logo VÚTPHP
Centrum výskumu rastlinnej výroby Piešťany - Výskumný ústav trávnych porastov a horského poľnohospodárstva
Mládežnícka 36
974 21 Banská Bystrica
e-mail: rogoznikova@vutphp.sk
 
 


Biologické metódy spracovania biomasy - anaeróbna fermentácia v "modeli Güssing"

Ciele Spoločnej poľnohospodárskej politiky EÚ (CAP) predvídajú možnosti akcelerácie následných ekologických problémov spôsobených zaťažením zložiek životného prostredia a podporujú zámery subjektov pri anaeróbnej stabilizácii, nakoľko ide o ekologicky prijateľnú technológiu. K podkladom pre posudzovanie vplyvov na životné prostredie patria aj celkové emisie.

Podľa vyhlášky MŽP SR č. 338/2009 Z.z. sme v zozname znečisťujúcich látok a zdrojov znečisťovania ovzdušia, ako poľnohospodárska výroba, zatriedení medzi stredné zdroje znečisťovania, najmä vďaka metánu (chem. CH4). Vzhľadom k tomu, že intenzívne absorbuje infračervené žiarenie, patrí medzi skleníkové plyny zvyšujúce teplotu našej atmosféry. Rýchly nárast koncentrácie CH4 sa v porovnaní s oxidom uhličitým prejavil len nedávno. Vzniká hlavne pri biologickom rozklade organických látok. Aby spĺňalo toto anaeróbne vyhnívanie kvalitatívne požiadavky biologických metód, musel by byť tento proces kontrolovaný s využitím výstupných produktov: bioplyn, tepelná energia, tuhé hnojivo (digestát), či tekutý extrakt (fugát).

Dobrým príkladom z praxe, by nám mohla poslúžiť dlhodobá stratégia v neďalekom rakúskom Burgenlande získaním popredného umiestnenia fermentačným využitím biomasy ako jestvujúcich, regionálnych a obnoviteľných nosičov energie (NAWARO: narastajúce suroviny ako napr. tráva, ďatelina, kukurica, slnečnica, rýchlorastúce dreviny). Už po druhýkrát v Spolkovej republike Rakúsko získalo v kategórii do 1500 obyvateľov prvé miesto s finančným ocenením MŽP Rakúska viac ako 18.000 € malé trhové mestečko Strem. Jedno z 10 obcí modelu Güssing Európskeho centra pre obnoviteľné energie (EEE - Europäisches Zentrum für erneuerbare Energie), bolo ocenené na národnej úrovni Rakúska ako "Obec roka 2009˝ projektom ochrany klímy (Obr.1). Využitím energie fermentáciou z biomasy a diaľkovým teplovodným potrubím ústredného kúrenia Ökoenergie Strem GmbH pokryli svoju energetickú potrebu v obci. Zároveň sa stali ďalšou vedeckou a demonštračnou bioenergetickou stanicou v produkcii bioplynu z trávnych porastov.

Obr.1: Grafické znázornenie emisií CO2 z mesta Güssing od roku 1995 do 2007 (zdroj: EEE - Güssing. Spracoval: Pollák Š.)

Na základe premeny poľnohospodárstva z primárnej produkcie tvorby krmovinovej základne zredukovaním chovu dobytka, v okolí Stremu sa cca 250 ha poľnohospodárskej plochy premenilo na dočasné a prisievané trávne porasty s produkciou vstupnej biomasy. Z 1 ha uvádzajú 20-25 t trávnej úrody, čo sa vykupuje v priemere 440-600 €/ha za rok. Zber je zabezpečený klasickými technikami, ako sú zberacie sečkovice. Vykupujú aj kukuričnú a trávnu hmotu, ktorú privážajú do stanice už mechanicky zušľachtenú (posekanú), avšak zvýšená finančná náročnosť na výkup kukurice ich odrádza (za 1 t kukurice 24-34 € s DPH). Alternatívou je ďatelina, tráva a rôzne miešanky, s ktorými sa v súčasnosti už robí výskum na zelený rez (za 1 t trávy, či ďateliny 22 € s DPH) s optimalizáciou technológie a zaťaženia reaktora. Hmota nesmie byť drevnatá, musí byť v zelenom stave (cca 70% vlhkosť). Proces je štvorstupňový, nakoľko ide o štyri rôzne druhy baktérií, ktoré sú na seba náväzné a navzájom od seba závislé. Fytomasa sa skladuje anaeróbne(bez prístupu kyslíka) 9 mesiacov v 4 silážnych, kyselinám odolných ložiskách (dĺžka 75m, šírka 15 a výška 2m), s hmotnosťou substrátu 10 000 t. Silážne ložiská majú naklonené dná, silážne kyseliny zachytávajú do odtokov, kontinuálne ich prečerpávajú do fermentora na obohatenie procesu. V letnom období spracovávajú čerstvú posekanú trávnu hmotu aj bez skladovania, čo im umožňuje takto prijať materiál z 2 až 3 kosieb. Dôležitý je prísun substrátu do denného kontajnera, od ktorého už je systém automatizovaný kontinuálne cez dopravník s dávkovacou závitovou špirálou a integrovanou váhou. V hlavnom fermentore (čiastočne pod povrchom zeme osadená betónová okrúhla nádrž s dostatočnou tepelnou izoláciou a integrovaným systémom ohrievania) s objemom 1500 m3 nastáva homogenizácia v optimálnych podmienkach. Metanogénny proces podporujú bakteriálnymi kmeňmi s účinnosťou v oblasti termofilna - substrát a baktérie sa zmiešavajú pri teplote 49°C, ale výskum potvrdil aj vyššiu toleranciu. Proces prebieha 30 dní, počas ktorých sa každý deň časť materiálu presúva do druhého fermentora a nová dávka siláže sa dopĺňa do hlavného fermentora. Druhý fermentor má rovnaký objem 1500 m3 a zdržnú dobu tiež 30 dní, súčasťou tohto fermentora je však aj dvojitá membrána, tzv. plynová čiapka s objemom 600 m3, ako medzisklad vyprodukovaného plynu (11-12 hodín). Stav produkcie plynu sa pozoruje pomocou plaváka, plyn obsahuje cca 55% metánu, 44% oxidu uhličitého, malý obsah vodíka, dusíka, sírovodíka, kyslíka a 200 ppm amoniaku. Energeticky hodnotný v bioplyne je CH4 a H2. Bioplyn je odsávaný k úprave, zbavuje sa škodlivín spôsobujúcich koróziu (NH3 a H2S), ktoré nesmú prekročiť medze prípustnosti použiteľnosti pre kogeneračné jednotky. Bioplyn sa využíva na výrobu tepla a elektriny (kogenerácia) v samostatne stojacom objekte s 2 kogeneračnými jednotkami typu Jenbacher JMC 312 GS-B.LC. Elektrárničku (Bioheizkraftwerk BHKW) tvorí plynový motor s napojeným elektrickým generátorom, ktorý premieňa energiu obsiahnutú v bioplyne na energiu elektrickú a tepelnú(cena 1 motora je 300 000 € s výkonom 535 kW-elektrický, 600 kW-termický, stupeň účinnosti je 38%). Keď motor spracováva plyn na elektrickú energiu 4-5 hodín, vyrobí také množstvo energie, aké je potrebné v jednej domácnosti/cca 1 rok. Vykvasený substrát z druhého fermentora je uskladňovaný 4-6 mesiacov v tzv. lagúne s objemom 2000 m3 (objem nádrže musí kapacitne postačovať k uskladneniu na čas, kým sa fugát cyklicky prečerpáva do fermentora a kým digestát nie je možné (povolené) vyvážať na poľnohospodársku pôdu (Nitrátová smernica 676/1991 EHS). Ponornými miešadlami homogenizovaný substrát sa vyváža cisternami či na povrch novonaplnených silážnych ložísk, kde plní účel biologického povrchového krytu, či ako hodnotné a nezapáchajúce hnojivo s obsahom vápnika, fosforu priamo na poľnohospodárske plochy.

