Jak zlepšit práci BIOPLYNOVÉ STANICE (BPS) a ušetřit náklady na provoz
Dokud bude Slunce v naší sluneční soustavě svítit, nemusí se lidstvo obávat nedostatku energie. Obnovitelné zdroje energie jsou schopny zabezpečit lidstvu dostatek energie bez negativních vlivů neobnovitelných zdrojů energie na život na naší planetě.
OZE (obnovitelné zdroje energie) jsou zdroje podle svých charakteristických vlastností obnovitelné a tím v podstatě nevyčerpatelné. To je základní rozdíl oproti klasickým energetickým zdrojům z fosilních paliv, ale i z energie jaderné. Dnes odhadujeme bilanci OZE na Zemi následovně:
Tab. 1: Rozdělení OZE podle vzniku
Tab. 2: Bilance OZE na Zemi
Jak je z tabulky zřejmé, pokud se naučíme získávat a akumulovat energii slunečního záření nebudeme potřebovat jiný zdroj energie a lidstvo bude z hlediska potřeby energie zabezpečeno i v budoucnosti.
Zemědělství, jako jediné odvětví výroby od nepaměti využívá soustavně a cílevědomě energii slunečního záření. Ještě na počátku minulého století bylo toto výrobní odvětví zcela energeticky soběstačné a na vnějších zdrojích energií nezávislé. Byla využívána převážně lidská práce a tažná síla chovaných domácích zvířat. To byl jeden z důvodů, proč byla v zemědělství relativně velmi nízká produktivita práce. Do závislosti na vnější energii se zemědělci dostali nástupem využívání zemědělské mechanizace zejména traktorů, sklízecí techniky a elektrické energie.
Základní princip zemědělství - akumulace a transformace energie slunečního záření procesem fotosyntézy však zůstal stále stejný.
Na obr. 1 je znázorněno Z-schéma světelné fáze: přenos elektronů získaných fotolýzou vody elektronovými přenašeči za pomoci energie získané fotosystémy I a II absorbcí světla.
Reakce fotosystému II a fotosystému I dohromady umožňují přemístit 1 elektron a spotřebují 2 fotony. Na vznik jedné molekuly kyslíku je potřeba uvolnit a přemístit 4 elektrony (2 pro každý atom) a je tedy potřeba 8 fotonů (2 na každý elektron). Na syntézu jednoho molu glukózy je potřeba 6 × 8 = 48 molů fotonů, což odpovídá energii 8440,6 kJ/mol. Z glukózy se ale uvolní pouze 2884,5 kJ/mol, teoretická účinnost fotosyntézy je tedy 34,2 % (2884,4 × 100 %: 8440,6).
Energii z biomasy (získanou procesem fotosyntézy) jsme se naučili velmi efektivně získávat procesem anaerobní digesce v bioplynových stanicích.
Obr. 1: Schéma světelné fáze fotosyntézy
Bioplynové stanice současné doby můžeme rozdělit podle několika kritérií:
a) obsahu sušiny zpracovávaného substrátu na BPS (bioplynové stanice) klasické (průměrná sušina substrátů je okolo 10 % nebo tzv. BPS se suchou cestou fermentace (průměrná sušina 25 % a více)
b) podle druhu biomasy na zemědělské (cíleně pěstované rostliny, kejda, hnůj, podestýlka drůbeže) nebo tzv. odpadářské využívající biomasu z odpadů z výroby, potravinářského průmyslu nebo vytříděný organický materiál z komunálního odpadu)
c) podle teploty fermentace na BPS mezofilní s pracovní teplotou a sádkou mikroorganizmů ve fermentorech 38 - 42 °C nebo BPS pracující v termofilním režimu a s patřičnou sádkou mikroorganizmů 48 - 52 °C.
Technologií na zpracování anaerobní digescí je celá řada (v posledních letech v ČR existuje 39) firem, které nabízeli technologie BPS. Jenom velmi obtížně se dá hodnotit, která z technologií je lepší a která horší. BPS jako technologický celek je vždy originálem a to díky originálnímu složení vstupních substrátů, kterému musí být BPS dokonale přizpůsobena.
