Kněžice: komplexní energetické řešení

Z vlastního rozhodnutí se obci Kněžice po několikaleté pracné přípravě a po získání dotace z evropských fondů podařilo v roce 2006 nákladem 135 mil. Kč realizovat projekt s názvem Kněžice - energeticky soběstačná obec (zkráceně ESO Kněžice), který se skládá z bioplynové stanice s kombinovanou výrobou elektřiny a tepla, z kotelny na biomasu a z teplovodního rozvodu centrálního zásobování teplem v celé obci. Z uznatelných nákladů projektu 111, 6 mil. Kč bylo 83,7 mil. zaplaceno z dotace EU a 11,2 mil. bylo zaplaceno z dotace Státního fondu životního prostředí ČR. Zbytek uhradila obec. Protože však obec Kněžice není plátcem DPH, tak ve skutečnosti z celkové investice včetně DPH ve výši 135 mil. zaplatila cca 40 mil. Celý projekt byl realizován systémem generální dodávky s řadou subdodavatelů. Generálním dodavatelem celého projektu ESO Kněžice, dodavatelem rozvodu tepla v obci a dodavatelem budov pro kotelnu a pro bioplynovou stanici byla společnost Skanska CZ. Dodavatelem technologie bioplynové stanice byla firma Tomášek Servis. Železobetonové nádrže bioplynové stanice postavila společnost Wolf. Technologii kotelny na biomasu dodala Step Trutnov. Realizace stavby v Kněžicích začala na konci roku 2005, celá soustava je v provozu od podzimu 2006.

Základní údaje výroby tepla a elektřiny
Schéma soustavy výroby elektřiny a tepla v Kněžicích je na obr. 1. Bioplynová stanice s jednou kogenerační jednotkou s elektrickým výkonem 330 kW je v provozu nepřetržitě a vyrábí ze zemědělských, z potravinářských a z dalších materiálů a odpadů elektřinu na prodej do elektrizační sítě a teplo pro vytápění obce. Kotelna na biomasu se dvěma teplovodními kotli o celkovém tepelném výkonu 1200 kW je v provozu podle potřeby pouze v topném období a dodává teplo v době, kdy by přebytečné teplo ze samotné bioplynové stanice nestačilo na vytápění obce. Kotelna a bioplynová stanice jsou umístěny v obecním areálu na severovýchodním okraji obce a propojeny navzájem teplovodním potrubím a informační kabeláží. Připojeny jsou na distribuční elektrizační síť 22 kV přes trafo 0,4/22 kV. Bezkanálový rozvod tepla v celé obci a automatické předávací stanice tepla v domech zajišťují celoroční nepřetržitý přenos tepla z kotelny a z bioplynové stanice do všech připojených budov v obci. K soustavě rozvodu tepla je v Kněžicích připojeno celkem 149 domů, tedy asi 95 % celkové spotřeby tepla v obci. Celoroční spotřeba tepla připojených domů je cca 2000 MWh, neboli 7200 GJ za rok.
Vyráběná elektřina z bioplynové stanice není na rozdíl od tepla zavedena přímo do jednotlivých domů. Domácnosti a místní podniky nadále odebírají elektřinu od místně příslušné distribuční společnosti ČEZ Distribuce. Bioplynová stanice Kněžice dodá za rok do této distribuční sítě více elektrické energie, než celá vesnice a celé nové zařízení spotřebuje. Výroba elektřiny v bioplynové stanici Kněžice byla zatím v dosavadním běžném roce na úrovni cca 2400 MWh elektrické energie za rok a letos se zvýšila až na cca 2600 MWh. Vlastní spotřeba elektřiny v bioplynové stanici a vlastní spotřeba kotelny na biomasu činí přibližně 15 % z této výroby elektřiny. Čistá dodávka elektřiny z Kněžic do elektrizační sítě je v současnosti cca 2200 MWh/rok. Kněžice se svými 410 obyvateli vyrábějí průměrně 6 MWh elektrické energie na občana za rok a dodávají do elektrizační sítě za rok průměrně 5 MWh elektřiny na každého svého občana.

