Projekt Kněžice – synergická kombinácia bioplynu, kogenerácie a biomasy

Pred dvoma rokmi sme vám na stránkach tohto časopisu priniesli informáciu o prestížnej Európskej cene za energetickú efektívnosť (EEA), ktorú získala v októbri 2007 česká obec Kněžice. Ocenená bola za výstavbu bioplynovej stanice s kogeneračnou jednotkou, ktorá sa stala hlavným zdrojom energie v obci, a za ďalšie úsporné opatrenia. Teraz si môžeme priblížiť skúsenosti z doterajšej prevádzky a podrobnejší opis celého projektu.

Obci Kněžice sa podarilo zrealizovať projekt Kněžice – energeticky sebestačná obec v roku 2006. Projekt s nákladom 135 miliónov Kč vrátane DPH (asi 5 229 000 eur) vznikol z jej vlastného rozhodnutia po niekoľkoročnej náročnej príprave a získaní dotácie z európ­skych fondov cez Ministerstvo životného pro­stredia Českej republiky. Odvtedy sa zariadenie niekoľkokrát modernizovalo.

Energetická sústava obce Kněžice
Schéma energetickej sústavy obce Kněžice so základnými údajmi o celom zariadení a jeho prevádzke je zobrazená na samostatnom obrázku. Bioplynová stanica s jednou kogeneračnou jednotkou je v prevádzke nepretržite a z poľnohospodárskych, potravinárskych a ďalších odpadov vyrába elektrickú energiu na predaj do elektrizačnej sústavy, teplo na ohrev fermentora a vykurovanie obce a kvalitné hnojivo pre miestne poľnohospodárstvo. Kotolňa na biomasu s dvoma teplovodnými kotlami s celkovým tepelným výkonom 1 200 kW je v prevádzke podľa potreby iba vo vykurovacom období, keď by prebytočné teplo zo samotnej bioplynovej stanice nestačilo na vykurovanie obce. Z bioplynovej stanice a z kotolne na biomasu sa teplo privádza podzemným bezkanálovým rozvodom z predizolovaného potrubia do všetkých pripojených objektov.

Sústava je v prevádzke od jesene roka 2006. Prevádzka celého technologického zariadenia bioplynovej stanice, kotolne a rozvodu tepla v obci je plne automatizovaná, pričom sa neustále sleduje a zaznamenáva. Údaje o výkonoch jednotlivých zariadení bioplynovej stanice a kotolne, ktoré sú uvedené ďalej, sa už v prevádzke overili. Celoročné údaje o výrobách a spotrebách energie sú prevzaté z prevádzkových záznamov v roku 2008.

Z ekonomického hľadiska je veľký rozdiel medzi časťou projektu, do ktorej patrí bioplynová stanica s výrobou elektriny, a tou časťou projektu, do ktorej patrí kotolňa a celá sústava centralizovaného zásobovania obce teplom. Za investície v objeme 60 % sa postavila celá bioplynová stanica s vývodom elektriny do elektrizačnej sústavy, ktorá prináša obci 80 % ročného finančného prínosu z tohto projektu. Asi 40 % investičných prostriedkov sa vynaložilo na kotolňu a rozvody tepla, ktoré prinášajú iba zvyšných 20 % z celkového roč­ného finančného prínosu. Výrobou tepla z biomasy vznikne českej energetike celková úspora 10 000 až 11 000 ton emisií CO2 ročne.

Tento nepomer medzi vynaloženými investičnými nákladmi a ekonomickým a environmentálnym prínosom jednotlivých častí projektu vyplýva predovšetkým z nevyhnutne veľkej investície do rozvodu tepla v rozptýlenej vidieckej zástavbe neveľkých vykurovaných objektov.

