Jak získat bioplyn z hnoje: přehled základních principů a konstrukce výrobního zařízení

Zemědělské podniky se každoročně potýkají s problémem likvidace hnoje. Nemalé prostředky jsou vynakládány na jeho odvoz a uložení. Existuje však způsob, jak nejen ušetřit peníze, ale i využít tento přírodní produkt ve svůj prospěch.

Šetrní hospodáři již dlouho v praxi používají ekotechnologii umožňující získávání bioplynu z hnoje a jeho využití jako paliva.

Proto se v našem článku zaměříme na technologii získávání bioplynu a také vám poradíme, jak zkonstruovat bioenergetické zařízení.

Výhody využívání biotechnologií

Technologie získávání biopaliv z různých přírodních zdrojů není nová. Výzkum v této oblasti začal již na konci 18. století a úspěšně se rozvíjel v 19. století. V Sovětském svazu byla první bioenergetická jednotka vytvořena ve čtyřicátých letech minulého století.

Biotechnologie se již dlouho používají v mnoha zemích, ale právě dnes nabývají zvláštního významu. V důsledku zhoršování ekologické situace na planetě a vysokých nákladů na energie se mnozí obracejí k alternativním zdrojům energie a tepla.

Technologie přeměny hnoje na bioplyn umožňuje snížit množství škodlivých emisí metanu do atmosféry a získat další zdroj tepelné energie.

Hnůj je samozřejmě velmi cenným hnojivem, a pokud má hospodářství dvě krávy, nevznikají s jeho používáním žádné problémy. Jiná je situace, pokud jde o farmy s velkým a středním stavem zvířat, kde se ročně produkují tuny páchnoucího a hnijícího biologického materiálu.

Aby se hnůj proměnil v kvalitní hnojivo, jsou potřebné plochy s určitým teplotním režimem, a to jsou další náklady. Proto ho mnozí zemědělci skladují, kde se dá, a pak ho odvážejí na pole.

V závislosti na objemu suroviny vznikající za den je třeba volit rozměry zařízení a stupeň jeho automatizace

Při nedodržení podmínek skladování z hnoje uniká až 40 % dusíku a podstatná část fosforu, což výrazně zhoršuje jeho kvalitativní ukazatele. Kromě toho se do ovzduší uvolňuje metan, který má negativní vliv na ekologickou situaci planety.

Moderní biotechnologie umožňují nejen neutralizovat škodlivý vliv metanu na ekologickou situaci, ale také ho přimět sloužit ve prospěch člověka, přičemž přináší značný ekonomický přínos. V důsledku zpracování hnoje vzniká bioplyn, z něhož lze následně získat tisíce kW energie, a odpad výroby představuje velmi cenné anaerobní hnojivo.

Mechanismus tvorby plynu z organických surovin

Bioplyn je těkavá látka bez barvy a jakéhokoli zápachu, která obsahuje až 70 % metanu. Svými kvalitativními ukazateli se blíží tradičnímu palivu – zemnímu plynu. Vyznačuje se dobrou výhřevností, 1 m³ bioplynu uvolní tolik tepla, kolik se získá spálením jednoho a půl kilogramu uhlí.

Vznik bioplynu umožňují anaerobní bakterie, které aktivně rozkládají organické suroviny, jako je hnůj hospodářských zvířat, drůbeží trus a odpady z rostlin.

Při vlastní výrobě bioplynu lze použít drůbeží trus a produkty životní činnosti drobného a velkého domácího dobytka. Surovina může být použita v čisté formě nebo jako směs s příměsí trávy, listí, starého papíru.

Pro aktivaci procesu je nutné vytvořit příznivé podmínky pro život bakterií. Měly by být podobné těm, ve kterých se mikroorganismy vyvíjejí v přirozeném rezervoáru – v žaludku zvířat, kde je teplo a chybí kyslík.

V podstatě to jsou dvě základní podmínky, které napomáhají zázračné přeměně hnijící hnojné hmoty na ekologicky čisté palivo a cenná hnojiva.

Pro získávání bioplynu je zapotřebí hermetický reaktor bez přístupu vzduchu, kde probíhá proces kvašení hnoje a jeho rozklad na složky:

• metan (až 70 %);
• oxid uhličitý (přibližně 30 %);
• jiné plynné látky (1–2 %).