¤ Obr. 1. Schema soustavy CZT Kněžice s bioplynovou stanici

Bioplynová stanice
Bioplynová stanice Kněžice má jeden anaerobní reaktor - fermentor - s objemem kalové části cca 2500 m3, jeden beztlakový plynojem na bioplyn s objemem 800 m3, homogenizační jímku s objemem cca 200 m3, hygienizační a drticí linku pro tepelnou hygienizaci a drcení tuhých rizikových odpadů, dvě uskladňovací nádrže na vyfermentovaný kal s celkovým objemem 2x6600 m3 a jednu pístovou kogenerační jednotku na bioplyn s elektrickým výkonem 330 kW a tepelným výkonem 405 kW. K bioplynové stanici také patří nová trafostanice 0,4/22 kV. Bioplynová stanice má dvoustupňové odsiřování surového bioplynu. První uskladňovací nádrž je hermeticky uzavřena a bioplyn z této nádrže se také využívá v kogenerační jednotce.
Fermentor je vytvořen jako stojatá železobetonová, tepelně izolovaná nádoba o průměru 22 m a s výškou válcové části 10,5 m. Pod střechou reaktoru nad hladinou kalu je plynojem z volné plynotěsné membrány. Obsah reaktoru se pravidelně promíchává dvěma vrtulovými míchadly reaktoru a ohřívá se trvale na teplotu 40 °C. Kal je ohříván v externím výměníku tepla, teplem z kogenerační jednotky.
Hygienizační linka má uzavřený, tepelně izolovaný, teplou topnou vodou vytápěný hygienizační tank s objemem 5 m3 s míchadlem a drticí a separační linkou s dvoustupňovým drcením surovin a odpadů a s indikací ocelových předmětů v odpadu.
Homogenizační jímka má uzavíratelnou násypku a potrubní přípojku pro příjem pevných a kapalných surovin a odpadů, odsávání atmosféry z prostoru pod zastřešením jímky přes biologický filtr, dopouštění vody, míchadla a čerpadlo pro přečerpávání homogenizované směsi do fermentoru. Čerpadlo v jímce obsahuje řezací oběžné kolo pro lepší rozřezání některých jen posečených zelených surovin. Uskladňovací nádrže disponují vlastními míchadly a čerpadly pro přečerpávání substrátu do transportních cisteren při vyvážení substrátu na pole. Uskladňovací nádrže jsou železobetonové, válcové stojaté nádoby o průměru 33 m a výšce 8 m.
Fermentor bioplynové stanice pracuje v mezofilní teplotní oblasti. Hygienicky nezávadné suroviny a odpady, jako například prasečí a slepičí kejda, se zaváží přímo do homogenizační jímky a po rozmíchání s ostatním obsahem jímky se čerpají podle potřeby do fermentoru. Hygienicky rizikové odpady, například zbytky potravin z restaurací, se podle potřeby na drticí lince rozmělní, provede se jejich tepelná hygienizace při teplotě 70 °C po dobu jedné hodiny a následně se přepouští do homogenizační jímky. Denně se do bioplynové stanice zaváží průměrně 35 až 70 t surovin. Průměrná doba zdržení ve fermentoru je asi 30 až 70 dní. Ve fermentoru se působením metanogenních bakterií z každé tuny vstupních surovin uvolní asi 40 až 80 m³ bioplynu a zbytek využitých surovin odteče do uskladňovací nádrže jako hnojivo, které je skladováno v uskladňovacích nádržích. Vznikající surový bioplyn se hromadí v plynojemu nad hladinou kalu ve fermentoru a je odtud plynovým dmychadlem dopravován ke kogenerační jednotce.
První stupeň odstraňování H2S - sulfanu ze surového bioplynu (odsiřování bioplynu) je aerační, druhý stupeň je absorbční. Za účelem prvního stupně odsíření je do tohoto bioplynu v plynojemu trvale přiváděno nepatrné množství vzduchu pro sulfanredukující bakterie, které snižují obsah sulfanu v bioplynu. Volná síra z jejich činnosti zůstává v digestátu ve fermentoru. Napůl odsířený bioplyn z plynojemu prochází přes druhý stupeň odsíření, přes absorbér, v němž se obsah sulfanu v bioplynu sníží až na 20 až 100 mg/Nm3. Odloučená síra ze sulfanu zůstává na absorpční náplni v absorbéru. Náplň absorbéru se mění za novou přibližně v intervalu půl roku. Stará náplň absorbéru s odloučenou sírou se zapracovává do kompostu a využívá jako hnojivo.

Kotelna na biomasu
Kotelna má dva automatické teplovodní kotle, jeden o výkonu 800 kW na spalování slámy a jeden o výkonu 400 kW na spalování dřevní štěpky a podobného dřevního odpadu. Provozní zásobník slámy na přibližně 8 hodin nepřetržitého automatického provozu, provozní zásobník štěpky na více než jednodenní provoz. Krytý sklad paliva pojme suroviny na několik týdnů provozu kotelny, čerpací stanici pro cirkulaci topné vody v rozvodu v obci, chemickou úpravnu vody a systém udržování tlaku vody v soustavě. U kotelny je instalován tlakový teplovodní akumulátor tepla s vodním objemem 50 m³. Kotel na slámu s účinností 85 % spaluje slámu zrnin nebo energetický šťovík v suchém stavu v balících 0,8x1,2x2,5 m. Kotel při plném výkonu spálí až 225 kg slámy za hodinu.
Kotel na štěpku s účinností 84 % spaluje dřevní štěpku a podobné palivo a spálí až 170 kg štěpky za hodinu. Kotle jsou běžně v provozu pouze v topném období, když teplo z bioplynové stanice nestačí na pokrytí potřeby tepla v soustavě CZT. Přibližně polovinu spalovaného paliva tvoří méně hodnotná dřevní štěpka a polovinu sláma a energetický šťovík. Dřevní štěpku a slámu obec nakupuje přímo od několika stálých i nahodilých dodavatelů za dohodnuté ceny, závislé na kvalitě a vlhkosti dodaného paliva v přibližné výši cca 1000 Kč za tunu štěpky a 1150 Kč za tunu slámy nebo šťovíku, vše loko výtopna.
Rozvod tepla od kotelny ke všem připojeným objektům v replicas relojes rolex obci je proveden bezkanálovým předizolovaným teplovodním potrubím v celkové délce cca 6 km. Předávací stanice v zásobovaných objektech jsou tlakově nezávislé, automatické, se stálým informačním propojením do řídicího centra celé kněžické soustavy. Odběratelům v obci se letos teplo prodává v topné sezóně (od 1. října do 30. dubna) za cenu 270 Kč/GJ včetně DPH, mimo topnou sezónu za 135 Kč/GJ.
Obvyklým nedostatkem všech soustav centrálního zásobování teplem jsou tepelné ztráty potrubí rozvodu tepla. V Kněžicích je celková délka teplovodního rozvodu 6 km a ztráty teplovodu tam činí téměř 40 % celoroční dodávky tepla, protože teplovod je velmí dlouhý a spotřeba tepla ve vesnici malá. Veškeré celoroční ztráty teplovodu ovšem kryje přebytečné teplo z bioplynové stanice, které by se jinak muselo odvést do atmosféry. Teplo z bioplynové stanice dostačuje ještě v mimotopném období i k pokrytí celé užitečné spotřeby tepla u odběratelů, takže kotle na biomasu v Kněžicích nemusí být od jara do podzimu vůbec provozovány.
V Kněžicích je celková dodávka tepla do teplovodu cca 3200 MWh za rok. Z toho 2000 MWh, tedy cca 7200 GJ, je užitečná dodávka odběratelům tepla a 1200 MWh, tedy cca 38 % z celkové dodávky jsou ztráty teplovodu. Z celkové dodávky tepla 3200 MWh za rok dodá kogenerační jednotka za rok cca 1600 MWh. 1200 MWh z toho se spotřebuje na pokrytí celoročních ztrát teplovodů v soustavě rozvodu tepla a zbylých 400 MWh se ještě využije užitečně u odběratelů tepla k ohřevu teplé vody a k vytápění.

