Biomasa

Momentálne na Zemi žije približne 6,3 miliardy ľudí, tento počet sa každoročne zvyšuje asi o 80 miliónov obyvateľov. S rastúcim počtom obyvateľov a súbežným hospodárskym rastom krajín rastie aj ich závislosť na energiách. Z toho dôvodu sa dopyt po energii stáva celosvetovým strategickým problémom. Zvyšuje sa svetová priemerná spotreba všetkých druhov fosílnych palív, čo len prehlbuje problém klimatických zmien.

Biomasa sa už od stredoveku využíva ako zdroj tepelnej a svetelnej energie. Dnes však máme technológie, ktoré nám umožňujú z biomasy získavať aj elektrickú energiu prípadne biomasu premieňať na materiály s vysokou energetickou hustotou a čistotou, ktoré je možné nielen ľahko transportovať, ale využívať ich aj ako pohonné hmoty, pričom môžeme v dosť výraznej miere odľahčiť naše životné prostredie od škodlivých vplyvov. V najbližšej dobe sa dá na Slovensku predpokladať zvýšený záujem práve o biomasu, keďže jej nevyužitý technický potenciál spomedzi ostatných zdrojov obnoviteľnej energie je najväčší a ignorovať ho by bolo plytvaním.

Na Slovensku, tak ako aj v ostatných krajinách Európskej únie, obnoviteľné zdroje energií prežívajú svoju renesanciu, pretože Európska únia si stanovila veľmi ambiciózne ciele vo využívaní obnoviteľných zdrojov. Na Slovensku je už pomerne veľa zrealizovaných projektov vodných elektrární, ale ostatné druhy obnoviteľných zdrojov energie sú často krát len vo fáze pilotných projektov, preto je potrebné venovať tejto problematike dostatočnú pozornosť.

Definícia biomasa

Definícia pojmu biomasa podľa smernice európskeho parlamentu a rady č. 2003/30/ES: „biomasa“ znamená biologicky rozložiteľné frakcie výrobkov, odpadu a zvyškov z poľnohospodárstva (vrátane rastlinných a živočíšnych látok), lesníctva a príbuzných odvetví, ako aj biologicky rozložiteľné frakcie priemyselného a komunálneho odpadu. [1]

Len efektívne spracovanie biomasy z nej robí alternatívny zdroj energie. Biomasa sa považuje za obnoviteľný zdroj energie, pretože na regeneráciu využitých zásob je potrebná pomerne krátka doba. V prípade rastlinnej biomasy je dôležité, že sa uhlík vracia späť do prírodného kolobehu prostredníctvom fotosyntézy, takže záťaž prostredia skleníkovými plynmi je veľmi malá. Dominantným zdrojom bioenergie je v súčasnosti pevná biomasa a tento trend by sa nemal v  tomto desaťročí v Európe zmeniť, pretože prudko rastie trh s drobným lisovaným drevným odpadom, tzv. peletami, ktoré sa používajú v individuálnych systémoch vykurovania, ale aj vo veľkých systémoch kombinovanej výroby tepla a elektriny. Výhodou peliet je ich vysoká energetická hustota, štandardizovaná kvalita, jednoduchá doprava a využiteľnosť v automatizovaných vykurovacích systémoch.

Z biomasy je možné vyrábať teplo, elektrinu, kombinovane teplo aj elektrinu a rôzne plynné a tekuté palivá pre dopravu.

Vznik biomasy

Rastliny na svoj rast využívajú oxid uhličitý z atmosféry a vodu zo zeme, ktoré vďaka fotosyntéze pretvárajú na uhľovodíky – stavebné články biomasy. Slnečná energia, ktorá je hybnou silou fotosyntézy, je v skutočnosti uskladnená v chemických väzbách tohto organického materiálu. Pri spaľovaní biomasy tak opätovne získavame energiu uskladnenú v chemických väzbách. Kyslík zo vzduchu sa spája s uhlíkom v rastline, pričom vzniká oxid uhličitý a voda. Tento proces je cyklicky uzatvorený, pretože vznikajúci oxid uhličitý je vstupnou látkou pre novú biomasu.

Chemický priebeh fotosyntézy možno zapísať sumárnou rovnicou:

6CO2 +   12H2O   +   2830 kJ   +   chlorofyl → (CH2O)6 +   6H2O   +   6O2

oxid uhličitý  +      voda          +      energia          +         chlorofyl      →      glukóza          +        voda         +      kyslík

(získavaná zo slnka)

Primárna forma biomasy je forma vzniknutá fotosyntézou, preto možno považovať energiu získanú z biomasy za uskladnenú energiu slnka.