Bioplynová stanica
Bioplynová stanica Kněžice má v súčasnosti jeden anaeróbny reaktor (fermentor) s objemom kalovej časti približne 2 500 m³, nad ktorého hladinou je beztlakový plynojem bioplynu s objemom 800 m³, zakrytú homogenizačnú zbernú nádrž s objemom približne 200 m³ na premiešavanie vstupných spracovávaných surovín a odpadov pred ich prečerpaním do fermentora, hygienizačnú linku na tepelnú hygienizáciu rizikových odpadov, drviacu linku na rozomletie tuhých rizikových odpadov a dve uskladňovacie nádrže na vyfermentovaný kal s celkovým objemom 2 × 6 300 m³. Hygienizačná linka s príjmovou drviacou linkou a kogeneračná jednotka sú umiestnené v halách v prevádzkovej budove bioplynovej stanice. Ostatné zariadenia a nádrže patria medzi vonkajšie objekty.

Hygienizačná linka má uzatvorenú, tepelne izolovanú a teplou vykurovacou vodou vykurovanú hygienizačnú nádrž s objemom 5 m³. Z hygienizačnej nádrže sa horúca náplň vypúšťa priamo do fermentorov pri teplote 70 °C.

Fermentor je vytvorený ako železobetónová, tepelne izolovaná nádoba s priemerom 20 m s výškou valcovej časti 10,5 m. Zvrchu fermentor zakrýva kužeľová membránová strecha. Pod strechou reaktora (nad hladinou kalu) je plynojem z voľnej plynotesnej membrány. Obsah reaktora sa pravidelne premiešava dvoma vrtuľovými miešadlami reaktora a trvalo sa ohrieva na teplotu 40 °C. Kal sa ohrieva v externom výmenníku tepla, teplom z kogeneračnej jednotky. Prvá uskladňovacia nádrž je hermeticky zastrešená; bioplyn z tejto nádrže sa tiež využíva v kogeneračnej jednotke.

Bioplynová stanica má dvojstupňové odsírovanie surového bioplynu. Prvý stupeň sa vykonáva trvalým pridávaním malého množstva vzduchu do bioplynu v plynojeme. Druhý stupeň sa realizuje v absorpčných filtroch absorpčnou hmotou na báze drevených pilín, absorbujúcej železité chemikálie.

Parametre kotlov v kotolni na spaľovanie biomasy

Kotolňa na spaľovanie biomasy
V kotolni na biomasu sú dva automatické teplovodné kotly s celkovým výkonom 1 200 kW; väčší kotol spaľuje slamu, menší kotol štiepku a drevný odpad. Prevádzkový zásobník kotla na slamu postačuje približne na 8 hodín prevádzky, prevádzkový zásobník štiepky vydrží viac než jednodennú automatickú prevádzku. Krytý sklad pojme zásoby paliva na niekoľko týždňov prevádzky kotolne. Pri kotolni je inštalovaný tlakový teplovodný akumulátor tepla s vodným objemom 50 m³.

Väčší kotol spaľuje slamu obilnín alebo energetický šťaveľ v suchom stave v obrovských balíkoch s rozmermi až 0,8 × 1,2 × 2,5 m – približne 1 balík za 1,5 hodiny. Slama sa odrezáva zo zvislo postaveného balíka prikladacím zariadením kotla po vrstvách s hrúbkou približne 0,5 m. V stave pokoja je prikladací tunel od ohniska oddelený zástenou – chladenou vodou. Druhý kotol spaľuje drevnú štiepku s priemernou zrnitosťou 40 × 40 × 40 mm. Parametre kotlov sú uvedené v tabuľke.

Obidva kotly majú maximálny konštrukčný pretlak vykurovacej vody 0,4 MPa a maximálnu teplotu výstupnej vykurovacej vody 110 °C. Výkon kotlov sa automaticky reguluje podtlakom v spaľovacej komore a počtom cyklov prikladaní. Rozsah regulácie výkonov oboch kotlov je 30 až 100 % menovitého výkonu, krátkodobá preťažiteľnosť kotlov je 10 %.

