Úvod / Informácie / Obnoviteľné zdroje energie / Bioplyn

Perspektívy rozvoja využívania bioplynu v EÚ a na Slovensku

27-08-2019
Ján Gaduš, prof., Ing., PhD. | Jan.Gadus@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Fakulta európskych štúdií a regionálneho rozvoja, Katedra regionálnej bioenergetiky

Úvod

Obnoviteľné zdroje energie (OZE) vzhľadom na možnosť predikovať pomerne exaktne ich produkciu, okrem environmentálneho prínosu, zvyšujú aj sebestačnosť a tým aj energetickú bezpečnosť krajiny. Preto zvyšovanie podielu OZE na spotrebe energie je jednou z priorít, deklarovaných aj v novom znení „Energetickej politiky Slovenskej republiky“, prijatých vládou v októbri 2014. Najväčší energetický potenciál z OZE na Slovensku má biomasa s teoretickým potenciálom 120 PJ. Biomasa predstavuje tak aj dôležitý potenciál pre rozvoj regionálnej a lokálnej ekonomiky.

Slovensko sa zaviazalo zvýšiť využívanie OZE v pomere ku hrubej konečnej energetickej spotrebe zo 6,7 % v roku 2005 na 14 % v roku 2020.  Očakávaná celková spotreba energie z OZE, ktorá sa má dosiahnuť v roku  2020, je  približne 80 PJ.

Tento záväzok SR je zakotvený aj v ďalšom dokumente Národný akčný plán pre energiu z obnoviteľných zdrojov energie, ktorý vláda SR schválila dňa 6. októbra 2010 uznesením vlády SR č. 677/2010. Tento dokument predpokladá dosiahnuť 15,3 % využitie OZE v pomere ku hrubej konečnej energetickej spotrebe v roku 2020. Okrem iného sa v týchto strategických vládnych dokumentoch hovorí aj o zvyšovaní výroby bioplynu, resp. biometánu (biometán – upravený bioplyn na kvalitu zemného plynu) ako perspektívnych alternatívnych palív z biomasy a to ako z odpadovej, tak aj zámerne pestovanej.

Bioplyn v strategických dokumentoch EÚ

Vo všetkých strategických dokumentoch prijímaných v nedávnej minulosti v orgánoch a inštitúciách EÚ medzi témami obsiahnutými v kľúčových politikách týkajúcich sa výroby energie z obnoviteľných zdrojov, dosiahnutia cieľov v oblasti ochrany životného prostredia, rozvoja systémov obehového hospodárstva a podpory tzv. čistej mobility, nájdeme význame podporený rozvoj výroby bioplynu a biometánu.

Po intenzívnych rokovaniach dosiahli inštitúcie EÚ v júni 2018 dohodu pre novú Smernicu o energii z obnoviteľných zdrojov na nasledujúce desaťročie. Nové predpisy obsahujú právne záväzný cieľ pre celú EÚ týkajúci sa energie z obnoviteľných zdrojov do roku 2030 vo výške 32% s doložkou o možnej revízii smerom nahor v roku 2023, ako aj cieľmi pre jednotlivé odvetvia vrátane ročného zvýšenia o 1,3% v prípade obnoviteľnej energie v oblasti vykurovania a konečný cieľ 14% obnoviteľných zdrojov energie v sektore dopravy. Cieľom tohto programu je podporovať ďalšie zavádzanie elektrickej mobility, ale zahŕňa aj čiastkový cieľ vo výške 3,5% pre vyspelé biopalivá a bioplyn. Vo všeobecnosti je Smernica určite pozitívnym krokom smerom k rozsiahlemu využívaniu obnoviteľného plynu v nasledujúcom desaťročí. Uľahčí prístup biometánu k rozvodnej sieti zemného plynu, rozšíri záruky pôvodu z obnoviteľnej elektrickej energie na obnoviteľný plyn a uľahčí cezhraničný obchod s biometánom. Nová politika trvalej udržateľnosti obmedzí výrobu bioplynu a biometánu zavedením hraníc udržateľnosti pre všetky odvetvia energetiky. Bioplyn a biometán musia dosiahnuť 65% - 80% úspory skleníkových plynov v porovnaní s ekvivalentnými fosílnymi palivami. Bioplyn však napriek tomu zostáva jedným z najudržateľnejších zdrojov energie, ktorý je schopný dosiahnuť viac ako 200% úspor skleníkových plynov, keď je využívaný poľnohospodársky hnoj ako vstupná surovina, teda sa zamedzí emisiám metánu z hnoja. Táto Smernica musí byť transponovaná do vnútroštátneho práva vo všetkých členských štátoch EÚ do 30. júna 2021.