Obr.9: Kolobeh CO2 v prírode. Zdroj: Berkley national laboratory

Zdroje biomasy

Drevospracujúci priemysel je hlavným zdrojom biomasy. Samozrejme, že za energeticky využiteľnú biomasu sa považuje iba odpad, ktorý pri týchto činnostiach vzniká. Ten však tvorí nezanedbateľný potenciál. Ide napríklad o tenčinu a hrubinu z porastov, pne a korene, štiepky, piliny, hobliny atď. Zdrojom dreva sú v iných krajinách často tzv. energetické lesy. Tie by sa mohli stať výdatným zdrojom aj na Slovensku, ide špeciálne rýchlorastúce nenáročné dreviny s rúbnou dobou 3 – 5 rokov. Na Slovensku bolo možné do roku 2005 založiť až 25 000 ha energetických lesov. [26]

Druhým významným zdrojom biomasy je živočíšna výroba. Na Slovensku by bolo možné získavať bioplyn predovšetkým zo živočíšnej produkcie. V SR je chovaných asi 1 mil. ks dobytka, 2 mil. ks ošípaných a 12 mil. ks hydiny. Hnoj, ktorý pri tejto produkcii vzniká, je problémom, pretože znečistením ohrozuje vody a ak je bez odplynenia používaný ako hnojivo (čo sa deje v absolútnej väčšine prípadov), uvoľňuje sa z neho metán, ktorý voľne uniká do atmosféry a posilňuje skleníkový efekt. Ak by bolo 10 mil. ton hnoja, ktoré sú vyprodukované len pri chove dobytka využitých v energetike, bolo by možné z neho získať až 277 mil. m3 bioplynu ročne. V praxi by bolo možné z tohto bioplynu získať 1,95 TWh elektrickej energie. V praxi by však bolo realistické očakávať využitie maximálne 6,9 PJ, čo by pokrylo napríklad spotrebu elektriny v 300 000 domácnostiach a teplom zásobovať 60 000 domácností. [27]

Ďalšou možnosťou získania biomasy je využitie komunálneho a poľnohospodárskeho odpadu. Ročne je na Slovensku vyprodukovaných asi 1,5 milióna ton komunálneho odpadu, z toho asi 400 000 ton tvorí organický odpad, ktorý je možné využiť na výrobu bioplynu. Bioplyn predstavuje potenciál 0,3 TWh elektrickej energie (10 % ročnej spotreby v slovenských domácnostiach) a 0,6 TWh tepelnej energie (ročná spotreba tepla pre asi 30 000 domácností). Slama je bežným vedľajším produktom v poľnohospodárstve, u nás je zatiaľ chápaná tiež ako odpad. Na Slovensku máme asi 900 000 ha pôdy, na ktorých sa pestujú obilniny. Ročne by z nich bolo možné získať cca 2 milióny ton prebytočnej slamy. Z tohto množstva biomasy by bolo možné získať 2,8 TWh elektrickej energie, čo predstavuje asi 6 % ročnej spotreby a 4,8 TWh tepelnej energie (pokrytie ročnej spotreby v 300 000 domácnostiach). [27]

Obr.10: Zjednodušená schéma konverzie rôznych typov biomasy na energiu. Zdroj: [22]

Na rozdiel od iných druhov zdrojov energie existujú pri biomase aj účelovo vytvárané zdroje. Jedná sa o tzv. energetické porasty (rastliny). Energetické rastliny môžme rozdeliť do dvoch skupín – rýchlorastúce dreviny a úžitkové plodiny.

Tabuľka č. 2: Rýchlorastúce plodiny a ich ročná výnosnosť suchej biomasy [12]

Viacročné

Rastliny Výnos (t/ha)
Kríďlatka 37,5
Utusea 43
Topolovka 13,4
Jednoročné
Rastliny Výnos (t/ha)
Cirok cukrový 9,83
Cirok zrnový 14,77
Hyso 19,33
Konope 12,05

Ako energetická rastlina sa môže využívať aj konope, ale to býva často problematické pre podozrenie zo zneužitia týchto rastlín na výrobu omamných látok. Toto podozrenie však nie je pri technických odrodách konope opodstatnené, pretože tieto druhy sú pre výrobu omamných látok v podstate nepoužiteľné. Zatiaľ čo na spomínané účely sa využíva konope indické, v priemysle ide o druh konope siate, ktoré je na Slovensku tradičnou rastlinou.