Je zřejmě zbytečné popsat procesy probíhající v průběhu anaerobní fermentace. Důležité je však uvědomit si, že každá z fází probíhá při jiném optimálním pH a jinak dlouho. Zatímco první fáze: hydrolýza, acidogeneze a acetogeneze probíhají při neutrálním nebo kyselém pH poslední fáze metanogeneze probíhá významně déle a v zásaditém prostředí.
Kvalita bioplynu je podle struktury substrátů kolísavá a zásadní, zejména z hlediska kvality bioplynu je obsah síry ve formě sulfanu H2S a obsah fosforu. U BPS odpadářského typu může činit problém kromě výše uvedených ještě obsah amoniaku nebo silikátů, které se mohou vysrážet ve spalovacím prostoru kogenerační jednotky. Proto je velmi důležité jednak sledovat kvalitu vstupních substrátů do BPS, ale také kvalitu bioplynu a zabezpečit maximální ochranu nejdražšího agregátu v BPS - kogenerační jednotky. To lze zajistit velmi kvalitně připojením obtokové filtrace k jednotce.
Obtoková filtrace CJCTM
Odstraní mechanické nečistoty, vodu, produkty odbourávání a stárnutí oleje tzv. měkké pryskyřice a kyseliny v oleji. 80 % nákladů na opravy a údržbu má důvod ve znečištěných provozních kapalinách. To dokládají nezávislé výzkumy hydraulických s mazacích systémů. Tyto náklady, které lze však vyloučit, vznikají jednak zhoršením specifických vlastností olejů, především však kvůli opotřebení následkem nečistot, ve formě pevných částic, vody a tvorbou pryskyřic a kyselin.
Nejčastějšími druhy opotřebení kogenerační jednotky jsou: eroze, abraze, kavitace, koroze, odbourávání oleje a kyseliny v oleji.
Obtoková jemná filtrace
Stabilní vysoká čistota oleje se docílí pouze kontinuální jemnou obtokovou filtrací, jako doplněk k filtrům hlavního proudění. Neboť pouze v obtoku lze rychlost průtoku přizpůsobit provoznímu fluidu. Olej při tom může proudit tělesem filtru extrémně pomalu, takže i nejmenší mikročástice se dostanou do hloubky filtračního materiálu, kde jsou zachyceny.
Ozubené čerpadlo zařízení jemné filtrace CJCTM nasává znečištěný olej z nádrže systému stroje a čerpá ho pomalu a s konstantním dodávaným množstvím skrze patronu jemné filtrace CJCTM. Olej protéká patronou radiálně zvnějšku dovnitř a odtéká vyčištěný a vysušený středem spodkem filtru, bez tlaku zpět do systému.
Manometr na víku filtru ukazuje potřebu výměny patrony. Za tímto účelem je nutno zařízení jemné filtrace CJCTM krátkodobě vypnout. Stroj při tom může zůstat v provozu.
Obr. 2: Připojení obtokové filtace na kogenerační jednotku MAN
Náklady na pořízení a likvidaci klesají
Jemná filtrace prodlužuje mnohonásobně životnost provozních kapalin. Tím klesají nejen pořizovací náklady na nové provozní kapaliny, ale také náklady na likvidaci kontaminovaných použitých kapalin jsou minimální.
Doby provozu stroje se prodlužují, produktivita stoupá
Prostoje strojů vznikají nejvíce kvůli znečištěným provozním kapalinám. Kontinuální jemná filtrace minimalizuje neplánované odstávky. Náklady na údržbu a opravy klesají, produktivní vytížení strojů stoupá.
Ochrana komponentů systému před korozí
V mnoha hydraulických i mazacích olejových systémech nelze zabránit vzniku kondenzované vody. Patrony (filtrační vložky) jemné filtrace CJCTM tuto vodu průběžně odstraňují a zabraňují tím korozi komponentů.
Prodloužení životnosti filtru hlavního proudění
Jemná filtrace odlehčuje drahé filtry hlavního proudění, které následkem toho nepotřebují častou výměnu.
