KRATKI PRIRUČNIK O PROČIŠĆAVANJU PROČI ĆAVANJU BIOPLINA DO RAZINE BIOMETANA SA PRIMJERIMA DOBRE PRAKSE Promidžba biometana i njegova tržišnog razvoja putem lokalnih i regionalnih partnerstava Projekt u okviru programa Inteligentna energija u Europi Isključiva čiva odgovornost za sadržaj ovog izvješć izvješća je na autorima. Ono ne mora nužno prikazivati stajalište Europske unije. Ni EACI niti Europska komisija nisu odgovorni za ikakvu uporabu informacija sadržanih u njemu. Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Sadržaj 1. Uvod i pregled ................................................................................................................................. 3 2. Tehnologije za desulfurizaciju sirovog bioplina .............................................................................. 4 2.1. Desulfurizacija in-situ: precipitacija sulfida............................................................................. 4 2.2. Biološka desulfurizacija: biološko pranje (scrubbing) ............................................................. 5 2.3. Pranje (scrubbing) kemijskim oksidiranjem ............................................................................ 6 2.4. Adsorpcija na metalnim oksidima ili aktivnom ugljenu .......................................................... 7 3. Tehnologije za pročišćavanje bioplina i proizvodnju biometana .................................................... 7 3.1. Apsorpcija ............................................................................................................................... 8 3.1.1. Fizička apsorpcija: Pranje (scrubbing) vodom pod pritiskom ......................................... 8 3.1.2. Organska fizička apsorpcija ............................................................................................. 9 3.1.3. Kemijska apsorpcija: pranje (scrubbing) aminima .......................................................... 9 3.2. Adsorpcija: Adsorpcija s varijacijama tlaka (Pressure Swing Adsorption, PSA) .................... 10 3.3. Membranska tehnologija: permeacija plina ......................................................................... 11 3.4. Usporedba raznih tehnologija za pročišćavanje bioplina ..................................................... 12 3.5. Uklanjanje komponenti u tragovima: voda, amonijak, siloksani, čestice ............................. 14 4. Uklanjanje metana iz otpadnog plina ........................................................................................... 14 5. PRIMJERI DOBRE PRAKSE................................................................................................................ .16 Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 2 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan 1. Uvod i pregled Pročišćavanje i proizvodnja biometana danas je posljednje postignuće u procesu separacije plinova. Na tržištu je već dostupno mnoštvo raznih tehnologija kojima se proizvodi struja biometana dovoljno kvalitetnog da se rabi kao gorivo za vozila ili za utiskivanje u mrežu prirodnog plina, te je dokazano da su tehnički i ekonomski izvedive. Međutim još uvijek su u tijeku intenzivna istraživanja s ciljem optimiziranja i daljnjeg razvoja tih tehnologija, kao i primjene novih tehnologija na polju pročišćavanja bioplina. Svaka tehnologija ima svoje specifične prednosti i nedostatke, a ovaj prikaz pokazuje da ni jedna tehnologija nije optimalno rješenje za svaku pojedinu situaciju pročišćavanja bioplina. Pravi izbor ekonomski optimalne tehnologije uvelike ovisi o konačnoj upotrebi tog plina, o načinu rada postrojenja za anaerobnu digestiju (anaerobnu razgradnju) i o tipovima te kontinuitetu korištenih supstrata, kao i o lokalnim uvjetima na lokaciji postrojenja. Taj izbor treba načiniti planer i budući operator, a ovaj izvještaj zamišljen je kao smjernica za podršku tijekom faze planiranja novog postrojenja za proizvodnju biometana. Kao što je već rečeno, pročišćavanje bioplina sastoji se od separiranja plinova, čime se na kraju dobiva struja proizvedenog plina bogatog metanom, s određenom specifikacijom. Ovisno o sastavu sirovog bioplina, to separiranje obuhvaća separiranje ugljičnog dioksida (čime se povećava toplinska vrijednost i Wobbe-indeks), sušenje plina, uklanjanje supstanci u tragovima kao što su kisik, dušik, sumporovodik, amonijak ili siloksani, kao i komprimiranje na pritisak potreban za daljnju uporabu plina. Nadalje, možda se moraju obaviti poslovi poput odorizacije (ako se utiskuje u lokalnu mrežu prirodnog plina s niskim pritiskom) ili usklađivanja s toplinskom vrijednosti putem doziranja propana. Na Slici 1 prikazana je osnovna shema procesa pročišćavanja bioplina, koja pruža kratak pregled separiranja i uključenih plinskih struja. Slika 1: Osnovna shema procesa pročišćavanja bioplina Pri pročišćavanju bioplina, sirovi bioplin u osnovi se dijeli na dvije plinske struje: struju biometana bogatu metanom i struju otpadnog plina (offgas) bogatu ugljičnim dioksidom. Budući da ni jedna tehnologija separiranja nije savršena, ta struja otpadnog plina još uvijek sadrži određenu količinu metana, ovisno o tome koliko se primijenjenom tehnologijom proizvodi metana. Može li se ta plinska Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 3 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan struja po zakonu ispustiti u atmosferu ili je se mora dalje obrađivati, ovisi o tom sadržaju metana, o gubitku metana iz postrojenja za pročišćavanje (količina metana u otpadnom plinu u odnosu na količinu metana u sirovom bioplinu) i o pravnoj situaciji na lokaciji postrojenja. U sljedećim odjeljcima opisat će se dostupne tehnologije za najvažnije poslove pri pročišćavanju bioplina (desulfurizacija, uklanjanje ugljičnog dioksida, sušenje). Na kraju ovog odjeljka nakratko će se raspraviti uklanjanje komponenti u tragovima i prikazati mogućnosti tretiranja otpadnog plina. Sljedeća tablica sadrži tipične sastave bioplina i deponijskog plina, te usporedbu tih vrijednosti s danskim prirodnim plinom. Čini se da je kvaliteta tog prirodnog plina prilično reprezentativna za kvalitete prirodnog plina raspoloživog diljem Europe. Parametar Bioplin Deponijski plin Prirodni plin (danski) Metan [vol%] 60-70 35-65 89 Drugi ugljikovodici [vol%] 0 0 9,4 Vodik [vol%] 0 0-3 0 Ugljični dioksid [vol%] 30-40 15-50 0,67 Dušik [vol%] do 1 5-40 0,28 Kisik [vol%] do 0,5 0-5 0 Sumporovodik [ppmv] 0-4000 0-100 2,9 Amonijak [ppmv] do 100 do 5 0 6,5 4,4 11,0 Niža toplinska vrijednost [kWh/m³(STP)] 2. Tehnologije za desulfurizaciju sirovog bioplina Premda je ugljični dioksid najveći zagađivač u sirovom bioplinu tijekom proizvodnje biometana, pokazalo se da uklanjanje sumporovodika može biti od presudne važnosti za tehnološku i ekonomsku izvedivost cijelog lanca pročišćavanja plina. Dakako, to ponašanje uvelike ovisi o sadržaju sumpora u korištenom supstratu i o kontinuitetu procesa fermentacije. Sumporovodik je opasan i korozivan plin koji je potrebno ukloniti iz plina prije bilo kakve daljnje njegove uporabe, bilo to utiskivanje u mrežu ili proizvodnja stlačenog prirodnog plina (CNG) za gorivo. Postoji mnoštvo tehnologija kojima se obavlja taj posao. Ovisno o lokalnim uvjetima u postrojenju za anaerobnu digestiju i o jedinici za proizvodnju biometana, mora se primijeniti jedna tehnologija ili pak kombinacija od dvije ili više tehnologija za desulfurizaciju bioplina, kako bi se dobilo tehnički stabilno i ekonomski konkurentno rješenje. Najvažnije metode prikazane su u sljedećem odjeljku; uvjet za ovu procjenu bio je njihova primjenjivost na pročišćavanje bioplina za utiskivanje u mrežu. 2.1. Desulfurizacija in-situ: precipitacija sulfida Dodavanje tekućih mješavina raznih metalnih soli (kao što su željezov klorid ili željezov sulfat) u digestor ili pred-digestor (spremnik za skladištenje) dovodi do precipitacije sadržaja sumpora iz supstrata formiranjem gotovo netopivog željezovog sulfida u fermentoru za bioplin. Željezov sulfid uklanja se iz fermentacije zajedno s digestatom. Pored uklanjanja sumporovodika, tom se tehnologijom iz bioplina može ukloniti i amonijak. Nadalje, izvješteno je da se time može postići Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 4 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan poboljšanje tekućeg okruženja za uključene mikroorganizme, zahvaljujući smanjenju toksičnih supstanci u tom mediju. Taj efekt dovodi do povećanja prinosa metana. Precipitacija sulfida relativno je jeftina metoda desulfurizacije u kojoj gotovo da nema potrebe za ulaganjem. Postojeća postrojenja za anaerobnu digestiju lako se mogu dodatno opremiti, a postupak, njegov monitoring i rukovanje njime nisu komplicirani. S druge strane, teško je kontrolirati stupanj desulfurizacije, a proaktivne mjere nisu moguće. Učinkovitost i ostvariva kvaliteta bioplina u pogledu sumporovodika očito su ograničene. Ta se tehnika obično rabi u digestorima s visokim koncentracijama sumporovodika kao prva mjera, zajedno s naknadnim fazama desulfurizacije, ili pak u slučajevima gdje su velike količine sumporovodika u bioplinu dopuštene. Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Sadržaj sumporovodika u neobrađenom bioplinu u suprotnom bi bio umjeren ili visok • Supstrati korišteni za proizvodnju bioplina dobro su poznati i njihov sumporni potencijal se zna • Dodatni investicijski troškovi su nepoželjni Ta tehnologija ima prednosti u mnogim slučajevima proizvodnje bioplina i biometana jer je jednostavna i pouzdana. Osim toga, može omogućiti određenu količinu hranjivih tvari i komponenti u tragovima. 2.2. Biološka desulfurizacija: biološko pranje (scrubbing) Sumporovodik se može ukloniti putem oksidacije kemoautotrofnim mikroorganizmima vrste Thiobacillus ili Sulfolobus. Za takvu oksidaciju potrebna je određena količina kisika, koji se dodaje malom količinom zraka (ili čistog kisika, ako je potrebno minimizirati razine dušika) u biološku desulfurizaciju. Ta oksidacija može se odvijati unutar digestora, imobiliziranjem mikroorganizama kojih već ima u prirodnom digestatu. Alternativna mogućnost jest korištenje vanjske aparature kroz koju bioplin prolazi nakon što izađe iz digestora. To je jedina alternativa ako se želi postići pročišćavanje bioplina za proizvodnju supstituta za prirodni plin. Primijenjena vanjska aparatura oblikovana je kao prokapnik (trickling filter) s ispunom iznutra, koja sadrži imobilizirane mikroorganizme u vidu biološke sluzi. Bioplin se pomiješa s dodanim oksidansom, ulazi u prokapnik i susreće nasuprotnu struju vode koja sadrži hranjive tvari. Ti mikroorganizmi oksidiraju sumporovodik s molekularnim kisikom i pretvaraju neželjeni sastojak plina u vodu i elementarni sumpor ili sumporastu kiselinu, koji se odbacuju zajedno sa strujom otpadne vode iz tornja. Investicija u tu metodu je umjerena, a operativni troškovi su niski. Ova tehnologija veoma je raširena i dostupnost takvih postrojenja je velika. Ta se metoda dokazala jednostavnom i stabilnom; očita je prednost to što se ne koriste nikakve kemikalije. Međutim, u Austriji, dugoročna uporaba te tehnologije za desulfurizaciju u postrojenjima za pročišćavanje bioplina pokazala je da je ta metoda teško primjenjiva ako je obavezan stabilan postupak utiskivanja u mrežu. Taj biološki sustav može ukloniti čak i vrlo velike količine sumporovodika iz bioplina, ali njegova prilagodljivost fluktuirajućem sadržaju sumporovodika u sirovom bioplinu dosta je loša. Ta tehnologija definitivno nije najbolji izbor ako se u nekom postrojenju za anaerobnu digestiju očekuju velike količine sumporovodika ili brze fluktuacije. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 5 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 2: Shema procesa postrojenja za biološko pranje (scrubbing) za desulfurizaciju sirovog bioplina; slika biološkog uređaja za pročišćavanje plina (skrubera) u postrojenju za bioplin Bruck/Leitha u Austriji, s kapacitetom sirovog bioplina od 800m³/h (Izvor: Tehnološko sveučilište u Beču, Biogas Bruck GmbH) Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Sadržaj sumporovodika u sirovom bioplinu je nizak ili umjeren • Fluktuacije u sadržaju sumporovodika u sirovom bioplinu su male • Supstrati koji se rabe za proizvodnju bioplina ne mijenjaju se često • Ulaz dušika u bioplin ne smeta kod daljnjeg pročišćavanja bioplina ili • Čist kisik je lako dostupan za svrhe oksidiranja, umjesto zraka • Biološki uređaj za pročišćavanje plina (skruber) već je raspoloživ u postrojenju za bioplin i rad se mora prebaciti samo na čisti kisik 2.3. Pranje (scrubbing) kemijskim oksidiranjem Apsorpcija sumporovodika u kaustičnim otopinama jedna je od najstarijih metoda desulfurizacije plina. Danas se kao kaustik obično koristi natrijev hidroksid, a pH se pomno nadzire kako bi se podesila selektivnost separiranja. Cilj je stvoriti i održati rad postrojenja uz maksimalnu apsorpciju sumporovodika i minimalnu apsorpciju ugljičnog dioksida, kako bi se minimizirala kemijska potrošnja (ugljični dioksid treba ukloniti učinkovitijom tehnologijom). Selektivnost sumporovodika nasuprot ugljičnog dioksida može se dodatno povećati primjenom oksidansa za oksidiranje apsorbiranog sumporovodika u elementarni sumpor ili sulfat, čime se povećava stopa uklanjanja sumporovodika. U postrojenjima za pročišćavanje bioplina obično se kao oksidans koristi vodikov peroksid. Pogodnosti te tehnike su mogućnost njezina kontroliranja te stabilan rad čak i kod velikih fluktuacija u kvaliteti i kvantiteti sirovog bioplina. Pri stabilnom radu može se doseći sadržaj sumporovodika od svega 5 ppm. Obično je najekonomičniji postupak taj da se kontrolira da sadržaj pročišćenog plina bude oko 50 ppm; preostali sumporovodik uklanja se putem adsorpcije na metalnim oksidima. Ova tehnologija zahtijeva složenu kontrolu procesa i poznavanje rada s korištenim kemijskim agensima. Izviješteno je da su specifični troškovi ove tehnologije veoma konkurentni u odnosu na druge postojeće tehnologije za desulfurizaciju. Ovu tehnologiju treba razmotriti ako se u postrojenju za proizvodnju biometana mora očekivati velik sadržaj sumporovodika ili velike fluktuacije u njemu. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 6 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan desulphurised biogas caustic oxidiser scrubbing column raw biogas fresh water effluent Slika 3: Shema procesa postrojenja za pranje (scrubbing) kemijskim oksidiranjem u cilju desulfurizacije sirovog bioplina; slike skrubera za kemijsko oksidiranje u postrojenju za bioplin Bruck/Leitha u Austriji, s kapacitetom sirovog bioplina od 300m³/h (Izvor: Tehnološko sveučilište u Beču, Biogas Bruck GmbH) Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Sadržaj sumporovodika u sirovom bioplinu je umjeren ili visok • Fluktuacije sadržaja sumporovodika u sirovom bioplinu su umjerene ili visoke • Supstrati koji se koriste za proizvodnju bioplina prilično se često ili često mijenjaju • Dodavanje kisika ili dušika u sirovi bioplin otežava daljnje pročišćavanje bioplina • Poželjni su vrlo automatiziran i pouzdan rad te niski radni napori • Rukovanje kemijskim agensima osoblju ne predstavlja prepreku u radu 2.4. Adsorpcija na metalnim oksidima ili aktivnom ugljenu Sumporovodik se može adsorbirati na površini metalnih oksida poput željezova oksida, cinkova oksida ili bakrenog oksida, ili pak na aktivnom ugljenu, te izvrsno ukloniti iz bioplina. Pri adsorpciji na metalnim oksidima, sumpor se veže kao metalni sulfid, a ispušta se vodena para. Čim je adsorpcijski materijal zasićen, uklanja se i zamjenjuje svježim materijalom. Adsorpcija sumporovodika na aktivnom ugljenu obično se izvodi uz mali dodatak kisika, kako bi adsorbirani plin oksidirao u sumpor i snažnije se vezao s površinom. Ako nije dopušteno nikakvo doziranje kisika, primjenjuje se posebno impregnirani materijal aktivnog ugljena. Ta tehnika desulfurizacije iznimno je učinkovita, a rezultat su joj koncentracije manje od 1 ppm. Premda su investicijski troškovi relativno niski, ukupni specifični troškovi ove tehnologije prilično su visoki, pa se ta metoda obično primjenjuje samo za završne i fine poslove desulfurizacije (obično do 150 ppm sumporovodika u sirovom bioplinu). Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Sadržaj sumporovodika u sirovom bioplinu je nizak ili • Tehnologija se koristi samo za završnu desulfurizaciju 3. Tehnologije za pročišćavanje bioplina i proizvodnju biometana Trenutačno je na tržištu dostupno mnoštvo različitih tehnologija za glavni korak u pročišćavanju bioplina. Taj glavni korak obuhvaća sušenje sirovog bioplina i uklanjanje ugljičnog dioksida, pa stoga i poboljšanje toplinske vrijednosti proizvedenog plina. Te dokazane tehnologije bit će prikazane u Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 7 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan sljedećem odjeljku. Nakon toga će se raspraviti uklanjanje manjih komponenti ili komponenti u tragovima. Obično su ti koraci uklanjanja već uključeni u svako postrojenje za pročišćavanje bioplina koje je dostupno na tržištu. 3.1. Apsorpcija Separacijsko načelo apsorpcije temelji se na različitim topivostima različitih komponenti plina u tekućoj otopini za pranje (scrubbing). U postrojenju za pročišćavanje u kojem se koristi ta tehnika, sirovi bioplin ulazi u intenzivan kontakt s tekućinom u tornju za pranje (skruberu) ispunjenom plastičnim punjenjem kako bi s povećala dodirna površina između faza. Komponente koje treba ukloniti iz plina (uglavnom ugljični dioksid) obično se puno bolje tope u primijenjenoj tekućini nego metan, pa se uklone iz plinske struje. Stoga je preostala plinska struja bogatija metanom, a tekućina za pranje koja izlazi iz tornja bogata je ugljičnim dioksidom. Kako bi održala apsorpcijska svojstva, tekućinu za pranje treba zamijeniti svježom ili regeneriranom tekućinom u zasebnom koraku (korak desorpcije ili regeneracije). Trenutačno su dostupne tri različite tehnologije pročišćavanja koje se temelje na tom načelu fizike. 3.1.1. Fizička apsorpcija: Pranje (scrubbing) vodom pod pritiskom Komponente apsorbiranog plina fizički se vežu za tekućinu za pranje, u ovom slučaju vodu. Ugljični dioksid ima bolju topivost u vodi od metana pa će se stoga rastopiti u većoj mjeri, osobito pri nižim temperaturama i većim pritiscima. Osim ugljičnog dioksida, pomoću vode kao tekućine za pranje u struji biometana smanjit će se i sumporovodik te amonijak. Otpadna voda koja izlazi iz tornja zasićena je ugljičnim dioksidom i odlazi u isparivač (flash tank), u kojem se pritisak naglo smanjuje i najveći se dio rastopljenog plina otpušta. Kako taj plin sadrži uglavnom ugljični dioksid, ali i određenu količinu metana (metan je također topiv u vodi, ali u manjoj mjeri), taj se plin cijevima odvodi u ulaz za sirovi bioplin. Ako se voda reciklira natrag u apsorpcijski toranj, mora se regenerirati pa se zbog toga upumpava u desorpcijski toranj, gdje susreće protustruju zraka za stripiranje, u koji se otpušta preostali rastopljeni ugljični dioksid. Regenerirana voda zatim se upumpava natrag u apsorber kao svježa tekućina za pranje. Slika 4: Shema procesa tipične jedinice za pročišćavanje bioplina u kojoj se primjenjuje pranje (scrubbing) vodom pod pritiskom; slika postrojenja za pročišćavanje Könnern, u Njemačkoj, s kapacitetom sirovog bioplina od 1250m³/h (Izvor: Malmberg) Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 8 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Nedostatak te metode jest to što se komponente zraka kisik i dušik otapaju u vodi pri regeneraciji, pa se dakle prenose u pročišćenu plinsku struju biometana. Stoga biometan proizveden pomoću te tehnologije uvijek sadrži kisik i dušik. Kako je proizvedena struja biometana zasićena vodom, završni korak u pročišćavanju obično je sušenje plina, primjerice primjenom pranja glikolom. Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Može se tolerirati sadržaj kisika i dušika u biometanu, uz smanjenu toplinsku vrijednost • Projektirani kapacitet postrojenja je srednji ili velik • Struja biometana može se direktno upotrijebiti pod pritiskom pri isporuci i nije potrebno daljnje stlačivanje • Toplinske potrebe postrojenja za bioplin mogu se (djelomično) pokriti tretmanom otpadnog plina 3.1.2. Organska fizička apsorpcija U ovoj tehnologiji, veoma sličnoj pranju (scrubbingu) vodom, koristi se organsko otapalo (npr. polietilen glikol) umjesto vode kao tekućine za pranje. Ugljični dioksid ima veću topivost u tim otapalima nego u vodi. Stoga je iza isti kapacitet sirovog plina potrebno manje cirkuliranja tekućine za pranje i aparature su manjih dimenzija. Primjeri tržišno dostupnih tehnologija za pročišćavanje bioplina u kojima se primjenjuje organsko fizičko pranje su Genosorb, Selexol, Sepasolv, Rektisol i Purisol. 3.1.3. Kemijska apsorpcija: pranje (scrubbing) aminima Karakteristika kemijske apsorpcije jest fizička apsorpcija plinovitih komponenti u tekućini za pranje, popraćena kemijskom reakcijom između komponenti tekućine za pranje i komponenti apsorbiranog plina u tekućoj fazi. Stoga je vezanje neželjenih plinskih komponenti za tekućinu za pranje znatno jače, a kapacitet tekućine za pranje nekoliko puta veći. Ta kemijska reakcija izrazito je selektivna, pa je količina metana koji se također apsorbira u tekućinu vrlo mala, što rezultira jako velikom proizvodnjom metana (methane recovery) i jako malim gubitkom metana. Zbog snažnog afiniteta, osobito ugljičnog dioksida, prema korištenim otapalima (uglavnom vodenim otopinama monoetanolamina MEA, dietanolamina DEA i metildietanolamina MDEA), radni pritisak skrubera na amine može biti znatno manji u usporedbi s postrojenjima na vodu pod pritiskom koja imaju sličan kapacitet. Obično postrojenja za pranje pomoću amina rade pri blago povišenom pritisku koji već postoji u sirovom bioplinu, pa nije potrebna dodatna kompresija. Premda su velik kapacitet i visoka selektivnost otopine amina prednosti tijekom apsorpcije, pokazuju se kao nedostatak tijekom regeneracije tekućine za pranje. Kemijske tekućine za pranje pri regeneraciji zahtijevaju znatno veću količinu energije, koja mora biti pružena u vidu procesne topline. Ispunjena aminska otopina zagrijava se na približno 160°C, pri čemu se većina ugljičnog dioksida otpušta i izlazi iz regeneracijskog tornja kao prilično čista struja otpadnog plina. Budući da se mali dio tekućine za pranje gubi u proizvedenom biometanu zbog isparavanja, mora je se često nadopunjavati. Kemijskom apsorpcijom mogao bi se apsorbirati i sumporovodik iz sirovog bioplina, ali bi pri regeneraciji bile potrebne više temperature. Zbog toga je preporučljivo ukloniti tu komponentu prije skrubera na amine. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 9 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 5: Shema procesa tipične jedinice za pročišćavanje bioplina u kojoj se primjenjuje pranje pomoću amina; slika postrojenja za pročišćavanje Gothenburg u Švedskoj, s kapacitetom sirovog bioplina od 1600m³/h (Izvor: Cirmac) Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Velika proizvodnja metana je poželjna pa stoga nije potreban nikakav daljnji tretman otpadnog plina da bi se smanjile emisije metana • Visok sadržaj metana u struji biometana je poželjan • Projektirani kapacitet postrojenja je srednji ili velik • Struja biometana može se koristiti pri gotovo atmosferskom pritisku kod isporuke i nije potrebna nikakva daljnja kompresija • Toplinske potrebe koraka regeneracije mogu se pokriti infrastrukturom raspoloživom u postrojenju za bioplin 3.2. Adsorpcija: Adsorpcija s varijacijama tlaka (Pressure Swing Adsorption, PSA) Separiranje plinova pomoću adsorpcije temelji se na različitom adsorpcijskom ponašanju raznih komponenti plina na čvrstoj površini pod povišenim pritiskom. Obično se kao adsorpcijski materijal rabe razni tipovi aktivnog ugljena ili molekularnih sita (zeolita). Ti materijali selektivno adsorbiraju ugljični dioksid iz sirovog bioplina, povećavajući tako sadržaj metana u plinu. Nakon adsorpcije pod visokim pritiskom, zasićeni se adsorpcijski materijal regenerira postupnim smanjivanjem pritiska i ispiranjem sirovim bioplinom ili biometanom. Pri tom koraku otpadni plin (offgas) izlazi iz adsorbenta. Nakon toga pritisak se ponovo podiže pomoću sirovog bioplina ili biometana, pa je adsorbent spreman za sljedeću sekvencu punjenja. Industrijska postrojenja za čišćenje upotrebljavaju četiri, šest ili devet adsorpcijskih posuda paralelno na različitim položajima u toj sekvenci, kako bi se omogućio kontinuirani rad. U dekompresijskoj fazi regeneracije, sastav otpadnog plina se mijenja, jer se metan koji je također bio adsorbiran otpušta ranije (pri višim pritiscima), a većina ugljičnog dioksida uglavnom se desorbira pri nižim pritiscima. Zbog toga se otpadni plin nakon prvih koraka dekompresije obično usmjerava natrag u ulaz za sirovi bioplin, kako bi se smanjili gubici metana. Otpadni plin iz kasnijih koraka regeneracije može se dovesti u drugi stadij adsorpcije, u jedinicu za tretman otpadnog plina, ili se pak može ispustiti u atmosferu. Budući da sadržaj vode i Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 10 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan sumporovodika u plinu ireverzibilno oštećuju adsorpcijski materijal, te se komponente moraju ukloniti prije adsorpcijskog tornja. Slika 6: Shema procesa tipične jedinice za pročišćavanje bioplina u kojoj se primjenjuje adsorpcija s varijacijama tlaka; slika postrojenja za pročišćavanje Mühlacker, u Njemačkoj, s kapacitetom sirovog bioplina od 1000m³/h (Izvor: Schmack CARBOTECH) Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Sadržaj metana u struji biometana (95,0-99,0 vol %) prikladan je za daljnju uporabu • Projektirani kapacitet postrojenja je malen ili srednji • Struja biometana može se koristiti direktno pod pritiskom pri isporuci i nije potrebna nikakva daljnja kompresija • Toplinske potrebe postrojenja za bioplin mogu se (djelomično) pokriti tretmanom otpadnog plina 3.3. Membranska tehnologija: permeacija plina Membrane za pročišćavanje bioplina načinjene su od materijala koji su propusni za ugljični dioksid, vodu i amonijak. Sumporovodik, kisik i dušik prodiru kroz membranu do neke mjere, a metan prolazi samo u vrlo maloj mjeri. Tipične membrane za pročišćavanje bioplina načinjene su od polimerskih materijala poput polisulfona, polimida ili polidimetilsiloksana. Ti materijali pokazuju povoljnu selektivnost pri separiranju metan/ugljični dioksid, uz razumnu otpornost na komponente u tragovima koje su prisutne u tipičnim sirovim bioplinovima. Kako bi bilo dovoljno membranske površine u postrojenjima kompaktnih dimenzija, te se membrane primjenjuju u obliku šupljih vlakana, u kombinaciji s više paralelnih membranskih modula. Nakon kompresije na radni pritisak, sirovi bioplin hladi se radi sušenja i uklanjanja amonijaka. Nakon ponovnog zagrijavanja pomoću otpadne topline iz kompresora, preostali sumporovodik uklanja se putem adsorpcije na željezov ili cinkov oksid. Na kraju se plin usmjerava u jedinicu za permeaciju plina, koja može imati jednu fazu ili više njih. Broj i međusobna povezanost primijenjenih membranskih faza ne temelje se na željenoj kvaliteti biometana, nego na zahtijevanoj proizvodnji metana (methane recovery) i specifičnim energetskim potrebama pri komprimiranju. Suvremena postrojenja za pročišćavanje sa složenijom konstrukcijom nude mogućnost veoma visoke proizvodnje metana i relativno niske potrebe za energijom. Realizirane su čak i više-kompresorske postave te je Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 11 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan dokazano da su ekonomski povoljne. Kako bi se dobila zahtijevana kvaliteta i kvantiteta proizvedene struje biometana, kontroliraju se i radni pritisak i brzina kompresora. Slika 7: Shema procesa tipične jedinice za pročišćavanje bioplina u kojoj se primjenjuje membranska tehnologija permeacije plina; slika postrojenja za pročišćavanje Kisslegg u Njemačkoj, s kapacitetom sirovog bioplina od 500m³/h (Izvor: AXIOM Angewandte Prozesstechnik) Primjena ove tehnologije u proizvodnji biometana ima prednosti u sljedećim slučajevima: • Poželjni su velika fleksibilnost prema organizaciji procesa i prilagodba lokalnom objektu za proizvodnju bioplina, kao i fleksibilno ponašanje pri djelomičnom opterećenju i dinamičnost postrojenja • Sadržaj metana u struji biometana (95,0-99,0 vol%) prikladan je za daljnju uporabu • Projektirani kapacitet postrojenja je malen ili srednji • Struja biometana može se koristiti direktno pod pritiskom pri isporuci i nije potrebna nikakva daljnja kompresija • Toplinske potrebe postrojenja za bioplin mogu se (djelomično) pokriti tretmanom otpadnog plina ili • Dodatne kemikalije i druge potrošnje materijale treba izbjegavati • Moraju se realizirati brzo pokretanje iz stanja hladnog mirovanja i postupak uključivanja/isključivanja 3.4. Usporedba raznih tehnologija za pročišćavanje bioplina Teško je provesti univerzalno valjanu usporedbu raznih tehnologija za pročišćavanja bioplina jer mnogi ključni parametri uvelike ovise o lokalnim uvjetima. Nadalje, tehničke mogućnosti neke određene tehnologije (primjerice u pogledu ostvarive kvalitete biometana) često se ne podudaraju s najekonomičnijim postupkom. Tehnički razvoj većine metoda za pročišćavanje bioplina danas je obično dovoljan da zadovolji sve potrebe potencijalnog operatora postrojenja. Pitanje je samo pronaći nacrt postrojenja koji omogućuje najekonomičniji postupak proizvodnje biometana. Posljedično tome, veoma je preporučljivo izvršiti detaljnu analizu specifičnih troškova biometana koji se mogu očekivati, te uzeti u obzir sve moguće tehnologije za pročišćavanje. Tijekom ovog projekta, kao pomoćno sredstvo pri obavljanju tih zadataka razvijen je “BiomethaneCalculator”, koji će se ažurirati svake godine. Taj alat obuhvaća sve relevantne korake u pročišćavanju i tehnologije pročišćavanja, pa omogućuje kvalitetnu procjenu specifičnih troškova proizvodnje biometana koji se mogu očekivati. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 12 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan U sljedećoj tablici prikazan je sažetak najvažnijih parametara opisanih tehnologija za pročišćavanje bioplina, primijenjenih na tipičan sastav sirovog bioplina. Vrijednosti određenih parametara predstavljaju prosjeke postojećih postrojenja za pročišćavanje ili provjerene podatke iz literature. Korištene cijene temelje se na podacima iz ožujka 2012. Membranska tehnologija pruža veliku mogućnost prilagodbe organizacije tog postrojenja u skladu s lokalnim uvjetima, primjenom različitih membranskih konfiguracija, višestrukih membranskih faza i više varijacija kompresora. Zbog toga je za većinu tih parametara dan određeni raspon. Prvi broj uvijek odgovara jednostavnijoj organizaciji postrojenja (“jeftinijoj” i s malom proizvodnjom metana), dok drugi broj odgovara organizaciji postrojenja s velikom proizvodnjom. Parametar Pranje vodom Organsko fizičko pranje Pranje aminima Adsorpcija s varijacijama tlaka (PSA) Membranska tehnologija tipičan sadržaj metana u biometanu [vol%] 95,0-99,0 95,0-99,0 >99,0 95,0-99,0 95,0-99,0 proizvodnja metana [%] 98,0 96,0 99,96 98 80-99,5 gubitak metana [%] 2,0 4,0 0,04 2,0 20-0,5 tipičan pritisak pri isporuci [bar(g)] 4-8 4-8 0 4-7 4-7 potrebe za električnom energijom [kWhel/m³ biometana] 0,46 0,49-0,67 0,27 0,46 0,25-0,43 - srednja 70-80°C visoka 120-160°C - - ovisno o procesu da da da da sredstvo protiv obraštanja, sredstvo za sušenje organsko otapalo (bezopasno) aminska otopina (opasna, korozivna) aktivni ugljen (bezopasan) 50-100 50-100 50-100 85-115 50-105 velik mali srednji velik mali za 100m³/h biometana 10.100 9.500 9.500 10.400 7.300-7.600 za 250m³/h biometana 5.500 5.000 5.000 5.400 4.700-4.900 za 500m³/h biometana 3.500 3.500 3.500 3.700 3.500-3.700 za 100m³/h biometana 14,0 13,8 14,4 12,8 10,8-15,8 za 250m³/h biometana 10,3 10,2 12,0 10,1 7,7-11,6 za 500m³/h biometana 9,1 9,0 11,2 9,2 6,5-10,1 kapacitet tipičnog postrojenja [m³/h biometana] toplinske potrebe i razina temperature potreba za desulfurizacijom potreba za potrošnim materijalom raspon djelomičnog opterećenja [%] broj referentnih postrojenja tipični investicijski troškovi [€/(m³/h) biometana] Tipični operativni troškovi [ct/m³ biometana] Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 13 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan 3.5. Uklanjanje komponenti u tragovima: voda, amonijak, siloksani, čestice Na izlazu iz digestora bioplin je zasićen vodenom parom. Ta voda obično se kondenzira u aparaturama i cijevima, a u kombinaciji sa sumporovim oksidima može uzrokovati koroziju. Povećavanjem pritiska i smanjivanjem temperature voda će se kondenzirati iz bioplina pa se onda može ukloniti. Hlađenje se može izvesti ili pomoću okolne temperature (zrak, tlo), ili električnim hlađenjem (hladnjacima). Voda se također može ukloniti pranjem (scrubbing) glikolom, ili pak adsorpcijom na silikatima, aktivnom ugljenu ili molekularnim sitima (zeolitima). Amonijak se obično separira nakon što se bioplin osuši hlađenjem jer je njegova topivost u tekućoj vodi visoka. Nadalje, većina tehnologija za uklanjanje ugljičnog dioksida selektivne su i za uklanjanje amonijaka. Stoga zasebni korak čišćenja obično nije potreban. Siloksani se koriste u proizvodima poput dezodoransa i šampona, pa se stoga mogu pronaći u bioplinu nastalom u postrojenjima za tretman kanalizacijskog otpada i deponijskog plina. Te supstance mogu stvoriti ozbiljne probleme pri spaljivanju u plinskim motorima ili objektima za spaljivanje. Siloksane je moguće ukloniti ili hlađenjem plina – adsorpcijom na aktivni ugljen, aktivni aluminij ili silikagel – ili apsorpcijom u tekućim mješavinama ugljikovodika. U bioplinu i deponijskom plinu mogu se nalaziti čestice i kapljice, koje mogu uzrokovati mehanička oštećenja u plinskim motorima, turbinama i cijevima. Čestice prisutne u bioplinu separiraju se finim mehaničkim filtrima (0,01µm – 1µm). 4. Uklanjanje metana iz otpadnog plina Kao što je već spomenuto, otpadni plin (offgas) proizveden tijekom pročišćavanja bioplina i dalje sadrži određenu količinu metana, ovisno o proizvodnji metana (methane recovery) primijenjene tehnologije separiranja plinova. Kako je metan plin s jakim efektom staklenika, od ključne je važnosti za cjelokupnu održivost lanca proizvodnje biometana da se minimiziraju emisije metana u atmosferu. Treba napomenuti da su emisije metana iz postrojenja za proizvodnju bioplina u većini država ograničene. Pored toga, veće količine metana u otpadnom plinu povećavaju specifične troškove pročišćavanja i mogle bi naškoditi ekonomičnom radu postrojenja. No to nije tako jednostavno; postoji kompromis pri odabiru određenih vrijednosti proizvodnje metana jer veća proizvodnja metana uvijek povećava investicijske i operativne troškove određene tehnologije pročišćavanja. Stoga se u ekonomski najperspektivnijim organizacijama postrojenja obično prihvaća da se u otpadnom plinu ostavi određena količina metana i primjenjuje se određeni tretman tog plina prije nego što ga se ispusti u atmosferu. Najčešća tehnika uklanjanja sadržaja metana iz otpadnog plina jest oksidacija (spaljivanje) i generiranje topline. Ta toplina može se ili potrošiti u samom postrojenju za anaerobnu digestiju (s obzirom na to da takvo postrojenje često ima toplinske potrebe), ili se može usmjeravati u sustav za mjesno grijanje (ako postoji u blizini), ili se može baciti putem hlađenja. Druga bi mogućnost bila miješati otpadni plin sa sirovim bioplinom i usmjeravati ga u postojeći kogeneracijski (CHP) plinski motor. U svakom slučaju, organizacija postrojenja treba biti pomno isplanirana, s obzirom na to da otpadni plin iz suvremenih postrojenja za pročišćavanje bioplina rijetko sadrži dovoljno metana da bi se njime održavala vatra bez dodavanja prirodnog plina ili sirovog bioplina. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 14 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan S druge strane, alternativa je oksidirati metan u otpadnom plinu pomoću nisko-kalorijskog gorionika ili katalitičkog spaljivanja. Mnogi proizvođači na tržištu već nude primjenjive tehnologije. Ti sustavi omogućuju stabilno spaljivanje čak i pri sadržaju metana od svega 3% u mješavini za spaljivanje i zraka. Tretman otpadnog plina koji sadrži još manje metana sve je teži zbog toga što nema dovoljno energije tijekom spaljivanja tog plina, pa mu se moraju dodavati sirovi bioplin ili biometan kako bi se postigla stabilna oksidacija. Zbog toga nema smisla birati tehnologiju pročišćavanja u kojoj je proizvodnja metana što je moguće veća jer s otpadnim plinom ionako uvijek ima posla. Integracija postrojenja za pročišćavanje u objekt za proizvodnju bioplina i cjelokupni koncept tvornice za proizvodnju biometana puno su važniji. Tek vrlo malen broj tehnologija za pročišćavanje, s ekstremno velikom proizvodnjom metana, stvara otpadni plin koji se smije ispustiti direktno u atmosferu. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 15 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Primjeri dobre prakse pročišćavanja bioplina do razine biometana LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN BRUCK/LEITHA, AUSTRIJA LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN EMMERTSBÜHL, NJEMAČKA LOKACIJA: ZALAVÍZ WATERWORKS COMPANY (VODOVODNO DRUŠTVO ZALAVÍZ), MAĐARSKA Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 16 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN BRUCK/LEITHA, AUSTRIJA 1.0 UVOD / PREGLED Ovo postrojenje za proizvodnju bioplina / biometana nalazi se u poljoprivrednom kraju, približno 40 km istočno od Beča, u saveznoj državi Donja Austrija u istočnom dijelu Austrije. Postrojenje za proizvodnju bioplina funkcionira kao kodigestivno postrojenje i u velikoj mjeri rabi organski otpadni materijal za proizvodnju bioplina visoke kvalitete. Postrojenje je započelo s radom 2004. godine, a na početku je proizvodilo električnu energiju i toplinu za lokalnu toplinsku mrežu putem kogeneracije (CHP) na bazi plinskih motora. Godine 2007. postrojenje za proizvodnju bioplina dobilo je dopunu u vidu izgradnje i puštanja u pogon postrojenja za pročišćavanje bioplina, koje proizvodi biometan za utiskivanje u mrežu prirodnog plina. Jedan dio tog plina potroši se u lokalnoj mreži niskog pritiska; preostali dio (posebice ljeti i noću) tlači se na 60 bara i utiskuje u regionalnu plinsku mrežu visokog pritiska. Proizvođač sustava za pročišćavanje bio je Axiom Angewandte Prozesstechnik GmbH, a proizvodnim pogonom bioplina/biometana u cijelosti upravlja Biogas Bruck/Leitha GmbH. 2.0 OPIS POSTROJENJA Sirovine za postrojenje za anaerobnu digestiju (anaerobnu razgradnju) u osnovi su organski otpadni materijali raznog porijekla. Oni obuhvaćaju organske ostatke iz poljoprivrednih procesa i proizvodnje hrane, zapakiranu i nezapakiranu hranu kojoj je istekao rok trajanja, lecitinske frakcije iz proizvodnje biodizela, organski otpadni materijal iz odvojenog prikupljanja otpada u kućanstvima i mjesnim trgovačkim lokalima, ostatke iz separatora masti i ulja, ulje i mast za kuhanje, otpatke od mliječnih proizvoda i otpatke iz klaonica. Ukupna potrošnja sirovina iznosi približno 28 000 tona godišnje. 2.1 Pred-tretman Ovisno o vrsti sirovine, primjenjuju se različiti koraci u pred-tretmanu i skladištenju. Tekući materijal skladišti se u dva spremnika srednje veličine. Čvrsti organski materijal skladišti se u navozni silos u postrojenju. Zapakirani materijal (hrana kojoj je istekao rok trajanja i odbačena hrana) mehanički se raspakirava i ispire u spremnik za tekućine. Površinska voda koja otječe iz postrojenja za digestiju sabire se u jedan spremnik kako bi se dobila sva potrebna procesna voda za postrojenje za digestiju. Sirovina se miješa s tom vodom u jednom od dva pred-digestora i podešava se udio suhe tvari. Pri Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 17 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan automatskom pumpanju u dva primarna digestora, kruti dio sjecka se na čestice velike približno 10 mm. Dnevno se u digestore transportira oko 100 t sirovine. Slika 1 Objekt za raspakiravanje (stražnja zgrada) Slika 3 Navozni silos za čvrste organske materijale 2.2 Slika 2 Spremnici za tekuće materijale (lijevo), spremnik za površinsku vodu (desno) Slika 4 Pred-digestori (sprijeda) Anaerobna digestija (anaerobna razgradnja) i digestat Sirovina se pumpa izravno iz pred-digestora u primarne digestore. Trenutačno su na ovoj lokaciji u pogonu tri digestora, svaki od 3000 m³. Dvije od tih posuda načinjene su od nehrđajućeg čelika s dvostrukim prijevojem; treća je znatno novija i načinjena je od zaštićenog betona. Svi digestori konstantno rade pri temperaturi od 38 °C, što zahtijeva grijanje posuda (u prosjeku oko 200 kW tijekom cijele godine). Mehaničko miješanje vrši se i sporim miješanjem pomoću središnjeg propelera i brzim miješanjem na tri točke na perimetru spremnika. Mikronutrijenti i željezne soli za smanjenje H2S svakodnevno se dodaju u digestore. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 18 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 5 Dva primarna digestora od nehrđajućeg čelika (desno) i sekundarni digestor sa skladištem za plin (otraga lijevo) Slika 6 Toplinska slika primarnih digestora Slika 7 Centralna miješalica primarnog digestora Slika 8 Lokalni zemljoradnik uzima digestat Svakom primarnom digestoru slijedi po jedan sekundarni digestor (svaki od 5000 m3), koji se također zagrijavaju na 38 °C i imaju mehaničko miješanje. Obje posude opremljene su krovnim sustavom za skladištenje plina od fleksibilne dvostruke membrane. Pored toga, te posude imaju ulogu skladišta za digestat. Digestat se ne dijeli na čvrste i tekuće tvari, a lokalni zemljoradnici rabe ga kao gnojivo (samo u razdoblju približno od travnja do studenog). Procjenjuje se da 2 do 3% ukupne proizvodnje plina potječe iz bioplina generiranog u sekundarnim digestorima. Slika 9 Sekundarni digestor i skladište plina Slika 10 Sekundarni digestor i skladište plina Ukupno vrijeme zadržavanja u cijelom sustavu (primarni digestor – sekundarni digestor – skladište za digestat) iznosi približno 50 do 60 dana. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 19 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 11 Prikaz postrojenja za proizvodnju bioplina / biometana u Bruck/Leitha 2.3 Proizvodnja i uporaba bioplina Ovo postrojenje za anaerobnu digestiju proizvodi bioplin tempom od približno 800 m3 na sat, pri čemu je tipični sadržaj metana 60 - 64%. Najveći dio tog bioplina koristi se u dva kogeneracijska (CHP) plinska motora (GE Jenbacher, svaki od 836 kWel) koji proizvode 12 GWh električne energije i 15 GWh procesne topline godišnje. Ta električna energija ubacuje se u mrežu po feed-in tarifi (poticajnoj cijeni za otkup energije iz obnovljivih izvora) od približno 8.5ct/kWh (prosječna godišnja vrijednost). Toplina (oko 1.2 MW) se isporučuje lokalnom sustavu za grijanje grada Bruck/Leitha (duljine oko 11 km), dopunjavajući toplinu koju generira lokalno postrojenje za spaljivanje biomase (6 MW). Na taj način otprilike 800 kućanstava dobiva energiju za grijanje, što pokriva približno jednu trećinu potražnje za grijanjem u gradu Bruck/Leitha. Mali dio topline koju proizvode kogeneracijski (CHP) plinski motori koristi se izravno u postrojenju za anaerobnu digestiju, za zagrijavanje digestora na radnu temperaturu (prosječna godišnja vrijednost oko 200 kW). Ukupna potražnja za električnom energijom u postrojenju za proizvodnju bioplina/biometana iznosi oko 1 GWh godišnje. Godine 2007. instalirano je i započelo je s radom postrojenje za pročišćavanje bioplina, čiji je proizvodni kapacitet 100 m³/h biometana koji se utiskuje u obližnju mrežu prirodnog plina. U tu svrhu uzima se djelomičan dotok od 170 m³ bioplina na sat, u paraleli s instaliranim kogeneracijskim (CHP) motorima. To postrojenje za biometan bilo je prvo industrijsko postrojenje za pročišćavanje s utiskivanjem u mrežu u Austriji, a u redovitom je pogonu od 2008. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 20 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Postrojenje za pročišćavanje bioplina projektirano je i izgrađeno tijekom golema istraživačkog projekta (“Virtual biogas”: www.virtuellesbiogas.at) u suradnji s vodećim plinskim kompanijama, sveučilištima (Tehnološko sveučilište u Beču, Sveučilište za prirodne resurse i bioznanosti u Beču), korporativnim tijelom za upravljanje postrojenjem za AD te graditeljem tog postrojenja. U ovom postrojenju, za glavni zadatak uklanjanja ugljičnog dioksida i sušenja plina primjenjuje se inovativna tehnologija separiranja pomoću membrana (permeacija plina). Projektiralo ga je i izgradilo poduzeće AXIOM Angewandte Prozesstechnik GmbH, a od 2008. godine vodi ga operater postrojenja za AD Biogas Bruck/Leitha GmbH. Graditelj tog postrojenja montirao je čitavo postrojenje za pročišćavanje unutar standardnog kontejnera od 30 stopa i transportirao ga kao cjelinu na konačnu lokaciju u Bruck/Leithi. Od tada su u Austriji i Njemačkoj započela s radom brojna postrojenja koja također primjenjuju tehnologiju tog graditelja postrojenja; ta je tehnologija dostupna na tržištu. Prednost primijenjene tehnologije membranske permeacije plina jest stabilan i kontinuiran rad, pa ju je stoga lako kontrolirati. Nadalje, nisu potrebne skupa regeneracija ni kemikalije. Cijeli proces postaje veoma jednostavan, izravan i kompaktan. Tehnika separiranja (odvajanja) koristi se gustom membranom od polimida, uz različite topivosti i difuzivnosti raznih vrsta plina koje sadrži ulazna sirovina bioplina. Posljedično tome, pokretačka snaga za separiranje jest razlika u djelomičnim pritiscima tih raznih vrsta između faze na ulazu i faze permeata. Visok protok kroz membranu može se dobiti pomoću visokog pritiska na ulaznoj strani membrane i niskog pritiska (blizu atmosferskom pritisku) na strani permeata. Pomoću tog membranskog materijala, većina neželjenih vrsta plinova kvantitativno se uklanja iz ulazne struje i preko membrane transportira do struje permeata. Samo dušik pokazuje slično ponašanje kao metan, pa se stoga ne može ukloniti tom tehnikom već ostaje u struji proizvedenog plina, takozvani retentat. Dovoljna kvaliteta i kvantiteta proizvedenog plina lako se može postići, samo je potrebno osigurati dovoljno membranske površine i adekvatne uvjete rada. Velike prednosti ovog procesa u usporedbi s drugima su kontinuitet, kompaktnost, simultano sušenje i uklanjanje tragova sumporovodika te amonijaka. Budući da mješavina NH3, H2S i vrlo vlažnog plina može ugroziti membranski materijal, potrebno je malo obrade plina prije permeacije plina. Slika 12 Princip separacije plina pomoću tehnike membranske permeacije plina Slika 13 Idejni prikaz procesa pročišćavanja bioplina putem permeacije plina Membrane su načinjene kao šuplja vlakna sa strujom visokog pritiska sirovine/retentata na unutarnjoj strani cijevi i permeatom niskog pritiska (gotovo atmosferskog) na vanjskoj strani cijevi. Mnoštvo tih vlakana okupljeno je tako da tvore membranski modul u koji ulazi bioplin pod pritiskom. U postrojenju za pročišćavanje Bruck/Leitha, sirovi bioplin iz fermentacijskih posuda miješa se s permeatom iz drugog membranskog stadija, zatim se komprimira i voda se kondenzira pri temperaturama plina nižim od +7 °C. Potom se bioplin opet zagrijava pomoću otpadne topline iz kompresora, kako bi se postigla optimalna temperatura za naknadne korake u separaciji. Nakon toga, sumporovodik se uklanja putem adsorpcije, a pred-tretirani plin dovodi se u dvofazni proces membranske separacije. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 21 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Kako bi se gubici metana sveli na minimum, predložene su dvije faze membranskih modula. Struja permeata iz druge faze, koja sadrži znatno veće količine metana u usporedbi s permeatom nakon prve faze, dovodi se natrag na rekompresiju. Zbog recikliranja tog permeata, očekuje se nelinearno dinamično ponašanje tog procesa. Kvaliteta metana u proizvedenom plinu iz retentata druge faze kontrolira se proporcionalnim ventilom koji se nalazi na izlazu retentata iz druge faze. Položaj ventila podešava se pomoću PID regulatora koji utječe na pritisak u kanalima dotoka te, istovremeno, na sadržaj metana u proizvedenom plinu. Pomoću te strategije kontrole može se proizvoditi plin s raznim sadržajima metana (npr. od sastava gotovo sirovog plina 70% do 99% ili više). Pored toga, volumni protok proizvedenog biometana lako se može podešavati pomoću poboljšanog PID regulatora, koji upravlja brzinom rotiranja kompresora pomoću frekvencijskog pretvarača. Slika 14 Integracija procesa u postrojenju za pročišćavanje bioplina u Bruck/Leithi Kao ni bilo kojom drugom tehnikom separacije, permeacijom plina ne može se prenijeti sav metan u ulaznoj struji sirovog bioplina u proizvedeni biometan. Stoga otpadni plin (offgas), bogat ugljičnim dioksidom, još uvijek sadrži male količine metana (obično 2 do 3 % od proizvedenog biometana) i drugih separiranih supstanci. Kako bi se postigla strategija nulte emisije metana, postrojenje za pročišćavanje savršeno je integrirano u postojeće postrojenje za bioplin, pa se otpadni plin (offgas) isporučuje natrag u postojeće plinske motore (CHP na sirovi bioplin). Na taj način preostali se metan ne ispušta u atmosferu, nego sagorijeva i njegova se kemijska energija rabi za proizvodnju topline i električne energije. Nakon koncizne analize relevantnih vrsta plina (metan, ugljični dioksid, kisik, sumporovodik, vlaga), proizvedeni plin transportira se u postaju za distribuciju plina putem cjevovoda dugačkog 2,8 km. Ako kvaliteta plina u pogledu bilo kojeg parametra navedenog u austrijskim zakonima ne zadovoljava zakonske obaveze za feed-in postupak (postupak otkupa energije iz obnovljivih izvora), opskrba mreže odmah se prekida i taj se plin transportira natrag u plinske motore postrojenja za bioplin. Kontrolni sustav zatim će ponovo pokušati poboljšati kvalitetu proizvedenog plina i ponovo pokrenuti opskrbu mreže. Kalorijska vrijednost utisnutog plina iznosi približno 10,86 kWh/m³ i sukladna je standardu austrijske plinske mreže. Stoga dodatno doziranje LPG-a (ukapljenog naftnog plina) kako bi se povećala kalorijska vrijednost nije potrebno. “Zeleni” prirodni plin prodaje se operatoru mreže na virtualnoj osnovi. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 22 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 15 Vanjski i unutarnji pogled na postrojenje za pročišćavanje bioplina u Bruck/Leithi, gdje se vide kompresor, izmjenjivači topline (desno) i membranski moduli (lijevo) Isporučeni biometan transportira se u obližnji grad Bruck/Leitha (stanovništvo: 7600) putem javne mreže za prirodni plin u kojoj pritisak iznosi do 3 bara. Godišnje potrebe približno 800 kućanstava pokrivene su utisnutom količinom biometana. U zimskim mjesecima, cijela količina biometana iskoristi se za zadovoljavanje potražnje za plinom u ovom gradu (potreban je dodatan prirodni plin). U ljetnim mjesecima, potražnja predstavlja samo djelić proizvedenog plina, pa se višak biometana komprimira na 60 bara i utiskuje u regionalnu mrežu za prirodni plin. Ovakav pristup omogućuje konstantan rad objekta za pročišćavanje bioplina tijekom cijele godine, pa time i optimizirano radno opterećenje i strukturu troškova. Vrlo važan korak u pročišćavanju bioplina jest uklanjanje sumporovodika, koji se u postrojenju za proizvodnju biometana u Bruck/Leithi posebno obrađuje. Sirovi bioplin proizveden u tom AD postrojenju obično sadrži do 1000 ppmv sumporovodika, a monitoringom se često uoče i najveće koncentracije od 2000 ppmv (ovisno o tipu upotrijebljene sirovine). Usto, bilo je izvješća o visokim gradijentima u sadržaju sumporovodika. Zbog njegove toksičnosti i korozivnog djelovanja, u plinu je dopuštena vrlo mala količina sumporovodika. U trenutačni proces inkorporirane su četiri tehnologije desulfurizacije za pojedine svrhe. Prva je in-situ desulfurizacija dodavanjem posebnih kemijskih supstanci (tekuće mješavine metalnih soli) izravno u digestor (precipitacija sumpora). Posljedično tome, proizvedeni bioplin obično sadrži 100 do 500 ppmv sumporovodika na izlazu iz spremnika za skladištenje plina. Druga je mikrobiološki tretman plina pomoću kemoautotrofnih bakterija Thiobacilli. On dovodi do smanjenja sumporovodika na približno 50 ppmv. Ti mikroorganizmi koriste H2S za svoj metabolizam i pretvaraju taj plin u vodu i elementarni sumpor ili sumporastu kiselinu, koja se ispire i obrađuje zajedno sa strujom otpadne vode. Ti mikroorganizmi trebaju kisik za to oksidativno pretvaranje sumporovodika. Prije ugradnje postrojenja za pročišćavanje bioplina, ta biološka desulfurizacija provodila se pomoću zraka kao oksidansa. Zbog činjenice da se zrak sastoji od četiri petine dušika, a dušik se tehnikom pročišćavanja ne može ukloniti iz struje bioplina, taj korak desulfurizacije naknadno je dorađen ubrizgavanjem čistog kisika. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 23 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 16 Biološki uređaj za pročišćavanje plina (skruber) za desulfurizaciju sirovog bioplina Slika 17 Adsorpcijske kolone sa željezovim oksidima za konačnu desulfurizaciju bioplina Pokazalo se da taj biološki sustav ne može jamčiti stabilnu desulfurizaciju (a osobito konstantan sadržaj H2S u struji obrađenog plina) tijekom faza velikog fluktuiranja količine i kvalitete sirovog bioplina jer je mikroorganizmima potrebno vrijeme da se prilagode promijenjenim uvjetima. Stoga je primijenjena dodatna tehnologija desulfurizacije, posebice za struju plina koja se koristi za pročišćavanje bioplina. Ta novija tehnologija uključuje korak pranja (scrubbing) kemijskim oksidansima, pri kojem se kiseli plin ispire kaustičnom otopinom (NaOH) koja apsorbira H2S iz plina. Potom se apsorbirani H2S oksidira vodikovim peroksidom kako bi se poboljšala selektivnost uklanjanja nasuprot ugljičnom dioksidu i kapacitet vezanja tekućine za pranje. Primjena tog koncepta na desulfurizaciju plina je nova, a pilotsko postrojenje s kapacitetom od 300 m³/h sirovog plina projektirano je, izgrađeno i optimizirano tijekom dvogodišnje faze istraživanja. Postrojenje redovito radi od 2010. godine i sada je dostupno na tržištu. Primijenjeno je i u jednom drugom austrijskom postrojenju za pročišćavanje bioplina i njegovo utiskivanje u mrežu. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 24 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 18 Pogled izvana na kemijskooksidativni uređaj za pročišćavanje plina (skruber) za desulfurizaciju sirovog bioplina Slika 19 Toranj za pranje plina (scrubbing) Slika 20 Pumpa za doziranje natrijeva hidroksida Završno smanjivanje sumporovodika izvodi se u trećem stadiju, primjenom adsorpcije pomoću željezova oksida ili cinkova oksida. To se koristi samo za završno uklanjanje H2S (sa 70 ppm na manje od 3,3 ppmv, koliko se traži za utiskivanje u mrežu). Slika 21 Shema koja prikazuje lokaciju postrojenja, točku utiskivanja u mrežu i izgled spoja s mrežom (Google Earth 2012) Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 25 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan U postrojenju se nalazi baklja za spaljivanje plina, za slučaj da se struja proizvedenog bioplina ne može iskoristiti u kogeneracijskim (CHP) motorima (npr. u razdobljima održavanja), a da proizvodnja biometana također nije raspoloživa. 2.4 Tretiranje emisija (voda, otpadna voda, ispušni zrak) Otpadni plin (offgas) bogat CO2 iz postrojenja za proizvodnju biometana još uvijek sadrži približno 24% CH4 pa se ne smije ispustiti izravno u okoliš. Kao što je već spomenuto, taj otpadni plin miješa se sa sirovim bioplinom i cijevima dovodi do kogeneracijskih plinskih motora. Budući da se pročišćavanje bioplina primjenjuje samo na djelomičnu struju proizvedenog bioplina, ta je opcija održiva i najisplativija. Kad u nekom AD postrojenju ne bi bilo raspoloživih kogeneracijskih motora i kad bi se pročišćavanjem bioplina pokrivao sav proizvedeni sirovi bioplin, onda bi se primijenilo posebno postrojenje za obradu otpadnog plina (obično sagorijevanjem, niskokaloričnim plamenikom ili katalitičkom oksidacijom). Generirana toplina iskoristila bi se za pokrivanje jednog dijela potrebe za toplinom u digestorima. 2.5 Vizualni / lokalni utjecaj Nije opisan nikakav neugodan vizualni utjecaj postrojenja. Napominje se da se većina pomoćnog postrojenja nalazi u čeličnim kontejnerima sukladnim ISO standardu. Pored toga, udaljenost između AD postrojenja i naseljenih područja relativno je velika. 3.0 POTROŠNJA ENERGIJE, TROŠAK I EKONOMIJA 3.1 Bilanca mase i energije Sirovina za AD-postrojenje Proizvedeni bioplin Utiskivanje biometana u mrežu 28,000 t/a 6,800,000 m³/a 800,000 m³/a (oko 3.3 t/h) (oko 800 m³/h) (100 m³/h) Potreba za strujom u AD-postrojenju 1,000,000 kWh/a Potreba za strujom u postr. za pročišćavanje 296,000 kWh/a Kogeneracijski proizvedena struja 12,000,000 kWh/a (oko 120 kW) (oko 37 kW) (oko 1,400 kW) Potreba za toplinom u AD postrojenju 1,700,000 kWh/a Potreba za toplinom u postr. za pročišćavanje nema Kogeneracijski proizvedena toplina 15,000,000 kWh/a Toplina isporučena za grijanje okruga 10,200,000 kWh/a (oko 200 kW) nema (oko 1750 kW) (oko 1,200 kW) 3.2 Trošak i ekonomija Kao prvo, treba napomenuti da trenutačno ne postoji nikakva regulirana feed-in tarifa (poticajna cijena za otkup energije iz obnovljivih izvora) za biometan. Operatori postrojenja koja utiskuju biometan u mrežu moraju s relevantnim poduzećem za upravljanje tom mrežom imati individualne ugovore s individualnim tarifama i različitim trajanjem ugovora. Još nema sustava usporedivog s tarifom za zelenu električnu energiju (2012). Postrojenje je izgrađeno tijekom istraživačkog projekta, 50% financirale su državne i savezne agencije, a preostalih 50% pridonijela su tri velika poduzeća za plin i energiju iz istočne Austrije. Operater AD postrojenja besplatno je isporučivao utisnuti bioplin tim poduzećima tijekom razdoblja Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 26 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan trajanja istraživačkog projekta. Nakon toga, pogon za pročišćavanje prenesen je u vlasništvo operatera AD postrojenja bez ikakvih dodatnih troškova za to poduzeće. Izračunato je da su investicijski troškovi AD postrojenja, uključujući kogeneracijske (CHP) plinske motore, bili približno 6,5 milijuna €, a o operativnim troškovima nema izvještaja i teško ih je procijeniti. Ukupni specifični proizvodni troškovi procjenjuju se na približno 0.30 €/m³ sirovog bioplina. Investicijski troškovi za postrojenje za pročišćavanje bioplina iznose približno 800 000 €. Specifični proizvodni troškovi, uzevši u obzir samo investiciju u jedinicu za pročišćavanje bioplina (ekvivalent godišnjem trošku), kompletne operativne troškove pročišćavanja, održavanja i osoblja, izračunati su na približno 0.25 €/m³ biometana. Budući da je za proizvodnju 1 m³ biometana potrebno 1.7 m³ sirovog bioplina, ukupni specifični proizvodni troškovi, uključujući proizvodnju sirovog bioplina i pročišćavanja, iznose 0.76 €/m³ (67% proizvodnja sirovog bioplina, 33% pročišćavanje bioplina). Ako se uzme u obzir kalorijska vrijednost proizvedenog biometana, ukupni specifični proizvodni troškovi približno su 7 €ct/kWh. Svi troškovi temelje se na kalkulacijama zasnovanim na stabilnom radu postrojenja u 2012. godini. Korisnici ne kupuju plin proizveden u postrojenju Bruck/Leitha fizički, ali mogu virtualno kupiti zeleni plin, kao što je ranije spomenuto. Kako bi bilanca između utisnutog i prodanog biometana bila uravnotežena, količinu biometana potvrđuje TÜV Austria Services GmbH. Korisnici stoga imaju mogućnost kupiti određenu vrijednost ili određen postotak svoje potrošnje plina u vidu biometana. Lokalno održavanje AD postrojenja i pogona za pročišćavanje provodi jedan zaposlenik. Nakon faze optimizacije primijenjenih sustava za pročišćavanje bioplina nisu prijavljeni nikakvi značajni operativni problemi. 