Vzniklé plyny stoupají vzhůru do nádrže, odkud jsou poté odčerpávány, a na dno se usazuje zbytkový produkt – vysoce kvalitní organické hnojivo, které si v důsledku zpracování zachovalo všechny cenné látky obsažené v hnoji – dusík a fosfor, a ztratilo značnou část patogenních mikroorganismů.

Reaktor pro získávání bioplynu musí mít zcela hermetickou konstrukci, ve které není přítomen kyslík, jinak bude proces rozkladu hnoje probíhat velmi pomalu.

Druhou důležitou podmínkou pro účinný rozklad hnoje a vznik bioplynu je dodržování teplotního režimu. Bakterie, které se účastní procesu, se aktivují při teplotě od +30 stupňů.

Přičemž hnůj obsahuje dva druhy bakterií.

• mezofilní. Jejich aktivita probíhá při teplotě +30 – +40 stupňů;
• termofilní. Pro jejich rozmnožování je nutné dodržet teplotní režim +50 (+60) stupňů.

Doba zpracování suroviny v zařízeních prvního typu závisí na složení směsi a činí 12 až 30 dní. Přitom 1 litr užitečné plochy reaktoru poskytne 2 litry biopaliva. Při použití zařízení druhého typu se doba výroby konečného produktu zkracuje na tři dny a množství bioplynu vzrůstá na 4,5 litru.

Účinnost termofilních zařízení je na první pohled zřejmá, ale jejich provozní náklady jsou velmi vysoké, proto je před výběrem konkrétního způsobu výroby bioplynu nutné vše velmi pečlivě propočítat.

I když je účinnost termofilních zařízení desetkrát vyšší, používají se mnohem méně často, protože udržování vysokých teplot v reaktoru je spojeno s vysokými náklady.

Provoz a údržba mezofilních zařízení je levnější, proto většina zemědělských podniků pro výrobu bioplynu používá právě je.

Bioplyn se z hlediska energetického potenciálu jen málo liší od běžného plynového paliva. Obsahuje však sirnaté výpary, jejichž přítomnost je třeba zohlednit při výběru materiálů pro stavbu zařízení.

Výpočty účinnosti využití bioplynu

Všechny výhody použití alternativního biopaliva pomohou posoudit jednoduché výpočty. Jedna kráva o hmotnosti 500 kg vyprodukuje denně přibližně 35–40 kg hnoje. Toto množství stačí k získání asi 1,5 m³ bioplynu, ze kterého lze dále vyrobit 3 kWh elektrické energie.

S využitím údajů z tabulky není obtížné vypočítat, kolik m³ bioplynu lze získat na výstupu v závislosti na počtu hospodářských zvířat na farmě.

Pro výrobu biopaliva lze použít jak jeden druh organické suroviny, tak směsi několika složek s vlhkostí 85–90 %. Důležité je, aby neobsahovaly cizí chemické příměsi, které negativně ovlivňují proces zpracování.

Nejjednodušší recept na směs vymyslel v roce 2000 jeden ruský muž z Lipecké oblasti, který si vlastníma rukama postavil jednoduché zařízení na výrobu bioplynu. Smíchal 1500 kg kravského hnoje s 3500 kg odpadů z různých rostlin, přidal vodu (přibližně 65 % hmotnosti všech přísad) a směs zahřál na 35 stupňů.

Za dva týdny je bezplatné palivo připraveno. Toto malé zařízení vyrábělo 40 m³ plynu denně, což zcela stačilo na vytápění domu a hospodářských budov po dobu půl roku.

Varianty zařízení na získávání biopaliva

Po provedení výpočtů je nutné rozhodnout, jak vyrobit zařízení pro získávání bioplynu v souladu s potřebami vašeho hospodářství. Pokud je stav skotu malý, postačí nejjednodušší varianta, kterou lze snadno vyrobit vlastníma rukama z dostupných prostředků.

Velkým farmářským hospodářstvím, která mají stálý zdroj velkého množství suroviny, je vhodné postavit průmyslový automatizovaný bioplynový systém. V tomto případě se pravděpodobně neobejdete bez přizvání odborníků, kteří vypracují projekt a profesionálně namontují zařízení.

Na schématu je názorně ukázáno, jak funguje průmyslový automatizovaný komplex pro získávání bioplynu. Výstavbu takového rozsahu lze zorganizovat hned pro několik farmářských hospodářství nacházejících se v blízkosti.

