Využití biomasy ve zdrojích -...

transcript

Využití biomasy ve zdrojích

pro CZT

spalování biomasy

bioplynové stanice

Spalování biomasy

Teplárna Třebíč - sever

CZT s využitím biomasy

biomasa jako palivo

obnovitelná – trvale udržitelné palivo – sklízení ročních přírůstků

CO2 neutrální

regionální model: pěstování, zpracování, produkce, využití v místě

vícepalivové hospodářství: štěpka, piliny, sláma, traviny, energetická

biomasa

snížení rizikovosti dodávek paliv a výkyvů ceny

Pravidla úspěšných projektů (CZT)

dostupnost paliva v přijatelné ceně

analýza trhu, smlouvy o dodávce paliva, dlouhodobé kontrakty

velmi problematické najít stabilní zdroj biomasy pro větší výkony

biomasa: včera odpad – dnes strategická surovina

dopravní vzdálenost max. do 30-50 km (velké zdroje až 100 km)

kvalitní projektová dokumentace

náročná předprojektová a projektová příprava (nejsou k dispozici

finance)

příprava stavby, omezení víceprací

efektivní kontrola provedení na stavbě

ekonomicky efektivní podnikatelský záměr

konkurenceschopnost v provozu, ekonomika provozu

samotná dotace na instalaci kotelny na biomasu nic nevyřeší

projekty velmi citlivé na změnu ceny paliva

odhad rozvojového potenciálu obce, budoucí výstavba (odpojování

od CZT x připojování k CZT)

zajištění odběru tepla, soustředěná výstavba

kogenerace: snaha o maximální využití tepla

lidský faktor

místní autorita, která kotelnu prosadí

spolehlivá obsluha

Výtopna na biomasu - schéma

1 Dovoz dřevního paliva

2 Hydraulický agregát,

3 Denní zásobník paliva

4 Hydraulický dopravník

5,6 Teplovodní kotle

7 Kontejner na popílek

8 Kontejner na popel

9 Rozvaděče

10 Řídící pracoviště

11 Oběhová čerpadla

Výtopna 4 MW

Kašperské hory

Spalovací zařízení na biomasu (CZT)

spalování na roštu (ve vrstvě)

paliva s vysokou vlhkostí > 40 %, výkony do 50 MW, účinnost do 85 %

několikanásobný přívod vzduchu (optimalizace), vícestupňové

spalování

fluidní spalování

vznos částic paliva proudem spalin a vzduchu, vysoký přenos tepla a

látky, cirkulační vrstva, účinnost 85 – 88 %

pouze 700 až 900 °C, menší produkce NOx, rychlé spalování, vlhká

biomasa

cyklonové odlučovače

Roštové kotle na štěpku, piliny do 10 MW

oddělená

spalovací komora

velká spalovací a dohořívací

komora

velká akumulace – šamot

terciární vzduch

Roštové kotle na vlhkou biomasu

sekundární vzduch

terciární vzduch

dohořívací

komora

horkovodní

(trubkový

výměník)

odvod popela

přívod a úprava

paliva

(hydraulický

zavážecí lis)

předsušení paliva

1 až 10 MW

95 až 100 °C

0,3 až 0,6 MPa

Spalovací zařízení na slámu

šnekový podavač

rozpojovač, rozdružovač balíkůkotel

dohořívací

komora

rošt, popelník

Spalovací zařízení na slámu (balíky)

Fluidní kotle – spalování ve fluidní vrstvě

cirkulující fluidní vrstva, cyklon

pro kotle menších výkonů

stacionární fluidní vrstva na roštu

Zdroje tepla na biomasu

sklad paliva

svoz paliva – velkokapacitní vozy

skládka (zastřešené haly, bez

zastřešení), pohotovostní sklad

velikost podle typu paliva, objem

minimálně na 7 dní (v zimě)

doprava a manipulace s

palivem

nakladač (podle typu paliv,

zrnitosti), mostový jeřáb s

drapákem

Zdroje tepla na biomasu

spalování, spalovací zařízení

vlastní kotle (teplovodní, parní), rozložení výkonu do několika

jednotek

záložní kotel

přívod spalovacího vzduchu, odvod tepla, spalin, popela

šnekový podavač popela, filtry, cyklony (sláma), ohřev vzduchu,

ventilátory

teplosměnné plochy, napojení na CZT, předávací stanice, akumulátor

Provozní charakteristiky zdroje CZT

denní odběr tepla

denní akumulátor

měsíční a roční odběr tepla

výkonová skladba kotlů, rozdělení instalovaného výkonu do více

zařízení

střídání provozu kotlů

odběr elektrické energie

povinný výkup, vyvedení výkonu

Provozní charakteristiky zdroje CZT

možnost využití akumulace: pro zimní špičky – snížení instal. výkonu

pro léto – snížení cyklování kotle

využití špičkového

kotle (ZP)

akumulace

Solar + biomasa v CZT

Akumulátor:

Kotelna na biomasu

pro snížení instalovaného výkonu v zimě

pro omezení startů v přechodovém období

Ekonomické parametry – investice

lokální zdroje pro budovy

kotel na kusové dřevo: 1 až 3 tis. Kč/kWt

kotel na pelety: od 5 do 20 tis. Kč/kWt (v závislosti na kvalitě,

původu, dodávce)

kotel na štěpku: od 5 do 15 tis. Kč/kWt

soustavy CZT, výtopny

zdroj tepla: 5 až 10 tis. Kč/kWt

včetně CZT: 15 až 25 tis. Kč/kWt

náklady na CZT zhruba 30 – 50 % celkových nákladů

Ekonomika využití biomasy (CZT)

cena biomasy

konkurence: stavebnictví, zemědělská výroba, vývoz biomasy do

zahraničí

malý trh = velké výkyvy, nabídka – poptávka

2005: výkup elektřiny z biomasy, spoluspalování velkých množství

biomasy s uhlím v kondenzačních elektrárnách (účinnost využití

biomasy pouze 20 %)

2009: výstavba kondenzačních bioelektráren, vysoké zelené bonusy

zvýšení ceny biomasy pro všechny subjekty

Zásady využití biomasy (CZT)

teplárenská výroba elektřiny a tepla

nepodporovat kondenzační bioelektrárny „na zelené louce“

podporovat využití energie biomasy v KVET

nahrazovat biomasou uhlí ve stávajících teplárnách

využít záměrně pěstované biomasy

Plzeňská teplárna

energoblok na biomasu

elektrický výkon 11,6 MW

tepelný výkon 35 MW

14 t/h biomasy, 120 000 t/rok ≈ náhrada 90 000 t/rok hnědého uhlí

štěpka z rychlerostoucích dřevin, tráva, vojtěška, řepková a obilná

sláma, odpad z lesů a pil, mláto z pivovaru

dovoz z okruhu 80 km

Výtopna Žlutice

zdroj tepla

původně blokové uhelné kotelny

2002: centrální zdroj tepla – výtopna na biomasu

kotel 2,5 MW na dřevní odpad

kotel 1,8 MW na dřevní odpad a balíky slámy

kotle 2 x 1,8 MW pouze na slámu

palivo

piliny, dřevní odpad z těžby dřeva, štěpka z náletů, vlhkost do 50 %

sláma (obilná, řepková), energetický šťovík, vlhkost do 18 %

ročně 4 až 4,5 tisíc tun paliva (polovina sláma)

Výtopna Žlutice – zavážení dřevní hmoty

Výtopna Žlutice – zásobník paliva

Výtopna Žlutice – sláma uskladnění

Výtopna Žlutice – zavážení paliva

Výtopna Žlutice – rozdružení balíků

Výtopna Žlutice – kotlové výměníky

Výtopna Žlutice – rozvod tepla

teplovodní rozvod

teplotní úroveň 105 / 65 °C

tři sídliště: 700 bytů

městské objekty: školy a

školky, obchodní dům,

pošta, lékárna, policie,

farní úřad

celkem 12 km teplovodů

70 % města

bez plynofikace

Výtopna Žlutice – cena tepla

tepla 2004 2005 2006 2007 2008 2009

ČR361,50 398,32 460,02 463,54 542,85 579,87

Žlutice 357,00 378,00 388,50 476,70 486,15 533,01

množství dřevní štěpky v ČR: 1 600 000 tun

spalováno (2009): 850 000 tun

13 nových projektů (2011) 650 000 tun

24 nových záměrů (2012-2014) 2 100 000 tun

zvýšení ceny dřevní

štěpky

hledání alternativ

Biomasa pro výtopny

orientace na jiná paliva než štěpku

obilná sláma zbylá po sklizni zrna

cíleně pěstované energetické rostliny

zajištění paliva dlouhodobými kontrakty

od spolehlivých dodavatelů

svozové vzdálenosti – překrývání oblastí

Biomasa – zdroje plánované 2012-2014

Bioplynové stanice

Přeměna biomasy

rozklad za přístupu vzduchu - spalování

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + uvolněná energie Q

rozklad bez přístupu vzduchu

C6H12O6 3 CH4 + 3 CO2

bioplyn

Proces tvorby bioplynu

metanové kvašení / anaerobní digesce

biochemický proces tvorby metanu

přeměna organických látek přes řadu meziproduktů na metan a CO2

řada na sebe navazujících fyzikálních, fyzikálně-chemických a

biologických procesů

směsná kultura metanogenních mikroorganismů rozkládá postupně

za podmínek bez přístupu vzduchu (bez kyslíku) vyšší uhlovodíky

(organické látky) a produkují energii potřebnou pro jejich

metabolismus

produkt jedné skupiny bakterií je substrátem pro druhou skupinu

metan CH4 a oxid uhličitý CO2 jsou vedlejší produkty procesu

hydrolýza

probíhá v aerobním prostředí (vzdušný kyslík ze vsázky)