S cieľom splniť klimatický záväzok prijatý na 21. zasadnutí konferencie zmluvných strán (COP 21) Rámcového dohovoru OSN o zmene klímy (UNFCCC) v Paríži (december 2015) bude musieť Európska únia uskutočniť energetickú transformáciu vo všetkých sektoroch; to platí aj pre plynárenský sektor. Všetky dodávky plynu v Európe musia byť obnoviteľné alebo dekarbonizované do roku 2050. Plyn je dôležitým pilierom v oblasti trvalo udržateľného sektorového prepojenia a sektorovej integrácie a jednou z mála technológií schopných znížiť emisie v poľnohospodárstve. Výsledkom konzultácií bol balík Európskej komisie „Čistá planéta pre všetkých“, ktorý uznáva úlohu obnoviteľného plynu v rôznych odvetviach, ako aj v rôznych scenároch, v ktorých sa uvádzajú možné opatrenia, ktoré by sa mohli prijať za účelom splniť ciele stanovené v tomto nariadení klimatickej dohody.

Vyjednávači z Európskeho parlamentu, Rady a Európskej komisie pokračovali v priebehu roku 2018 vo svojich medziinštitucionálnych rokovaniach (tzv. Trialógoch) o nariadení o hnojivách a konečne dospeli ku kompromisnej dohode o novom právnom predpise. Bude zahŕňať recyklovateľné, biologicky založené hnojivé produkty, čím prispeje k rozvoju obehového hospodárstva - jednej z kľúčových priorít EÚ - a mala by umožniť ľahší prístup k jednotnému trhu EÚ pre hnojivá vyrobené z organických alebo recyklovaných materiálov. Podľa tohto nového nariadenia EÚ by mal byť digestát uznávaný ako hnojivý produkt, podobne ako kompost, ktorý je oslobodený od dane.

Väčšina nariadení EÚ, od smernice o infraštruktúre pre alternatívne palivá až po smernicu o obnoviteľných zdrojoch energie, uznáva pozitívnu úlohu biometánu v stlačenej aj kvapalnej forme, najmä v odvetví ťažkej dopravy a strojárstva. Tretí balík o čistej mobilite, ktorý bol uverejnený v máji 2018, predkladá prvé normy emisií CO2 pre ťažké úžitkové vozidlá. Zohľadnenie celého palivového reťazca vrátane ťažby, výroby, prepravy a používania paliva alebo elektrickej energie by poskytlo realistickejšie porovnanie rôznych možností alternatívnych palív.

Bioplynové stanice v EÚ

Európska bioplynová asociácia (European Biogas Association - EBA) vo zverejnenej „EBA Štatistickej správe 2018“ (EBA Statistical Report 2018) konštatuje, že v uplynulom desaťročí zaznamenávame trvalý rast počtu európskych bioplynových staníc, čo dokladuje trvalú silnú pozíciu bioplynového sektora v podmienkach EÚ. Do konca roku 2017 bolo v celej Európe v prevádzke 17 783 bioplynových staníc a 540 biometánových zariadení. Celkový inštalovaný elektrický výkon bioplynových staníc v roku 2017 sa zvýšil o 5% na celkovú hodnotu 10 532 MW. Elektrická energia vyrobená z bioplynu dosiahla celkovú výšku 65 178 GWh. Zvýšila sa aj výroba biometánu, ktorá v roku 2017 dosiahla 19 352 GWh. Prehľad inštalácii v jednotlivých členských krajinách EÚ ukazuje prevzatý graf zo spomínanej správy, ktorý je vidieť na Obr. 1.

