Best practice brochure D2 - eihp.hr dobre prakse.pdf · Ovo postrojenje za proizvodnju bioplina / biometana nalazi se u poljoprivrednom kraju, približno 40 km istočno od Beča,

Best practice brochure

D2.2

Primjeri dobre prakse pročišćavanja bioplina do razine biometana

Contract Number : IEE/10/130 Deliverable Reference: D2.2

The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are

responsible for any use that may be made of the information contained therein.

STUDIJA SLUČAJA KOJA ISTIČE PREDNOSTI MONITORINGA I KONTROLE PRI

POBOLJŠANJU PERFORMANSI POSTROJENJA ZA ANAEROBNU DIGESTIJU

LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN BRUCK/LEITHA, AUSTRIJA

PROIZVEDENO KAO DIO ISPORUKE:

Promidžba biometana i njegova tržišnog razvoja putem lokalnih i regionalnih partnerstava

Projekt u okviru programa Inteligentna energija u Europi

Broj ugovora: IEE/10/130 Referenca isporuke: D2.2

Datum isporuke: svibanj 2012

Isključiva odgovornost za sadržaj ovog 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.

Uvjeti korištenja/Izjava odricanja od odgovornosti

Ova studija slučaja sadrži informacije prikupljene izravno od tvrtki, koje nisu mogle biti provjerene. Izvještavanje o komercijalnim proizvodima, njihovim izvorima i njihovoj uporabi vezano uz materijal o kojem je riječ u ovom izvještaju ne treba smatrati ni izravnim niti impliciranim promicanjem te tehnologije ili usluga. Sve slike reproducirane su uz dopuštenje postrojenja / tvrtke. Informacije u ovom izvještaju pružene su u dobroj vjeri i Partneri u Bio-methane Regions ne daju nikakve izjave u pogledu njihove točnosti ni sadržaja. Partneri u Bio-methane Regions nisu odgovorni, u mjeri u kojoj zakon to omogućuje, ni za kakve troškove ili gubitke, uključujući bilo kakvu posebnu, slučajnu, posljedičnu ili sličnu štetu ili gubitak koji su izravno ili neizravno proizašli iz uporabe ovog izvještaja ili informacija koje se u njemu nalaze. Studije slučaja nastale su nakon istraživanja / obilazaka lokacija provedenih između 2008. i 2012. godine, pa se informacije stoga odnose samo na radne uvjete u vrijeme obilaska. Neka postrojenja sada možda rade u uvjetima drugačijim od onih navedenih u studijama slučaja. Isključiva odgovornost za sadržaj ovog 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.

Autori Tim Patterson i Sandra Esteves

University of Glamorgan (Sveučilište u Glamorganu)

UoG UK

Annegret Wolf, Heinz Kastenholz i Andreas Lotz

Wirtschaftsförderungsgesellschaft des Landkreises Schwäbisch Hall mbH

(Društvo za promicanje gospodarstva okruga Schwäbisch Hall)

WFG DE

Martin Miltner i Michael Harasek

Technical University of Vienna (Tehničko sveučilište u Beču)

TUV-ICE AU

Studija slučaja koja ističe prednosti monitoringa i kontrole pri poboljšanju performansi postrojenja za bioplin / biometan – Studija slučaja br. 3 – Bruck/Leitha, Austrija

Str. 3 od 3

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 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 2 Spremnici za tekuće materijale (lijevo),

spremnik za površinsku vodu (desno)


Str. 4 od 4

Slika 3 Navozni silos za čvrste organske

materijale Slika 4 Pred-digestori (sprijeda)

2.2 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.

Slika 5 Dva primarna digestora od nehrđajućeg

čelika (desno) i sekundarni digestor sa skladištem za plin (otraga lijevo)

Slika 6 Toplinska slika primarnih digestora


Str. 5 od 5

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.


Str. 6 od 6

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

Postrojenje za pročišćavanje bioplina projektirano je i izgrađeno tijekom golema istraživačkog projekta (“Virtual biogas”:

) 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.

www.virtuellesbiogas.at) u suradnji s vodećim plinskim kompanijama,

http://www.virtuellesbiogas.at/�


Str. 7 od 7

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. 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


Str. 8 od 8

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.


Str. 9 od 9

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.


Str. 10 od 10

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.


Str. 11 od 11

Slika 18 Pogled izvana na kemijsko-

oksidativni 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)


Str. 12 od 12

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 2-4% CH4

2.5 Vizualni / lokalni utjecaj

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.

