Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih ...nik_HR.pdf · Pretvorba mjernih jedinica .....84 Literatura .....86. 5 Predgovor U Europi, kao i širom svijeta, znatno se

Održivo korištenje

toplinske energije iz

bioplinskih postrojenja

Priru čnik Drugo izdanje

Autor: Dominik Rutz

Suautori: Rita Mergner, Rainer Janssen

Recenzenti: Ilze Dzene, Claudio Rochas, Stefan Amann, Christof Amann, Jadranka Maras Abramović, Igor Novko, Željka Fištrek, Ingo Wagner, Laura Bailón Allegue, Jørgen Hinge, Frederico De Filippi, Marco Devetta, Tomáš Voříšek, Mihai Adamescu

Urednik: Dominik Rutz

Prevoditelj: Branko Ožbolt

Editori (abecednim redom): Željka Fištrek, Vedran Krstulović, Biljana Kulišić, Jadranka Maras

Abramović, Marin Miletić, Igor Novko, Bruno Židov

Lektor: Anita Filipović

ISBN: 978-953-6474-81-3

Prijevodi: Priručnik je pripremljen izvorno na engleskom jeziku, a dostupan je i na hrvatskom, češkom, danskom, njemačkom, talijanskom, latvijskom i rumunjskom jeziku.

Izdavač: © 2015 WIP Renewable Energies, München, Njemačka

Izdanje: Drugo izdanje

Kontakt: WIP Renewable Energies, Sylvensteinstr. 2, 81369 München, Njemačka

[email protected], Tel.: +49 89 720 12 739

www.wip-munich.de

Internetska stranica: www.BiogasHeat.org

Copyright: Sva su prava zadržana. Nijedan dio ove knjige ne smije se reproducirati u bilo kojem obliku ili bilo kojim sredstvima za uporabu u komercijalne svrhe bez prethodnog pisanog odobrenja izdavača. Autori ne jamče ispravnost i/ili točnost informacija i podataka sadržanih ili opisanih u ovom priručniku.

Ograničena odgovornost: Za sadržaj ovoga priručnika odgovorni su jedino autori. Sadržaj nužno ne

odražava mišljenje Europske unije. EASME i Europska komisija nisu odgovorni za eventualnu upotrebu informacija sadržanih u materijalu.

1

Zahvale

Ovaj priručnik pripremljen je u okviru projekta BiogasHeat (IEE/11/025) uz potporu Europske komisije u okviru Programa Intelligent Energy for Europe (Inteligentna energija za Europu) (IEE) kojim upravlja Izvršna agencija za mala i srednja poduzeća (EASME). Autori zahvaljuju Europskoj komisiji na potpori projektu BiogasHeat te recenzentima i partnerima projekta BiogasHeat na njihovu doprinosu priručniku.

Za korištenje slika i grafičkih prikaza autori zahvaljuju sljedećim tvrtkama: AgroEnergien (BurkhardMeiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) i Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon).

2

Projekt BiogasHeat

Projekt BiogasHeat bavi se pitanjem učinkovitog korištenja toplinske energije iz postrojenja na bioplin na europskoj, nacionalnoj i projektnoj razini. U sklopu projekta se razvija i primjenjuje niz mjera vezanih za različite politike primjene toplinske energije, najbolju praksu, terenska ispitivanja i provedbu projekta. Posebni ciljevi projekta BiogasHeat su: (1) poduprijeti ekonomski opravdano i održivo korištenje toplinske energije iz postojećih i budućih postrojenja na bioplin koja za sada ostaje neiskorištena, (2) povećati sposobnost prevladavanja glavnih prepreka u nekoliko ciljanih zemalja (Austrija, Češka, Danska, Hrvatska, Italija, Latvija, Njemačka i Rumunjska) putem posebnih mjera, uključujući analizu tehničkih mogućnosti, studije izvodljivosti, poduzetnički strateški razvoj poslovnih projekata i terenska ispitivanja i (3) povećati kapacitete kroz obuku, usavršavanje vještina i prijenos znanja.

Projekt BiogasHeat započeo je u travnju 2012. i trajat će tri godine. Projekt podupire Program Europske unije Intelligent Energy for Europe (Ugovor br. IEE/11/025).

