Vítězný studentský projekt: energetická bilance bioplynové stanice

Na konci června proběhlo finále soutěže vysokoškolských odborných prací Cena Nadace ČEZ 2016. V kategorii Klasická elektroenergetika a tepelně energetická zařízení zvítězil Jiří Janša z VŠB TU Ostrava. Požádali jsme ho, aby o své práci Model energetické bilance zemědělské bioplynové stanice napsal pro čtenáře Třípólu. (Popis bioplynové stanice Třípól uveřejnil nedávno zde: ...............)

Problematika bioplynových stanic mne zaujala, už když jsem o nich slyšel poprvé. Tato zařízení přeměňují chemickou energii obsaženou v biomase na elektrickou a tepelnou energii. V České republice jich je dnes asi 500 a jejich celkový instalovaný výkon činí 358 MW.

Cíl práce

Všechny bioplynové stanice (BPS) jsou kombinovaným zdrojem tepelné a elektrické energie. Díky dotační politice ČR v oblasti podpory rozvoje bioplynových stanic však většina našich stanic využívá tepelnou energii pouze v omezené míře, a to především pro vlastní spotřebu (ohřev fermentorů apod.), resp. 10 % pro vytápění. To bylo i podmínkou pro získání dotace. V současnosti se hledají další možnosti zvyšování účinnosti a jednou z nich by mohlo být zvýšení poměru využití tepla.

Abychom zjistili, kolik tepla můžeme dále využít, je nejdříve třeba dobře znát vlastní spotřebu tepla BPS. Mým cílem bylo vytvořit komplexní model energetických toků bioplynové stanice, který vychází z množství vstupní suroviny pro výrobu bioplynu. Navržený model simuluje varianty bioplynové elektrárny od velikosti fermentačních nádrží přes počet plynových kogeneračních jednotek až po využití přebytečného tepla pro vytápění obytných objektů, sušení zemědělských komodit, využití technologie ORC apod. (Pozn: ORC je organický Rankinův cyklus, elektrárenský kondenzační cyklus, který namísto vody, resp. vodní páry používá jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin, jež jsou svými termodynamickými vlastnostmi vhodné k použití v tepelném oběhu.)

Měření elektrických veličin

Nejdříve jsem porovnal bioplynové stanice s ostatními obnovitelnými zdroji elektrické energie, hlavně s větrnými a fotovoltaickými elektrárnami. Zaměřil jsem se na elektrickou část, jejíž parametry jsem mohl sledovat a měřit na skutečné fungující bioplynce. Do hlavního rozvaděče jsem umístil analyzátor elektrických sítí (obr. 1) a sledoval napětí, proud, výkony (činný, jalový, zdánlivý účiník atd.). Bioplynová stanice si vedla velmi dobře, jelikož se jedná o stabilní zdroj nezávislý na počasí a nezpůsobující v elektrické síti žádné problémy typu harmonických frekvencí vyšších řádů.

Měření tepelných parametrů

Poté jsem se zaměřil na část tepelnou. Znovu proběhlo měření, tentokrát za pomoci příložného ultrazvukového průtokoměru a termočlánku (obr. 2). Změřil jsem a vyhodnotil jednotlivé toky tepelné energie mezi jednotlivými částmi bioplynové stanice: pro vytápění fermentorů (jde o veliké nádrže, v nichž se zředěná a rozmělněná organická masa promíchává a zahřívá, přičemž probíhají rozkladné procesy a současně se produkuje bioplyn; musí se stabilně udržovat taková provozní teplota fermentorů, která je optimální pro mikroorganismy produkující bioplyn), pro úpravu bioplynu atd. Měřil jsem také energii vypouštěnou do okolí přes chladiče.

Vytvoření modelu

Provozovatel bioplynové stanice neměl tušení, jaký podíl energie sám spotřebovává, ani kolik se vypouští do okolí. To mě přivedlo k myšlence vytvořit model (obr. 3), který by toto rozložení energie vypočítával.

Model bioplynové stanice funguje na základě zadání ročního množství jednotlivých vstupních surovin. Suroviny mají přiřazenou výtěžnost bioplynu z tuny vstupního materiálu. Jako vstupní podklady sloužily katalogy výrobců a dodavatelů technologií bioplynových stanic. Model poté ze zadaného množství vypočítá v MWh energii dodanou palivem za jeden rok. Z ní se určí přibližný příkon bioplynové stanice.

Dalším krokem je volba jednotlivých kogeneračních jednotek spalujících bioplyn od nejčastějších dodavatelů, tj. od TEDOM, Schnell, Jenbacher apod. Po výběru podle elektrického výkonu se zobrazí další parametry, a to tepelný výkon, elektrická, tepelná a celková účinnost a především potřebný příkon v palivu.

Podle parametrů jednotlivých kogeneračních jednotek následuje výpočet vyrobené elektrické energie, tepelné energie, vlastní spotřeby elektrické energie i tepla, množství využitelné elektrické energie (dodávka do sítě) a využitelného tepla. Tato roční energie pak určuje přibližný výkon bioplynové stanice. Model se dále věnuje zhodnocení, jak by se dalo využít zatím nevyužité teplo z kogeneračních jednotek, které se vypouští do okolního prostředí. Jeho využití samozřejmě celkovou účinnost bioplynové stanice dále zvyšuje.

Výsledky

Měřením na konkrétní BPS a aplikací vytvořeného modelu jsem zjistil toky energií a především množství nevyužívaného tepla. Zkoumaná BPS využívala pouze 21 % z celkového možného množství tepelné energie. To znamená, že obrovský podíl tepelné energie se bez užitku vypouští do okolí, v daném případě až 9 277 MWh za rok. Pokud jsou na tom ostatní BPS podobně, pak při počtu 500 BPS v ČR a při instalovaném celkovém výkonu 392,25 MW představuje nevyužitá tepelná energie ročně až 272 GWh. Její využití by mohlo snížit spotřebu fosilních paliv a zmírnit negativní důsledky na životní prostředí, které spalování fosilních paliv provází.

Praktické využití

Práce, které se věnuji pod vedením prof. Hradílka jako práci disertační již čtyři roky, slouží nejen pro určení podrobné energetické bilance již realizovaných bioplynových elektráren, ale i jako vstupní informace pro připravované nové projekty. Zejména se věnuje možnostem řešení hlavního problému bioplynových elektráren, kterým je neúplné využívání tepla z kogeneračních jednotek.