Zisk z elektrickej energie sa využíva na nákup surovín. S poľnohospodármi z okolia (do 10 km) uzatvárajú zmluvné dohody na 3 až 10 rokov, čím sa zaviažu, že stanicu budú zásobovať podľa vopred dohodnutým sortimentom surovín a cyklus finančnej hotovosti ostane v regióne. Tým vytvorili dostatočný zdroj surovín s minimálnymi nákladmi na úpravu, či transport. Stanica je plne automatizovaná, pričom sa môže do procesu pomocou riadiacej jednotky kedykoľvek vstúpiť. Biostanica začala pracovať s ročným rozsahom 8000 hodín (2004), v roku 2009 dosiahli 8650 prevádzkových hodín. V súčasnosti je v Rakúsku cca 120 takýchto staníc v prevádzke, ktoré výrazne prispievajú k zníženiu obsahu emisií. Klimatické pomery zemskej atmosféry sú z pozorovania počas ľudského života relatívne stabilné. V časovej osi uplynulých 10 tisíc rokov priemerná teplota sa menila v rozsahu menej ako 1oC za storočie, no v predošlom storočí sme podľa IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)zaznamenali nárast o 0,4-0,8oC, a posledné tri desaťročia (od roku 1983) sme zaznamenali 12 najteplejších rokov storočia. Nekontrolovanými výstupmi fermentácie zvyšujeme obsah emisií, kontrolovanými získavame alternatívne zdroje energie.

Biotechnológia anaeróbneho spracovania biomasy je v zhode s agroenvironmentálnymi opatreniami, je výhodnejšia ako priame spaľovanie biomasy, patrí medzi najperspektívnejšie metódy získavania čistých zdrojov energie. Ekonomickou výhodou je využitie trávnych porastov ako vstupnej biomasy, jej lokálne spracovanie, tvorba energie, efektívnejšie hospodárenie v poľnohospodárstve, nové pracovné príležitosti. Základnou požiadavkou na vznik bioplynových staníc je stratégia vhodného umiestnenia v regióne s prepočtom na objem obnoviteľných zdrojov a spotreby bioplynu, ako aj bezpečnosť pri práci s plynovým zariadením. Dnes sú už vyvinuté technológie, máme určité možnosti výberu ako tento klimatický proces pribrzdiť. Obnoviteľné zdroje energie u nás definuje zákon č. 309/2009 Z.z. o podpore obnoviteľných zdrojov energie nefosílneho pôvodu, ktorého energetický potenciál sa trvalo obnovuje prírodnými procesmi (Obr.2). Nie je to však možné bez poznatkov, skúseností, inovačných impulzov v technológii a bez medziodborovej spolupráce.

Obr.2: Grafické znázornenie predpokladaného obsahu energie z obnoviteľných zdrojov do roku 2025 v [%] z celkovej európskej energie (zdroj: EEA, EU; Spracovala : Rogožníková A.)

Obr.3: Obhospodarovanie krajiny - okolie Güssingu, Rakúsko (Foto Š. Pollák)

Obr.4: Vertikálny fermentačný reaktor s plynojemom, kompresor s tlakovým spínačom - regulačné a kontrolné prvky - Strem, Rakúsko (Foto A.Rogožníková)

Obr.5: Silážne ložiská s odtokom silážnych kyselín. Účelne využitý digestát ako biologický povrchový kryt - Strem, Rakúsko (Foto A. Rogožníková)

Obr.6: Na stene silážneho ložiska sú prezentované informácie o fermentačnom procese - Strem, Rakúsko (Foto A. Rogožníková)

Vystavené 27.8.2010

Autori textu: Mgr. Alena Rogožníková, - CVRV-VÚTPHP Banská Bystrica; RNDr. Štefan Pollák - CVRV-VÚTPHP Banská Bystrica; Michaela Vanková - Európske cetrum pre obnoviteľné energie, EEE - Güssing, Rakúsko