Dnes existují desítky společností, které mohou nabídnout mnoho variant: od hotových řešení až po vývoj individuálního projektu. Pro zlevnění výstavby se můžete spolupracovat se sousedními hospodářstvími (pokud jsou v blízkosti) a postavit jedno zařízení pro získávání bioplynu pro všechny.

Je třeba vzít v úvahu, že pro stavbu i malého zařízení je nutné vyřídit příslušné dokumenty, vytvořit technologické schéma, plán umístění zařízení a větrání (pokud je zařízení instalováno v místnosti), projít schvalovacími postupy s hygienickou stanicí, požární a plynovou inspekcí.

Mini-závod na výrobu plynu pro pokrytí potřeb malého soukromého hospodářství lze vyrobit vlastníma rukama, s orientací na konstrukci a specifiku zařízení vyráběných v průmyslovém měřítku.

Konstrukce zařízení pro zpracování hnoje a rostlinné organické hmoty na bioplyn nejsou složité. Průmyslově vyrobený originál se docela hodí jako šablona pro stavbu vlastního mini-závodu.

Domácím kutilům, kteří se rozhodnou postavit vlastní zařízení, je třeba se zásobit nádobou na vodu, vodovodními nebo kanalizačními plastovými trubkami, úhlovými odbočkami, těsněními a lahví pro skladování plynu získaného v zařízení.

Specifika bioplynového systému

Plnohodnotná bioplynová stanice představuje složitý systém, který se skládá z:

1. Bioreaktoru, ve kterém probíhá proces rozkladu hnoje;
2. Automatizovaného systému dávkování organického odpadu;
3. Zařízení pro míchání biomasy;
4. Zařízení pro udržování optimální teploty;
5. Plynojemu – nádrže na skladování plynu;
6. Přijímače zpracovaného pevného odpadu.

Všechny výše uvedené prvky jsou instalovány v průmyslových zařízeních pracujících v automatickém režimu. Domácí reaktory mají zpravidla jednodušší konstrukci.

Na schématu jsou znázorněny hlavní součásti automatizovaného bioplynového systému. Objem reaktoru závisí na denním přísunu organických surovin. Pro plnohodnotné fungování zařízení musí být reaktor naplněn ze dvou třetin objemu.

Princip činnosti zařízení

Hlavním prvkem systému je bioreaktor. Existuje několik způsobů jeho provedení, hlavní je zajistit těsnost konstrukce a vyloučit přístup kyslíku. Může být vyroben jako kovová nádrž různých tvarů (nejčastěji válcová), umístěná na povrchu. Často se k tomuto účelu používají prázdné 50m³ palivové cisterny.

Lze zakoupit hotové nádrže demontovatelné konstrukce. Jejich výhodou je možnost rychlé demontáže a v případě potřeby přepravy na jiné místo. Průmyslové povrchové instalace je vhodné používat ve velkých hospodářstvích, kde je stálý přísun velkého množství organické suroviny.

Pro malá hospodářství je vhodnější varianta podzemního umístění nádrže. Podzemní bunkr se staví z cihel nebo betonu. Lze zakopat do země hotové nádrže, například sudy z kovu, nerezové oceli nebo PVC. Je možné také jejich povrchové umístění venku nebo ve speciálně určené místnosti s dobrým větráním.

Pro výrobu zařízení na bioplyn lze zakoupit hotové PVC nádrže a umístit je v místnosti vybavené ventilačním systémem.

Bez ohledu na to, kde a jak je reaktor umístěn, je vybaven násypkou pro nakládku hnoje. Před naložením suroviny musí projít předběžnou úpravou: rozdrtí se na frakce ne větší než 0,7 mm a zředí se vodou. Ideálně by vlhkost substrátu měla být kolem 90 %.

Automatizovaná průmyslová zařízení jsou vybavena systémem podávání suroviny, který zahrnuje přijímač, kde se směs upraví na potřebnou vlhkost, potrubí pro přívod vody a čerpací zařízení pro přečerpávání hmoty do bioreaktoru.

V domácích zařízeních se pro přípravu substrátu používají samostatné nádoby, kde se odpad drtí a míchá s vodou. Poté se hmota nakládá do přijímacího oddílu. V reaktorech umístěných pod zemí je násypka pro příjem substrátu vyvedena ven, připravená směs samospádem potrubím vstupuje do fermentační komory.