Konzorcij projekta i nacionalni kontaktni centri:

Ekodoma , Latvija (koordinator projekta) Ilze Dzene [[email protected] ]

WIP Renewable Energies , Njemačka Dominik Rutz [[email protected]] Rita Mergner [[email protected]]

Energetski Institut Hrvoje Požar , Hrvatska Igor Novko [[email protected]] Jadranka Maras Abramović [[email protected]]

Energy Efficiency Center SEVEn , Češka Republika Tomáš Voříšek [[email protected]]

Sogesca Srl , Italija Federico De Filippi [[email protected]] Marco Devetta [[email protected]]

e7 Energie Markt Analyse GmbH , Austrija Christof Amann [[email protected]] Stefan Amann [[email protected]]

Danish Technological Institute , Danska Jørgen Hinge [[email protected]]

SC Mangus Sol Srl , Rumunjska Mihai Adamescu [[email protected]]

Euroheat & Power , Belgija Ingo Wagner [[email protected]]

3

Sadržaj

Zahvale ........................................... ...................................................................................... 1

Projekt BiogasHeat ................................ ............................................................................. 2

Predgovor ......................................... ................................................................................... 5

1 Uvod .............................................. ................................................................................ 6

1.1 Proizvodnja bioplina ................................................................................................ 6

1.2 Koncepti bioplinskog postrojenja ............................................................................. 8

1.3 Koncepti za korištenje bioplina kao goriva ..............................................................10

1.4 Izazovi u korištenju toplinske energije ....................................................................12

2 Osnove proizvodnje i korištenja topline ........... .........................................................13

2.1 Izgaranje bioplina ...................................................................................................13

2.2 Veličine i pretvorbene vrijednosti za toplinu ............................................................14

2.3 Kvaliteta topline ......................................................................................................14

2.4 Količina topline i potražnja ......................................................................................15

2.5 Zagrijavanje digestora ............................................................................................16

2.6 Karakteristike bioplinskih motora s unutarnjim izgaranjem ......................................19

2.6.1 Plinski Otto motori ...........................................................................................19

2.6.2 Plinski motori s pilot ubrizgavanjem .................................................................20

2.7 Koncepti za kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije iz bioplinskih postrojenja ........................................................................................................................21

3 Mogućnosti korištenja toplinske energije iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina .......................................... .....................................................................................23

3.1 Grijanje ...................................................................................................................24

3.1.1 Daljinsko grijanje .............................................................................................24

3.1.2 Planiranje sustava daljinskog grijanja ..............................................................29

3.1.3 Objekti za držanje životinja ..............................................................................33

3.1.4 Staklenici .........................................................................................................35

3.1.5 Akvakultura .....................................................................................................36

3.1.6 Transport toplinske energije u kontejnerima ....................................................38

3.1.7 Grijanje u druge svrhe .....................................................................................42

3.2 Sušenje ..................................................................................................................42

3.2.1 Digestat i kanalizacijski mulj ............................................................................47

3.2.2 Cjepanice, drvna sječka i peleti .......................................................................48

3.2.3 Industrijsko i građevinsko drvo ........................................................................51

3.2.4 Poljoprivredni proizvodi ...................................................................................51

3.3 Hlađenje .................................................................................................................52

3.3.1 Pregled rashladnih uređaja ..............................................................................52

4

3.3.2 Daljinsko hlađenje ...........................................................................................55

3.3.3 Moguće primjene rashladnih sustava ..............................................................56

3.4 Dodatna proizvodnja električne energije .................................................................57

3.4.1 CRC sustavi ....................................................................................................57

3.4.2 Sustavi ORC ...................................................................................................58

3.4.3 Kalina ciklus ....................................................................................................61

3.4.4 Stirlingov motor ...............................................................................................61

3.4.5 Turbina na ispušne plinove..............................................................................63

4 Inovativni koncepti za u činkovitu pretvorbu bioplina ....................... ........................64

4.1 Bioplinski cjevovodi i satelitske kogeneracijske jedinice .........................................64

4.2 Pročišćavanje bioplina i utiskivanje biometana u mrežu .........................................66

4.3 Prijevoz biometana u kontejnerima .........................................................................68

4.4 Korištenje biometana u prometu .............................................................................69

4.5 Bioplin kao sredstvo upravljanja opterećenjem i održavanja stabilnosti mreže .......69

4.6 Biometan i pretvorba električne energije u plin .......................................................70

5 Upute o mogu ćnostima korištenja toplinske energije ............. .................................72

6 Zaklju čci ................................................ .......................................................................74

Pojmovnik i kratice ............................... ..............................................................................76