Ochrana životního prostředí a zdrojů, emise CO2 klesají
Jeden litr starého oleje vytvoří při spalování emise CO2 v množství 2,6 kg. Každý litr oleje, který je déle používán, pomáhá tedy životnímu prostředí a snižuje emise CO2. Navíc šetříme již tak omezené zdroje ropy.
Příliš vody v oleji - CJCTM Filtrační odlučovače
Při větším množství vody v oleji nebo při opakujícím se vnikání vody do olejového systému představuje filtrační odlučovač CJCTM smysluplné řešení při současném vysušení oleje i filtraci. Zvlášť vyrobené patrony jemné filtrace CJCTM typu BLAT zadrží pevné znečištění a produkty odbourávání oleje, aniž by absorbovaly podíly vody. Voda se vyloučí v následném procesu v prvku koalescence. Tento proces koalescence začíná již v patroně jemného filtru CJCTM . Cestou skrze celulózové pletivo se spojují mikroskopické částečky vody do kapek.
Kapičky vody proudí s olejem laminárně prvkem koalescence a jsou přitahovány adhesivními silami, většími než u oleje, na vlákna. Prouděním jsou pomalu posunovány podél vláken, na průsečíku se setkají s dalšími kapičkami a nakonec spadnou jako velké kapky, následkem větší hustoty dolů do filtru. Vypouštění vody řídí plovákový spínač a magnetický ventil.
Při ověřovacích pokusech, které byly prováděny v Dánsku v průběhu let 2007-2008 na bioplynových stanicích firmy E. ON byly výsledky na kogenerační jednotce MAN 2842 o výkonu 300kWe následující:
1. Pokus - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 1640 provozních hodin
2. Pokus - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 1236 provozních hodin
3. Pokus - byla prodloužena výměna oleje z 547 na 2275 provozních hodin
U další kogenerační jednotky Caterpillar 3516 o výkonu 1020 kW bylo dosaženo prodloužení doby výměny oleje z 1900 na 3997provozních hodin. To vše při zajištění standardní viskozity.
Jak bylo experimentálně ověřeno, pomocí filtrační obtokové jednotky lze prodloužit životnost mazacího oleje v kogenerační jednotce 2 - 5 krát a tak významným způsobem šetřit provozní náklady, neboť jedna výměna oleje v kogenerační jednotce (o výkonu 1MWe) stojí okolo 70 tis. Kč, nehledě na přerušení dodávek elektrické energie a ztráty z nevyrobené elektrické energie.
Krátkodobé výhody režimu off - line filtrace:
• Byla zásadním způsobem prodloužena životnost maziv a to v rozsahu 2 - 5 krát.
• Zároveň byla prodloužena ve stejném rozsahu výměna mazacího oleje.
• Nižší celkové náklady na filtraci (o 50-80%).
• Snížení nákladů na údržbu zařízení.
• Minimální náklady na instalaci.
• Minimální školení vyžadované pro provoz filtrační jednotky.
• Nevyžaduje vypnutí KJ pro výměnu filtračních vložek.
Dlouhodobé výhody off-line filtrace:
• Prodloužená životnost mazaných součástí KJ.
• Prodloužená životnost oleje.
• Prodloužení životnosti provozních filtrů.
• Zkrácení prostojů v důsledku poruchy zařízení.
• Snížení dopadů na životní prostředí.
Vlastnosti CJCTM filtrační jednotky oleje
• Kompaktní, samostatně pracující a zcela oddělené od hlavního systému, s vlastním čerpadlem a motorem.
• Může pracovat 24 hodin denně, i když je hlavní systém vypnut.
• Filtrační vložka využívá hlubokou filtraci média a konzistentní hustota umožňuje jemnou filtraci, s běžnou dobou životnosti 12-18 měsíců.
• Filtrační vložka má 2,2 m2 vnější plochu povrchu, aby bylo možné filtrovat pomalým, rovnoměrným průtokem potřebným pro velmi jemnou filtraci.
• Filtrační vložka má vysokou kapacitu filtrace nečistot, v průměru mezi 5 a 7 kg (12 a 15 kg), což je důležité pro ekonomický provoz.
• Hlavní systém nemusí být vypnut, při výměně filtrační vložky.
Obr. 3: Technologické schéma malé filtrační jednotky CJCTM
Kontinuální nebo diskontinuální filtrace
Filtrace samozřejmě velmi dobře funguje při kontinuálním pracovním režimu. Rozdíl mezi kontinuální a diskontinuální filtrací názorně ukazuje následující graf.
Graf. 1: Porovnání práce obtokové filtrace v režimu komtinuálním a přerušovaném
Z grafu je patrné, že ideální je kontinuální proces čištění, při kterém olej funguje jako čisticí prostředek v motoru.
Výsledky dosažené s CJCTM OFF-LINE FILTRY C. C. JENSEN AS DENMARK:
•Zvýšená kvalita oleje a prodloužená životnost 2 - 5 krát
•Zlepšené výsledky rozboru oleje snížením obsahu polutantů
• Čistší strojní součástky a významně prodloužená životnost KJ
• Filtrační vložka filtru naplněná všemi odstraněnými neistotami
Ekonomický rozbor vhodnosti nákupu obtokové filtrace
Pro ekonomickou analýzu (byl použit výpočet pro konkrétního investora - zemědělské družstvo ve Středočeském kraji, které vlastní BPS s KJ TCG 2020 o výkonu 1MW) můžeme využít několik ekonomických ukazatelů, které nám mohou pomoci při rozhodnutí, zda toto zařízení je ekonomicky vhodné pořídit či nikoliv.
Obr.4: Obtoková fitrační jednotka CJCTM instalovaná na kogenetrační jednotce Caterpillar
Doba návratnosti
Tento ekonomický ukazatel je velmi jednoduchý, ale nebere v úvahu náklady kapitálu a inflaci. Pokud provozně uspoříme ročně jednu výměnu oleje v KJ v hodnotě 67 tis. Kč, bude KJ pracovat cca o 4 hodiny/rok déle a prodloužíme životnost KJ, můžeme počítat:
Doba návratnosti prostá: Ts= T=1TsCFT-IN= 0
• Kritérium: Ts → min Ts = 1 - 2,5 roku
Diskontovaná doba návratnosti (reálná)
• Tds= INDCF Tds= 250/261 - 250/87 = 1 - 3 roky
• Tds= T=1TsCFT1+r_T-IN= 0
• DCFT jsou roční diskontované peněžní toky investora:
• Kritérium: Tsd → min
NPV - čistá současná hodnota projektu
• Pokud investice obsahuje výnosy, volíme variantu s co nejvyšším NPV. Čistá současná hodnota je v dnešní době jedním z nejvhodnějších kritérií. Je v ní zahrnuta celá doba životnosti projektu i možnost investování do jiného stejně rizikového projektu.
• NPV= 0tDCF=0tCF(1+r)t = 0t CF1+r_t
• NPV= 1 245 423, - Kč NPV→MAX
Vnitřní výnosové procento
• T=1TžCFT1+IRR_T-IN= 0
• Kritérium: IRR MAX
• IRR= 32%
• Při celkové době životnosti investice obtokové filtrace 20 let, diskontu 3 % a ročních nákladech 30 000 Kč (což je náklad na výměnu filtračních vložek) činí IRR 32%.
Závěrečné shrnutí
Každý investor a provozovatel bioplynové stanice by měl již od prvopočátku při provozu BPS přemýšlet o dalších možnostech zlepšení provozu a o úsporách nákladů při provozování bioplynové stanice. Výše uvedený zemědělský podnik v prvém roce provozu BPS provedl výměnu oleje celkem čtrnáctkrát. To znamená, že v případě okamžitého nákupu a instalace obtokové filtrace od počátku provozu, by tato investice byla zaplacena již v prvém roce. Investor má nákupem filtrační jednotky možnost významně zlepšit práci bioplynové stanice, prodloužit životnost kogenerační jednotky, uspořit náklady na údržbu a snížením potřeby oleje ušetřit i životní prostředí.
Text: Skalda, s.r.o.
Autor: Ing. Karel Vítek, CSc.
Skalda spol. s r.o.
Zahradní 927
39165 Bechyně
Česká republika
Tel.: +420 604 48 48 23
E-mail: skalda.filtration@email.cz
Pridať komentár
Témy:
