Před zahájením výstavby bioplynové stanice je třeba vzít v úvahu podmínky nezbytné pro jeho efektivní provoz. Porucha nebo špatný výkon bioplynové stanice je obvykle výsledkem chyb v plánování.
Následky takových chyb mohou být patrné okamžitě nebo po několika letech provozu zařízení. Pečlivé a komplexní plánování je nezbytné pro odstranění chyb dříve, než způsobí nenapravitelné škody.
Plánování výstavby zemědělských bioplynových stanic by mělo začít stanovením potenciálu pro výrobu bioplynu a biohnojiv na základě dostupného množství surovin a také množství energie požadované farmou.
Pokud je bioplynová stanice zamýšlena především jako zdroj energie, doporučuje se její výstavba pouze v případě, že odhadovaná potenciální produkce bioplynu je dostatečná pro pokrytí energetických potřeb farmy.
Výběr velikosti reaktoru
Velikost reaktoru se měří v metrech krychlových a závisí na množství, kvalitě a druhu surovin a také na zvolené teplotě a době fermentace. Existuje několik způsobů, jak určit požadovaný objem reaktoru.
Vztah mezi denní dávkou nakládky suroviny a velikostí reaktoru
Denní dávka nakládky suroviny je stanovena na základě doby fermentace (doba obratu reaktoru) a zvoleného teplotního režimu. Pro režim mezofilní fermentace je doba obratu reaktoru od 10 do 20 dnů a denní zaváděcí dávka je od 1/20 do 1/10 celkového objemu surovin v reaktoru.
Velikost reaktoru pro zpracování určitého množství suroviny
Nejprve se na základě počtu zvířat experimentálně stanoví denní množství kejdy (DN) pro zpracování v bioplynové stanici. Poté se surovina ředí vodou na vlhkost 86% – 92%.
Ve většině venkovských zařízení se poměr hnoje a vody smíchané za účelem výroby surovin pohybuje od 1:3 do 2:1. Množství naložených surovin (D) je tedy součtem zemědělského odpadu (DN) a vody (WA), kterými se ředí.
Pro zpracování surovin v mezofilním režimu se doporučuje používat denní zakládací dávku D rovnající se 10 % objemu celkových surovin (RS) naložených do zařízení. Celkový objem surovin v zařízení by neměl přesáhnout 2/3 objemu reaktoru.
Objem reaktoru (RR) se tedy vypočítá pomocí následujícího vzorce:
OS = 2/3 OR a OR = 1,5 OS
Kde
OS = 10×D
D = DN + DV.
Příklad 7: Na farmě je 10 kusů dobytka, 20 prasat a 35 kuřat. Objem denních exkrementů od 1 skotu = 55 kg, od jednoho prasete = 4,5 kg, od 1 kuřete = 0,17 kg.
Denní objem odpadu farmy DN bude roven 10 × 55 + 20 × 4,5 + 35 × 0,17 = 550 + 90 + 5,95 = 645,95 kilogramů, přibližně 646 kg. Obsah vlhkosti v exkrementech skotu a prasat je 86 % a v kuřecím trusu 75 %.
Pro dosažení 85% vlhkosti je potřeba do ptačího trusu přidat 3,9 litru vody (asi 4 kg).
To znamená, že denní dávka nakládky suroviny bude cca 650 kg. Plné zatížení reaktoru OS = 10×0,65 = 6,5 tuny a objem reaktoru OR = 1,5×6,5 = 9,75, neboli přibližně 10 m3.
Výpočet výnosu bioplynu
Výpočet denní výtěžnosti bioplynu je kalkulován v závislosti na druhu suroviny a denní porci zátěže.
Tabulka 10. Výpočet výtěžnosti bioplynu pro různé druhy surovin
| Druh suroviny | Vývod plynu (m3 na 1 kg sušiny) | Vývod plynu (m3 na 1 tunu při vlhkosti 85%) |
|---|---|---|
| Dobytčí hnůj | 0,250 – 0,340 | 38 – 51,5 |
| Prasečí hnůj | 0,340 – 0,580 | 51,5 – 88 |
| Ptáci | 0,310 – 0,620 | 47 – 94 |
| Konský hnůj | 0,200 – 0,300 | 30,3 – 45,5 |
| ovčí hnůj | 0,300 – 0,620 | 45,5 – 94 |
Příklad 8: Farma má 10 kusů dobytka, 20 prasat a 35 kuřat. Objem denních exkrementů skotu = 55 kg, prasat = 4,5 kg, kuřat = 0,17 kg. Objem denního odpadu farmy se bude rovnat 550 kilogramům hovězích exkrementů (vlhkost 85 %), 90 kilogramům prasečích exkrementů (vlhkost 85 %) a 5,95 kilogramům slepičího hnoje (vlhkost 75 %). Po naředění trusu vodou na dosažení 85% vlhkosti bude množství suroviny z kuřat asi 10 kg.
