V aktuálne riešenom projekte bioplynovej stanice so suchou fermentáciou riešime pilotný projekt malej stanice, ktorá by mala poskytovať možnosti experimentálnej prevádzky zariadenia spracúvajúceho rôznu biomasu, pričom by mala slúžiť na nástrel receptúry a jej dolaďovania ešte pred realizáciou zákazníckej stanice ktorá by sa mala navrhovať škálovaním a na konkrétne dostupné suroviny zákazníka.  Táto stanica by mala slúžiť primárne na výskum, no určite bude slúžiť i pedagogickým účelom.

Suchá fermentácia

Doterajšia „konvenčná“ technológia získavania bioplynu sa zameriavala hlavne na tzv. mokrú fermentáciu močovky a/alebo bioodpadov. Obnoviteľné zdroje energie (biomasa) s vysokým obsahom sušiny (napr. kukuričná siláž, pokosená tráva, atď.) alebo suchý hnoj hospodárskych zvierat sa mohli pri tomto spôsobe pridávať len v obmedzenom rozsahu.

Takzvaná suchá fermentácia umožňuje „metanizáciu“ sypkej biomasy z poľnohospodárstva a komunálnych bioodpadov bez nutnosti zmeny ich konzistencie do kvapalného stavu. Namiesto toho sa substrát vo fermentačnej komore udržuje vo vlhkom stave kropením fermentačným roztokom (perkolátom) cirkulujúcim v uzavretom okruhu. Suchou fermentáciou je možné skvasovať biomasu s obsahom sušiny až 50% - oproti cca 10% pri mokrom spôsobe.

Výhody suchej fermenácie:

• využitie dosiaľ energeticky nevyužívaných substrátov – mimoriadne vhodné pre komunálny bioodpad
• kompaktné rozmery zariadenia, modulárny spôsob stavby s možnosťami rozšírenia podľa potreby
• nízka citlivosť na cudzorodé a škodlivé prímesi (fólie, drevo, piesok) – substrát nie je nutné pred fermentáciou upravovať (i keď vhodné je napríklad jeho „rozdrobenie“ na čo najmenšie čiastočky)
• robustné zariadenie s minimom pohyblivých dielov – malá náročnosť na údržbu a nízke opotrebenie
• malá vlastná spotreba energie oproti mokrej fermentácii (nie sú potrebné čerpadlá, miešadlá) – vyššia rentabilita zariadenia
• autostabilita fermentačného procesu- nízka citlivosť zariadenia na chyby obsluhy a jednoduchá eliminácia prípadných porúch procesu
• vysoká výťažnosť a kvalita bioplynu – nie je potrebné odsírenie
• zachovanie výživných látok vo vyfermentovanom substráte, zmenšenie jeho objemu a možnosť priamej aplikácie na poľnohospodárske plochy minimálna potreba na pracovnú silu a čas jej nasadenia, minimálna potreba pracovnej techniky (stačí jeden kolesový nakladač )

Ako  zdroje substrátu pre suchú fermentáciu bude možné využiť:

Poľnohospodárske odpady a produkty:

• suchý hnoj hospodárskych zvierat
• hydinový trus
• zelená hmota z poľnohospodársky priamo nevyužívaných, úhorom ležiacich plôch,
• trávna a kukuričná siláž
• všetky ľahkoskvasiteľné sypké formy biomasy – zemiakové šupky, chmeľové šišky, atď.
• Komunálna sféra a priemysel:
• komunálny bioodpad
• odpad z údržby mestskej zelene a cestných komunikácií
• tráva z golfových ihrísk
• zvyšky z veľkoskladov ovocia a zeleniny, obchodných reťazcov
• tuhý odpad zo stravovacích zariadení, cukrovarnícke rezky, vylisované semená repky, atď.

Metóda suchej fermentácie sa vyznačuje diskontinuálnym (šaržovým) spôsobom skvasovania substrátu, čo znamená, že počas fermentácie sa do fermentora nepridáva čerstvý substrát, ani sa z neho neodoberá, ako je to nutné pri kvázi kontinuálnom mokrom spôsobe. V tom spočíva výrazná prednosť suchej fermentácie - umožňuje v jednotlivých fermentačných komorách súčasnú fermentáciu rôznych substrátov (napr. 1. komora čerstvá tráva; 2. komunálny bioodpad; 3. suchý hnoj...).

Táto technológia bude využívať proces premeny organickej hmoty v utesnených kontajneroch prostredníctvom suchej fermentácie na vysoko hodnotný bioplyn. Získaný plyn bude prostredníctvom kogeneračnej jednotky transformovaný na elektrickú energiu a teplo. Schematické zobrazenie systému je zrejmé z nasledovného obr. 1

Vybudovanie kontajnerového zariadenia využívajúceho tzv. suchú fermentáciu umožní praktické overenie funkčnosti technológie, výťažnosť a použiteľnosť rôznych substrátov, ako aj využitie produkovaného bioplynu na energetické účely. Prevádzka zariadenia priamo v areáli STU umožní študentom i akademickým pracovníkom overenie laboratórnych výsledkov, prípadne výsledkov prezentovaných v odbornej literatúre a aplikačné možnosti danej technológie vo väčšej, polopriemyselnej mierke. Prebytky tepelnej a elektrickej energie z energetického zariadenia – KGJ budú primárne využívané vo vykurovacom systéme a elektrickom systéme vlastnej spotreby objektu LVN Trnávka – STU v Bratislave. Miesto realizácie projektu v ortofotomape vidno na nasledovnom obr. 2

Popis zariadenia

Prototyp experimentálnej bioplynovej stanice pozostáva z viacerých zariadení. V rámci samotného projektu bioplynovej stanice sa uvažuje z pohľadu rozhraní iba so stanicou vyvíjajúcou bioplyn, ktorý je možné spaľovať vo fakli, alebo odovzdávať externému spotrebiču – kotlu, alebo na to prispôsobenej kogeneračnej jednotke. Taktiež projekt končí na strane zdroja tepla pri napojení na jestvujúci zdroj tepla. Rozšírenie na plnohodnotnú bioplynovú stanicu s výrobou elektriny a tepla bolo možné až v kombinácii s kogeneračnou jednotkou obstaranou z iného projektu.