Kotly sú v prevádzke iba vo vykurovacom období, keď prebytočné teplo z  bioplynovej stanice nestačí na pokrytie potreby tepla v sústave centralizovaného zásobovania teplom (CZT). V lete slúžia ako záložný zdroj v prípade výpadku alebo odstávky kogeneračnej jednotky.

Centralizovaný rozvod tepla
Teplo sa rozvádza bezkanálovým predizolovaným potrubím s celkovou dĺžkou trás asi 6 km. Maximálny použitý rozmer vnútorného potrubia je DN 125. Menovité teploty vykurovacej vody v sústave sú 105/70 °C. Potrubie má v celej dĺžke poplašné vodiče na lokalizáciu prípadných netesností, ktoré sú napojené na štyri detekčné prístroje netesností, trvalo v pohotovostnej prevádzke.

Odovzdávacie stanice v zásobovaných objektoch sú tlakovo nezávislé, automatické, s kontinuálnym prenosom dát do riadiaceho centra. Napojenie sa vyhotovilo v súlade s individuálnymi požiadavkami majiteľov vykurovaných objektov, v niektorých prípadoch sa ponechal pôvodný kotol na tuhé palivá ako záložný zdroj. Prevádzkové parametre sa zadávajú na miestnych termináloch v objektoch. Do centralizovaného riadiaceho systému sa prenášajú iba informácie o hlavných prevádzkových parametroch, poruchách a o odobranej tepelnej energii.

Suroviny pre bioplynovú stanicu
Podľa pôvodných zámerov mali byť hlavnými surovinami poľnohospodárske materiály, ako sú kukuričná siláž, znehodnotené krmivá, hnoj a podobné odpady, doplnené obsahom septikov a žúmp, zvážaných z Kněžíc a okolitých obcí. Bioplynová stanica tak mala nahradiť dosiaľ v obci neexistujúcu čistiareň odpadových vôd. Pri spracovávaní vykonávacieho projektu v roku 2005 sa však zloženie surovín významne upravilo. V skutočnej prevádzke sa zo začiatku využívali viac ako z 80 % prasacie a slepačie hnojové kaly, zvyšok tvorila glejová voda z výroby bravčovej masti, iba príležitostne aj iné suroviny. V roku 2008 pochádzali približne 2/3 bioplynu z odpadov z priemyselnej výroby biopalív a z výroby masti, len nepatrné množstvo bioplynu bolo aj z obsahu miestnych septikov a žúmp. Z toho vidno, ako môže byť biologický proces pružný z hľadiska vstupných surovín.

Produkovaný bioplyn obsahuje priemerne asi 55 až 65 % metánu a má výhrevnosť približne 23 MJ/Nm3. Vplyvom vysokého podielu prasacieho a slepačieho kalu bol predtým v surovom bioplyne veľký obsah sulfánu (H2S). Iné, podobne škodlivé prímesi sa v bioplyne v Kněžiciach takmer nevyskytujú. V súčasnosti, pri dvojstupňovom odsírovaní bioplynu, je aj obsah sulfánu v bioplyne zanedbateľný.

Schéma energetickej sústavy obce Kněžice s vyznačením energetických tokov

Palivo pre kotolňu
Približne polovicu paliva tvorí menejhodnotná drevná štiepka a polovicu slama obilnín a energetický šťaveľ. Tieto palivá obec nakupuje priamo v areáli kotolne od niekoľkých stálych aj občasných dodávateľov za vopred ohlásené ceny, závislé od vlhkosti a kvality dodaného paliva.

V areáli kotolne sú vybudované skladové priestory a prístrešky na niekoľkomesačné zásoby oboch druhov palív. V týchto skladových priestoroch časť paliva pri skladovaní vysychá a zvyšuje svoju výhrevnosť. Manipulácia s palivom v areáli kotolne a občasné zakladanie paliva do zásobníkov prikladacieho zariadenia kotlov sa vykonáva s využitím univerzálnych traktorových nakladačov.

Celkové toky elektriny
Elektrinu vyrába kogeneračná jednotka so spaľovacím motorom na bioplyn a synchrónnym trojfázovým generátorom. Z vyrobenej elektriny sa asi 2 % využijú na pokrytie spotreby kogeneračnej jednotky. Ďalších približne 15 % sa spotrebuje na prevádzku bioplynovej stanice. Zvyšných asi 83 % vyrobenej elektrickej energie sa dodá do distribučnej siete 22 kV.

Vyrobená elektrina sa predáva obchodníkovi s elektrickou energiou PRE Praha v režime tzv. zelených bonusov. Naopak, elektrina na vlastnú spotrebu sa nakupuje od spoločnosti ČEZ. Ak nie je kogeneračná jednotka v prevádzke, odoberá sa celková vlastná spotreba bioplynovej stanice z distribučnej siete. Vlastná spotreba kotolne sa odoberá z distribučnej siete aj v tom prípade, ak je kogeneračná jednotka v prevádzke.

Správne rozhodnutie
Rozhodnutie pre jednu väčšiu kogeneračnú jednotku s vyššou účinnosťou sa zatiaľ vyplatilo. Podľa pôvodného zámeru mala mať bioplynová stanica dve polovičné kogeneračné jednotky s elektrickou účinnosťou okolo 34 %. Výhodou malo byť najmä zachovanie aspoň polovičnej výroby elektriny pri poruche jednej jednotky. V Kněžiciach sa nakoniec v súlade s trendom ostatných rokov nainštalovala iba jedna jednotka s výkonom 330 kW a s účinnosťou 38,7 %. Uvedený rozdiel účinností znamená, že menšie kogeneračné jednotky by vyrábali o približne 12 % elektriny menej. Ďalšou výhodou sú nižšie investičné náklady.

Výroba tepla
Na sústavu rozvodu tepla, do ktorej sa z bioplynovej stanice a kotolne na biomasu dodáva teplo z obnoviteľných zdrojov, sa v Kněžiciach prostredníctvom spolu 149 tlakovo nezávislých odovzdávacích staníc pripája asi 95 % celkovej spotreby tepla v obci. Celoročná nameraná užitočná spotreba tepla pripojených domov na vykurovanie a ohrev teplej vody bola v roku 2008 asi 2 000 MWh, čiže 7 200 GJ. Straty tepla v rozvodnej teplovodnej sieti v dĺžke približne 6 km boli v roku 2008 okolo 1 200 MWh, resp. 4 300 GJ. Celková dodávka tepla do teplovodu bola v roku 2008 približne 3 200 MWh.

Kogeneračná jednotka vyrobila z bioplynu okrem elektrickej energie ešte asi 2 900 MWh tepla, z ktorého sa približne 35 %, čiže asi 1 000 MWh, spotrebovalo na ohrev fermentora bioplynovej stanice a zvyšných asi 1 600 MWh, čiže približne 5 800 GJ, sa postupne celý rok dodávalo do teplovodu. Toto teplo z kogeneračnej jednotky stačilo na spotrebu tepla v obci na ohrev teplej vody v domoch a na občasné prikurovanie v domoch po celý čas okrem vykurovacieho obdobia, čiže celé leto a čiastočne na jar a jeseň.

Vo vykurovacom období roka, predovšetkým v zimných mesiacoch, sa do rozvodu tepla v Kněžiciach dodávalo navyše teplo z kotolne, spolu asi 1 600 MWh. Z kotolne sa teplo do sústavy v Kněžiciach dodávalo počas 14 dní v mesiaci júl  v čase, keď sa vykonávala stredná oprava kogeneračnej jednotky.
Výroba elektriny

Kněžická kogeneračná jednotka vyrobí za rok spolu 2 600 MWh elektrickej energie a dodá do elektrizačnej sústavy spolu 2 200 MWh. Ročná celková nameraná spotreba elektriny (maloodber aj veľkoodber) je v Kněžiciach asi 2 000 MWh za rok. Rozdiel, spolu 400 MWh, čiže asi 15 % z vyrobenej elektrickej energie, zodpovedá vlastnej spotrebe kogeneračnej jednotky, vlastnej spotrebe elektriny v bioplynovej stanici a stratám na distribučnom transformátore. V produkcii elektriny tak Kněžice dodávajú zo svojej bioplynovej stanice – a výhradne z obnoviteľných zdrojov – viac elektriny, než koľko jej ročne spotrebovávajú. Obec Kněžice je teda z hľadiska spotreby tepla a elektriny skutočne energeticky sebestačná.