Energetické rastliny sa pestujú na monokultúrnych plantážach. Je potenciálne možné pestovať ich všade tam, kde došlo k znehodnoteniu poľnohospodárskej pôdy tam, kde dochádza k ústupu poľnohospodárstva a zmenšuje sa plocha obhospodarovaných pôd alebo tam kde by nebolo vhodné pôdy využívať na pestovanie potravín, ako napríklad pri cestách alebo inak ekologicky zaťažovaných územiach. V Energetickej koncepcii pre Slovensko sa odhaduje, že už v roku 2005 bolo možné využiť 25 000 ha takejto  pôdy. [26] Z ekonomických a ekologických dôvodov sa uvažuje o zalesnení a zatrávnení 400 000 ha poľnohospodárskej pôdy, kotrá by mohla byť efektívne využitá na pestovanie energetických rastlín. Energetický potenciál tejto pôdy v prípade, že by sa na nej vysadili napríklad rýchlorastúce dreviny, by bol 100 PJ (1/7 ročnej spotreby energie na Slovensku). [28]

Energetický potenciál biomasy

Z rôznorodosti surovín vyplývajú aj ich rozdielne energetické hodnoty. Pri skúmaní ich energetickej hodnoty zohráva veľkú úlohu aj ich vlhkosť. Energetickú hodnotu dobre  vysušenej biomasy  môžeme porovnať s energetickou hodnotou hnedého  uhlia.

Obr.11: Porovnanie palív na báze biomasy (pri vlhkosti do 10 %) a vybraných fosílnych palív Zdroj: SEA

Pri porovnávaní biomasy s uhlím sa nesmie zabudnúť na jej chemické zloženie. K výhodám biomasy patrí, že má  oveľa nižší obsah síry a zabezpečuje znižovanie emisií CO2. Rastliny absorbujú pri svojom raste CO2 z atmosféry a pri horení  uniká do ovzdušia len toľko, koľko rastlina v minulosti spotrebovala.

Tabuľka č. 3: Energetický potenciál biomasy a produktov, ktoré je možné získať z biomasy. Zdroj: [24]

Pevné palivá
Palivo MJ/kg kW/kg
Drevo – Dub 14,1 3,9
Drevo – Smrek 13,8 3,8
Slama 14,3 4
Obilie 14,2 3,9
Repkový olej 37,1 10,3
Kvapalné palivá
Palivo MJ/kg kW/kg
Bioolej 17,5 5,1
Biometanol 19,5 5,4
Plynné palivá
Palivo MJ/kg kWh/m
Bioplyn – skládkový 16 4,4
Bioplyn z hnojnice 22 6,1
Drevo plyn 5 1,4
Vodík 10,8 3

Biomasa je dobrou náhradou za fosílne palivá, napríklad drevo aj slama majú porovnateľnú výhrevnosť ako hnedé uhlie, ktoré je u nás najdôležitejším primárnym zdrojom energie. Bioplyn dosahuje asi 70 % energetického obsahu zemného plynu.

Tabuľka č. 4: Využiteľný potenciál dendromasy na energetické využitie v SR. Zdroj: [24]

Zložka stromovej dendromasy, sortiment Ročné množstvo,

[ t ]

Energetický ekvivalent,

[ PJ ]

Kôra 360 000 3,4
Tenčina, nezužitkovaná hrubina 375 000 3,5
Pne a korene 25 000 0,2
Palivové drevo 485 000 4,6
Prestarnuté porasty 300 000 2,9
Manipulačné odpady 120 000 1,1
Odpady z prerezávok 15 000 0,1
Odpady po mechanickom spracovaní dreva v organizáciách LH 130 000 1,1
Spolu 1 810 000 16,9

Tabuľka č. 5: Celkový energetický potenciál poľnohospodárskej biomasy. Zdroj: [24]

Druh biomasy

Možná ročná

produkcia na

energetické účely

v [ t ]

Energetický ekvivalent

TWh PJ

Slama obilná 729 000 2,8 10,4
Kukurica 668 000 2,61 9,4
Slnečnica 220 000 0,81 2,8
Repka 206 000 0,82 2,9
Drevný odpad 208 000 0,9 3,1
Biomasa vhodná na výrobu tepla 2 031 000 7,94 28,6
Bionafta 100 000 3,0 11,0
Bioplyn 277 mil. m3 1,95 6,9
Spolu 12,89 46,5