Kogeneračná jednotka KATJA 25 CEC obstaraná v rámci aktivít Národného centra pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie od Slovenskej firmy ELTECO, je typickým zástupcom zdroja decentralizovanej kombinovanej výroby elektriny a tepla. Zariadenie pozostáva zo spaľovacieho motora vybaveného dvoma palivovými plynovými cestami – pre zemný plyn a pre bioplyn. Doplnková plynová cesta pre zemný plyn je vytvorená pre potreby výskumných aplikácií výroby bioplynu ktoré bežia paralelne s projektom národného centra. Energia paliva sa v spaľovacom motore mení na mechanickú energiu odovzdávanú hriadeľom cez pevnú spojku synchrónnemu generátoru s nominálnym výkonom 20 kWe a tepelnú energiu odvádzanú chladiacou vodou cez výmenník do vody vykurovacieho systému objektu. Táto je následne dohrievaná spalinami z motora v spalinovom výmenníku, na projekčný systémový tepelný spád 90/70 °C. Za spalinovým výmenníkom nasleduje dvojica tlmičov hluku výfuku a spaliny sú vedené výfukom do exteriéru. Prípadné prebytočné teplo je z jednotky možné odviesť do núdzového chladiča, ktorý je dimenzovaný pre plný tepelný výkon 44 kWt jednotky tak, aby v prípade potreby mohla slúžiť ako náhradný zdroj energie pri výpadku napájania zo siete aj v prípade že vyrábané teplo nie je možné racionálne upotrebiť. Riadiace obvody ako i vyvedenie elektrického výkonu sú realizované v spoločnom rozvádzači. Jednotka je pripojená na internet a jej chod je možné monitorovať a riadiť i cez  integrované vizualizačné rozhranie. Jestvujúcu kogeneračnú jednotku a zásobníky TÚV vidno na nasledovnom obr.3

Samotná stanica pre vyvíjanie bioplynu sa skladá z viacerých častí. Fermentor o celkovom objeme 60m3, je predelený na dve komory o objeme po 30m3. Fermentačné komory sú zateplené, vybavené podlahovým a stenovým teplovodným vykurovaním. Fermentor je plynotesný, s vnútorným povrchom z nerezových plechov. Sú v nich inštalované sprchové systémy pre očkovanie vsádzky perkolátom, ktorý je spätne cez filtráciu tuhých častíc regenerovaný a skladovaný v nádrži. Obe komory majú možnosť nezávislej regulácie teploty a dávkovania perkolátu. Perkolátu sa spoločne nastavuje pH pridávaním činidla dávkovacím čerpadlom.

Predpokladaný postup spúšťania stanice je taký, že najskôr sa uskutoční pracovný cyklus s maštalným hnojom, vytvorí sa perkolát a až následne sa aplikuje vsádzka zelenej hmoty  - kukuričná siláž. Bioplyn generovaný vo fermentoroch sa prostredníctvom bezpečnostných ventilov s pohonmi na stlačený vzduch (ten sa vyrába v kompaktnej kompresorovej stanici) vpúšťa do zaveseného vakového zásobníka bioplynu. Odtiaľto sa turbodúchadlom upravuje na požadovaný tlak potrebný pre pripojenú technológiu. Stlačený bioplyn postupuje cez vysúšaciu (vymrazovaciu) jednotku do filtra odsírenia, pričom na trase je analyzátorom zisťovaný obsah metánu a síry. Bioplyn ďalej postupuje plynomerom s inkrementálnym výstupom pre meranie množstva odovzdaného produktu. Výstup z jednotky čistenia bioplynu je prepojený na fakľu pripojenú paralelne ku bioplynovej palivovej ceste kogeneračnej jednotky. Vo fakli sa spaľuje bioplyn nevhodných parametrov pre KGJ najmä pri nábehu procesu. Fakľa slúži ale aj ako spotrebič pre prípadnú nadprodukciu, prípadne je používaná pri poruche KGJ.

Realizované zariadenie Bioplynovej stanice môžeme vidieť na obr.4

Záver

Nakoľko v čase písania tohto článku bolo zariadenie testované iba po častiach, nie je možné sumarizovať výsledné charakteristiky, ktoré by boli zrejme najzaujímavejšie. Takéto výsledky sa pokúsime priniesť čo najskôr, po prebehnutí skúšobnej prevádzky.

Poďakovanie

Tento príspevok je výsledkom implementácie projektu: Podpora výskumu a transferu technológií v oblasti decentralizovaných zdrojov energie na STU s využitím dostupnej biomasy, ktorý je realizovaný na Slovenskej technickej univerzite v Bratislave (ITMS: 26240220016) a ktorý podporil Operačný program Výskum a vývoj financovaný z fondu ERDF EÚ.

Literatúra

[1]   Janíček, F. et al.: Renewable Energy Sources 1. FEI STU, Bratislava : Renesans, 2009,
ISBN 978-80-89402-05-2

[2]   Janíček, F. et al.: Obnoviteľné zdroje energie 2. FEI STU, Bratislava : Renesans, 2010,
ISBN 978-80-89402-13-7