Podle tabulky výtěžnost bioplynu od 1 kilogramu
• dobytčí hnůj při vlhkosti 85 % se rovná přibližně 0,04–0,05 m3 bioplynu
• prasečí hnůj při vlhkosti 85 % se rovná přibližně 0,05 – 0,09 m3 bioplynu
• slepičí trus při vlhkosti 85 % se rovná přibližně 0,05 – 0,09 m3 bioplynu.
V důsledku toho,
• výtěžnost bioplynu z 550 kilogramů statkových hnojiv bude rovna 22 – 27,5 m3 bioplynu
• výtěžnost bioplynu z 90 kilogramů prasečí kejdy bude rovna 4,5 – 8,1 m3 bioplynu
• výtěžnost bioplynu z 10 kilogramů slepičího hnoje bude rovna 0,5 – 0,9 m3 bioplynu,
• a celkový výkon bioplynu bude 27 – 36,5 m3 bioplynu za den.
Rovnováha mezi potřebou energie a výdejem bioplynu
Potřeba energie pro každou jednotlivou domácnost se určuje na základě součtu všech současných a budoucích situací spotřeby, jako je vaření, světlo a výroba energie. Dále je nutné počítat se spotřebou bioplynu na ohřev surovin v reaktoru, která se v podmínkách Kyrgyzstánu pohybuje od 10 % do 25 % v závislosti na roční době.
Množství bioplynu, které farma potřebuje, lze určit podle množství dříve spotřebované energie. Například spálení 1 kg dřeva je stejné jako spálení 650 litrů nebo 0,65 m3 bioplynu, spálení 1 kilogramu hnoje je 0,7 m3 bioplynu a 1 kg uhlí je 1,1 m3 bioplynu.
Potřebný objem bioplynu pro vaření lze určit na základě času stráveného denně vařením. Potřebné množství bioplynu na přípravu jedné porce jídla pro jednu osobu je 0,15 – 0,3 m3 bioplynu. Na uvaření 1 litru vody je potřeba 0,03 – 0,05 m3 bioplynu. K vytopení 1 m2 obytné plochy je potřeba cca 0,2 m3 bioplynu denně. Hořáky pro domácnost spotřebují 0,20 – 0,45 m3 za hodinu.
Příklad 9: 4členná rodina bydlí v domě o ploše 100 m3, chová 20 krav na ploše 100 m3 a zpracovává hnůj v bioplynové stanici o objemu reaktoru 15 m3.
Vaření jídla třikrát denně pro čtyřčlennou rodinu si vyžádá 4 až 1,8 m3,6 bioplynu a vytopení místnosti o ploše 3 m100 asi 2 m20 bioplynu za den. Vytápění reaktoru (např. v září) vyžaduje 3 % vyrobeného bioplynu. K ohřevu reaktoru zařízení o objemu 15 m15 bude potřeba denně vynaložit cca 3 m6 bioplynu.
Pro udržení 1 krávy potřebujete asi 3 litry převařené vody denně, pro udržení 20 krav je tedy potřeba převařit 60 litrů vody, což spotřebuje 1,8 – 3 m3 bioplynu denně. Vytápění prostor nutných pro zvířata o celkové ploše 100 m2 vyžaduje 20 m3 za den.
Pro chov zvířat je tedy potřeba 21,8 – 23 m3 bioplynu denně. Celá farma vyžaduje 49,6 – 52,6 m3 bioplynu denně.
Výběr velikosti plynové nádrže
Velikost plynojemu, tedy jeho objem, závisí na úrovni výroby a spotřeby bioplynu. V ideálním případě by měl být zásobník plynu navržen tak, aby pojal denní objem vyrobeného bioplynu. V závislosti na typu plynojemu a tlaku, který vydrží, se objem plynojemu pohybuje od 1/5 do 1/3 objemu reaktoru.
Výběr místa instalace Zlatým pravidlem pro umístění bioplynové stanice je, že zařízení patří farmě, nikoli kuchyni. Je lepší, když je nádoba na míchání surovin přímo napojena na podlahu farmy. I když musíte položit několik metrů potrubí, je to levnější než doprava surovin.