Pokud je reaktor umístěn na zemi nebo v místnosti, může být vstupní potrubí s přijímacím zařízením umístěno ve spodní boční části nádrže. Je také možné potrubí vyvést do horní části a na jeho hrdlo nasadit nálevku. V tomto případě bude nutné biomasu podávat pomocí čerpadla.

V bioreaktoru je také nutné zajistit výstupní otvor, který je umístěn prakticky na dně nádrže na opačné straně od vstupní násypky. Při podzemním umístění je výstupní potrubí instalováno šikmo nahoru a vede do přijímače odpadu, který svým tvarem připomíná obdélníkovou skříň. Jeho horní okraj by měl být pod úrovní vstupního otvoru.

Vstupní a výstupní potrubí jsou umístěna šikmo nahoru na různých stranách nádrže, přičemž vyrovnávací nádrž, do které přichází odpad, by měla být pod úrovní přijímací násypky.

Proces probíhá následovně: vstupní násypka přijímá novou dávku substrátu, která stéká do reaktoru; současně stejné množství odpadní hmoty stoupá potrubím do zásobníku odpadu, odkud je dále vybírána a používána jako vysoce kvalitní biohnojivo.

Skladování bioplynu probíhá v plynojemu. Nejčastěji je umístěn přímo na střeše reaktoru a má tvar kopule nebo kužele. Je vyroben z plechové krytiny a poté, aby se zabránilo korozním procesům, je natřen několika vrstvami olejové barvy.

V průmyslových zařízeních určených k získávání velkého množství plynu je plynojem často proveden jako samostatně stojící nádrž spojená s reaktorem potrubím.

Plyn získaný kvašením není vhodný k použití, protože obsahuje velké množství vodní páry a v tomto stavu by nehořel. Aby se zbavil frakcí vody, plyn se prohání přes vodní uzávěr. Za tímto účelem je z plynojemu vyvedena trubka, kterou bioplyn vstupuje do nádoby s vodou a odtud je pak plastovou nebo kovovou trubkou dodáván spotřebitelům.

Schéma zařízení umístěného pod zemí. Vstupní a výstupní otvory musí být umístěny na protilehlých stranách nádrže. Nad reaktorem se nachází vodní uzávěr, přes který se pro odvodnění prohání získaný plyn.

V některých případech se pro skladování plynu používají speciální vaky-plynojemy vyrobené z polyvinylchloridu. Vaky jsou umístěny vedle zařízení a postupně se plní plynem. Během plnění se elastický materiál nafukuje a objem vaků se zvětšuje, což umožňuje v případě potřeby dočasně uchovat větší množství konečného produktu.

Podmínky efektivní činnosti bioreaktoru

Pro efektivní provoz zařízení a intenzivní produkci bioplynu je nutné rovnoměrné kvašení organického substrátu. Směs musí být v neustálém pohybu. V opačném případě se na ní vytvoří kůra, proces rozkladu se zpomalí, a nakonec se získá méně plynu, než bylo původně plánováno.

Aby bylo zajištěno aktivní promíchávání biomasy, v horní nebo boční části typického reaktoru jsou instalována ponorná nebo šikmá míchadla vybavená elektrickým pohonem. V amatérských zařízeních se míchání provádí mechanicky pomocí zařízení připomínajícího domácí mixér. Lze jej ovládat ručně nebo vybavit elektrickým pohonem.

Při vertikálním uspořádání reaktoru je rukojeť míchadla vyvedena do horní části zařízení. Pokud je nádrž instalována horizontálně, šnek je také umístěn v horizontální rovině a rukojeť je na boku bioreaktoru.

Jednou z nejdůležitějších podmínek pro získávání bioplynu je udržování požadovaného teplotního režimu v reaktoru. Vytápění lze provádět několika způsoby. U stacionárních zařízení se používají automatizované systémy ohřevu, které se zapínají při poklesu teploty pod nastavenou úroveň a vypínají se po dosažení požadovaného teplotního režimu.

Pro vytápění lze použít plynové kotle, provádět přímý ohřev elektrickými topnými zařízeními nebo do základny nádoby zabudovat topné těleso.

Aby se snížily tepelné ztráty, doporučuje se kolem reaktoru postavit malý rám s vrstvou skelné vaty nebo zařízení zakrýt tepelnou izolací. Dobré tepelně izolační vlastnosti má polystyren a jeho další varianty.

Pro uspořádání systému ohřevu biomasy lze vést potrubí z domovního vytápění, které je napájeno z reaktoru

Stanovení potřebného objemu

Objem reaktoru se určuje na základě denního množství hnoje produkovaného v hospodářství. Je také nutné zohlednit typ suroviny, teplotní režim a dobu kvašení. Aby zařízení plně fungovalo, je nádrž naplněna na 85–90 % objemu, minimálně 10 % musí zůstat volných pro odvod plynu.

Proces rozkladu organických látek v mezofilním zařízení při průměrné teplotě 35 stupňů trvá od 12 dnů, poté jsou fermentované zbytky odstraněny a reaktor je naplněn novou dávkou substrátu. Vzhledem k tomu, že před odesláním do reaktoru jsou odpady zředěny vodou na 90 %, je třeba při stanovení denní dávky zohlednit také množství kapaliny.

Na základě uvedených ukazatelů se objem reaktoru rovná dennímu množství připraveného substrátu (hnoje s vodou) vynásobenému 12 (doba potřebná k rozkladu biomasy) a zvýšenému o 10 % (volný objem nádrže).

Stavba podzemního zařízení

Nyní si povíme o nejjednodušším zařízení, které umožňuje získat bioplyn v domácích podmínkách s nejnižšími náklady. Zvažme stavbu podzemního systému. K jeho výrobě je třeba vykopat jámu, její dno a stěny se zalijí armovaným keramzitbetonem.

Na protilehlých stranách komory jsou vyvedeny vstupní a výstupní otvory, do kterých se montují šikmé trubky pro přívod substrátu a odčerpávání odpadní hmoty.

Výstupní trubka o průměru přibližně 7 cm by měla být prakticky u dna zásobníku, její druhý konec je namontován do vyrovnávací nádrže obdélníkového tvaru, do které budou odčerpávány odpady. Potrubí pro přívod substrátu je umístěno přibližně ve vzdálenosti 50 cm ode dna a má průměr 25–35 cm. Horní část trubky vstupuje do oddílu pro příjem suroviny.

Reaktor musí být zcela utěsněný. Aby se vyloučila možnost vniknutí vzduchu, je nutné nádobu pokrýt vrstvou bitumenové hydroizolace.

Horní část bunkru – plynojimka, která má kupolovitý nebo kuželovitý tvar. Vyrábí se z kovových plechů nebo střešního plechu. Lze také konstrukci zakončit cihlovým zdivem, které se potom obije ocelovou sítí a omítne. Navrch plynojimky je třeba udělat hermeticky uzavřený poklop, vyvést plynové potrubí procházející přes hydraulický uzávěr a nainstalovat ventil pro odlehčení tlaku plynu.

Pro míchání substrátu lze zařízení vybavit drenážním systémem, který funguje na principu probublávání. Za tím účelem uvnitř konstrukce svisle upevněte plastové trubky tak, aby jejich horní okraj byl nad vrstvou substrátu. Vyvrtejte do nich množství otvorů. Plyn pod tlakem bude klesat dolů a při stoupání nahoru budou bublinky plynu promíchávat biomasu nacházející se v nádobě.

Pokud si nepřejete stavět betonový bunkr, můžete koupit hotovou nádobu z PVC. Pro uchování tepla je třeba ji obložit vrstvou tepelné izolace – polystyrenem. Dno jámy se zalije armovaným betonem vrstvou 10 cm. Nádrže z polyvinylchloridu je povoleno používat, pokud objem reaktoru nepřesahuje 3 m³.

Závěry a užitečné video k tématu

Jak vyrobit nejjednodušší zařízení z obyčejného sudu, se dozvíte, když se podíváte na video:

Jak probíhá stavba podzemního reaktoru, můžete sledovat ve videoreportáži:

Jak probíhá nakládání hnoje do podzemního zařízení, je ukázáno v následujícím videoklipu:

Zařízení na výrobu bioplynu z hnoje umožní výrazně ušetřit za teplo a elektřinu a využít organický materiál, který je v každé farmě nadbytek, k dobrému účelu. Než začnete se stavbou, musíte vše pečlivě propočítat a připravit.

Nejjednodušší reaktor lze vyrobit za několik dní svépomocí s použitím dostupných prostředků. Pokud je farma velká, je nejlepší koupit hotové zařízení nebo se obrátit na odborníky.

Pokud se při seznámení s předloženými informacemi objeví otázky nebo máte návrhy, které chcete sdílet s návštěvníky webu, zanechte prosím komentáře v bloku níže.