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 28,000 t/a (oko 3.3 t/h) Proizvedeni bioplin 6,800,000 m³/a (oko 800 m³/h) Utiskivanje biometana u mrežu 800,000 m³/a (100 m³/h) Potreba za strujom u AD-postrojenju 1,000,000 kWh/a (oko 120 kW) Potreba za strujom u postr. za pročišćavanje 296,000 kWh/a (oko 37 kW) Kogeneracijski proizvedena struja 12,000,000 kWh/a (oko 1,400 kW) Potreba za toplinom u AD postrojenju 1,700,000 kWh/a (oko 200 kW) Potreba za toplinom u postr. za pročišćavanje nema nema Kogeneracijski proizvedena toplina 15,000,000 kWh/a (oko 1750 kW) Toplina isporučena za grijanje okruga 10,200,000 kWh/a (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


Str. 13 od 13

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. ZAHVALE


Str. 14 od 14

Autori bi željeli zahvaliti vlasnicima i operatorima postrojenja Biogas Bruck/Leitha GmbH (DI Gerhardu Danzingeru i DI(FH) Wolfgangu Allacheru na tome što su nam omogućili pristup u postrojenje i dali dodatne informacije obuhvaćene ovom studijom slučaja.

The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.

STUDIJA SLUČAJA NAJBOLJE PRAKSE ZA OBJEKT ZA PROIZVODNJU

BIOMETANA

LOKACIJA: POSTROJENJE ZA BIOPLIN EMMERTSBÜHL, NJEMAČKA


Promidžba biometana i njegova tržišnog razvoja putem lokalnih i regionalnih partnerstava

Projekt u okviru programa Inteligentna energija u Europi


Datum isporuke: svibanj 2012




Autori

Tim Patterson i Sandra Esteves

University of Glamorgan (Sveučilište u Glamorganu)

UoG UK

Annegret Wolf, Heinz Kastenholz i Andreas Lotz

Wirtschaftsförderungsgesellschaft des Landkreises Schwäbisch Hall mbH

(Društvo za promicanje gospodarstva okruga Schwäbisch Hall)

WFG DE

Martin Miltner i Michael Harasek

Technical University of Vienna (Tehničko sveučilište u Beču)

TUV-ICE AU

Studija slučaja koja ističe prednosti monitoringa i kontrole pri poboljšanju performansi postrojenja za bioplin / biometan – Studija slučaja br. 2 – Emmertsbühl, Njemačka

Str. 3 od 3

1.0 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. 2.0 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. 2.1 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


Str. 4 od 4

2.2 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. 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

Slika 4 Separator čvrstih tvari iz digestata

2.3 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.


Str. 5 od 5

2.4 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.

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. H2

Nakon desulfurizacije temperatura plina opet se smanjuje na 26 °C jer je ustanovljeno kako je to optimalna radna temperatura za korištenu tehnologiju separiranja CO

S 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.

2 / 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


Str. 6 od 6

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). 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.


Str. 7 od 7

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

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. 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:

od šest posuda

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. 2.5 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.


Str. 8 od 8

2.6 Vizualni / lokalni utjecaj Nije opisan nikakav neugodan vizualni utjecaj postrojenja. Napominje se da se većina pomoćnog postrojenja nalazi u čeličnim kontejnerima sukladnim ISO standardu. 3.0 POTROŠNJA ENERGIJE, TROŠAK I EKONOMIJA 3.1 Bilanca energije Potreba za električnom energijom u digestorima Nepoznato Potreba za električnom energijom u postrojenju za pročišćavanje ~105 do 115 kW Električna energija proizvedena u CHP postrojenju (samo rezerva) 420 kW Potreba za toplinom u digestorima 110 kW Potreba za toplinom u postrojenju za pročišćavanje Nema Toplina generirana u gorioniku za otpadni plin 150 kW 3.2 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.


Str. 9 od 9

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). 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 5,0 – 6,5 €c / kWh Cijena koštanja počišćivanja 1,8 – 1,0 €c / kWh Ukupna cijena koštanja biometana 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,


Str. 10 od 10

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. 4.0 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. ZAHVALE Autori bi željeli zahvaliti vlasnicima i operatorima postrojenja, kao i EnBW Vertrieb GmbH, na tome što su nam omogućili pristup u postrojenje i dali dodatne informacije obuhvaćene ovom studijom slučaja.

The sole responsibility for the content of this report lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the European Union. Neither the EACI nor the European Commission are responsible for any use that may be made of the information contained therein.

STUDIJA SLUČAJA NAJBOLJE PRAKSE ZA OBJEKT ZA PROIZVODNJU

BIOMETANA

LOKACIJA: ZALAVÍZ WATERWORKS COMPANY (VODOVODNO DRUŠTVO ZALAVÍZ), MAĐARSKA


Promidžba biometana i njegova tržišnog razvoja putem lokalnih i regionalnih partnerstava Projekt u okviru programa Inteligentna energija u Europi


Datum isporuke:




Autori

Hungarian Institute of Agricultural Engineering (Mađarski institut za poljoprivredni inženjering), Tibor Vojtela

MGI HU

University of Glamorgan (Sveučilište u Glamorganu), Tim Patterson i Sandra Esteves

UoG UK

Landesenergieverein Steiermark (Štajerska energetska agencija), Sascha Flesch

LEV AU

Studija slučaja koja ističe prednosti monitoringa i kontrole pri poboljšanju performansi postrojenja za bioplin / biometan – Studija slučaja br. 1 – Zalavíz Waterworks Company, Hungary

Str. 3 od 3

1.0 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

2.0 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 ugljikohidrata, ukupnih masnoća, ukupnih proteina, teških metala i iona lakih metala. Analiza se provodi sukladno lokalnim standardima (MSZ 318-3 :1979, Mađarska). 2.1 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. 2.2 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


Str. 4 od 4

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

Metoda

Lokacija

Vrijeme do rezultata

Temperatura Kontinuirano Automatsko - Postrojenje Odmah pH Kontinuirano Automatsko - Postrojenje Odmah Ukupne čvrste čestice Tjedno Ručno MSZ 318-3 :1979

(Mađarska) Laboratorij Sljedeći

mjesec Stopa organskog unosa (kg VS / m3

Tjedno .d)

Ručno MSZ 318-3 :1979 (Mađarska)

Laboratorij Sjedeći mjesec

Hlapljive masne kiseline (HMK)

Tjedno Ručno MX-7:2008 (Mađarska)

Laboratorij Sjedeći mjesec

2.3 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.


Str. 5 od 5

Na digestatima se vrši monitoring sljedećih parametara:

Parametar

Frekvencija

Uzorkovanje

Metoda

Lokacija

Vrijeme do rezultata

Hranjive tvari i elementi u tragovima (N, P, S, Fe, Co, Ni, Mo, Se, Cr, Pb, Mg, Mn) g / kg TS

3 puta godišnje

Ručno MSZ Laboratorij Sljedeći mjesec

N / kg FM digestata Tjedno Ručno MSZ 318 (Mađarska)

Laboratorij Sljedeći mjesec

Hlapljive masne kiseline (HMK)

Svaka dva tjedna

Ručno MX-7:2008 Laboratorij * Sljedeći mjesec

*

2.4 Proizvodnja i upotreba bioplina

Napomena: MX-7:2008 je metoda specifična za tvornicu koju je akreditirao laboratorij postrojenja.

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


Str. 6 od 6

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. 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). 2.5 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. 2.6 Vizualni / lokalni utjecaj Nije opisan nikakav neugodan vizualni utjecaj postrojenja. Napominje se da se većina pomoćnog postrojenja nalazi u čeličnim kontejnerima sukladnim ISO standardu. 3.0 POTROŠNJA ENERGIJE, TROŠAK I EKONOMIJA 3.1 Bilanca energije Potreba za električnom energijom u digestorima 20kWh / dan Potreba za električnom energijom u postrojenju


Str. 7 od 7

za pročišćavanje i punjenje goriva 55 kWh / dan (kontinuirani rad) Električna energija proizvedena u generatoru Električne energije na bioplin 1200 – 1700 kWh / dan Potreba za toplinom u digestorima 3600 – 6000 kWh / dan (150 – 200 kW) Potreba za toplinom u postrojenju za pročišćavanje i punjenje goriva 0 kWh / dan Toplina generirana u kotlu i CHP-u na bioplin 3120 kWh / dan (približno) 3.2 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 600,000 – 700,000 Eur Operativni troškovi Električna energija 1,000 Eur Godišnje testiranje i certificiranje otpornosti na eksplozije 13,700 Eur Kalibracija i carinska plaćanja 1,700 Eur Zamjena aktivnog ugljena 6,700 Eur Razno 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. 4.0 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).

Documents

Best practice brochure D2 - eihp.hr dobre prakse.pdf · Ovo postrojenje za proizvodnju bioplina / biometana nalazi se u poljoprivrednom kraju, približno 40 km istočno od Beča,