předpokladem je dostatečná vlhkost > 50 % hmotnostního podílu

enzymatický rozklad polymerů (polysacharidy, proteiny, lipidy) na

jednodušší organické látky – monomery (cukry, aminokyseliny, mastné

kyseliny)

acidogeneze

materiál může obsahovat ještě zbytky vzdušného kyslíku

dochází definitivně k vytvoření anaerobního prostředí, odstranění zbytků

zajišťují kmeny anaerobních mikroorganismů

acetogeneze

mezifáze, acidogenní kmeny bakterií transformují vyšší organické

kyseliny na kyselinu octovou (CH3COOH), H2 a CO2

metanogeneze

metanogenní bakterie rozkládají kyselinu octovou na CH4 a CO2

(acetotrofní), nebo produkují CH4 z H2 a CO2 (hydrogenotrofní)

energetická bilance

90 % energie se uvolňuje jako chemická energie metanu CH4

zbytek se uvolňuje v průběhu chemické reakce jako teplo (ztráty)

v přírodě: bahnité rybníky (neřízený proces), v průmyslu: bioreaktory s

řízeným vstupem surovin (řízené podmínky)

Podmínky

teplota

hlavní činitel - určuje úroveň látkové přeměny, a tím i množení

mikroorganizmů.

ovlivňuje hlavní technologické parametry, tj. množství a složení bioplynu.

rozsah teplot je poměrně široký 10 do 60 °C

má vliv na druhy bakterií

Podmínky

mikroorganismy

psychrofilní: 20 až 30 °C

mezofilní: 30 až 40 °C

většina provozovaných bioplynek v ČR se pohybuje v rozmezí 35-40 °C

bakterie málo citlivé na změny, snadné udržení procesu

37 °C je teplota zažívacího traktu přezvýkavců (stejný proces)

termofilní: 40 až 55 °C

nejvyšší aktivita, největší výtěžek bioplynu,

nutné vyhřívání, 30 – 50 % energie, podle izolace

Podmínky

doba zdržení

závislá na teplotě, optimální doba pro zdržení substrátu

psychrofilní 40 až 100 dní

mezofilní 25 až 40 dní

termofilní 12 až 25 dní

vlhkost

min obsah 50 % v substrátu

optimálně okolo 7,5

sledovat při spoludigesci kyselých substrátů (zpracování potravin)

Podmínky

dodatkové látky

bakterie potřebují dusíkaté látky, minerály a stopové prvky pro svůj

metabolismus

hnůj, kejda: látky jsou přítomny v dostatečném množství

dusík pomáhá udržovat pH – přeměnou na čpavek neutralizuje kyseliny

příliš mnoho N2 – výrazná produkce čpavku, toxicita

optimální poměr C:N 20:1 až 40:1

Podmínky

velikost částic

nesmí být příliš veliké - doprava materiálu čerpadly

dostatečný povrch, aby se bakterie dostaly všude, urychlení tvorby

bioplynu

nutné drcení u spoludigestovaných substrátů (tráva)

míchání substrátu

odvádění plynu, zlepšení metabolismu mikroorganismů odvodem plynu,

omezení nárůstu tlaku

promíchání mikroorganismů do čerstvého substrátu

zajištění rovnoměrné teploty

omezení tvorby sedimentů

Materiál

suroviny pro produkci bioplynu

jakákoli zkvasitelná organická hmota

exkrementy hospodářských zvířat – kejda, slamnatý hnůj, močůvka,

mokrý organický materiál

složení kejdy je závislé na typu farmy, druhu chovaných zvířat, vliv na

výtěžnost

lidské exkrementy – čistírenské kaly (ČOV)

odpady jiného původu

jatečné odpady, tukový průmysl, potravinářské odpady (pivovary,

škrobárny), mlékárenské odpadní vody, kuchyňské odpady,

zelená biomasa – kukuřice, tráva – přídavek pro zvýšení produkce

Materiál

sklad kukuřičné siláže

Druhy BPS

malé (Asie)

100 až 1000 t/rok, reaktor 5 až 100 m3

špatná ekonomika, vysoké náklady, žádný ohřev, žádné míchání

střední (farmy)

1000 až 15.000 t/rok, reaktor 100 až 800 m3

vlastní odpad, produkce elektřiny do sítě

centrální svozový systém ve střediskové obci

velké (průmyslové)