4.0 RASPRAVA I ZAKLJUČAK Ova studija slučaja demonstrira nekoliko stvari. Kao prvo, pokazuje da je dostupna tehnologija za generiranje sirovog bioplina i njegovo pročišćavanje u biometan, u ovom slučaju pomoću permeacije plina membranskom separacijom. Dokazano je da primjena te tehnologije za pročišćavanje bioplina omogućuje ekonomičan postupak utiskivanja u mrežu prirodnog plina čak i u manjim razmjerima. Danas tipična postrojenja za utiskivanje u operativnu mrežu imaju proizvodni kapacitet nekoliko puta veći nego opisano postrojenje u Bruck/Leithi. Usto, membranskoj tehnologiji pogoduju efekti ekonomije razmjera; potrebno je pojedinačno analizirati koja tehnologija najbolje odgovara kojem slučaju proizvodnje biometana. Međutim, treba biti svjestan toga da biometan nije izravno konkurentan uvezenom prirodnom plinu i da cijene ovog obnovljivog proizvoda moraju biti veće. Operatori postrojenja za bioplin/biometan u Bruck/Leithi veoma su zadovoljni s operativnim postrojenjima i radnim ponašanjem. Trenutačno procjenjuju mogućnost povećanja kapaciteta pročišćavanja bioplina na 800 m³/h sirovog bioplina. To bi bila cijela količina proizvedenog bioplina, pa bi kogeneracijski (CHP) plinski motori postali zastarjeli i ti bi strojevi izašli iz pogona. Razlog tome jest završetak ugovorenih feed-in tarifa (poticajnih cijena za otkup energije iz obnovljivih izvora) za zelenu energiju. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 27 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN EMMERTSBÜHL, NJEMAČKA 5.0 UVOD / PREGLED Ovo postrojenje za proizvodnju bioplina nalazi se na poljoprivrednoj farmi u selu Emmertsbühl, približno 120 km sjeveroistočno od Stuttgarta, u regiji Baden-Württemberg u južnoj Njemačkoj. Farmer i operater AD postrojenja izvorno je smjestio jedno postrojenje za AD na imanje 2005. godine, s pšenicom kao primarnom sirovinom i bioplinom koji se koristio u kogeneracijskom (CHP) postrojenju, premda nije postojao lokalni korisnik za višak topline generiran u tom postrojenju. Godine 2008. operater je istraživao mogućnosti širenja postrojenja u želji da poveća iskorištenost generiranog bioplina. U suradnji s energetskim društvom EnBW Vertrieb GmbH razvijen je plan prema kojem se postrojenje moglo proširiti, a bioplina bi bilo dovoljno da se omogući pročišćavanje bioplina u biometan, koji bi se utiskivao u lokalnu plinsku mrežu. To je podrazumijevalo nov način upotrebe lokalne plinske mreže niskog pritiska na mjestu utiskivanja, uz izvoz viška plina putem mreže niskog pritiska u plinsku mrežu srednjeg pritiska. 6.0 OPIS POSTROJENJA Sirovine za postrojenje za anaerobnu digestiju (anaerobnu razgradnju) uzgajaju se na farmi vlasnika / operatora postrojenja od 500 hektara. Osnovna sirovina je silaža cijele biljke kukuruza i pšenice, a koristi se i mala tonaža silaže trave. Jedan dio farme, tj. 70 ha, služi i za uzgajanje zimske pšenice i kukuruza u rotaciji, također za upotrebu u vidu sirovine. Ukupna proizvodnja sirovina iznosi približno 20 000 tona silaže godišnje. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 28 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan 6.1 Pred-tretman Prije skladištenja sirovine se sjeckaju na čestice veličine približno 10 mm. Sirovina se skladišti u pokrivenom navoznom silosu na licu mjesta, a približno 50 t sirovine dnevno dodaje se u automatizirani dopremni mehanizam za čvrste tvari, koje prenosi sirovinu u primarne digestore. Površinska voda koja otječe iz navoznih silosa i postrojenja za digestiju prikuplja se u podzemnom betonskom spremniku kako bi se osigurala sva potrebna procesna voda za postrojenje za digestiju. Slika 1 Sirovina od silaže kukuruza, zimske pšenice i trave na navoznom silosu Slika 2 Automatizirani dopremni mehanizam za čvrste tvari 6.2 Anaerobna digestija (anaerobna razgradnja) Trenutačna konfiguracija postrojenja razvila se nakon izgradnje izvornog postrojenja 2005. godine i obuhvaća više spremnika raznih konstrukcija i volumena. Izvorno postrojenje iz 2005. izgradilo je društvo Lipp GmbH i načinjeno je od nehrđajućeg čelika s dvostrukim prijevojem. Kasnije je društvo Novatech GmbH dodalo spremnik betonske konstrukcije. Godine 2010. operator postrojenja dovršio je širenje postrojenja, koje je obuhvatilo izgradnju dodatnih betonskih digestora i spremnika za skladištenje digestata. Postrojenje za anaerobnu digestiju sada stoga ima dva primarna digestora obujma 1600 m3 i 1200 m3. Primarni digestori obuhvaćaju jednu novu posudu od betona, koju je 2010. izgradio operator postrojenja, i posudu od betona koju je prije širenja izgradilo društvo Novatech GmbH. Baza obje posude nalazi se približno dva metra ispod razine zemlje kako bi se smanjili visina spremnika i gubitak topline. Novija posuda opremljena je krovnim sustavom za skladištenje plina od fleksibilne dvostruke membrane. Oba primarna digestora rade na približno 40-45 °C, a miješanje je mehaničko. Mikronutrijenti, među kojima su kobalt, mangan i selen, dodaju se u digestore svakodnevno. Također se dodaju željezne soli kako bi se putem precipitacije sumpora smanjio sadržaj H2S u bioplinu. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 29 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Svakom primarnom digestoru slijedi po sekundarni digestor (1100 m3 i 1000 m3), koji se također zagrijavaju na 37-40 °C i imaju mehaničko miješanje. Izvorni spremnici koje je sagradilo društvo Lipp GmbH sada se koriste kao sekundarni digestori. Slika 3 Tri razvojne etape (i) Otraga lijevo, Lipp GmbH, (ii) Ispred, spremnik vlastite izrade, (iii) Otraga na sredini i desno, Novatech GmbH 6.3 Slika 4 Separator čvrstih tvari iz digestata Digestat Materijal se iz sekundarnih digestora prenosi u dva betonska spremnika za skladištenje digestata (2000 m3 i 2600 m3), sagrađena 2010. godine. Oni nisu grijani, ali imaju krovove od fleksibilne dvostruke membrane za skladištenje plina za postrojenje. Procjenjuje se da 2-3% ukupne proizvodnje plina potječe iz bioplina generiranog u samim spremnicima za skladištenje digestata. Ukupno vrijeme zadržavanja u cijelom sustavu (primarni digestor – sekundarni digestor – skladište digestata) iznosi približno 130 dana. Miješani digestat separira se na čvrsti i tekući dio. Tekući dio skladišti se na licu mjesta u pokrivenom spremniku, prije upotrebe na farmi u vidu gnojiva. Separirane čvrste tvari prodaju se susjednim farmerima koji ih koriste kao sredstvo za kondicioniranje zemlje. 6.4 Proizvodnja i uporaba bioplina Ovo postrojenje za anaerobnu digestiju proizvodi bioplin tempom od približno 500 m3 na sat, pri čemu je sadržaj metana približno 52 – 54%. U izvornoj konfiguraciji (iz 2005), bioplin se koristio u dva kogeneracijska (CHP) postrojenja (170 kWel i 250 kWel), premda se toplina iz kogeneracijskih postrojenja nije koristila ni za što drugo osim za grijanje digestora. Stoga je, kako bi se maksimiziralo korištenje bioplina proizvedenog u postrojenju, pored objekta za AD izgrađeno postrojenje za pročišćavanje bioplina. Kogeneracijsko (CHP) postrojenje je ostalo i može se upotrijebiti u slučaju da postrojenje za pročišćavanje nije dostupno (npr. u tijekom održavanja ili popravaka). Postrojenje za pročišćavanje bioplina projektiralo je i vodi društvo EnBW Vertrieb GmbH. Društvo je u tom smislu potpisalo ugovor s operatorom AD postrojenja, koji će postrojenju za pročišćavanje nabavljati navedenu količinu i kvalitetu bioplina po ugovorenoj cijeni. Postrojenje za pročišćavanje isporučilo je društvo Schmack Carbotech GmbH. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 30 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Slika 5 Jedno od dva kogeneracijska (CHP) postrojenja instalirana kao dio izvorne konfiguracije, a koja se sada rabe samo kao rezervno rješenje Slika 4 Pogled izvana na postrojenje za pročišćavanje bioplina, pušteno u pogon 2010. godine Sirovi bioplin u postrojenje za pročišćavanje ulazi kroz posudu za skladištenje od 3 m3, koja je na nekoliko milibara manje od atmosferskog pritiska. Bioplin se zatim komprimira na 6 bara, nakon čega je temperatura plina približno 86 °C. Plin se rashlađuje s 86 °C na 46 °C pomoću cijevnog (ljuska u ljusci) izmjenjivača topline plin/plin. U drugoj etapi, izmjenjivač topline s vodenim hlađenjem zatim rashlađuje bioplin s 46 °C na 23°C, prije nego što izmjenjivač topline s hlađenjem na sredstvo za hlađenje ohladi plin s 23 °C na 6 °C, kako bi se dobio osušeni bioplin. Osušeni bioplin zatim se zagrijava na približno 46 °C pomoću protustruje iz izmjenjivača topline iz prve etape. Nakon toga, osušeni bioplin prolazi kroz filtar od aktivnog ugljena u cilju uklanjanja sumporovodika, uz pritisak od približno 5 bara. H2S se precipitira na filtru od ugljena kao elementarni sumpor i procijenjeno je da će se aktivni ugljen trebati mijenjati približno svake dvije godine. Kako bi se maksimizirala učinkovitost filtra od aktivnog ugljena, u plinsku mješavinu dodaje se malo (približno 300 l/h) zraka. Nakon desulfurizacije temperatura plina opet se smanjuje na 26 °C jer je ustanovljeno kako je to optimalna radna temperatura za korištenu tehnologiju separiranja CO2 / CH4, apsorpciju s varijacijama tlaka (Pressure Swing Absorption, PSA). U postrojenju se koristi 6 posuda za PSA ispunjenih materijalima molekularnog sita od aktivnog ugljena (Carbotech AC GmbH). Plin ulazi pri dnu posude i stlačuje se na malo više od 5 bara. Molekule CH4 prođu kroz materijal molekularnog sita, čime se postiže da plin s visokim sadržajem CH4 izlazi na vrhu posude za PSA. Molekule CO2 zadržavaju se u molekularnom situ, ali se otpuste kad se pritisak smanji te stvaraju plin bogat CO2 koji izlazi na dnu posude. Postrojenje ima ukupno 6 posuda koje rade u tri para, tako da dvije posude povećavaju pritisak, dvije rade pod punim pritiskom i generiraju biometan, a dvije smanjuju pritisak da generiraju otpadni plin (offgas) bogat CO2. Na taj način postiže se konstantna proizvodnja biometana. Svakom paru posuda potrebno je približno 230 sekundi da prođu kroz ciklus povećavanje pritiska – proizvodnja – smanjivanje pritiska. Sadržaj CH4 u proizvedenom plinu nadzire se i ako njegova kvaliteta ne zadovoljava nužni uvjet, proizvedeni plin može se reciklirati kroz sustav za PSA. Postrojenje ima kapacitet za proizvodnju maksimalno 320 m3 biometana na sat, uz sadržaj CH4 od 98%, pa ga stoga trenutačno ograničava proizvodni kapacitet postrojenja za anaerobnu digestiju (500 m3 / h sirovog bioplina). Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 31 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Biometan generiran u postrojenju skladišti se u rezervoar pri pritisku od 4,2 bara. Nakon toga plin se odorizira i mjeri se njegova kvaliteta pomoću ugrađenog plinskog kromatografa koji mjeri CH4, CO2, H2S, H2 i O2. Obujam biometana koji izlazi iz postrojenja mjeri se brojilom. Biometan se utiskuje u lokalnu plinsku mrežu niskog pritiska (500 do 800 milibara), koja je u vlasništvu i kojom upravlja društvo EnBW Gasnetz GmbH, te koja opskrbljuje približno 300 krajnjih korisnika, uključujući domaćinstva i industrijske korisnike. Udaljenost do mreže niskog pritiska iznosi približno 800 m. Korisnici te mreže niskog pritiska kupuju plin na osnovi obujma u kombinaciji s njegovom kalorijskom vrijednošću (kalorijska vrijednost mjeri se svake 3 minute i izračunava se mjesečna prosječna kalorijska vrijednost). Budući da obični prirodni plin u plinskoj mreži ima kalorijsku vrijednost od približno 11,3 kWh/m³, dok je kalorijska vrijednost utisnutog biometana maksimalno svega 10,85, prirodni plin koji ulazi u mrežu niskog pritiska miješa se s malim obujmom atmosferskog zraka kako bi se njegova kalorijska vrijednost smanjila na 10,85 kWh/m³. Standardna praksa u Njemačkoj i drugdje bila bi da se poveća kalorijska vrijednost biometana kako bi odgovarala onoj prirodnog plina, i to dodavanjem ukapljenog naftnog plina (liquified petroleum gas, LPG), primjerice propana, no u Emmertsbühlu se smanjuje kalorijska vrijednost prirodnog plina kako bi se uštedjelo na trošku za LPG. Mali broj industrijskih korisnika upotrijebi velik omjer plina iz mreže niskog pritiska, no kad se potražnja tih korisnika smanji (naime svaki vikend), mreža niskog pritiska nema dovoljno kapaciteta da prihvati sav plin koji isporučuje postrojenje u Emmertsbühlu. Tada se tok plina preusmjerava prema spoju između mreže niskog pritiska i mreže visokog pritiska (40 bara). Ovdje drugo postrojenje komprimira plin iz mreže niskog pritiska na 40 bara i dodaje LPG kako bi se taj plin standardizirao s onim koji se već nalazi u mreži srednjeg pritiska. Plin u mreži niskog pritiska (tj. biometan) zatim se utiskuje u cjevovod srednjeg pritiska. Slika 5 Rezervoar za sirovi bioplin (sprijeda lijevo), x2 filtra od aktivnog ugljena (sredina desno), spremnik za skladištenje biometana (otraga lijevo) Slika 6 PSA jedinica za separiranje CH4 / CO2 od šest posuda U tvornici se nalazi baklja za spaljivanje plina, koja se rabi u slučaju da se biometan ne može utisnuti u plinsku mrežu. Pored toga, kao što je ranije opisano, u slučaju kad je postrojenje za pročišćavanje nedostupno (npr. tijekom održavanja), bioplin se može upotrijebiti u kogeneracijskim (CHP) postrojenjima u tvornici. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 32 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Prema konvencionalnom modelu biometan bi se utiskivao izravno u mrežu srednjeg pritiska od 40 bara kako se ne bi premašio kapacitet mreže niskog pritiska. Međutim, prednosti modela koji se ovdje koristi su sljedeće: 1. Duljina novih cijevi smanjena je na 800 m, dok bi novi spoj s cjevovodom za srednji pritisak zahtijevao približno 5 km novih cijevi. 2. Troškovi komprimiranja znatno su smanjeni. Većina bioplina odlazi u mrežu pod 500 do 800 milibara, a samo je vikendima potrebno komprimirati višak plina na 40 bara. 3. Dodavanje propana također je smanjeno jer se većina plina upotrijebi u mreži niskog pritiska, koja radi pri smanjenoj kalorijskoj vrijednosti. Samo plin koji se utiskuje u mrežu srednjeg pritiska zahtijeva dodavanje propana, kako bi se dosegla kalorijska vrijednost prirodnog plina u tom cjevovodu. Taj pristup znači da bi se ovo postrojenje za pročišćavanje bioplina (ili drugi obnovljivi izvori plina) moglo navesti kao primjer na mjestima koja su prethodno smatrana neprikladnim zbog ograničenog kapaciteta lokalne plinske mreže. 6.5 Tretiranje emisija (voda, otpadna voda, ispušni zrak) Otpadni plin (offgas) bogat CO2 iz postrojenja za PSA i dalje sadrži približno 2-4% CH4 pa se stoga ne može ispustiti izravno u okoliš. U postrojenju Emmertsbühl, vakuumska pumpa prenosi taj otpadni plin u malu posudu za skladištenje, nakon čega se on komprimira te se zatim spali u gorioniku posebno projektiranom za spaljivanje goriva niske kalorijske vrijednosti (eflox GmbH). Kako bi se postigla stabilna vatra, također su potrebni komprimirani zrak i mali obujam sirovog bioplina. Gorionik za otpadni plin generira približno 115 kW toplinske energije. Od toga se oko 100 kW upotrijebi za grijanje digestora AD postrojenja, a preostalih 15 kW upotrijebi se za općenito grijanje tvornice. Otpadni plin iz gorionika tretira se katalitičkim oksidansom. 6.6 Vizualni / lokalni utjecaj Nije opisan nikakav neugodan vizualni utjecaj postrojenja. Napominje se da se većina pomoćnog postrojenja nalazi u čeličnim kontejnerima sukladnim ISO standardu. 7.0 POTROŠNJA ENERGIJE, TROŠAK I EKONOMIJA 7.1 Bilanca energije Potreba za električnom energijom u digestorima Potreba za električnom energijom u postrojenju za pročišćavanje Električna energija proizvedena u CHP postrojenju (samo rezerva) Nepoznato ~105 do 115 kW 420 kW Potreba za toplinom u digestorima Potreba za toplinom u postrojenju za pročišćavanje Toplina generirana u gorioniku za otpadni plin 110 kW Nema 150 kW Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 33 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan 7.2 Trošak i ekonomija Ovo postrojenje za pročišćavanje i konfiguracija modela utiskivanja u mrežu velikim su dijelom omogućeni zahvaljujući zakonskoj obavezi energetskih društava da svojim klijentima pružaju obnovljivu energiju, te načinu na koji je energetska industrija strukturirana i regulirana u Njemačkoj. Prije svega, projektant postrojenja za pročišćavanje bioplina (EnBW Vertrieb GmbH) morao je s proizvođačem bioplina ugovoriti opskrbu postrojenja za pročišćavanje zajamčenim obujmom i kvalitetom sirovog bioplina godišnje. Sklopljen je ugovor na 20 godina za dobavljanje 20 do 24 milijuna kWh (približno 3 600 000 m3 sirovog bioplina) godišnje. Operator postrojenja za bioplin i sam se morao uvjeriti da dobiva poštenu cijenu za generirani plin, s obzirom na to da je morao pokriti trošak proizvodnje sirovina (silaža kukuruza, trave i zimske pšenice), kao i dodatni kapitalni trošak širenja postrojenja. Projektant postrojenja za pročišćavanje zatim je morao pregovarati s vlasnikom i operatorom plinske mreže (EnBW Gasnetz GmbH) kako bi se ustanovio optimalni model utiskivanja u plinsku mrežu. U ovom slučaju, trošak dodatnog postrojenja za kompresiju i kalorijsko podešavanje na spoju niski – srednji pritisak također je morao pokriti operator plinske mreže. Procijenjeni kapitalni trošak bio je 1,8 milijuna eura. On se morao usporediti s alternativom, koja je bila sagraditi 5 km cjevovoda direktno do mreže srednjeg pritiska umjesto 800 m potrebnih za spoj s mrežom niskog pritiska. Slika 7 Shema koja pokazuje spoj s mrežom Izvor: J. Darocha, EnBW Vertrieb GmbH, travanj 2012 Tek nakon što su ti ugovori bili sklopljeni projektant postrojenja za pročišćavanje bio je u poziciji da nabavi postrojenje za pročišćavanje. Investicijski trošak iznosio je približno 3 milijuna eura (uključujući zgrade i temelje). Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 34 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Projektant postrojenja za pročišćavanje također se morao osigurati da će tržište plaćati primjerenu cijenu za proizvedeni biometan. U Njemačkoj ne postoji direktna poticajna mjera za utiskivanje biometana u plinsku mrežu, pa sve troškove na koncu moraju pokriti korisnici. U Njemačkoj postoje samo poticajne mjere za električnu energiju proizvedenu iz obnovljivih izvora (npr. sunce, voda, vjetar i biomasa, uključujući bioplin). U ovom slučaju, većinu proizvedenog biometana iskoristi malen broj industrijskih krajnjih korisnika, koji taj biometan upotrebljavaju u kogeneracijskim (CHP) postrojenjima za proizvodnju električne i toplinske energije, tako da profitiraju od poticajnih mjera plaćenih za dopunjavanje električne energije u javnu mrežu, dok toplinsku energiju koriste za svoje proizvodne procese. Operator postrojenja za pročišćavanje procijenio je (u travnju 2012) proizvodne troškove biometana u Njemačkoj na sljedeći način: Cijena koštanja sirovog bioplina Cijena koštanja počišćivanja Ukupna cijena koštanja biometana 5,0 – 6,5 €c / kWh 1,8 – 1,0 €c / kWh 6,8 – 7,5 €c / kWh To se uspoređuje s graničnom cijenom (tj. bez poreza, profita itd.) prirodnog plina koji se uvozi u Njemačku, od približno 2,73 €c / kWh. Operator postrojenja za pročišćavanje procjenjuje da je za korisnika cijena koštanja pri kupovanju 100% biometana približno dvostruka od cijene koštanja pri kupovanju prirodnog plina. Korisnici ne kupuju plin proizveden u postrojenju Emmertsbühl fizički, ali mogu kupovati zeleni plin virtualno. Kako bi bilo sigurno da je bilanca između utisnutog i prodanog biometana uravnotežena, količine biometana certificira Njemačka energetska agencija (German Energy Agency). Korisnici dakle imaju mogućnost kupiti određenu vrijednost ili određeni postotak svoje potrošnje plina u vidu biometana. Primjerice, krajnji korisnik može željeti da zamijeni 30% svoje ukupne potrošnje plina biometanom, pa stoga od dobavljača energije (EnBW Vertrieb GmbH) kupuje plin koji se sastoji od 30 posto biometana i 70 posto običnog prirodnog plina. 8.0 RASPRAVA I ZAKLJUČAK Ova studija slučaja demonstrira nekoliko stvari. Kao prvo, pokazuje da je tehnologija za generiranje sirovog plina i njegovo pročišćavanje u biometan, u ovom slučaju putem PSA, lako dostupna. Uz 70 postrojenja za pročišćavanje samo u Njemačkoj (podatak od travnja 2012) to nije ništa novo, premda je za sada većina postrojenja za pročišćavanje spojena s većim postrojenjima za AD i ima dobar pristup mreži, pa ekonomija razmjera njihov razvoj čini jednostavnim. Što je još važnije, ova studija slučaja ističe način na koji je pregovaranje između više strana, poduprto zakonskim i regulativnim okvirom koji omogućuje određenu fleksibilnost, omogućilo razvoj inovativne sheme, u kojoj se plin koji teče lokalnom plinskom mrežom niskog pritiska može preusmjeriti tako da opskrbljuje plinom mrežu srednjeg pritiska tijekom razdoblja niske potražnje. Ona ujedno demonstrira da se to može postići ekonomično, uz troškove za krajnje korisnike i vrijeme isplativosti investitorima unutar prihvatljivih granica. Time se otvara mogućnost razvijanja postrojenja za pročišćavanje na lokacijama koje su prethodno smatrane suboptimalnim. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 35 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan LOKACIJA: ZALAVÍZ WATERWORKS COMPANY (VODOVODNO DRUŠTVO ZALAVÍZ), MAĐARSKA 9.0 UVOD / PREGLED Ovo postrojenje za proizvodnju bioplina / biometana nalazi se u postrojenju za tretiranje otpadne vode koje obrađuje otpadnu vodu iz Zalaegerszega, velike konurbacije na jugozapadu Mađarske. Tvornica za tretiranje zauzima područje od približno jednog hektara i ne upotrebljava spremnik za pročišćavanje, nego se služi trofaznim Phoredox (A2/O) procesom tretiranja aktivnog mulja. To je slično konvencionalnom sustavu aktivnog mulja s anaerobnom zonom ispred aerobnog bazena, no uključuje i dodatnu anoksičnu zonu koja slijedi anaerobnoj zoni. Anaerobni digestori bili su instalirani radi obrade viška aktivnog mulja i pušteni su u pogon u prosincu 2009. Postrojenje za tretiranje otpadne vode (uključujući postrojenje za digestiju) projektiralo je društvo UTB Envitotech Company Ltd, a sagradilo društvo Ökoprotech Ltd. Postrojenje tretira približno 50 000 – 60 000 m3 viška aktivnog mulja koji se stvara na licu mjesta i kanalizacijskog mulja dopremljenog iz drugih lokalnih postrojenja za tretiranje otpadnih voda. Bioplin proizveden u tom postrojenju može se rabiti za proizvodnju električne energije, topline (putem kogeneracijskog (CHP) postrojenja) i može se pročišćivati da se proizvede biometansko gorivo za motorna vozila. Postrojenje za pročišćavanje pušteno je u pogon 2010 i koristi se tehnologijom za pranje (scrubbing) vode koju je projektiralo društvo DMT Enviromental Technology iz Nizozemske, a lokalno je nabavlja Ökoprotec Ltd. Tehnologiju za punjenje goriva pružio je Fornovogas iz Italije. Razlog za razvoj postrojenja za pročišćavanje bio je smanjivanje prisutnosti kontaminanata u sirovom bioplinu kako bi se produljio radni vijek plinskih motora. Instalacija jedinice za pročišćavanje usto je omogućila diversifikaciju krajnjih upotreba, u koje se uključilo i gorivo za motorna vozila. Postrojenje za pročišćavanje i crpna postaja za gorivo zauzimaju površinu od približno 500 m2. 