Úroveň podlahy farmy by měla být umístěna nad úrovní nádoby na přípravu surovin, do této nádoby pak bude zvířecí hnůj a moč padat pod vlivem gravitačních sil samostatně. Pokud je vykládací jednotka bioplynové stanice umístěna nad úrovní blízkých polí, usnadní to distribuci biohnojiv po těchto polích.
Výběr návrhu bioplynové stanice
V současné době bylo vyvinuto mnoho návrhů bioplynových stanic, které jsou vhodné pro provoz v různých klimatických a sociokulturních podmínkách. Výběr návrhu bioplynové stanice je kritickým krokem v procesu plánování.
Před výběrem designu musíte porozumět základním problémům a možnostem, které jsou pro bioplynovou stanici možné.
V oblastech s relativně chladným klimatem, jako je Kyrgyzstán, je pro celoroční provoz elektrárny důležitá izolace a vytápění reaktoru. Množství a druh zpracovávaných surovin ovlivňuje velikost a typ instalace a provedení systémů nakládání a vykládání surovin. Volba provedení instalace závisí také na dostupnosti stavebních materiálů.
Kritéria pro výběr designu:
Místo: určuje, zda bude reaktor stavěn převážně pod zemí nebo nad zemí a v případě nadzemní konstrukce vertikální nebo horizontální.
Stávající zařízení lze použít pro skladování biohnojiv, například prázdných jímek nebo kovových nádob. Pro minimalizaci nákladů je třeba při plánování zohlednit dostupnost hotových částí závodu.
Minimalizace nákladů může být důležitým kritériem pro výběr designu, zejména pokud bude peněžní zisk z instalace malý. V takových případech se obvykle volí flexibilní plynová nádrž. Nižší náklady ale obvykle znamenají méně vyrobeného bioplynu.
Dostupnost surovin určuje nejen velikost a tvar nádoby pro míchání surovin, ale také objem reaktoru, topných a míchacích zařízení. Míchání s bioplynem je možné při obsahu pevných látek pod 5 %. Mechanické míchání naráží na potíže, když surovina obsahuje více než 10 % pevných látek.
Kategorie Kategorie
- Novinky . Novinky (14)
- Vzdělání . Tréninky (2)
- Články . články (1)
- Země . Země (3)
- Nastavení. Bioplynové stanice (37)
Ukazuje se tedy, že reálně lze z 1 kg WWS vymáčknout 0,3-0,5 kubíku bioplynu.
Nyní se na to vše podívejme na příkladu. Řekněme, že na vaší farmě stojí 5 krav ve stáji. Jejich hnůj spolu s močí se shromažďuje v samostatném příkopu. Vlhkost této směsi hnoje a moči je obvykle asi 85 %. Denní produkce hnoje bez moči na jednu krávu dosahuje 35 kg. Vlhkost hnoje bez moči se obvykle pohybuje kolem 70 %. Hustota hnoje bez moči je asi 950 kg/m3. Obsah popela v sušině kravského hnoje se pohybuje od 2 do 20 % v závislosti na způsobu sběru hnoje. To znamená, že vše závisí na tom, kolik nečistot písku a kamenů se dostane do hnoje. V tomto případě by obsah popela neměl být vyšší než 5 %. Vlhkost a obsah popela jsou vybírány ze statistických dat a hustotu lze měřit nezávisle pomocí „Archimedovy metody“ pomocí pružinové stupnice a kbelíku.
Od 5 krav za den se nasbírá 35 * 5 = 175 kg hnoje. Tento hnůj bude obsahovat 175*(100-70)/100=52,5 kg sušiny. Tato sušina bude obsahovat 52,5*(100-5)/100=49,875 kg organické sušiny. Ze statisticky získané hodnoty měrné výtěžnosti bioplynu z kravského hnoje 0,4 m3/kg získáme denní výtěžnost bioplynu 49,875*0,4=19,95 m3. Je třeba vysvětlit, proč získáváme denní výtěžnost z měrného výtěžku bioplynu z 1 kg WWS za celý fermentační cyklus. Faktem je, že bioplynové stanice téměř vždy pracují v nepřetržitém cyklu. To znamená, že se do nich každý den přidává denní dávka substrátu a vzniklý přebytečný kal se odčerpá. Vypustí se o něco méně kalu, než se nasype substrát, protože část obsahu reaktoru vyšla ven ve formě bioplynu. Objem reaktoru je zvolen tak, aby pracovní prostor reaktoru pojal počet denních dávek substrátu vynásobený délkou cyklu ve dnech. Ukazuje se, že průměrná doba zdržení substrátu v reaktoru je jeden cyklus. Reaktor si můžete představit jako dopravník, jehož délka odpovídá objemu pracovní plochy reaktoru. Denní dávka je jeden předmět na dopravním pásu. Dopravník má délku odpovídající počtu předmětů rovnající se délce cyklu ve dnech. Dopravník se posune o jednu dávku denně. Ukazuje se, že rychlost zpracování je 1 dávka za den, ale vzhledem k délce dopravníku je tato dávka na něm po celou dobu cyklu.