>15 000 t/rok, ekonomické

zpracování digestátu na hnojiva

Schéma bioplynové stanice

Součásti bioplynové stanice

fermentory

míchadlo

kogenerace

Bioplyn

složení

50 až 70 % CH4, hlavní energetická složka, čím vyšší obsah, tím vyšší

výhřevnost

30 až 50% CO2 (balast, snižuje výhřevnost, nemá energetický obsah)

H2 < 1 % (žádoucí složka)

H2S (sirovodík) < 1 %, vzniká při rozkladu bílkovin, jedovatý, korozivní

pro kovové plochy (nesmí do spalovacích motorů = koroze), nutno

odstranit

NH3 (čpavek) < 1 %, korozivní účinky

N2 < 1 %

Bioplyn

výhřevnost

18 až 25 MJ/m3 (zemní plyn 34,1 MJ/m3, čistý metan 35,8 MJ/m3)

bioplyn 60 až 75 % výhřevnosti ZP

není třeba upravovat bioplyn na vyšší obsah

dostatečně výhřevný jako palivo pro KJ

zemní plyn: 98,2% CH4; 0,1 % CO2

Bioplyn

využití BPS

zdroj energie - plyn pro kogenerační jednotky (plynové turbíny)

kombinovaná výroba elektrické energie a tepla

likvidace organického odpadu s vysokou vlhkostí (rostlinný, živočišný

odpad)

zemědělské farmy, čistírny odpadních vod

snížení produkce pachů (negativní vliv na ŽP)

hygienizace

KVET z bioplynu

energetické využití bioplynu

zásadní pro ekonomickou efektivitu

bioplynové stanice

zážehové plynové motory (pouze

bioplyn), vznětové motory (vstřik

zapalovacího oleje)

roční využití nad 7500 hodin

rozložení výkonu do více jednotek

– zvýšení spolehlivosti provozu x

účinnost x zvýšení investičních

nákladů

Využití tepla

využití pro vlastní proces

spotřeba tepla pro vlastní procesy bioplynové stanice závisí na:

tepelné ztrátě fermentorů

druhu teplotního procesu fermentace (mezofilní nebo termofilní)

spotřeba tepla pro technologické ohřevy zemědělských BPS pohybuje v

rozmezí 20 – 40 % (není kritické)

využití přebytků

problematické v místě výstavby, místní faktory

teplovody, výměníkové stanice, napojení na objekty v bezprostředním

okolí, napojení na soustavy CZT, sušárny produktů rostlinné výroby, aj.

podmínky poskytnutí podpory: efektivní využití definovaného % tepla

Využití elektřiny

využití pro vlastní proces

spotřeba elektřiny pro vlastní procesy:

pohon dopravníků, čerpadel, míchadel

osvětlení

poměr vlastní spotřeba elektřiny 5 až 10 %

využití přebytků

do sítě – hlavní tržba z provozu BPS

el. přípojka, obou směrné měření

Ekonomika – investiční náklady

rozdělení nákladů

stavba 25 až 40 %

technologie výroby bioplynu 30 až 45 %

kogenerační jednotka 20 až 30 %

ostatní 5 až 15 %

absolutní náklad 70 až 110 mil. Kč/MWe

Ekonomika – provozní náklady

rozdělení nákladů

suroviny 55 až 80 %

údržba 4 až 8 %

údržba kogenerační jednotky 10 až 20 %

ostatní 5 až 10 %

absolutní náklad 12 až 16 mil. Kč/MWe.rok

životnost 20 let

Bioplynové stanice – využití ORC

připojení ORC na spalinový výměník KJ

roční využití ORC odpovídá využití KJ (> 8000 hodin)

Bioplynová stanice + ORC

ESO Kněžice

energeticky soběstačná obec

bioplynová stanice s KJ 330 kWe / 405 kWt

produkce elektrické energie do sítě, 17 % spotřebuje BPS

produkce tepla pro obec

kotle na biomasu – celkem 1,2 MW

K1: 800 kW (balíková sláma, šťovík), účinnost 85 %, 225 kg/h

K2: 400 kW (dřevní štěpka, dřevní odpad), účinnost 84 %, 170 kg/h

akumulace tepla 50 m3

stabilizace dodávek tepla

omezení maření výkonu KJ

Bioplynová stanice – ESO Kněžice

ESO Kněžice

napojení na CZT obce

teplovodní rozvod, bezkanálové uložení, předizolované potrubí

napojeno 149 domů (95 % obce)

délka rozvodu 6 km

ztráty tepla rozvodu 40 % celoroční dodávky tepla:

dlouhý rozvod

malá výkonová hustota

krytí ztrát produkcí tepla z bioplynové stanice

tlakově nezávislé předávací stanice, napojené na centrální dispečink

cena tepla 270 Kč/GJ (v otopné sezóně) / 135 Kč/GJ (mimo sezónu)

Využití biomasy ve zdrojích -...

Documents