Bioplynové stanice na Slovensku

Intenzívny rozvoj budovania bioplynových zariadení na Slovensku zaznamenávame až od januára 2010, kedy nadobudol účinnosť zákon 309/2009 Z. z. o podpore obnoviteľných zdrojov energie a vysoko účinnej kombinovanej výroby a o zmene a doplnení niektorých zákonov. Pôvodne, ale  podpora  poznala  len  dve  výkonové  kategórie  BPS  a  to do 1 MW

Obr. 1

Obr. 1: Prehľad počtu inštalácií bioplynových staníc v krajinách EÚ v roku 2017

inštalovaného elektrického výkonu a nad 1 MW, čo spôsobilo, že priemerný inštalovaný výkon bioplynovej stanice na Slovensku je 0,943 MW (109 inštalácii v prevádzke koncom roka 2018). Pre porovnanie v Nemecku je priemerný inštalovaný výkon 0,4 MW. Pre dosahovanie čo najlepších ekonomických výsledkov ako vstupný substrát do BPS na Slovensku sa využíva z viac ako 85% kukuričná siláž, čo určite nie je uspokojivé.

Takmer všetky bioplynové zariadenia v SR sa vyznačujú klasickým usporiadaním a koncepciou. Väčšinou je využívaný dvojstupňový systém fermentorov s vertikálnymi, betónovými nádržami, najčastejšie prekrytými s integrovaným dvojplášťovým flexibilným plynojemom (Obr. 2). Hlavný vstupný materiál – kukuričná siláž je dávkovaná z miešacej nádrže prostredníctvom závitovkových dopravníkov priamo do primárneho fermentora. Tekutá zložka je väčšinou dopravovaná z prednádrže pomocou kalových čerpadiel.

Bioplyn sa kontinuálne spotrebováva po miernej úprave – vysušení a odsírení, v kogeneračných jednotkách, ktoré produkujú elektrinu, predávanú do siete za garantovanú, dotovanú výkupnú cenu. Teplo sa čiastočne vyžíva na udržiavanie procesnej teploty (väčšinou mezofilná oblasť 40 oC) a čiastočne sa využíva komerčne. Ekonomická návratnosť každej BPS na Slovensku je založená na garantovanej a dotovanej výkupnej cene elektriny.

Obr. 2

Obr. 2: Pohľad na typickú BPS s inštalovaným elektrickým výkonom 1 MW (fotografia autor)

Aplikačné možnosti bioplynu

Hlavnými zložkami bioplynu sú metán (CH4) a oxid uhličitý (CO2), pričom obsah metánu sa pohybuje v rozmedzí od 48 do 75 %. Okrem týchto dvoch hlavných zložiek je možné v bioplyne identifikovať vodu (vodnú paru, H2O a to 1 – 10%), dusík (N2, 0 – 5%), kyslík (0  - 2 % O2), vodík (0 – 1% H2), amoniak (0 – 1 % NH3), a sírovodík (0 – 1 % H2S). Obsah týchto komponentov v bioplyne závisí od zloženia vstupného substrátu, parametrov a priebehu procesu. Výhrevnosť bioplynu závisí hlavne od obsahu metánu. Teda výhrevnosť bioplynu s obsahom metánu 50 % dosahuje hodnotu 5 kWh.m-3 a pri obsahu 75 % až 7,5 kWh.m-3.

Schému základných aplikačných možností bioplynu a postupnosti krokov úpravy ukazuje Obr. 3. V súčasnosti však ešte viac ako 90 % bioplynu sa pretransformuje v kogeneračných jednotkách na elektrinu a teplo. Jednotlivé alternatívy úprav predpokladajú rôzne nákladnú predúpravu a spracovanie bioplynu.