Během celého cyklu by se mělo uvolnit tolik bioplynu, kolik je suroviny uvnitř reaktoru. Například doporučená délka fermentačního cyklu kravského hnoje v mezofilním režimu je 16 dní. To znamená, že uvnitř reaktoru je vždy 16 denních objemů substrátu. Za 16 dní by se z reaktoru mělo uvolnit 16x více bioplynu než z jedné denní dávky substrátu. Ale za jeden den se uvolní 16/16 = 1 dávka bioplynu, jako z denní dávky substrátu po celou dobu cyklu.
Nyní se podívejme, jak přesně jsme vypočítali denní produkci bioplynu. Pokud se podíváte na světově nashromážděné statistiky o měrné výtěžnosti bioplynu z kejdy skotu, bude se výtěžnost pohybovat v rozmezí 0,1-0,8 m3/kg WWS. To znamená, že výtěžek bioplynu může kolísat od 5 do 40 m3. Jen podotýkám, že moje zkušenost mi ukazuje na hodnotu 5 m3.
Existuje ještě jedna statistika, pomocí které můžeme zkontrolovat naše výpočty. Na velkých bioplynových stanicích byly shromažďovány statistiky měrného denního výtěžku bioplynu ve vztahu k objemu reaktoru. Typicky pro kravský hnůj je to 0,8-0,9 m3 bioplynu na 1 m3 celkového objemu reaktoru za den.
Vypočítejme objem reaktoru pro náš příklad. Denně máme ekvivalent 175 kg hnoje s vlhkostí 70 %. Přidáním vody získáme substrát s vlhkostí 90 % (pro malou bioplynovou stanici bude kvůli vysoké viskozitě obtížné provozovat substrát s nižší vlhkostí). Dostaneme tedy 175*(100-70)/(100-90)=525 kg substrátu za den. To znamená, že jsme přidali 525-175=350 kg (nebo l) vody. Objem původního hnoje byl 175/950=0,184 m3, neboli 184 litrů. To znamená, že celkový objem denní porce substrátu je 184 + 350 = 534 litrů. Objem pracovní části reaktoru by měl být 534 * 16 = 8544 l, neboli 8,544 m3. Typicky je objem vyrovnávací nádrže reaktorového plynu 20 % jeho celkového objemu, respektive objem pracovní plochy reaktoru je 80 % jeho objemu. Pak by měl být celkový objem reaktoru 8,544/80*100=10,68 m3.
Výkon bioplynu z takového reaktoru pracujícího na kravský trus by se měl pohybovat v rozmezí 8,5 – 9,6 m3. To znamená, že koeficient 0,4 m3/kg WWS, který jsme původně brali pro výpočty, je dvakrát vyšší. Nelze říci, že je to nesprávné, takový případ je docela možný, ale většinou se tak nestane.
Když shrnu všechny výpočty uvedené v této kapitole týkající se výroby bioplynu, mohu poradit pouze jedno: „Buďte pesimisté! Dokud nebudete mít experimentálně nastudovanou konkrétní surovinu, na jejíž zpracování se chystáte bioplynovou stanici postavit, berte pro výpočty spodní hranici ze statistických tabulek.
5.2. Termální energie.
Bioplynová stanice tepelnou energii přímo nevyrábí, ale spotřebovává. Teplota nejběžnějšího režimu provozu bioplynových stanic – mezofilního – je 37-380C, což je více než průměrná denní teplota v evropských zeměpisných šířkách a i špičkové denní teploty bývají pod touto hodnotou. Mezi chemickými reakcemi, které probíhají uvnitř bioplynové stanice, jsou jak exotermické, tak endotermické. Ale celková tepelná bilance reakcí spolu s výměnou tepla s prostředím v našich zeměpisných šířkách se ukazuje jako negativní. Proto je v našich zeměpisných šířkách vždy nutné ohřívat substrát v reaktoru bioplynové stanice.
