoniak | NH3 | 0 - 1 % |
| Sírovodík | H2S | 0 - 1 % |
Bioplyn je v podstate zmesou metánu a CO2 s prímesami vodnej pary, dusíka, kyslíka, sírovodíka a amoniaku.
Z prímesí je najproblémovejší sírovodík (H2S), pretože ak sa nachádza v bioplyne v množstve nad 0,1 %, pôsobí korozívne na motory a technologické zariadenia. Amoniak (NH3) je zdrojom zápachu. Prítomnosť CO2 v bioplyne je prospešná, ak sa bioplyn spaľuje, pretože CO2 pôsobí ak antidetonátor v spaľovacích motoroch. Bioplyn sa od prímesí čistí niekoľkými spôsobmi:
Biologické čistenie: Pri spaľovaní bioplynu s vyšším obsahom sírovodíka vzniká korozívna kyselina sírová, ktorá poškodzuje spaľovacie motory. Na zníženie obsahu alebo odstránenie sírovodíka z bioplynu sa používajú špeciálne kmene baktérií.
Chemické čistenie: Do vyrobeného bioplynu sa pridáva vzduch (max. 2 %), ktorý umožňuje vzdušnému kyslíku reagovať so sírovodíkom. Vzduch sa ale nesmie dostať do fermentora, pretože by zabrzdil proces kvasenia.
Adsorpčné čistenie: Používa sa na zachytávanie nežiadúcich prímesí v bioplyne na aktívnom uhlí.
Využitie bioplynu
Bioplyn sa najčastejšie využíva na výrobu elektrickej energie a tepla v kogeneračných jednotkách s účinnosťou pri výrobe elektrickej energie 32 až 40 %. Využitím odpadového tepla motora sa dá dosiahnuť celková účinnosť 80 – 85 %.
Spálením 1 000 m3 bioplynu sa získa 2 178 kWh elektrickej energie a 11,4 GJ tepla. Časť vyrobenej elektrickej energie a tepla využívajú bioplynové stanice pre svoju spotrebu, najmä na pohon čerpadiel, osvetlenie areálu a vyhrievanie fermentorov.
Stlačený bioplyn sa využíva aj na pohon dopravných prostriedkov. Z bioplynu je technologicky možné získať takmer čistý metán a CO2 a ďalej tieto plyny využívať. Metán je energeticky plnohodnotná náhrada zemného plynu a môže sa dodávať do siete ako zemný plyn. Čistý CO2 sa využíva v potravinárstve alebo ako technický plyn.
Vyčistený bioplyn sa môže využívať akopalivo v palivových článkoch. Palivový článok je elektrochemické zariadenie na výrobu elektriny. Je to galvanický článok, ku ktorého elektródam sa privádza palivo (k anóde) a okysličovadlo (ku katóde). Mezi oboma hermeticky oddelenými elektródovými priestormi sa nachádza elektrolyt. Palivové články možu byť v prevádzke nepretržite, kým sa nepreruší prívod paliva a okysličovadla k elektródam.
Na rozdiel od obvyklých monočlánkov (batérií), v ktorých sa elektródy pri odberu prúdu spotrebovávajú, ostávajú elektródy v palivovom článku relatívne stabilné, ale spotrebováva sa palivo (bioplyn) a okysličovadlo (vzduch), ktoré obmývajú elektródy.
Premena chemickej energie na elektrickú sa obyčajne uskutočňuje v generátoroch prostredníctvom kinetickej energie, ktorá vzniká pri spaľovaní daného paliva. Palivové články vyrábajú elektrinu priamo a preto by mali byť účinnejšie, jednoduchšie a spoľahlivejšie. Zatiaľ však Ich využitiu však zatiaľ čiastočne bránia technické prekážky.
Aeróbna fermentácia (výroba etanolu)
Fermentáciou (alkoholovým kvasením) roztokov cukrov je možné vyrábať etanol (etylalkohol), resp. metanol (metylalkohol). Ide o vysokokvalitné palivo, ktoré sa využíva ako náhrada za benzín v spaľovacích motoroch. Jeho prednosťami sú ekologická čistota a antidetonačné vlastnosti. Nedostatkom etanolu ako paliva je schopnosť viazať vodu a spôsobovať koróziu motora, čo možno odstrániť pridaním antikoróznych prípravkov.
Vhodnými vstupnými surovinami sú rastliny s obsahom cukrov a škrobu – obiloviny, cukrová repa, cukrová trstina, zemiaky, kukurica, ovocie alebo zemiaky. Cukry môžu byť vyrobené aj zo zeleniny alebo z celulózy. Teoreticky možno z 1 kg cukru získať 0,65 l čistého etanolu. V praxi je energetická výťažnosť 90 až 95 %.
Fermentácia cukrov sa uskutočňuje iba v mokrom (na vodu bohatom) prostredí. Vzniknutý alkohol sa nakoniec oddeľuje destiláciou.
V posledných rokoch sa robia výskumy výroby etanolu z celulózy pomocou špeciálne vyšľachtených mikroorganizmov (tzv. biopalivá druhej generácie). Etanol tak možno získavať aj z dreva, slamy alebo sena. Tento druh výroby je však energeticky náročný.
Výroba bionafty mechanicko-chemickou premenou biomasy
Z repkového semena sa lisuje olej, ktorý sa pôsobením katalyzátora a vysokej teploty, filtrovaním a následným delením oleja (esterifikáciou) mení na metylester repkového oleja – tzv. bionafta prvej generácie (MERO) - a glycerol.
MERO pri spaľovaní uvoľňuje 3 až 40-krát nižší obsah uhľovodíkov vo výfukových plynoch v porovnaní s naftou. Má zníženú dymivosť, plyny obsahujú menej tuhých častíc a iných nebezpečných látok. Použitie MERO si vyžaduje však malú úpravu motora, pričom sa zníži jeho výkon aj spotreba paliva asi o 5 %. Glycerol ako vedľajší produkt je vhodný pre chemický priemysel a výlisky sú cenná krmovinová zmes.
Pretože výroba metylesteru je drahšia než bežná motorová nafta, mieša sa s niektorými ľahkými ropnými produktami, alebo s lineárnymi alfa-olefínmi, aby jeho cena mohla konkurovať bežnej motorovej nafte. Tieto produkty sa označujú termínom bionafta druhej generácie a musia obsahovať aspoň 30 % metylesteru repkového oleja. Zachovávajú si svoju biologickú rozložiteľnosť a svojimi vlastnosťami (napríklad výhrevnosťou) sa viacej približujú bežnej motorovej nafte vyrobenej z ropy.