Obr. 3

Obr. 3: Aplikačné možnosti bioplynu

Výskumné aktivity SPU v Nitre – hľadanie alternatívnych vstupných materiálov pre produkciu bioplynu

Svetové zásoby tradičných fosílnych palív vrátane ropy pri neustálom narastaní potrieb energie veľmi rýchlo klesajú. Aktuálna spotreba spôsobuje ekologické problémy, preto je iba otázkou času, dokedy budú fosílne palivá dostupné za súčasné nízke ceny. Globálne otepľovanie, zvyšovanie cien ropy a ropných produktov spôsobujú znižovanie energetickej bezpečnosti, čo je dôvodom, prečo sa vedci aktuálne zameriavajú na výskum výroby obnoviteľnej energie aj z mikrorias [8]. Mikroriasy majú potenciál stať sa náhradou tradičných plodín (repkové semeno, kukuričná siláž) vzhľadom na ich rýchly rast a ich vysokú fotosyntetickú účinnosť. Biomasu rias je možné kultivovať v celom rade rozličných typov fotobioreaktorov, vodných nádrží situovaných voľne, resp. v skleníkoch.

Spolu so sinicami, mikroriasy ako primitívne rastliny, sú tie najjednoduchšie nekomplikované autotrofné organizmy (väčšinou mikroskopickej veľkosti) s nenáročnými požiadavkami na rast v bioreaktore. Hlavnými faktormi pre zabezpečenie rastu rias sú: voda, svetlo, CO2, optimálna teplota a pomer živín N:P:K. Pri mikroriasach zaznamenávame oveľa vyššiu produktivitu v porovnaní so štandardnými poľnohospodárskymi plodinami. Počas najdôležitejšej etapy rastu rias - exponenciálnej fázy - je možné sledovať zdvojnásobenie obsahu biomasy v čase kratšom ako 3,5 hodiny. Mikroskopické riasy dokážu naviazať a využiť odpadový oxid uhličitý (CO2), 1 kg suchej biomasy z rias využije približne 1,83 kg CO2 [2]. Pre výber vhodného kmeňa mikrorias je jedným z najdôležitejších parametrov charakteristická konštrukcia bunkovej steny mikroriasy, ktorá predurčuje následnú účinnosť anaeróbneho procesu. Niektoré druhy nemajú bunkovú stenu, niektoré mikroriasy majú stenu pozostávajúcu z proteínu bez celulózy alebo hemicelulózy, čo je potom dôvodom ich ľahšej rozložiteľnosti metanogénnymi mikroorganizmami. Pri výbere druhov mikrorias pre anaeróbnu digesciu je nutné zohľadniť aj iné faktory ako napr. produktivitu a citlivosť na kontamináciu.

Vzhľadom na vysokú fotosyntetickú účinnosť a intenzívny rast mikrorias prebieha štúdium kultivácie zelených rias ako sľubnej suroviny na výrobu palív a chemikálií. Kultivácia biomasy rias pre výrobu biopalív predstavuje zaujímavú oblasť pre výskumníkov na celom svete [9].

Na základe vyššie uvedených informácii sme sa na našom pracovisku Katedre regionálnej bioenergetiky (KRBE), Fakulty európskych štúdií a regionálneho rozvoja SPU v Nitre rozhodli verifikovať možnosti pestovania a následne energetickej konverzie anaeróbnou digesciou na bioplyn vybraných druhov zelených mikrorias.

Uvádzame nami navrhnutú koncepciu (čiastočne uzavretý cyklus) ďalšieho využitia fugátu z digestátu BPS na efektívne pestovanie mikrorias (napr. druhu Chlorella sorokiniana), ako aj diverzifikácie využívania bioplynu po úprave (separácia CO2 a eliminácia H2S) po komprimovaní na bio-CNG ako alternatívneho paliva pre motorové vozidlá. Odseparované CO2 by sa privádzalo pod nízkym tlakom k podpore rastu mikrorias v otvorených bazénových fotobioreaktoroch umiestnených v skleníkoch. Časť bioplynu by sa využíval klasicky na kombinovanú výrobu elektriny a tepla v kogeneračnej jednotke (KGJ), teplo z KGJ by slúžilo na udržiavanie procesnej teploty vo fermentoroch, ale aj v skleníkoch, kde by sa pestovali mikroriasy. Mikroriasy po čiastočnom zahustený (v podobe pasty) by sa privádzali ako vysokohodnotný vstupný materiál späť do fermentora (znížilo by to potrebu prvotriednej kukuričnej siláže), zbytok by predstavoval vyčistenú vodu vhodnú na technologické účely alebo zavlažovanie. Koncepcia takéhoto uzavretého cyklu je zobrazená na obr. 4.

