Poľnohospodárske bioplynové stanice

V súčasnosti sa vo všetkých členských krajinách Európskej únie stáva kľúčovým problémom diverzifikácia energetických zdrojov, a to nielen podľa jednotlivých typov energetických zdrojov, ale aj podľa oblastí ich geografického pôvodu. V rámci úsilia o posilnenie energetickej sebestačnosti kladú členské krajiny EÚ čoraz väčší dôraz na využívanie obnoviteľných zdrojov energie (OZE). Do úvahy tak prichádza aj spracúvanie biologických „odpadov“, z ktorých možno anaeróbnou fermentáciou produkovať bioplyn ako zdroj čistej obnoviteľnej energie. 

Na základe záverov Rady EÚ z marca 2007 je ambicióznym cieľom EÚ do roku 2020 dosiahnuť 20 %-ný podiel OZE na celkovej spotrebe energie, 20 %-né zníženie emisií skleníkových plynov a 10 %-ný podiel OZE v doprave. Na podporu využívania OZE sa vytvorilo viacero inštitucionálnych a finančných nástrojov a programov. Najväčší rozmach pritom dosahuje využívanie veternej energie a biomasy. Európska komisia prijala v tejto súvislosti viaceré významné dokumenty, v ktorých je vytýčené smerovanie európskej energetickej politiky.

Patria medzi ne akčný plán zameraný na biomasu, stratégia EÚ týkajúca sa biopalív, Zelená kniha o európskej stratégii pre udržateľnú, konkurencieschopnú a bezpečnú energiu  či klimaticko-energetický balíček. Členské krajiny EÚ v nich reagujú na fakt, že v súčasnosti takmer polovicu svojej spotreby energie pokrývajú dovozom z teritória tretích krajín. Podobne je to aj v Slovenskej republike – takmer 90 % primárnych energetických zdrojov sa zabezpečuje nákupom mimo teritória vnútorného trhu EÚ. Jediným významnejším domácim energetickým zdrojom je hnedé uhlie, keďže vlastná ťažba zemného plynu a ropy je nevýznamná. Z tohto dôvodu aj u nás neustále rastie význam intenzívnejšieho využívania všetkých druhov OZE.

História využívania bioplynu
Bioplyn, ktorý pozostáva prevažne z metánu (CH₄) a oxidu uhličitého (CO₂), vzniká všade tam, kde sa biomasa rozkladá bez prístupu vzdušného kyslíka (anaeróbne) – napríklad v tráviacom trakte prežúvavcov alebo vo vodných sedimentoch. Objavením „horľavého vzduchu“ z močiarov a dôkazom obsahu metánu v tomto plyne, ktorý poskytol fyzik Volt v roku 1778, sa začala éra hľadania pôvodu bioplynu. O 90 rokov neskôr objavil Bechamp pri jednom experimente s anaeróbnym rozkladom cukru pod mikroskopom pohyblivé body, ktoré sa javili ako „živý fermentát“ dokazujúci vytváranie plynu. Mikrobálny pôvod plynu však až v roku 1906 potvrdil Omelianski. Ďalším míľnikom vo výskume anaeróbneho vyhnívania bolo objavenie acetogénnych baktérií v roku 1967, čo je zásluha Bryanta. Dnes sú už mikrobiologické základy tvorby metánu vo všeobecnosti známe a objasnené. Začiatky využívania bioplynu v Európe spadajú do konca 19. storočia, keď sa v Exeteri (Anglicko) využíval bioplyn z čističky odpadových vôd na pouličné osvetlenie.

Počiatky bioplynovej techniky v európskom poľnohospodárstve sa zaznamenali až po druhej svetovej vojne. Možno vyzdvihnúť zariadenie s kvasným kanálom vyvinuté na Technickej univerzite v Darmstadte­ (systém Darmstadt) a metódu Shmidta a Eggersglüssa­. Technická úroveň (zvlášť miešadiel substrátu) a konkurencia nízkych cien ropy však ešte v tom čase spôsobili útlm záujmu o výrobu bioplynu – aj napriek tomu, že už boli známe výhody lepšej kvality organického hnojiva po anae­róbnom spracovaní. Rozvoj výroby bioplynu si vynútila až ropná kríza začiatkom 70. rokov minulého storočia, ako aj rozšírenie hnojového hospodárstva so známymi prednosťami. Napríklad v roku 1985 bolo v Nemecku v prevádzke 75 bioplynových staníc, zväčša v južnej časti. Dnes je v Nemecku nainštalovaných takmer 4 000 bioplynových staníc s rozličnými výkonovými kategóriami.