Využitie biomasy

Perspektívnym spôsobom využitia biomasy sa dnes zdá byť jej splyňovanie. Zvlášť efektívne a praktické sú kogeneračné jednotky a trigeneračné jednotky, ktoré vyrábajú nielen teplo (a chlad u trigeneračných jednotiek), ale aj elektrickú energiu. Pri tomto procese sa v splyňovacom zariadení premieňa biomasa na plyn, ktorý sa následne spaľuje. Proces je efektívnejší a nemá niektoré nedostatky ako priame pálenie biomasy. Zaujímavá je tiež výroba bioplynu z organických zvyškov. Každá organická hmota po odumretí začne hniť. Ak sa tento proces odohráva bez prístupu vzduchu, môžeme hovoriť o anaeróbnom vyhnívaní a produktom je bioplyn, ktorý sa využíva v energetike a živiny ktoré je zasa možné použiť v poľnohospodárstve. Na výrobu pohonných hmôt resp. palív sa používajú rastliny bohaté na olej alebo na cukor. Vo svete sa používa napríklad cukrová trstina, u nás je to už tradične repka olejná.

Na Slovensku je využitie biomasy perspektívne najmä preto, že vo väčšine prípadov sa jedná o využitie hmoty, ktorá by inak bola iba bezcenným odpadom, za ktorého likvidáciu treba platiť. Slama, ktorá hnije na poliach, spaľuje sa, alebo sa vyváža do Rakúska, hnoj, ktorý sa používa na hnojenie bez toho, že by bol predtým využitý jeho energetický potenciál v podobe bioplynu, nevyužitý odpad v drevospracujúcom priemysle, hektáre znehodnotenej poľnohospodárskej pôdy, kde by mohli rásť energetické rastliny – to všetko predstavuje veľký potenciál čistého lokálneho a ekonomického zdroja energie. Teda zdroja, ktorý prispieva k znečisťovaniu ovzdušia a globálnemu otepľovaniu len v minimálnej miere a za ktorého dovoz netreba platiť, ako za dovoz uhlia a plynu.

Obr.12: Využitie a potenciál biomasy v porovnaní s ostatnými OZE. Zdroj: Koncepcia využitia OZE, vláda SR, 2003

Technológia spracovania biomasy

Historicky najstaršie metódy spracovania

Najstarším známym spôsobom spracovania je spaľovanie a kompostovanie biomasy. Spaľovanie je najjednoduchšou metódou pre termickú premenu obnoviteľných aj fosílnych palív za dostatočného prísunu kyslíka na tepelnú energiu. Táto technológia je dokonale spracovaná. Získaná tepelná energia sa následne využije na kúrenie, technologické procesy alebo na výrobu elektrickej energie.

Spaľovanie biomasy väčšinou nevyžaduje predbežnú špeciálnu úpravu paliva. Je prijateľná aj vyššia vlhkosť suroviny. Vzhľadom k charakteru biomasy a jej premennému zloženiu je nutné venovať pozornosť podmienkam spaľovania a čisteniu vystupujúcich spalín, kde je nevyhnutné kontrolovať predovšetkým emisie oxidu uhoľnatého a tuhých látok. Na spaľovanie biomasy sa v súčasnosti používa spaľovanie na rošte, alebo spaľovanie vo fluidnej vrstve. Rozšírenejším spôsobom je momentálne spaľovanie na rošte, kvôli nižšej cenovej náročnosti spaľovacích kotlov. [13]

Kompostovanie je aeróbny proces premeny organických materiálov vplyvom bakteriálnej aktivity na kompost. [14]

Mechanické spracovanie biomasy a jej využitie

Výroba štiepok

Štiepky sú  2 – 4 cm dlhé kúsky dreva, ktoré sa vyrábajú štiepkovaním z drevných odpadov. Výhodou štiepok je, že rýchlejšie schnú, než kusové drevo a tiež umožňujú automatickú prevádzku kotlov. Problémom je zabezpečenie paliva s optimálnou vlhkosťou v zimných mesiacoch.

Výroba brikiet

Briketa je zlisované teleso zväčša valcovitého tvaru s dĺžkou asi 15 – 25 cm vyrobené z odpadovej biomasy.

Výroba:

Vyrábajú sa lisovaním materiálu na tvarovacích lisoch. Vstupný materiál je pod vysokým tlakom pretláčaný cez kruhové otvory oceľovej matrice, pričom sa zahrieva na teplotu okolo 100 °C. Celulóza, ktorá sa nachádza v dreve vplyvom teploty mäkne a stáva sa lepivou. To umožní lisovať drevené piliny, alebo jemnú štiepku do tvaru brikety bez pridávania akýchkoľvek prísad. Po vychladnutí sú brikety pevné a zachovávajú si svoj tvar.

Použitie:

Brikety sa používajú ako náhrada fosílnych palív v kotloch, domácich pieckach a krboch. V porovnaní s drevom alebo drevnou štiepkou majú vyššiu hustotu a teda nižší objem, čo zjednodušuje transport. Nevýhodou je, že ich nie je možné používať v kotolniach s automatickou prevádzkou.

Vlastnosti:

Výhrevnosť – 15 až 19  MJ/kg

Popolnatosť menej ako 1 %

Obsah vody menej ako 10 %

Výroba peliet

Peleta je obyčajne malý zlisovaný kúsok ľubovoľnej hmoty valcovitého tvaru. Drevené pelety sa vyrábajú lisovaním drevných pilín ako vedľajší produkt pri spracovaní dreva. Vyznačujú sa extrémnou hustotou a nízkym obsahom vody. Používajú sa ako kvalitné ekologické palivo.

Výroba:

Pelety sa vyrábajú obdobným spôsobom, ako brikety. Vstupný materiál je pod vysokým tlakom pretláčaný cez malé kruhové otvory oceľovej matrice, pričom sa zahrieva na teplotu okolo 100 °C. Celulóza, ktorá sa nachádza v dreve vplyvom teploty mäkne a stáva sa lepivou, čo umožňuje zlisovať drevené piliny do tvaru pelety bez pridávania akýchkoľvek prísad. Vyrábajú sa aj alternatívne pelety, tzv. Agropelety. Sú vyrábané z prebytkov poľnohospodárskej produkcie ako je slama, seno, odpady vznikajúce pri čistení obilia, olejnín a strukovín. Oproti dreveným peletám majú vyšší obsah popola (5%). Agropelety sú významným zdrojom obnoviteľnej energie a predstavujú značný potenciál pre ekonomický rozvoj vidieka. [15]

Použitie:

Pelety sa používajú ako náhrada fosílnych palív v kotloch a domácich pieckach. Keďže sú sypké, môžu sa používať v kotolniach s automatickou prevádzkou. Pomocou dopravníka je možné presne a plynule regulovať prísun paliva a tým regulovať tepelný výkon kotla. Vykurovanie týmto palivom je momentálne značne rozšírené v škandinávskych krajinách, ale veľký rozmach vykurovania peletami je významný v celej EÚ.

Vlastnosti:

Výhrevnosť – 15 až 21  MJ/kg

Popolnatosť menej ako 1 % (agropelety 5 %)

Obsah vody menej ako 10 %

Chemické spracovanie biomasy a jej využitie

Pyrolýza

Pyrolýza je fyzikálno-chemický dej zo skupiny termických procesov. Termické procesy sú také procesy, pri ktorých pôsobí na spracovávaný materiál teplota presahujúca medzu chemickej stability. Táto definícia zahŕňa rozmedzie teplôt od 300 do 2 000 °C. V tomto rozsahu teplôt môžu prebiehať procesy oxidačné (spaľovanie), alebo reduktývne  procesy (pyrolýza a splyňovanie), ktoré sa od oxidačných líšia tým, že v reakčnom priestore je prakticky nulový obsah kyslíka.

Pyrolýzou je myslený termický rozklad organických materiálov bez prítomnosti kyslíka. Podstatou pyrolýzy je ohrev materiálu nad hranicu termickej stability prítomných organických zlúčenín, čo vedie k rozkladu až na stále nízko molekulárne produkty a tuhý zbytok.  Z technického hľadiska je možné pyrolýzu rozdeliť podľa teploty, na ktorú je materiál zahrievaný:

1.         nízko teplotný (do  500 °C),

2.         stredne teplotný (500 – 800 °C),

3.         vysoko teplotný (nad 800 °C).

Rozmedzie teplôt od 500 do 1200 °C je tzv. pásmom torby plynu, v ktorom z pevného uhlíka aj z kvapalných organických látok vznikajú stabilné plyny, ako je H2, CO, CO2 a CH4. Väčšina pyrolytických staníc prevádzkovaných v súčasnej dobe je založená na termickom rozklade odpadu v rotačných peciach vykurovaných spalinami z pyrolýznych plynov. Zbytok energie zo spalín sa využíva v kotloch na výrobu pary alebo teplej úžitkovej vody. Modernejšie prístupy však uvažujú s využitím pyrolytického plynu ako suroviny na pohon motorov alebo kogeneračných jednotiek.

Donedávna skeptický pohľad na využitie pyrolytických produktov sa v posledných rokoch podstatne mení, čo môže byť spôsobené aj vývojom nových technológii v tejto oblasti ako je napríklad rýchla pyrolýza. Primárnym výsledkom spracovania biomasy rýchlou pyrolýzou je kvapalina – bioolej, ktorý je možné ľahko uskladňovať a prepravovať. Je tmavohnedej farby s hustotou až 1,2 kg/dm3, výhrevnosťou 16-19 kJ/kg. Proces rýchlej pyrolýzy je intenzívne zdokonaľovaný vývojom množstva inštitúcií. Výsledný produkt – bioolej je v dnešnej dobe možné využívať vo veľkoobjemových pomalobežných dieslových motoroch. [16]

Splyňovanie

Splyňovanie je proces, ktorý premieňa organické materiály na horľavé plyny.

Splyňovanie ako proces bol využívaný už od 19. storočia na splyňovanie uhlia. V dnešnej dobe sa splyňovanie uhlia využíva najmä v moderných uhoľných elektrárňach, ktorých výhodou je najmä ich ekologickosť.

Na splyňovanie biomasy sú v súčasnej dobe používané dva základné spôsoby:

•          splyňovanie v kotloch s pevným roštom

•          splyňovanie vo fluidných kotloch

Prvá metóda je jednoduchšia a menej investične náročná, ale vzhľadom na nižšiu efektivitu prevádzky je používaná len na malé tepelné výkony. Splyňovanie prebieha pri nižších teplotách (okolo 500 °C) a za atmosférického tlaku.

Pri použití fluidných generátorov splyňovanie prebieha pri teplotách 850 až 950 °C. Súbežne prebieha vývoj v dvoch základných smeroch:

•          splyňovanie pri atmosférickom tlaku

•          splyňovanie v tlakových generátoroch pri tlaku 1,5 až 2,5 MPa.

Oba spôsoby majú svoje výhody aj nevýhody. Tlakové splyňovanie biomasy vychádzalo bezprostredne z technológie splyňovania uhlia, kde bolo z technologických dôvodov možné používať len tlakové generátory. Avšak jednotky na splyňovanie biomasy sú všeobecne výkonovo menšie, preto sa do popredia dostávajú systémy so splyňovaním pri atmosférickom tlaku. Tlakové generátory sa v komerčnej prevádzke požívajú pri výkonoch väčších ako 60 MWe.

Výhrevnosť vyrobeného plynu sa pohybuje v rozmedzí 4 až 6 MJ/m3, pričom je tento plyn bez väčších úprav použiteľný na spaľovanie v klasických kotlových horákoch. Po očistení aj v spaľovacích komorách turbín a upravených spaľovacích motoroch. [17]

Biologické spracovanie biomasy – výroba bioplynu

Anaeróbne vyhnívanie označuje kontrolovanú bakteriálnu premenu organických látok bez prístupu vzduchu za vzniku bioplynu a digestátu (digestát je tuhá časť po anaeróbnom vyhnívaní, využíva sa zväčša ako hnojivo). Bakteriálna produkcia metánu sa vyskytuje v prirodzených anaeróbnych prostrediach, ktoré vznikajú v sedimentoch, mokradinách, ryžových poliach a podobne. Baktérie produkujúce metán patria do unikátnej skupiny, o ktorej panuje názor, že sa vytvorila dávno pred vznikom kyslíkovej atmosféry na Zemi.

Technologická aplikácia

Pri interpretovaní viacfázového modelu anaeróbnej konverzie organických substrátov do reálnych technológií je nutné si uvedomiť, že acidogénne a metanogénne baktérie majú nie len rozdielne nutričné požiadavky, ale aj rozdielnu kinetiku rastu, odlišné požiadavky na pH, teplotu a odlišnú úroveň redoxného potenciálu prostredia. Metanogénne baktérie v porovnaní s acidogénnymi vyžadujú striktne anaeróbne prostredie, ich rast a množenie je pomalšie a požadované optimálne pH 7-7,5 je vyššie ako acidogénne (6‑6,5). Rovnako aj odolnosť voči náhlym zmenám je odlišná.

Preto bola vyvinutá technológia s dvojstupňovou anaeróbnou fermentácio umožňujúcou lepšiu reguláciu, rýchlejšie naštartovanie procesu, väčšiu efektivitu a stabilitu fermentácie. Na oddelenie fázy je použitá kinetická separácia s využitím rozdielnej rýchlosti rastu acidogénnych a metanogénnych baktérií. Použiteľná je tiež membránová separácia, pomocou ktorej sa oddeľujú nízkomolekulárne medziprodukty z acidogénnej fázy do metanogénnej fázy.

Viacstupňová technológia anaeróbneho vyhnívania si vyžaduje aj vyššie investičné náklady a je náročnejšia na reguláciu, ale dokáže zabezpečiť omnoho lepšiu stabilitu procesu. Preťaženie bioreaktora vzniká pri nadmernom pridávaní substrátu do bioreaktora. Známe je najmä pri anaeróbnej fermentácii, čo má za príčinu zníženie produkcie bioplynu.

Metanogenéza je proces enzymatickej anaeróbnej premeny organických látok na metán a oxid uhličitý.  [18]

Bioplyn

Bioplyn je plyn produkovaný v priebehu anaeróbneho vyhnívania a skladá sa najmä z metánu (CH4) a oxidu uhličitého (CO2)

Bioplyn je produkovaný hlavne v:

•          Prirodzenom prostredí, ako sú mokradiny a sedimenty v tráviacom ústrojenstve živočíchov.

•          V poľnohospodárskom prostredí ako sú ryžové polia, skládky hnojovice, ktoré sú jedným z najväčších zdrojov kontaminácie prostredia organickými odpadmi. V prípade využitia celého odhadovaného potenciálu hnojovice hospodárskych zvierat na Slovensku by produkcia bioplynu predstavovala 85,2 mil. m3 ročne. Pri priemernej koncentrácii metánu 62,5 % je energetický ekvivalent uvedeného množstva 1 900 TJ ročne. [23]

•          V odpadovom hospodárstve na skládkach odpadov (kde sa často nazýva aj skládkový plyn), v čističkách odpadových vôd (ČOV) a v bioplynových staniciach.

•          Ako obzvlášť perspektívny spôsob získavania bioplynu sa javí byť anaeróbne vyhnívanie morskej biomasy v prímorských krajinách a využitie rias a baktérií v biologických slnečných energetických systémoch. [19]

Bioplyn z bioplynových staníc, ČOV a niektorých skládok je používaný na výrobu:

•          tepla

•          tepla a elektriny (kogenerácia) – toto je najčastejší prípad,

•          tepla, elektriny a chladu (tri generácia) – tri generácia je zatiaľ u nás využívaná len výnimočne

Tabuľka č. 7: Zloženie bioplynu [20]

Názov plynu Podiel [%]
Metán 40-75 %
Oxid uhličitý 25-55 %
Vodná para 0-10 %
Dusík 0-5 %
Kyslík 0-2 %
Vodík 0-1 %
Amoniak 0-1 %
Sírovodík 0-1 %

Energeticky hodnotný je v bioplyne metán a vodík. Problematickými sú sírovodík a amoniak, ktoré je často nutné pred energetickým využitím bioplynu odstrániť, aby nepôsobili agresívne na strojné zariadenie.

Kogeneračné využitie bioplynu

Rovnako ako pri iných zdrojoch je možné pri spracovaní bioplynu použiť kogeneráciu. Pri špičkových kogeneračných staniciach sa dá dosiahnuť účinnosť premeny energie až 95 %. Asi 1/3 vyprodukovanej energie býva využitá na vlastnú spotrebu bioplynovej stanice.

Vo väčšine bioplynových staníc sa používajú na kogeneráciu naftové motory. Bioplyn sa nečistí a preto sa k nemu musí pridávať 5 až 10 % nafty kvôli chladeniu a mazaniu. Práve vďaka kogenerácii je možné pri bioplynových staniciach dosiahnuť ekonomickú rentabilitu.

Najväčšia kogeneračná stanica v Európe využívajúca bioplyn je v prevádzke vo Veľkom Karlove pri Znojme.




Zoznam bibliografických odkazov
[1] Smernica 2001/77/ES Európskeho parlamentu a rady, [online] Publikované 27.01.2001, Dostupné z http://aprox.government.gov.sk/iap/regtrans.nsf/b58c0b72ad9dc5e1c1256a31003a4dfa/dde51ec5b37d6655c1256c4d0049fb7f/$FILE/32001L0077,TM.doc
[2] Renewable energy … into the mainstream, [online] Publikované 01.10.2002,
Dostupné z http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2003/Renew_main.pdf
[3] Renewables global status report  2006 Update, [online] Publikované 2006, Dostupné z http://www.ren21.net/globalstatusreport/download/RE_GSR_2006_Update.pdf
[4] Key World Energy Statistics 2006, [online] Publikované 11.09.2006, Dostupné z
http://www.iea.org/dbtw-wpd/Textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf
[5] The Global carbn cycle, [online] Publikované 18.08.2004, Dostupné z
http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/images2/sea-carbon-cycle.jpg
[6] Čo je biomasa, [online] Publikované 12.03.2007, Dostupné z
http://www.ozeport.sk/zdroje/biomasa.html
[7] Ing. Igor Iliaš „Obnoviteľné zdroje energie v EÚ a na Slovensku“ Enviromagazín č. 4,   s. 3-4, 2005
[8] Nordberg,A., Jarvis,A., a.i. “Enhanced degradation of grass – clover silage in a two-phase biogas process by initiating liquid recirculation.” Repport 64, s. 3-25, 1996
[9] Výhody obnoviteľných zdrojov energie, [online] Publikované 12.03.2007, Dostupné z
http://ozeport.sk/faq/faq.htm#extnakl
[10] Podiel energetických technológií na produkcii emisií CO2 (g/kWh). Podľa analýz Suter, Frischknecht 1996, IEA 1998 a Alsema, Nieuwlar 2000 (prevzaté a upravené z: Alsema, Nieuwlaar, 2000), [online] Publikované 12.03.2007, Dostupné z
http://www.ozeport.sk/cisla/cisla.htm
[11] Prehľad externých nákladov výroby elektrickej energie pri použití rôznych palív, [online] Publikované 26.02.2007, Dostupné z http://www.externe.info
[12] Pastorek Z., Kára J., Jevič P. „BIOMASA – obnoviteľný zdroj energie“, 286s, FCC PUBLIC s.r.o. 2004, ISBN 80-86534–06-5
[13] Spalování, [online] Publikované 26.2.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Spalování
[14] Kompostování, [online] Publikované 26.2.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Kompostování
[15] Peleta, [online] Publikované 26.10.2006, Dostupné z
http://sk.wikipedia.org/wiki/Peleta#V.C3.BDroba
[16] Rychlá pyrolýza, [online] Publikované 26.02.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Rychlá pyrolýza
[17] Zplyňování, [online] Publikované 26.02.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Zplyňování
[18] Anaerobní digesce, [online] Publikované 26.02.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Anaerobní_digesce
[19] Doc. Ing. Štefan Marko CSc a i. “Nekonvenčné zdroje a premeny elektrickej energie” I vydanie, 131s, Edičné stredisko SVŠT 1990, ISBN 80-227-0298-6
[20] Bioplyn, [online] Publikované 14.04.2007, Dostupné z
http://cs.wikipedia.org/wiki/Bioplyn
[21] Výnos Úradu pre reguláciu sieťových odvetví z 21. júna 2006 č. 2/2006, [online] Publikované 21.07.2006, Dostupné z
http://www.urso.gov.sk/phpLegislativa/doc/vynos_02-2006_sk.pdf
[22] Medzinárodné fórum o biomase, [online] Publikované 14.04.2007, Dostupné z
http://www.peterbaco.com/modules.php?name=News&file=article&sid=102
[23] Ján Gaduš, Jozef Pružinský, “Demonštračné zariadenie využitia bioplynu v Nitre”, ISBN: 1801-2655, [online] Publikované 17.12.2002, Dostupné z
http://biom.cz/index.shtml?x=113349
[24] Uznesenie vlády Slovenskej republiky č. 1149, [online] Publikované 01.12.2004, Dostupné z http://www.agroporadenstvo.sk/oze/legislativa/uznesenie.htm?start
[25] Účinnosť konečnej spotreby energie a energetické služby,
[online] Publikované 07.06.2005, Dostupné z http://www.europarl.europa.eu/sides/getDoc.do?pubRef=-//EP//TEXT+TA+20050607+ITEMS+DOC+XML+V0//SK
[26] ENERGETIKA – elektrická energia, teplárenstvo, plynárenství, [online] Publikované 07.06.2005, Dostupné z http://www.sazp.sk/slovak/periodika/sprava/kraje/trencin/Energet.htm
[27] Biomasa, [online] Publikované 02.07.1999, Dostupné z
http://www.fns.uniba.sk/zp/fond/1999/biomasa/biomasa.htm
[28] Zdroje biomasy, [online] Publikované 2004, Dostupné z
http://www.ekoskola.sk/energia_bio_zdroje.htm
[29] Situácia na Slovensku, [online] Publikované 2004, Dostupné z
http://www.ekoskola.sk/energia_bio_situacia.htm
[30] Energetika a jej vplyv na životné prostredie v Slovenskej republike k roku 2005, [online] Publikované 2006, Dostupné z
http://enviroportal.sk/pdf/sektor/Energetika_sektor.pdf