Návštěva na BPS Utzenaich

Na biometanové stanici (BMS) v rakouské obci Utzenaich, zpracovávající ve vysokém podílu pokročilá biopaliva, se konal 20. 9. polní den s ukázkou technologie sklizně kukuřičné slámy, jejím využitím v provozní BMS a ukázkou technologie pro využití pokročilých biopaliv.

Biometan a vhodné substráty

Úvodem je vhodné uvést základní informace smysluplnosti využití pokročilých biopaliv pro produkci OZE včetně biometanu, představující změnu ve srovnání s provozem BPS v režimu kogenerace a produkce elektrické energie s dodávkou do rozvodné sítě.

Výroba biometanu podle nařízení RED III hraje významnou roli v cílech EU pro dekarbonizaci a přechod na obnovitelné zdroje energie. Směrnice o obnovitelných zdrojích energie (RED III), která je součástí tzv. GreenDealu pro Evropu, posiluje závazek EU zvyšovat podíl obnovitelné energie ve všech sektorech, včetně podpory biometanu jako udržitelné alternativy k fosilním palivům. Hlavním zaměřením RED III je využívání odpadů a zbytků pro výrobu biometanu, což je v souladu s širšími cíli EU pro cirkulární ekonomiku.

 

Směrnice podporuje využívání

Zemědělských zbytků: Kukuřičná sláma, pšeničná sláma a další zemědělské vedlejší produkty jsou preferovanými surovinami, protože nekonkurují s potravinovou produkcí.

Organického odpadu: Potravinový odpad, průmyslový odpad a komunální organický odpad jsou také důležitými zdroji pro výrobu biometanu, což přináší jak výrobu energie, tak řešení pro nakládání s odpady.

Hnoje a kejdy, podporovány jako surovina pro biometan, protože nejen poskytuje obnovitelnou energii, ale také pomáhá snižovat emise metanu při jejich skladování

Používání surovin z odpadů má v porovnání s cíleně pěstovanou biomasou mnoho výhod:

Snižuje konkurenci ve využívání zemědělské půdy.

Minimalizuje environmentální dopady.

Poskytuje vyšší úspory emisí skleníkových plynů, požadovaná minimální úspora je 70 %.

Přispívá k nakládání s odpady tím, že transformuje organický odpad na energii.

Zpracování slámy a jiných pokročilých biopaliv v BPS, BMS

Zemědělci jakožto provozovatelé BMS mají k dispozici odpady z vlastní produkce, a to jak z ŽV tak RV. Využití kejdy je bezproblémové a přináší řadu benefitů. Slamnatý hnůj vyžaduje zejména ve vysokých dávkách úpravu technologie či předúpravu samotného hnoje. Tyto úpravy jsou potřeba rovněž při využití slámy, aby se docílilo její požadované produkce metanu a zamezilo se výskytu provozních problémů při dávkování, míchání a čerpání fermentátu. S využitím surové slámy nebylo při návrhu v současnosti provozovaných BPS plánováno, v řadě případů došlo historicky k omezení využití slamnatého hnoje, kdy použité technologie BPS nebyly schopny hnůj zpracovat nebo pouze v omezeném množství. Sláma je primárně složena z celulózy, hemicelulózy a ligninu, které tvoří velmi odolnou strukturu, jež brání snadné mikrobiální degradaci (obr. 1).

Proto je předúprava nezbytná pro zlepšení biologické rozložitelnosti slámy a zvýšení výtěžnosti metanu během anaerobní digesce.

Metody předúpravy slámy

Z použitelných metod se zaměříme na nejrozšířenější mechanickou, tepelnou a enzymatickou předúpravu.

Mechanická předúprava

Mechanické metody zahrnují rozbíjení slámy na menší částice řezáním, mletím nebo drcením. To zvyšuje povrchovou plochu, která je dostupná pro mikrobiální působení během digesce.

Techniky:

Mletí: Sláma je rozemleta na jemné částice pomocí mlýnů, což fyzicky zmenšuje velikost částic a zlepšuje přístupnost pro mikroorganismy.

Sekání a drcení: Jednodušší metody, jako je sekání nebo drcení, jsou méně energeticky náročné než mletí, ale stále zlepšují stravitelnost.