Obr. 4

Obr. 4: Koncepcia uzavretého cyklu využívania digestátu k pestovaniu mikrorias

Zber rias v podmienkach opísaných vyššie by mohol prebiehať celoročne za predpokladu, že fotobiorektory budú umiestnené v skleníkoch, v cca 2-týždňových cykloch, čo je veľká výhoda v porovnaní s klasickou vstupnou biomasou, kde pri kukurici na siláž je možná len jedna kosba následne sú potrebné priestory na silážovanie. Pri pestovaní mikrorias nie je potreba skladovacích priestorov a zloženie mikrorias predurčuje veľmi vysokú produkciu kvalitného bioplynu.

Jednotlivé čiastkové technológie sme v podmienkach našej bioplynovej stanice v Kolíňanoch verifikovali. Boli dosahované veľmi zaujímavé výsledky a to ako pri pestovaní, tak aj následne pri výskume výťažnosti bioplynu pri zahustených mikrotiasach. Pohľad na otvorený fotobioreaktor na pestovanie mikrorias umiestnený v skleníku bioplynovej stanice ukazuje obr. 5.

Obr. 5

Obr. 5: Fotobioreaktor so zelenými mikroriasami druhu Chlorella sorokiniana
(fotografia autor)

Takto vypestované a čiastočne zahustené mikroriasy boli následne testované na výťažnosť bioplynu v 100 l fermentoroch. (Obr. 6). Konštrukčné usporiadanie fermentorov umožňuje realizáciu tzv. dávkových (batch) testov pre stanovenie výdatnosti produkcie bioplynu z rôznych, aj zmesných vstupných materiálov. Fermentor s čistým objemom 100 l má dvojitý plášť pre vykurovaciu vodu s elektrickým ohrevom, s digitálnou reguláciou teploty s presnosťou ± 0,5 oC a elektrické pomalobežné miešadlo s možnosťou nastavovania času miešania a prestávok (12 cyklov za deň  v trvaní 20-30 minút). Vyprodukované množstvo bioplynu sa kontinuálne meria a zaznamenáva plynomerom na malé prietoky Ritter s automatickým záznamom využívajúc software RIGAMO. Fermentor je vybavený ventilmi umožňujúcimi odber substrátu počas experimentu k realizovaniu chemických rozborov, ako aj na analyzovanie zloženia produkovaného bioplynu.

Obr. 6

Obr. 6: Usporiadanie 100 l fermentorov s plynomermi Ritter
(fotografia autor)

Záznam kumulatívnej produkcie bioplynu spracovaný riadiacím programo plynomeru je ukázaný na obr. 7.

Obr. 7

Obr. 7: Záznam kumulatívnej produkcie bioplynu z mikrorias druhu Chlorella sorokiniana

Celkovo bolo zo substrátu v 100 l fermentore (zloženie 3 l zahustené zelené mikroriasy + 97 l inokula) vyprodukovaných za 25 dní 128,57 l bioplynu, čo predstavuje priemernú dennú produkciu 5,14 l/deň. Príspevok k produkcii bioplynu 97 l samotného inokula bol 76,27 l. Priemerná hodnota pH vo fermentore bola 6,44 a teplota 39,60 oC počas celej doby trvania experimentu.

Dávka suchej hmoty a organickej suchej hmoty biomasy zelených mikrorias do fermentora na základe analýzou zisteného obsahu suchej hmoty (SH = 0,85 hm. %) a organickej suchej hmoty (OSH = 73,33 % zo SH) bola stanovená výpočtom: SH = 0,0255 kg a  OSH = 0,0187 kg mikrorias.