Základy fermentačného procesu
Tvorba bioplynu je viacstupňovým procesom, pri ktorom mikroorganizmy na svoju látkovú výmenu pri anaeróbnych podmienkach využívajú chemickú energiu obsiahnutú v uhľohydrátoch, tukoch a proteínoch. Najskôr sa pritom štiepia hydrolytickými baktériami makromolekuly s nízkymi molekulovými hmotnosťami (napr. cukry, mastné kyseliny, aminokyseliny). Takýmto spôsobom rozrušené produkty štiepneho procesu sa potom fermentačnými baktériami ďalej kvasia, pričom sa redukujú vznikajúce nízkomolekulové spojenia – ako karboxylová kyselina, plyny alebo alkoholy. Metanogénne baktérie nie sú schopné zhodnotiť všetky produkty látkovej výmeny fermentačných baktérií, takže acetogénne baktérie predstavujú dôležitý spojovací článok medzi fermentáciou a tvorbou metánu. Odbúravajú predovšetkým kyselinu propionovú, kyselinu karboxylovú a alkoholy na kyselinu octovú, oxid uhličitý a vodík, ktoré sa potom spotrebúvajú metanogénnymi baktériami.

Všetky procesy, ktoré uskutočňujú mikroorganizmy, vyžadujú fyziologicky priaznivé podmienky prostredia. Ide predovšetkým o teplotu, hodnotu pH, koncentráciu substrátu a inhibítorov v médiu, ktoré ovplyvňujú proces tvorby bioplynu. Stúpajúca teplota vo fermentore spôsobuje súčasné zvyšovanie reakčnej rýchlosti. Väčšina bioplynových zariadení využíva mezofilnú teplotnú oblasť (32 až 40 °C) a pH neutrálnu hodnotu substrátu (7 až 8,5).

Technológie na výrobu bioplynu
Anaeróbnu fermentáciu vlhkých organických materiálov so zachytávaním bioplynu možno zaradiť medzi tzv. nízkopotenciálne energetické zdroje. Tieto technológie prispievajú k znižovaniu plynných emisií z organických odpadov všetkého druhu pri ich súčasnom energetickom využívaní.

Medzi výhody spracovania biologických „odpadov“ anaeróbnou fermentáciou teda patrí:

• získanie bioplynu (zdroj čistej obnoviteľnej energie) – možno ho priamo spaľovať v kotloch alebo efektívnejšie využiť ako palivo pre kogeneračnú jednotku s kombinovanou produkciou elektriny a tepla,
• získanie kvalitného organického hnojiva – po anaeróbnej fermentácii ho možno využiť priamo ako tekuté hnojivo alebo separovať a získať substrát na pestovanie plodín,
• ochrana životného prostredia – bioplyn je CO₂ neutrálny; pri energetickom využívaní biomasy sa oxid uhličitý, ktorý sa spotrebúval pri fotosyntéze, uvoľňuje späť do atmosféry, čím sa uzatvára jeho kolobeh v prírode v relatívne krátkom čase.

Základom každého bioplynového zariadenia je fermentor. Podľa typu konštrukcie fermentora sa zvyknú bioplynové zariadenia aj označovať.

Podľa formy prevádzkovania ich možno rozdeliť na:

• samostatné,
• spoločne prevádzkované,
• komunálne/priemyselné, veľké zariadenia.

Ďalším kritériom môže byť pôvod alebo druh používaného substrátu. Z tohto pohľadu možno hovoriť o:

• poľnohospodárskych bioplynových zariadeniach,
• koferfermentačných (priemyselných) zariadeniach.

Bioplynové zariadenia sa v princípe delia podľa obsahu suchej hmoty v spracúvanom substráte na:

• mokrú fermentáciu (obsah suchej hmoty (SH) < 15 %),
• suchú fermentáciu (obsah suchej hmoty je 25 až 60 %).

Podľa teplotných rozpätí, pri ktorých dochádza k tvorbe metánu, sa zariadenia rozdeľujú na:

• psychrofilné (do 20 °C),
• mezofilné (30 až 40 °C),
• termofilné (50 až 75 °C).

V Európe sú najbežnejšie typy bioplynových zariadení s mokrou fermentáciou založené na požiadavke dobrej čerpateľnosti vstupného biologického materiálu.

Takéto zariadenia možno opäť kategorizovať podľa spôsobu dávkovania na:

• diskontinuálne, s prerušovanou prevádzkou, cyklické, dávkové – čas jedného pracovného cyklu zodpovedá času zdržania materiálu vo fermentore; viac sa využíva pri suchej fermentácii,
• kontinuálne (semikontinuálne), čas medzi jednotlivými dávkami je kratší ako čas zdržania materiálu vo fermentore; je to najpoužívanejší spôsob plnenia fermentora pri spracúvaní tekutých organických materiálov; substrát sa dávkuje viackrát denne a technologický proces možno ľahko automatizovať.

Ako vidno, technologická linka pre anaeróbnu fermentáciu organických materiálov môže mať veľa variantov podľa toho, aký materiál a s akým predspracovaním sa dávkuje do hlavnej časti – fermentora. Odlišnosti môžu byť aj pri usporiadaní bioplynovej koncovky či usporiadaní kalovej koncovky (vrátane spôsobu aplikácie vyfermentovaného substrátu). Celá linka môže pozostávať z týchto podsystémov:

Zber a transport materiálu do príjmovej časti
Tento podsystém zabezpečuje predprípravu biologického materiálu pred samotnou fermentáciou.

Príjem a úprava materiálu
Patrí sem:

• separácia hrubých prímesí,
• riedenie/zahusťovanie,
• inokulácia alebo aktivácia mikroflóry,
• predohrev,
• homogenizácia,
• (automatické) dávkovanie do fermentora,

Anaeróbne reaktory (fermentory) na tekutý materiál
Môžu byť vo vyhotovení:

• lagúna – ide o najjednoduchšie zariadenie a spôsob spracúvania organického materiálu; má veľmi nízku intenzitu výroby metánu CH₄; prevádzkové teploty ležia v psychrofilnom pásme,
• pravouhlé hranolovité – majú podobu žľabu,
• valcové reaktory – pre malé objemy do 150 m³ (výnimočne 300 až 600 m³) sa používajú fermentory s horizontálnou osou valca (oceľové alebo plastové), pri väčších kapacitách sa používajú fermentory so zvislou osou valca (oceľové alebo betónové), modifikácia je s upraveným dnom v podobe komolého kužeľa,
• reaktory guľové alebo polguľové – zvyčajne sa používajú v jednoduchých, podzemných konštrukciách.

Bioplynová koncovka
Bioplynová koncovka obsahuje potrubia, bezpečnostné prvky, dúchadlá, zásobník (plynojem), zariadenie na úpravu bioplynu (čistenie), zariadenie na konečné využitie bioplynu (kotol, kogeneračná jednotka), horák zvyškového plynu.

Kalová koncovka (konečný sklad)
Kalová koncovka pozostáva z armatúr, čerpadiel, homogenizátorov a skladu, separátora.

Základné usporiadania fermentorov
Schémy základných usporiadaní fermentorov vidno na jednotlivých obrázkoch. Najrozšírenejší typ horizontálneho valcového fermentora pre semikontinuálny spôsob spracovania (najmä hnojovice od hospodárskych zvierat) bežne konštruovaný pre objemy 50 až 150 m³ je na obr. 1. Vykurovanie fermentora sa rieši použitím dutého hriadeľa miešadla s dutými ramenami v jednej tretine jeho dĺžky.

Horizontálny fermentor sa použil pri návrhu bio­plynovej stanice vybudovanej na Vysokoškolskom poľnohospodárskom podniku SPU, s. r. o., v Kolíňanoch pri Nitre (obr. 2 a 5). Toto zariadenie dokáže spracovať exkrementy od 80 až 100 dojníc denne a vyprodukuje približne 120 až 150 m³ bioplynu denne s priemerným obsahom metánu 57 %. Inštalovaný elektrický výkon kogeneračnej jednotky je 22 kW. Zariadenie je v prevádzke od roku 2001.

Na obr. 3 je schéma usporiadania vertikálneho fermentora poľnohospodárskej bioplynovej stanice pre objemy do 1 000 m³, v súčasnosti veľmi rozšírené pre spracovanie hnojovice s kosubstrátom, najčastejšie kukuričnou alebo trávnou silážou. Plynojem je súčasťou fermentora a je uzavretý dvojitou membránou. Vykurovanie fermentora sa rieši vnútri valca.

Na obr. 4 je znázornená schéma veľkokapacitného fermentora vhodného pre priemyselné bioplynové stanice s objemom fermentora až do 5 000 m³ (napr. bioplynové koncovky na čističkách odpadových vôd). Substrát sa pred vstupom do fermentora ohrieva na procesnú teplotu použitím výmenníka tepla.

Záver
Predchádzajúce riadky priniesli stručný prehľad a opis najdôležitejších častí bioplynových zariadení, ktoré sa používajú na anaeróbne spracovávanie biologických materiálov. V Nemecku je v súčasnosti v prevádzke takmer 4 000 poľnohospodárskych bioplynových zariadení všetkých veľkostných kategórií, ktoré sa v Európe vyskytujú. Na Slovensku sa v súčasnosti prevádzkuje celkovo 5 poľnohospodárskych bioplynových staníc. Len produkcia exkrementov, ktoré by sa využili ako vstupný substrát, by postačovala na kontinuálnu produkciu 277 miliónov m³ bioplynu ročne, čo nie je zanedbateľný príspevok pre rozvoj využívania OZE na Slovensku.

Širšiemu rozvoju využívania tejto efektívnej technológie chrániacej aj životné prostredie a prispievajúcej k rozumnému využívaniu biologicky rozložiteľných odpadov na Slovensku bráni najmä absencia zákona o obnoviteľných zdrojoch energie, ktorého návrh však už v marci 2009 prerokovala a schválila vláda SR a čaká na jeho prijatie v Národnej rade SR.

doc. Ing. Ján Gaduš, PhD.
Foto a obrázky: autor

Autor pôsobí ako prodekan Technickej fakulty Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre a problematikou výroby a využitia bioplynu sa zaoberá takmer 15 rokov.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.