Mikroturbína a bioplyn

Autor: Břetislav Koč

Jednou z možností, jak přeměnit bioplyn vznikající při skládkových procesech nebo při řízené fermentaci biologického odpadu v elektrickou energii a teplo, je použití mikroturbín místo klasických kogeneračních jednotek sestavených ze soustrojí spalovacího pístového motoru a generátoru. Zájemci se mohli se zkušebním zařízením s mikroturbínou seznámit v areálu Ústřední čističky odpadních vod v Praze –Holešovicích.
Inženýr Jan Šurovský, který toto zařízení představil, se s provozem mikroturbín jako decentralizovaných zdrojů elektřiny a tepla, instalovaných nejen na čističkách odpadních vod, skládkách odpadů, ale i v zemědělských provozech, seznámil během svých cest po USA i Evropě. V České republice jsou pro podobná využití zatím využívány především spalovací motory s výkony od desítek až po stovky kW. Potenciálního zájemce pochopitelně nejdříve napadne – jaké jsou výhody a nevýhody spalovacích motorů a turbín?
Spalovací motor kontra turbína
Klasické pístové spalovací motory prošly již stoletým nepřetržitým vývojem a byly získány zkušenosti s provozem těchto zařízení i v kogeneračních jednotkách, běžná znalost provozu těchto zařízení mezi lidmi a v neposlední řadě zažité způsoby instalace a zvyk projektantů na tuto techniku. Opravdu masová produkce těchto motorů a konkurence mezi výrobci je i důvodem relativně nízké ceny těchto zařízení a vyšší účinnost. Spalovací motory však mají i stonásobně větší počet pohyblivých dílů než turbiny, a jsou proto náročnější na údržbu, náhradní díly a kontrolu stavu olejů a jejich pravidelnou výměnu, a mají při stejném výkonu až několikanásobně vyšší hmotnost než turbíny.
Mikroturbíny mají podstatně nižší emise než plynové motory. Je to dáno stabilním spalovacím procesem, který může trvat nepřetržitě několik měsíců. Naopak u motorů se jedná o nepřetržitý sled přechodových jevů – hoření je postupně v jednotlivých válcích iniciováno a ihned ukončeno. Turbíny jsou méně hlučné, nevibrují a jejich hlukové spektrum obsahuje převážně vysoké kmitočty, které se snadněji odstraňují pomocí akustických podhledů, stropů a podobně.
Turbíny jsou naopak mechanicky neporovnatelně jednodušší, mají zpravidla jen jeden pohyblivý díl – rotor, na němž jsou jak lopatková kola spalovací části, tak i vzduchového kompresoru, jakož i vysokorychlostní generátor. S tím souvisí minimální údržba a minimum náhradních dílů a nižší hmotnost i menší rozměry zařízení stejného výkonu proti spalovacím motorům stejného výkonu. Menší rozměry umožňují instalaci zařízení ve snadno přemístitelných kontejnerech nebo v mobilních zařízeních, ve stísněných prostorech nebo na střechách objektů. Zatímco vývoj spalovacích motorů se pravděpodobně blíží k hranici možností, turbíny mají další vývoj i nové aplikace před sebou. Jejich rozšíření zákonitě povede ke snížení jejich ceny na jednotku výkonu, která je zatím v porovnání s klasickými motory vyšší.

Obr. 1: Mikroturbína a bioplyn – rotor
Nejlepší je vidět

Mikroturbína Capstone C30, instalovaná pro demonstrační účely u zdroje bioplynu v areálu čističky odpadních vod v Praze, má výkon 30 kW a dosahuje 96 tis.otáček za minutu. Palivem je bioplyn s obsahem asi 62 % metanu s tlakem 4 kPa (0,04 bar). Na přívodu plynu je zařazen filtr na sirovodík (sulfan) s vrstvou aktivního uhlí, plyn je dále chlazen ve výměníku a je z něj oddělena voda, jejíž obsah v bioplynu může být 1 – 4 %. Celá sestava zařízení je následující: chladič a čištění (filtrace) bioplynu, kompresor plynu, skříň s turbínou a elektrický rozvaděč.

Protože turbína Capstone 30 kW potřebuje ve své spalovací komoře tlak plynu kolem 4 bar, je před ní zařazen odstředivý kompresor plynu. Při provozu má celé soustrojí spotřebu bioplynu s energetickou hodnotou 113 kW, na výstupu dodává 29 kW elektrické energie a přibližně 60 kW tepla. Spaliny mají na výstupu ze zařízení teplotu 270 oC. Životnost zařízení se pohybuje kolem 30 tis. hodin. Režim startu zařízení je automatický, stejně jako přifázování elektrického výkonu k síti. Instalace na Ústřední čističce odpadních vod v Praze byla především demonstrační, probíhají na ní měření, zkoušky i ověřování filtrace bioplynu, na nichž se podílí i specializovaný Ústav plynárenství pražské Vysoké školy chemickotechnologické. V reálném provozu je tato turbína, ovšem s pohonem na zemní plyn, již několik let v Českém Brodě ve firmě MTH Kolín.

Obr. 2: Mikroturbína a bioplyn – ochranná skříň (kontejner)

Obr. 3: Mikroturbína a bioplyn – vnitřní prostor mikroturbíny

Obr. 4: Mikroturbína a bioplyn – obsluha

Obecným problémem kvality bioplynu z čističek odpadních vod bývá zvýšený obsah tzv. siloxanů. Siloxany jsou důsledkem obsahu pracích prášků, saponátů, šampónů a podobných látek v komunálních odpadních vodách. Tato plynná organická látka prochází přes filtry a při spalovacím procesu z ní vzniká velmi jemná písková substance, která se usazuje ve spalovacích válcích motorů kogeneračních jednotek, v nichž tvoří obtížně odstranitelné připečené povlaky na pístech. To vyžaduje pravidelnou demontáž části motorů a namáhavé odstraňování nánosů. Pokud je palivem bioplyn ze zemědělského provozu, pocházející z organických odpadů živočišné výroby, z potravinářských provozů, z cíleně pěstované siláže a dalších zelených odpadů, problém se siloxany odpadá.

Obr. 5: Mikroturbína a bioplyn – siloxany

Možnosti využití
Na to, jaké jsou možnosti využití mikroturbíny jsme se zeptali přímo inženýra Šurovského, který své poznatky o těchto zařízeních i širších souvislostech využívání biopaliv prezentuje i ve své publikaci „Mikroturbína – energetická revoluce pro 21. století. Malý zdroj elektřiny – velký skok pro lidstvo“.
„Mikroturbíny bývají ve většině zemí nejprve instalovány na univerzitách a městských objektech – skládkách odpadů nebo čističkách odpadních vod, neboť mnohá města a státy ve vyspělých zemích dbají na slušné životní prostředí i pro další generace. Poté následují bohatší školní statky, střediska ekologické výchovy a podobně. Velmi vhodné aplikace mohou být ve sklenících, kam lze přímo pouštět mimořádně čisté spaliny. Kromě využití odpadů z provozu navíc oxid uhličitý ze spalin podporuje růst rostlin. Velmi zajímavé je využití čistých spalin z mikroturbín k přímému sušení zemědělských a potravinářských produktů. Spaliny při vhodném návrhu neohrožují zdraví obsluhy; obsahují i 18 % kyslíku. Na skládce odpadů může turbína pracovat při 35% i nižším obsahu metanu.“
Tento článek byl převzat z časopisu Alternativní energie a www.biom.cz.