K úplnej energetickej sebestačnosti obci Kněžice už chýba iba náhrada paliva pre dopravné prostriedky a pracovné stroje (traktory a kombajny) pohonnou látkou z vlastnej produkcie z obnoviteľných zdrojov.

Kombinácia bioplyn – kogenerácia – kotolňa na biomasu – CZT
Akokoľvek je ekonomický a ekologický prínos kněžickej sústavy CZT problematický, práve vďaka zaradeniu bioplynovej stanice do sústavy rozvodu tepla sa do istej miery odstránili niektoré prevádzkové nedostatky nielen bioplynovej stanice, ale aj kotolne na biomasu a sústavy rozvodu tepla.

Zvyčajným nedostatkom bioplynových staníc s kogeneračnými jednotkami je nevyužívanie viac ako polovice vyrobeného tepla, a teda nevyhnutnosť jeho strát. Zvyčajne sa toto zvyškové teplo odvádza cez ventilátorové chladiče do atmosféry. Vzhľadom na to, že ide o teplo vyrobené z obnoviteľných zdrojov, nie je tento nedostatok bioplynových staníc taký závažný ako v prípade energetických zariadení, ktoré využívajú fosílne palivá. Prebytočné teplo z termodynamického procesu výroby elektriny (v prípade bioplynových staníc odvádzané do atmosféry) nie je priamo spojené ani s produkciou nebezpečných skleníkových plynov, ani so spotrebou vzácnych fosílnych palív. V Kněžiciach sa ale takmer všetko prebytočné teplo z bioplynovej stanice využije v miestnej sústave zásobovania obce teplom.

Nedostatkom všetkých sústav CZT sú tepelné straty potrubím rozvodu tepla, ktoré podľa veľkosti a rozľahlosti sústavy môžu byť až niekoľko desiatok percent užitočne využitého tepla.  Zvlášť letná prevádzka kotolní v sústavách CZT je ekonomicky stratová. Aj pri malej výrobe tepla vyžaduje obsluhu alebo dohľad nad prevádzkou, pričom väčšina vyrobeného tepla sa stratí ako tepelná strata teplovodu a nepredá sa spotrebiteľom. V Kněžiciach je to však inak. Celková dĺžka dvojrúrového teplovodného rozvodu je až 6 km. Straty teplovodom tam zodpovedajú takmer 40 % celoročnej dodávky tepla do sústavy, ale všetky celoročné straty teplovodu pokrýva prebytočné teplo z bioplynovej stanice, ktoré by sa inak muselo cez vzduchový ventilátorový chladič odviesť do atmosféry. Prebytočné teplo z bioplynovej stanice postačuje v mimovykurovacom období aj na pokrytie celej užitočnej spotreby tepla sústavy CZT, takže kotly na biomasu sa v Kněžiciach nemusia od konca jari do začiatku jesene vôbec prevádzkovať. Navyše, kogeneračnú jednotku v Kněžiciach treba chladiť núdzovým chladením iba niekoľko desiatok hodín v roku.

Predaj elektrickej energie z bioplynovej stanice v režime štátom regulovaných zelených bonusov významne zlepšuje ekonomiku celého projektu. Bioplynová stanica je aj z technického a finančného hľadiska najdôležitejším článkom celého projektu Kněžice.

Foto: archív autorov

Príspevok je prevzatý z portálu TZB-info.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik.