Biometan z pražské ČOV

ABSTRACT: Prague has made a climate commitment to reduce CO₂ emissions by 45% by 2030 compared to 2010. In transport, part of the emissions reduction will be achieved by replacing fossil fuels with biomethane produced at the central wastewater treatment plant.

Biometan má být v Evropě v roce 2030 v objemu 35 miliard m3 a má nahradit tak více než 20 procent současné spotřeby zemního plynu. V ČR má potom potenciál nahradit nejméně 10 procent spotřeby fosilního plynu.

Výroba biometanu podle vnitrostátního plánu pro energii a klima představuje pro Česko možnost získání investic v hodnotě 32 miliard Kč do roku 2030. Schválená provozní podpora cílí na výrobu udržitelného biometanu, který bude buď vtláčen do plynárenské soustavy, nebo dodáván do čerpací stanice nebo výdejní jednotky pro použití v řadě oblastí od dopravy až po vytápění. Podpora bude vyplácena formou zeleného bonusu na dobu 20 let a její výši bude každoročně stanovovat Energetický regulační úřad.

SOUČASNÝ STAV

Aktuálně jsou v Česku k plynárenské síti připojené jednotky výroben biometanu, experti počítají s tím, že do roku 2030 by jich mělo být několik desítek. V rámci evropského kontinentu patří Česko mezi země s nejnižším počtem těchto zařízení. Podle odborníků je hlavním důvodem konzervativní přístup provozovatelů existujících bioplynových stanic, kteří před biometanem doposud upřednostňovali spíše kogenerační výrobu elektřiny a tepla. Hlavním zdrojem bioenergie byly dosud zemědělské, lesnické a organické odpadní suroviny. Ty jsou rovněž hlavním zdrojem bioenergie v Evropské unii. Nicméně se objevují i nové přístupy.

PRAŽSKÝ ÚSPĚCH

Praha si dala klimatický závazek snížit emise CO₂ o 45 % do roku 2030 ve srovnání s rokem 2010. Přímé úspory CO₂ chce přinést i tím, že část fosilních paliv v dopravě bude nahrazena bioplynem, resp. biometanem. Prvním krokem je letošní červnové zprovoznění první výrobny biometanu na Ústřední čistírně odpadních vod v Praze. Produkovaný biometan je vtláčen do pražské plynovodní sítě v Bubenči. Vznikl unikátní systém s maximální diverzifikací energie, respektive využití kalového plynu na ČOV.

Ústřední čistírna odpadních vod v Praze (ÚČOV Praha) je mechanicko-biologickou čistírnou s terciárním dočištěním, která čistí přibližně 96 % odpadních vod vyprodukovaných na území hlavního města Prahy, jež jsou na Císařský ostrov přiváděny městskou kanalizací. Kal po čištění je zpracováván pomocí anaerobní fermentace v 6 dvoustupňových fermentačních nádržích za termofilních podmínek (55 °C). V těchto nádržích dochází ke stabilizaci a hygienizaci kalu, při které jsou organické látky přeměněny na bioplyn. Ten je předčištěn a využíván v kogeneračních jednotkách pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie k pokrytí potřeb celé ÚČOV Praha. Stabilizovaný anaerobní kal z fermentačních nádrží je veden na odvodňovací odstředivky, které slouží k odstranění vody ze stabilizovaného kalu na úroveň sušiny přibližně 30 %. Výsledný odvodněný stabilizovaný kal je následně dopravován do kontejnerů, které jsou nákladními auty odváženy pro další využití odvodněného kalu (využití v zemědělství či do kompostárny). Vznikající fugát (separovaná voda) je vracen do linky čistírny odpadních vod.

Pohled shora na výrobnu biometanu na ÚČOV

Zdroj: PVK

VÝROBA BIOMETANU V KROCÍCH

Základním krokem je předčištění surového bioplynu, a to pomocí sušení k odstranění vody a následné adsorpce na aktivním uhlí k odstranění minoritních polutantů (H₂S, siloxany a těkavé organické látky). Sušení probíhá na proudu surového vlhkého bioplynu, kde bioplyn vstupuje do výměníku tepla a je zchlazen pomocí chladicího média glykolu. Jedná se o první krok úpravy bioplynu. V tepelném výměníku je bioplyn ochlazen na rosný bod 5 °C. Většina vodní páry v bioplynu zkondenzuje a tím dojde k odstranění vlhkosti z bioplynu. Součástí technologie předčištění bioplynu je i jednotka na výrobu čistého kyslíku. Ten se přistřikuje do proudu bioplynu před jeho vstupem na samotnou adsorpci na aktivním uhlí a parciální oxidací H₂S výrazně napomáhá snížení obsahu H₂S v bioplynu.

Následně je vysušený a předčištěný bioplyn komprimován na 13 bar a veden do srdce celého procesu – membránové separace, kde dochází k oddělení CH₄ od CO₂ z bioplynu. Separovaný CH₄, tzv. biometan (≥ 97 % CH₄), je následně karburován pomocí propanu pro zvýšení spalného tepla na úroveň zemního plynu v pražské plynovodní soustavě a veden do zařízení telemetrie, kde dochází k obchodnímu měření kvality a množství produkovaného biometanu. Zařízení telemetrie umožňuje sledování a kontrolu technologického procesu zušlechtění bioplynu na biometan a zároveň předává veškerá data na dispečerské pracoviště provozovatele plynárenské distribuční sítě. Před expedicí vyrobeného biometanu do těžebního plynovodu je biometan odorizován, aby nesl charakteristický zápach zemního plynu.

Technologie membránové separace pro výrobu biometanu z bioplynu má poměrně nízkou spotřebu elektrické energie, a to pod 0,35 kWh na 1 m³ surového bioplynu bez započítání ventilace a klimatizace kontejnerů. Tato spotřeba elektrické energie je majoritně pokryta právě kompresí bioplynu pomocí rotačního šroubového kompresoru chlazeného vodou.