Výhody:

Zvyšuje povrchovou plochu, což umožňuje mikroorganismům snadnější průnik do biomasy. Může být kombinována s dalšími metodami předúpravy pro vyšší účinnost.

Tepelná předúprava

Tepelné metody používají teplo k oslabení struktury slámy, čímž dochází k rozkladu ligninu a hemicelulózy a zvyšuje se přístupnost celulózy.

Techniky:

Parní exploze (Steam explosion): Sláma je ošetřena parou pod vysokým tlakem, která je poté rychle uvolněna. Náhlá dekomprese způsobí prasknutí materiálu a rozbití lignocelulózové struktury. Obdobného efektu lze dosáhnout peletizací slámy, kdy dojde při vysokém tlaku ke krátkodobému vývinu páry. V praxi jsou již tyto metody vyzkoušeny a jsou vhodné zejména při primárním využití pelet v ŽV jako podestýlky, kdy je produkovaný hnůj zpracován v BPS.

Horká vodní lázeň: Sláma je namočena v horké vodě (obvykle při teplotách mezi 120 °C a 200 °C) za účelem změkčení ligninu a hemicelulózy.

Výhody:

Efektivně rozkládá lignin a umožňuje mikrobiální trávení celulózy a hemi-

celulózy. Parní exploze je široce používána, protože kombinuje mechanické narušení s tepelným působením.

Omezení:

Energeticky náročné, což může ovlivnit celkovou energetickou bilanci výroby.

Procesy s vysokou teplotou vyžadují speciální zařízení.

Enzymatická předúprava

Enzymatická předúprava zahrnuje přidání enzymů do fermentoru, které specificky cílí na celulózu a hemicelulózu obsaženou ve fermentátu, rozkládají je na jednodušší cukry, které mikroby snadněji přeměňují na metan. Při aplikaci enzymů se doporučuje zvýšit teplotu ve fermentoru pro zvýšení enzymatické aktivity.

Techniky:

Celulázy: Rozkládají celulózu na glukózu, která je snadno stravitelná anaerobními bakteriemi.

Hemicelulázy: Rozkládají hemicelulózu na cukry, jako je xylóza a arabinóza.

Pektinázy: Použití pro GPS siláže.

Výhody:

Efektivní rozklad složitých sacharidů bez nutnosti použití agresivních chemikálií nebo vysokých teplot. Lze přizpůsobit pro cílení na konkrétní složky (např. hemicelulóza nebo celulóza, pektin).

Okamžitá dostupnost enzymů bez potřeby změny technologie.

Omezení:

Enzymy často potřebují být kombinovány s jinými metodami předúpravy (např. mechanické nebo tepelné) pro maximální účinnost.

Úpravu substrátů je vhodné doplnit změnami procesních podmínek stanice, zejména využitím termofilního teplotního režimu, dlouhé doby zdržení substrátů ve fermentoru a precizní práci obsluhy a biologického dozoru. Některá výše uvedená opatření vyžadují investici a stavební úpravy pro zajištění dostatečné kapacity stanice, jiná vyžadují zkušenost a odbornost při řízení procesu, v dlouhodobém horizontu a při očekávaných změnách podmínek podpory jsou ovšem nevyhnutelná.

Provozní zkušenosti využití kukuřičné slámy na BMS Utzenaich

Akce měla za cíl prezentovat produktovou řadu společnosti zaměřující se na zpracování pokročilých biopaliv v BPS a BMS s praktickou ukázkou sklizně a zpracování kukuřičné slámy. Ve výrobním areálu firmy BioG je provozována BMS sloužící jako ověřovací a pilotní zařízení, stanice byla původně realizována jako zemědělská BPS technologie kruh v kruhu. S měnícími se podmínkami provozní podpory BPS v Rakousku byl upraven provoz na technologii pro produkci biometanu s vysokým podílem pokročilých biopaliv.