Bioplyn, který se uvolňuje v důsledku anaerobní fermentace, však obsahuje ve svém složení přibližně 2/3 metanu. Úplně první aplikací pro bioplyn je proto spalování za účelem výroby tepelné energie. Toto spalování probíhá v klasických plynových kotlích nebo hořácích, které slouží ke spalování zemního plynu nebo propan-butanu. Jak však bylo řečeno v první kapitole, pro optimální spalování bioplynu je žádoucí regulovat složení směsi plyn-vzduch, pokud je tvorba takové směsi před spalováním zajištěna konstrukcí hořáku. Pokud jsou však hořáky konstruovány jak pro zemní plyn, tak pro propan-butan, znamená to, že takové nastavení je možné nebo není nutné, protože zemní plyn a propan-butan také vyžadují odlišné dávkování vzduchu.
Výhřevnost bioplynu může být vyjádřena v kaloriích nebo joulech. Ale myslím, že pro běžného člověka bude srozumitelnější srovnávat bioplyn z hlediska výhřevnosti se zemním plynem. V obou případech metan obsažený v těchto plynech hoří. To znamená, že energie uvolněná při spalování těchto plynů je úměrná množství metanu, který obsahují. Zemní plyn obsahuje 92–98 % metanu a bioplyn – 55–75 %. Vezměme průměrné hodnoty – 95% a 65%. Poměr metanu v těchto plynech je 65/95 = 0,68. To jsou asi dvě třetiny. To znamená, že k provedení stejné tepelné práce (vytopení místnosti, vaření jídla) je potřeba bioplynu jedenapůlkrát více než zemního plynu.
Účinnost plynových kotlů bývá 90-95%. Při provozu plynového kotle na bioplyn může být účinnost nižší z důvodu nepřesného nastavení směsi plynu a vzduchu.
Dalším způsobem výroby tepla je kogenerace. Kogenerátory jsou zařízení pro souběžnou výrobu několika druhů energie, obvykle elektrické a tepelné, z bioplynu (nejen). Existují pístové a plynové kogenerátory. V prvním případě pracuje klasický spalovací motor se zážehovým zapalováním, jehož palivem je bioplyn. Někdy to může být dieselový motor běžící na směs motorové nafty a bioplynu. Tepelná energie je z takového kogenerátoru odebírána ve formě horké vody o teplotě cca 750C, která cirkuluje přes výměník tepla kogenerátoru a ohřívá se zde. A výměník tepla zase může být ohříván chladicí kapalinou, která ochlazuje plášť motoru, olej z klikové skříně a výfukové plyny. Tepelná účinnost může dosáhnout 35-40%. To není špatné, vezmeme-li v úvahu elektrickou účinnost 30-33%.
V druhém případě běží plynová turbína na bioplyn. Tepelná energie je také odebírána ve formě horké vody cirkulující přes výměník tepla.
Využití tepla generovaného z bioplynu tedy závisí na typu ohřívané pracovní tekutiny. Horká voda je vedena k cirkulaci různými potrubími a radiátory.
Horké produkty spalování bioplynu se používají k přímému ohřevu nádob s vodou, potravinami, topnými plochami atd. Jednoduše řečeno, využití bioplynu k výrobě tepelné energie se zásadně neliší od využití zemního plynu nebo zkapalněného propan-butanu pro stejné účely.
5.3. Elektřina.
Nejrozšířenějším způsobem získávání elektrické energie z bioplynu je použití plynových pístových generátorů na bázi spalovacích motorů. V tomto případě je palivem pro takový motor bioplyn. Na výstupní hřídel takového motoru je připojen elektrický generátor. Nejčastěji se jedná o alternátor. Ve většině případů a pro generátory s výkony od 10 kW a výše – bez výjimky vyrábí tento generátor třífázový střídavý proud o frekvenci a napětí, které jsou standardně akceptovány v zemi, kde se tento generátor používá. Takže např. pro evropské země vč. a zemí bývalého SSSR je to 50 Hz 400 V. Proč 400 V a ne 380 V? Protože je obvykle takový generátor připojen k obecné elektrické síti, musí být napětí na výstupu generátoru o něco vyšší (v klidovém režimu) než napětí v této síti, aby proud tekl z generátoru do sítě a ne zpět.