Pre porovnanie uvádzame výsledky získané počas rovnakého experimentu len použitím 97 l hnojovice (zloženie 80 % hnojovica od ošípaných, 20 % slamnatý maštaľný hnoj od hovädzieho dobytka) a produkciu bioplynu s prvotriednej kukuričnej siláže nadávkovanej do rovnakého inokula v množstve 3 kg. Výsledky je možné vidieť v tabuľke Tab.1

Tab. 1:  Priemerné prepočítané hodnoty produkcie bioplynu a zloženia bioplynu

Tab. 1

Experiment potvrdil, že zahustené mikroriasy sú veľmi dobrou surovinou na produkciu bioplynu metódou mokrej fermentácie. Boli dosahované prijateľné priemerné hodnoty obsahu metánu v bioplyne a to 50,11 % objemových a aj nízke hodnoty sírovodíka v priemere 122,96 ppm. Teda tento bioplyn by vyžadoval pred použitím v kogeneračnej jednotke len minimálne odsírovanie (na hodnotu nižšiu ako 100 ppm).

Pre porovnávanie výťažnosti bioplynu z rôznych druhov biomasy je najobjektívnejším kritériom tzv. špecifická produkcia bioplynu udávaná v metroch kubických (litroch) na jednotku (kg) organickej suchej hmoty daného biologicky rozložiteľného materiálu. Pre názornosť uvádzame v grafe Obr. 8 porovnanie týchto špecifických produkcii z nášho vyššie popísaného výskumu. Vidíme, že špecifická produkcia bioplynu z dopestovanej biomasy zelených mikrorias druhu Chlorella sorokiniana niekoľkonásobne (2,98 x) prevýšila špecifickú produkciu bioplynu z prvotriednej kukuričnej siláže.

Obr. 8

Obr. 8: Porovnávajúci graf špecifických produkcii bioplynu

Záver

Rozvoj počtu inštalácií zariadení na výrobu bioplynu v Európskej únii má neustále zvyšujúcu sa úroveň. Preto je nevyhnutné hľadať vhodné náhrady štandardne používanej kukuričnej siláže. Ako naše pokusy ukazujú, veľmi perspektívnou alternatívou môžu bez zelené mikroriasy.

Ďalším dôležitým faktorom je vysoko pozitívna rola mikrorias pre životné prostredie. Čím skôr ľudia budú akceptovať ich cenný dopad na životné prostredie a na človeka, tým skôr sa podarí vyriešiť závažné problémy a otázky týkajúce sa životného prostredia. Výskum metód kultivácie a energetickej konverzie biomasy z mikrorias prispeje k neustále sa rozširujúcim možnostiam použitia aj digestátu z bioplynových zariadení a k zvýšeniu ich ekonomickej efektívnosti. Výsledky prezentovaného výskumu prispejú k ďalšiemu rozvoju komplexného programu využitia všetkých foriem obnoviteľnej energie v Európskom priestore.

Literatúra

[1] BRAUN, R. 1982. Biogas – Methangärung organischer Abfallstoffe: Grundlagen und Anwendungbeispiele. Wien; New York: Springer, 1982. 205 s. ISBN 3-211-81705-0.

[2]  Benemann, J., 2013. Microalgae for biofuels and animal feeds. Energies, 6(11), 5869-5886.

[3]  Glowacka, N., Gadus, J., Kiss, G., Slobodnik, J. 2016. Potential of microalgae biomass for biogas production, 6th International Scientific Conference May 31-June 2, 2016 Tatranské Matliare, Renewable Energy Sources 2016 High Tatras, Slovak Republic.

[4] JANÍČEK, F. – GADUŠ, J. – ŠÁLY, V.  et al. 2010. Obnoviteľné zdroje energie 2. FEI STU, Bratislava : Renesans, 2010. 196 s. ISBN 978-80-89402-13-7

[5]  Mobin S., Alam F., 2014. Biofuel Production from Algae Utilizing Wastewater, 19th Australasian Fluid Mechanics Conference, Melbourne, Australia.

[6]  STRAKA, F. et al. 2010. Bioplyn. vyd. 3. Praha : GAS s.r.o., 2010. 305 s. ISBN 978-80-7328-235-6.

[7] Sarkar, O., Agarwal M., Kumar A. N., Mohan S. V., 2015. Retrofitting hetrotrophically cultivated algae biomass as pyrolytic feedstock for biogas, bio-char and bio-oil production encompassing biorefinery. Bioresour. Technol. 178, 132-138.