Celkový podíl pokročilých biopaliv (v tabulce zvýrazněno zeleně) je v tomto případě 68 %, což značně převyšuje aktuální požadavky pro získání provozní podpory pro produkci biometanu. Pro optimální využití substrátů je ve fermentorech udržován termofilní teplotní režim, čímž je docílen vysoký stupeň jejich rozkladu. Úprava technologie se týkala rekonstrukce dávkovacího zařízení, resp. jeho doplnění o drtič (obr. 2), čerpadla a dávkovací zařízení pro „mokré“ krmení upravených substrátů (obr. 3). Další úpravy na technologii nebyly potřeba. Specifikum pro zpracování slámy je rovněž její sběr a skladování. Po sklizni kukuřičného zrna je sláma zpracována pomocí mulčovače (BioChipperu), který slámu nadrtí a připraví na řádek pro odvoz sběracím vozem (obr. 4). Následně je sláma naskladněna do silážní jámy a zakonzervována spolu s dalšími substráty (obr. 5).

Praktikovaný systém produkce pokročilých biopaliv je v souladu s legislativními nařízeními ohledně zamezení kolize produkce biopaliv a potravin na zemědělské půdě. Je zároveň jednou ze snadno dostupných cest pro jejich produkci v rámci zemědělské prvovýroby, bez nutnosti jejich nákupu, což poskytuje provozovateli BMS větší podnikatelskou jistotu. Akce měla vysokou účast návštěvníků z ČR, řada z nich se bude brzy rozhodovat, jak provozovat BPS po skončení podporované výroby elektřiny. Na BMS Utzenaich viděli v provozních podmínkách možnosti dalšího fungování BPS, potažmo BMS.

Produkce metanu slámy, slaměných pelet

Jak bylo výše uvedeno, sláma je komplexní materiál se složitou strukturou. Všechny způsoby úpravy slámy mají za cíl tuto strukturu rozbít a zvýšit stravitelnost slámy ve fermentačním procesu. V podmínkách ČR a řadě evropských zemí jsou zkušenosti s využitím slámy při produkci bioplynu. Níže jsou výsledky experimentálního ověření pomocí fermentačních testů řezané slámy a slaměných pelet:

Pro porovnání je v tabulce uvedena standardní produkce kukuřičné siláže. Uvedená vysoká produkce slámy ve srovnání se siláží kukuřice má dva hlavní důvody, prvním je vysoký obsah sušiny slámy a druhým je její úprava, která má zcela zásadní význam. Upravit slámu za účelem zvýšení její stravitelnosti je jako rozlousknout oříšek jinak ukrytý pod tvrdou skořápkou. Patří se však zmínit rovněž existující úskalí tohoto systému. Jsou to zejména energetická náročnost a nízká produkce metanu vztažená na produkční plochu. Zvýšená energetická náročnost není při produkci překážkou, cena biometanu zvýšené náklady kompenzuje. Nižší plošné výnosy nejsou natolik limitující vzhledem k požadovanému zastoupení pokročilých biopaliv v substrátové skladbě BMS, kdy tyto mohou být doplněny cíleně pěstovanou biomasou či meziplodinami. Téma využití pokročilých biopaliv ze zemědělské produkce je aktuální pro rozvoj biometanu, ale rovněž pro další fungování BPS s produkcí elektřiny, jak vyžadují platné systémy podpor těchto oborů.

Provozní zkušenosti navíc ukazují možnosti jejich reálného využití na funkčních zařízeních s vysokou intenzitou výroby. Přestavba stávajících zařízení za účelem úpravy a následného využití slámy nepředstavuje výrazný technologický zásah do stávajícího zařízení. Rekonstrukcí BPS lze tyto přestavět na BMS, která budou ve vysokém podílu zpracovávat pokročilá biopaliva. Již dnes řada BPS a BMS splňuje podmínku pro poskytnutí investiční a provozní dotace. V případě, že zůstanou v platnosti nastavené cíle podílu OZE a zejména biometanu, čeká tento obor v následujících letech silný rozvoj. Biometan tak může v řadě případů být nástupcem elektřiny na zemědělských BPS, splňujících podmínky příjmu dotace, a zároveň nejsou omezeny připojením do plynové sítě.

Segment energetiky zažívá v posledních letech překotný vývoj, nárůst OZE a celková změna složení tzv. energetického mixu nabírá na intenzitě. Očekávaný rozvoj biometanu je příležitostí pro další fungování zemědělských bioplynových stanic.