¤ Kotel na spalovani biomasy

Dodávka vyrobené elektřiny do sítě
Elektřinu vyrábí z bioplynu kogenerační jednotka Jenbacher JMS 208 GS - B.LC. Pro vlastní spotřebu celé bioplynové stanice se využije cca 17 % vyrobené elektřiny. 83 % z vyrobené elektřiny je přes trafo 600 kVA dodáváno do distribuční elektrizační sítě 22 kV. V současné době je vyrobená elektřina z bioplynové stanice Kněžice prodávána firmou PRE Praha v režimu tzv. zelených bonusů na základě smlouvy mezi PRE a Energetikou Kněžice. V roce 2008 byla celková výroba elektřiny v bioplynové stanici cca 2380 MWh za rok a dodávka elektřiny do elektrizační sítě byla 1910 MWh za rok. Přitom v roce 2008 se v létě musela provést neplánovaná střední oprava kogenerační jednotky kvůli jejímu poškození vysokým obsahem sulfanu v bioplynu. Roční výroba elektřiny a dodávka elektřiny z bio- plynové stanice do elektrizační sítě tím byla v roce 2008 snížena asi o 100 MWh. Bez vynucené odstávky výroby elektřiny by tedy v roce 2008 byla 2000 MWh za rok v původním projektovaném uspořádání bioplynové stanice.
V roce 2008 bylo provedeno hermetické zastřešení první uskladňovací nádrže především z důvodů snížení zápachu sulfanu v dodatečně uvolňovaném malém množství bioplynu z této nádrže. Bioplyn zpod zastřešení nádrže se nyní také spaluje spolu s bioplynem z fermentoru v kogenerační jednotce a celková výroba elektřiny se vlivem toho zvýšila. Nyní je tedy celková výroba elektřiny v Kněžicích cca 2600 MWh za rok a dodávka elektřiny do elektrizační sítě je cca 2200 MWh za rok.

¤ Kogeneračni jednotka s elektrickym vykonem 330 kW

Počáteční problémy
V počátečním provozu neobvyklého zařízení bylo i několik problémů, které musela obec i dodavatel řešit více či méně náročným způsobem. Původní provedení přikládacích zařízení kotlů byla náchylná na zpětné prohořívání paliva. Dodavatel kotlů v záruční době provedl úpravy a nyní kotle dosahují projektovaných parametrů. Závažným problémem byl ale velký obsah sulfanu H2S v bioplynu. Společnost Energetika Kněžice, provozovatel celého systému, z ekonomických důvodů potřebuje likvidovat v bio- plynové stanici odpady živočišného původu, na které nebyla technologie vybavena. Vysoké obsahy sulfanu v bioplynu poškodily dva spalinové výměníky i motor kogenerační jednotky. Instalované aerační odsíření nestačilo na dostatečné snížení obsahu sulfanu. V současné době je nainstalováno absorpční odsiřování bioplynu jako druhý stupeň odsíření a obsah sulfanu v bioplynu je velmi nízký, asi dvacetkrát nižší, než povolují provozní předpisy pro kogenerační jednotku. Absorpční odsiřovací technologie je navíc plně bezodpadová, odloučená elementární síra se i s absorpční náplní na bázi dřevěných pilin využívá jako součást hnojiva pro zemědělské pozemky.
V systému využití tepla v Kněžicích nebyl původně instalován akumulátor tepla, na který projekt nepamatoval a z formálních a finančních důvodů nebylo možné ho dodatečně doplnit při realizaci. Nyní je nainstalován ke kotelně teplovodní tlakový akumulátor tepla s objemem 50 m3. Tím se v přechodném a letním období odstranily stavy, kdy během noci a během poloviny dne muselo být nevyužité teplo z kogenerační jednotky odváděno přídavným chlazením do vzduchu a ráno a večer se musely roztápět kotle na biomasu, protože teplo z kogenerační jednotky nestačilo pro špičkový odběr tepla v obci.
Projekt původně rovněž nepředpokládal tak vysoký podíl biologicky rozložitelných odpadů živočišného původu ve vstupních surovinách bioplynové stanice. V současném provozu však velký podíl těchto surovin způsobuje jednak velký obsah sulfanu v surovém bioplynu a také nedostatečné rozložení těchto surovin v jediném fermentoru bioplynové stanice. Výsledkem je pokračující rozklad substrátu a uvolňování bioplynu s vysokým obsahem sulfanu ještě v první uskladňovací nádrži. Při určitém směru větru se silný zápach sulfanu šířil i do obce. Obec Kněžice zajistila dodatečné hermetické zastřešení první uskladňovací nádrže a zavedení zachyceného uvolňovaného bioplynu z nádrže také ke kogenerační jednotce. Byl tím vyřešen problém zápachu v okolí bioplynové stanice a současně se zvýšilo množství vyrobené elektrické energie.
Druhý stupeň odsíření bioplynu, instalaci akumulátoru tepla a zastřešení první uskladňovací nádrže připravila, financovala a řídila sama obec pouze s využitím spolupráce v některých technických a ekonomických otázkách s generálním dodavatelem stavby a se subdodavateli nových zařízení a úprav. Všechny tyto úpravy byly provedeny ve prospěch lepší ekonomické efektivnosti provozu. Ve všech těchto případech obec Kněžice dokázala vybrat takové technické řešení a takový dodavatelský model, že dodatečně vynaložené náklady mají velmi krátkou dobu návratnosti. Dobře se přitom osvědčilo přímé jednání mezi obcí jakožto investorem a konečným dodavatelem zařízení. Práce se tím zrychlily, zlevnily, někdy bylo nalezeno výhodnější nové řešení nebo výhodnější způsob realizace. Při spolupráci na konkrétních praktických aplikacích se také rychle zvyšuje a dobře se využívá odborná úroveň všech zúčastněných. V tomto směru mají dnes pracovníci Energetiky Kněžice a další spolupracující odborníci z řad kněžických občanů nejvyšší komplexní kvalifikaci v provozu jejich zařízení, jsou stálými iniciátory hledání a realizace výhodnějších způsobů provozu a nejlepšími oponenty při návrzích dalšího rozvoje jejich projektu.

Další možný vývoj projektu Kněžice
Dosavadní dobré zkušenosti obce Kněžice s provozem a s ekonomickým přínosem bioplynové stanice pro obec a současná nabídka dalších vhodných biologicky rozložitelných odpadů i dalších surovin pro výrobu bioplynu patrně vyústí až do dvojnásobného zvýšení výroby bioplynu v Kněžicích. Současně s tím se v Kněžicích nabízí možnost instalace kogenerační jednotky až čtyřikrát většího elektrického výkonu, než je instalován nyní (tedy cca 1200 kW nebo i větší), dále instalace většího transformátoru pro vyvedení vyrobené elektřiny do distribuční sítě a plynojemu s objemem až cca 5000 m3. To by si vyžádalo sice přibližně dvojnásobnou dodatečnou investici na pořízení než při zvýšení elektrického výkonu jen na dvojnásobek dnešního výkonu (cca 600 kW), ale ekonomická efektivnost takového řešení by byla podstatně větší. Kogenerační jednotka by pak mohla produkovat pološpičkovací elektřinu pro zájemce o tuto dražší, obvykle denní elektřinu a vyprodukovala by této elektřiny z dvojnásobku zemního plynu ještě více než dvojnásobné množství.
V roce 2007 získala obec Kněžice Evropskou cenu za energetickou efektivnost - European Energy Award. Mimo projektu ESO Kněžice byla přitom oceněna například i zvýšená efektivita veřejného osvětlení a vlastní výroba topných pelet z biomasy v obci. Toto ocenění Kněžice získaly teprve jako třetí projekt ze zemí střední a východní Evropy. V květnu 2009 se stala obec Kněžice za projekt ESO Kněžice vítězem 18. ročníku českého kola soutěže Cena zdraví a bezpečného životního prostředí v kategorii Environment.