10.0 OPIS POSTROJENJA Postrojenje za anaerobnu digestiju (anaerobnu razgradnju) projektirano je za obrađivanje približno 50 000 – 60 000 tona viška aktivnog mulja i normalnog kanalizacijskog mulja godišnje, generiranih na licu mjesta u općinskom postrojenju za tretiranje otpadne vode te dopremljenih iz drugih lokalnih postrojenja za tretiranje otpadne vode, maksimalno udaljenih 30 km od postrojenja za AD. Dva uzorka sirovina uzimaju se svaki tjedan i analiziraju u vanjskom laboratoriju na tjednu promjenu sadržaja ukupnih čvrstih čestica (total solids, TS), hlapljivih čvrstih čestica (volatile solids, VS), ukupnih Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 36 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan ugljikohidrata, ukupnih masnoća, ukupnih proteina, teških metala i iona lakih metala. Analiza se provodi sukladno lokalnim standardima (MSZ 318-3 :1979, Mađarska). 10.1 Pred-tretman Ova tvornica nema mogućnost skladištenja sirovina na licu mjesta. Mulj generiran u njoj i dopremljeni mulj usmjeravaju se izravno u proces, bez ikakvog pred-tretmana. 10.2 Anaerobna digestija (anaerobna razgradnja) Postrojenje za anaerobnu digestiju sadrži dva digestora željezno-betonske konstrukcije, izolirana s 15 cm polistirena i prekrivena oblogom za zaštitu od vremenskih uvjeta. Svaki digestor ima obujam od 1460 m3, što daje ukupni obujam digestora od 2920 m3. Proces digestije odvija se na mezofilnim temperaturama (36 – 38 °C). Toplinu za proces pruža toplina izgubljena iz plinskih motora i kotlova na licu mjesta, koja se u proces dovodi putem cijevi u izmjenjivačima topline voda iz cijevi/mulj. Materijal u digestorima miješa se mehanički (Scaba miješalice), a pogonski motori montirani su na krov digestora. Mulj se također miješa recirkuliranjem. Kanalizacijski mulj ulazi u proces digestije s približno 5% čvrstih čestica u ukupnom sadržaju (uz 70% hlapljivih čestica), a proces ima hidraulično vrijeme zadržavanja od 20 dana. Mulj se kontinuirano usmjerava u spremnike za digestiju putem pumpe na Arhimedovu spiralu. Monitoring procesa digestije odvija se prikupljanjem sljedećih podataka: Parametar Frekvencija Uzorkovanje Temperatura Kontinuirano Automatsko - Postrojenje Odmah pH Kontinuirano Automatsko - Postrojenje Odmah Ukupne čvrste čestice Tjedno Ručno MSZ 318-3 Laboratorij :1979 (Mađarska) Sljedeći mjesec Stopa organskog unosa (kg Tjedno VS / m3.d) Ručno MSZ 318-3 Laboratorij :1979 (Mađarska) Sjedeći mjesec Hlapljive (HMK) Ručno MX-7:2008 (Mađarska) Sjedeći mjesec Task 4.2.1 TUV masne kiseline Tjedno Metoda Lokacija Laboratorij Vrijeme do rezultata RUJAN 2012 Str. 37 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan 10.3 Digestat Spremnik za skladištenje digestata od 500 m3 nalazi se u tvornici. Digestirani mulj sadrži ukupno 3,8% čvrstih čestica i digestat se mehanički miješa unutar spremnika za skladištenje kako bi se spriječila sedimentacija. Skladištenje digestata ne uključuje prikupljanje rezidualnog bioplina. Separacija čvrste/tekuće faze digestata provodi se putem cilindričnog kompresora (za prekompresiju), nakon kojeg slijedi centrifuga mulja (za dehidraciju), koju je proizveo Alfa-Laval. Time se proizvelo približno 35 000 – 40 000 m3 / godišnje efluenta u tekućoj fazi i 8000 – 10 000 tona / godišnje rezidualnih čvrstih tvari, sa sadržajem suhe tvari od približno 20%. Čvrsti materijal transportira se u kamionima od 9m3, dva do tri puta na dan, do objekta za skladištenje mulja koji se nalazi na približno 5 km od postrojenja. Materijal se na kraju iskorištava na poljoprivrednoj zemlji na kojoj se proizvodi krmno bilje, sukladno državnom zakonu (50/2001 (IV.3) Uredba vlade, Mađarska). Krajnji korisnici materijala izvijestili su da je rezultat korištenja tog proizvoda umjesto umjetnog gnojiva povećanje od 30-40% u proizvodnji tog bilja. Digestat u tekućoj fazi obično se ne može direktno tretirati u postrojenju za tretiranje otpadne vode zbog visoke koncentracije amonijaka. Stoga je, kako bi se ta tekućina tretirala na prihvatljivu razinu, instaliran proces DEaMONifikacije (DEMON) za uklanjanje dušika. To postrojenje, pušteno u pogon 2010. godine, ima kapacitet za tretiranje konverzije NH4 – N od 160 m3 / dan, što je ekvivalentno približno 160 kg / dan. U procesu se koristi višefazni proces biološke denitrifikacije, koji je razvilo Sveučilište u Innsbrucku (Austrija). Nitrificirajuće bakterije u prvoj fazi oksidiraju jedan dio amonijaka u nitrit. Druga skupina bakterija upotrebljava taj nitrit i preostali amonijak da proizvede plin dušik, koji se oslobađa iz tekućine. Denitrifikacija digestata smanjuje koncentraciju amonijaka s približno 800 – 1000 mg/l na približno 100 mg/l, što omogućuje da se oko 150 m3 digestata recirkulira natrag kroz proces tretiranja. Na digestatima se vrši monitoring sljedećih parametara: Parametar Frekvencija Uzorkovanje Hranjive tvari i elementi u 3 puta Ručno tragovima godišnje Metoda MSZ Lokacija Vrijeme do rezultata Laboratorij Sljedeći mjesec MSZ 318 Laboratorij (Mađarska) Sljedeći mjesec MX-7:2008* Sljedeći mjesec (N, P, S, Fe, Co, Ni, Mo, Se, Cr, Pb, Mg, Mn) g / kg TS N / kg FM digestata Hlapljive (HMK) Task 4.2.1 TUV masne Tjedno kiseline Svaka tjedna Ručno dva Ručno Laboratorij RUJAN 2012 Str. 38 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan * Napomena: MX-7:2008 je metoda specifična za tvornicu koju je akreditirao laboratorij postrojenja. 10.4 Proizvodnja i upotreba bioplina Procesom digestije proizvede se približno 1000 – 1200 m3 bioplina na dan. On se može upotrijebiti ili za proizvodnju električne energije i topline, ili se može pročistiti te koristiti kao gorivo za motorna vozila. Podrazumijeva se da to predstavlja približno 30% ukupnog proizvodnog kapaciteta tog postrojenja za AD. Razlog za taj smanjeni kapacitet jest to što je protok otpadne vode kroz postrojenje za tretiranje manji nego što je bilo predviđeno, zbog čega je manji i unos djelomično stabiliziranog mulja u digestore. Sirovi bioplin sadrži približno 68,94% metana, 31,02% ugljičnog dioksida i 0,4% dušika, a skladišti se na licu mjesta u balonu za skladištenje plina od 1,000 m3 (koji je proizveo Satler). Prije upotrebe, plin se suši i komprimira na približno 60 mbar. Pojedinosti vezane uz postrojenje za generiranje električne energije i kotlove koji koriste bioplin nisu bile dane, međutim poznato je da proizvodnja električne energije u objektima za njezino generiranje iznosi približno 1200 – 1700 kWh/dan. Pročišćavanje bioplina obuhvaća dva primarna procesa. Kao prvo, koncentracije sumporovodika smanjuju se s približno 75 mg/m3 u sirovom bioplinu na <1,5 mg/m3 putem apsorbenta od aktivnog ugljena. Taj materijal ugljena nije bilo potrebno zamijeniti od početka rada 2010. godine. Slika 1: Jedinica za pročišćavanje bioplina u spremniku od ISO čelika Slika 2: skladištenje biometana pri 200 bar Kao drugo, iz plinske struje uklanja se ugljični dioksid putem sustava za pranje (scrubbing) vodom pod pritiskom (Slika 1), koji je projektiralo društvo DMT Enviromental Technology iz Nizozemske, a lokalno ga nabavlja Ökoprotec Ltd. Postrojenje ima kapacitet od 50 Nm3 / h. Taj sustav obuhvaća recirkuliranje procesne vode kako bi se minimizirala ukupna potrošnja vode. Izviješteno je da je ukupna potrošnja vode 2011. godine bila 60 m3. Nakon pročišćavanja plina, kvaliteta plina je približno 99.15% metana i 0.85% ugljičnog dioksida. Proizvodnja biometana iznosi približno 15-20 kg na dan, što je otprilike 1,5 – 2% ukupnog bioplina koji bi se mogao proizvesti u tvornici. Pročišćeni bioplin komprimira se na 200 bara i skladišti na licu mjesta u 25 boca za skladištenje plina od 80 litara (Slika 2). Infrastrukturu za brzo punjenje goriva u motornim vozilima (Slika 3) pružio je Fornovogas iz Italije. Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 39 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Objekt se nadzire putem sustava za upravljanje koji se temelji na proizvodima webSCADA, s grafičkim korisničkim sučeljem (Slika 4). Objekt za pročišćavanje i punjenje goriva zadovoljava potrebe 10 vozila na komprimirani prirodni plin (oko 30 m3 / dan). Gubici metana iz sustava za pročišćavanje izračunati su na približno 0.1%. Slika 3: Postaja za punjenje vozila biometanom Slika 4: WebSCADA kontrolno sučelje Zbog skladištenja plina pod visokim pritiskom, postrojenje je označeno kao područje otporno na eksplozije, a obavezna je sukladnost s propisima Okružnog inspektorata za mine (District Mines Inspectorate) i Mađarskog ureda za izdavanje trgovinskih dozvola (Hungarian Trade Licensing Office). 10.5 Tretiranje emisija (voda, otpadna voda, ispušni zrak) Objekti za tretiranje otpadne vode u kojima se tretiraju tekućine separirane iz digestata opisane su iznad. U postrojenju nisu potrebni više nikakvi objekti za tretiranje emisija. 10.6 Vizualni / lokalni utjecaj Nije opisan nikakav neugodan vizualni utjecaj postrojenja. Napominje se da se većina pomoćnog postrojenja nalazi u čeličnim kontejnerima sukladnim ISO standardu. 11.0 POTROŠNJA ENERGIJE, TROŠAK I EKONOMIJA 11.1 Bilanca energije Potreba za električnom energijom u digestorima Potreba za električnom energijom u postrojenju za pročišćavanje i punjenje goriva Električna energija proizvedena u generatoru Električne energije na bioplin Potreba za toplinom u digestorima Potreba za toplinom u postrojenju za pročišćavanje i punjenje goriva Task 4.2.1 TUV 20kWh / dan 55 kWh / dan (kontinuirani rad) 1200 – 1700 kWh / dan 3600 – 6000 kWh / dan (150 – 200 kW) 0 kWh / dan RUJAN 2012 Str. 40 Prikaz tehnologije za preradu bioplina u biometan Toplina generirana u kotlu i CHP-u na bioplin 11.2 3120 kWh / dan (približno) Trošak i ekonomija Kapitalni i operativni troškovi AD postrojenja nisu bili predočeni. Kapitalne i operativne troškove objekta za pročišćavanje operator je procijenio kako slijedi: Kapitalni trošak Operativni troškovi Električna energija Godišnje testiranje i certificiranje otpornosti na eksplozije Kalibracija i carinska plaćanja Zamjena aktivnog ugljena Razno 600,000 – 700,000 Eur 1,000 Eur 13,700 Eur 1,700 Eur 6,700 Eur 1,700 Eur Lokalno održavanje objekta za pročišćavanje obavlja jedan zaposlenik. Nakon puštanja postrojenja u pogon pojavili su se manji operativni problemi, ponajprije vezani uz nastupanje hladnog vremena i aktiviranje senzora za nisku temperaturu u struji vode, međutim smatra se da je te probleme relativno jednostavno riješiti. 12.0 RASPRAVA I ZAKLJUČAK Ovo je prva postaja za punjenje vozila biometanom u srednjoj i istočnoj Europi. Planiranje tog objekta obuhvatilo je i komunikacijsku strategiju, kako bi se prikladne informacije mogle pružiti javnosti i medijima. U tom pogledu operator postrojenja, zajedno s lokalnom upravom i distributerima vozila na komprimirani prirodni plin koja se rabe u postrojenju, uvelike su pridonijeli pozitivnoj percepciji važnosti biometana i širih pitanja očuvanja okoliša u regiji. Početni razlog za razvoj objekta za pročišćavanje bio je eliminiranje kontaminanata iz struje bioplina te produljivanje radnog vijeka postrojenja za generiranje električne energije i topline u tvornici. Međutim, mogućnost upravljanja voznim parkom donijet će dodatnu ekološku i ekonomsku korist. Napominje se da operatori postrojenja trenutačno procjenjuju potencijal instaliranja jedinice za pasterizaciju u tvornicu, kako bi se u njoj omogućilo tretiranje dodatnih materijala s velikim organskim sadržajem koji sadrže životinjske nusproizvode (npr. otpad iz klaonica). Task 4.2.1 TUV RUJAN 2012 Str. 41
© Copyright 2024 Paperzz