Potrubní propojení

Zdroj: PVK

MOŽNOSTI VYUŽITÍ

Výrobna biometanu je nedílnou součástí optimalizace energetického hospodářství v rámci ÚČOV Praha a zpracovává přebytečný kalový plyn (neboli bioplyn), který je v nadbytku vůči potřebám celého provozu. „Celková produkce bioplynu je zde přibližně 1600 m³ za hodinu, téměř 14 milionů m³ ročně. Pro výrobu biometanu se využijí ročně 2 mil. m³ a z nich se vyrobí zhruba 1,28 mil. m³ biometanu,“ popisuje Dominik Andreides, manažer prodeje ze společnosti Česká voda – MEMSEP. Biometan je vtláčen do středotlaké distribuční sítě zemního plynu a doplňuje tak zemní plyn v pražské plynovodní síti. Pokud se projekt osvědčí, může být výroba a vtláčení biometanu do plynárenské sítě postupně rozšířena na významnou část stávající produkce bioplynu, následně po úpravě na biometan. V budoucnu není vyloučeno takto zpracovat a využívat podstatnou část produkovaného objemu bioplynu, neboť kapacita těžebního plynovodu je projektována a realizována pro kapacitu asi 12 mil. Nm³ biometanu ročně. Kontejnerizovaná technologie výrobny biometanu přechod na takovou kapacitu umožňuje, neboť se jedná o modulární systém.

Realizace základů pro kontejnerizovanou technologii neobnášela zvláštní náročnost, pouze bylo nezbytné zmapovat přítomné sítě v zemi vzhledem k tomu, že se jedná o čistírnu odpadních vod. Objednatelem byla Pražská vodohospodářská společnost a.s. Vlastní investiční náklady stavby byly necelých 60 mil. Kč bez DPH. Ekonomika provozu výrobny biometanu je ovlivněna především spotřebou elektrické energie a spotřebním materiálem pro provoz. Návratnost se pohybuje v řádu let a je vázáná na výkupní cenu biometanu. Stavbu realizovalo sdružení Česká voda – MEMSEP – Čermák a Hrachovec. Česká voda – MEMSEP a.s. realizovalo technologickou část výrobny biometanu a klíčové know-how pro výrobu biometanu z bioplynu, a zároveň ze strany této společnosti byl celý projekt koordinován zkušeným projektovým týmem. Čermák a Hrachovec realizovali část stavební.

POTENCIÁLNÍ ZÁMĚRY

Plánované majoritní využití biometanu bude pro bioCNG v dopravě jakožto náhrady CNG v rámci plnicích stanic, a to v sítích Pražské plynárenské. Vzniklý biometan je kompatibilní se zemním plynem a je možné ho vtláčet do existující a rozšířené distribuční soustavy zemního plynu. Vzhledem k tomu, že ÚČOV Praha je energeticky soběstačnou, není zde přípojka zemního plynu. Vybudováním těžebního plynovodu došlo k tomu, že tento ostrovní provoz se propojil s pražskou plynovodní sítí, a to pouze v jednom směru k dodání obnovitelného biometanu do plynovodní sítě. Nejnáročnější částí vzhledem ke složitosti byla stavba těžebního plynovodu, která je posuzována jako báňský projekt a podchází pod plavebním kanálem. Těžební plynovod měří cca 300 metrů a vede od výrobny biometanu skrze areál ÚČOV Praha, poté pod plavebním kanálem a ústí v Papírenské ulici, kde je napojen na pražskou plynovodní soustavu. Součástí stavby těžebního plynovodu bylo vybudování startovacích a cílových jam pro řízený protlak potrubí DN 315 mm.

Letecký pohled na ČOV v Bubenči

Zdroj: PVK

POHLED DO BUDOUCNA

Do budoucna se plánuje, že rekonstrukce a modernizace stávající vodní linky a kalového hospodářství ÚČOV (realizace 2025 – 2032) přinese zvýšenou produkci plynu až o 20 %. V budoucnu by roční produkce bioplynu měla dosáhnout cca 20,0 mil. Nm³ a pro výrobu biometanu bude reálné využít až 17 mil. Nm³ ročně. Roční výroba elektrické energie v tomto případě má být 42,860 MWh/rok. Při maximální produkci kalů se může objem bioplynu zvýšit na přibližně 21,1 mil. Nm³ za rok a množství vyrobené elektřiny potom může dosáhnout 45,217 MWh/rok.

Dalším záměrem pražského magistrátu je vybudovat bioplynovou stanici (BPS) v Chrástu u Poříčan, která je provozovaná Pražskými službami a.s. (dceřiná společnost HMP), a zpracovávat zde biologicky rozložitelné komunální odpady (BRKO) z domácností a restaurací s produkcí bioplynu z části upraveného na biometan. Podmínkou úspěšného provozování BPS je zavedení separovaného sběru biologicky rozložitelných odpadů na území Prahy. Předpokládá se, že objem BRKO bude do roku 2030 až 50 tisíc t/rok, s dalším postupným nárůstem.

K plnění záměrů Klimatického plánu hlavního města Prahy v oblasti bioplynu a biometanu bude třeba spolupráce dvou městských dceřiných společností. Pražské služby a.s. by zajišťovaly separovaný sběr biologicky rozložitelných odpadů a následné zpracování hlavního objemu biologicky rozložitelných odpadů v bioplynové stanici v Chrástu u Poříčan. Pražská vodohospodářská společnost by měla na starosti zpracování části objemu biologicky rozložitelných odpadů na kalovém a energetickém hospodářství ÚČOV společně s čistírenskými kaly.