Pretvorba mjernih jedinica ........................ .........................................................................84

Literatura ........................................ .....................................................................................86

5

Predgovor

U Europi, kao i širom svijeta, znatno se povećava proizvodnja i korištenje energije iz bioplina zbog rastuće potražnje za obnovljivom energijom kao zamjenom za fosilna goriva. Većina poljoprivrednih i industrijskih postrojenja na bioplin u Europi koriste bioplin za proizvodnju električne energije u kogeneracijskim postrojenjima. Međutim, u mnogim slučajevima se toplinska energija iz kogeneracijske proizvodnje ne koristi nego gubi. Razlog tome je što većina programa poticanja proizvodnje energije iz obnovljivih izvora stavlja naglasak na proizvodnju električne energije uz zanemarivanje učinkovite uporabe toplinske energije.

Neučinkovitost korištenja toplinske energije usko je grlo korištenja energije bioplina, koje uzrokuje makroekonomske i mikroekonomske gubitke, ali i izazove u kontekstu sve jače konkurencije u korištenju zemljišta. Projekt BiogasHeat bavi se pitanjem učinkovitog korištenja toplinske energije iz postrojenja na bioplin na europskoj, nacionalnoj i projektnoj razini (Dzene et al. 2012.). U sklopu projekta se razvija i primjenjuje niz mjera vezanih za različite politike primjene toplinske energije, najbolju praksu, terenska ispitivanja i provedbu projekta. Projekt BiogasHeat (IEE/11/025) podupire Europska komisija kroz program Intelligent Energy for Europe (Ugovor br. IEE/11/025) kojim upravlja Izvršna agencija za konkurentnost i inovacije (EACI).

Priručnik o održivom korištenju toplinske energije iz postrojenja na bioplin je jedan od glavnih proizvoda projekta BiogasHeat, a izrađen je s ciljem da se pruži pregled različitih mogućnosti korištenja toplinske energije iz kogeneracijskih jedinica na bioplin. Priručnik je namijenjen sadašnjim i budućim operatorima postrojenja na bioplin, kao i drugim zainteresiranim dionicima poput nositelja politike, investitora i istraživača na području bioplina. U njemu su navedene opće informacije o značajkama toplinske energije proizvedene u postrojenjima na bioplin te su dana tehnička rješenja za njezino učinkovito korištenje.

Priručnik je dopuna Izvješću o primjerima dobre prakse korištenja topline iz postrojenja na bioplin (Ramanauskaite et al. 2012.) gdje su prezentirani odabrani koncepti i primjeri postojećih postrojenja na bioplin koja već koriste otpadnu toplinsku energiju. Informacije o ekonomici i troškovima su na raspolaganju u drugim izvješćima izrađenima u okviru projekta BiogasHeat tako da nisu obuhvaćene u ovom Priručniku. Sva popratna izvješća dostupna su na internetskoj stranici projekta: www.biogasheat.org.

U izradi ovoga Priručnika korišteni su razni izvori i literatura. Uglavnom je korištena njemačka literatura zbog toga što Njemačka trenutno ima najnapredniji bioplinski sektor u Europi. Autori su nastojali uopćiti činjenice i brojčane podatke kako bi se isti mogli koristiti u cijeloj Europi. Međutim, neki od njih ostaju specifični samo za određenu zemlju ili regiju.

Isto tako, primijenjene su standardne jedinice i kratice kakve se zajednički koriste na europskoj razini. Pojedinosti o pretvorbenim jedinicama dane su na kraju Priručnika.

Budući da su ciljane zemlje projekta BiogasHeat Austrija, Češka, Danska, Hrvatska, Italija, Latvija, Njemačka i Rumunjska, partneri projekta preveli su Priručnik na odgovarajuće jezike.

Prilog drugom izdanju

Drugo ažurirano izdanje priručnika razvijeno je s ciljem prikaza iskustava i saznanja dobivenih prilikom provjera izvodljivosti provedenih u okviru BiogasHeat projekta. Nadalje, sektor bioplina karakterizira relativno brzi razvitak te je shodno tome potrebno redovito ažuriranje postojećih informacija. Iskustva stečena tijekom provedbe projekta uklopljena su u materijal ovoga priručnika.

6

1 Uvod

U zadnjih nekoliko godina u svijetu se znatno povećao broj postrojenja na bioplin. Mnoge su zemlje razvile suvremene tehnologije proizvodnje i korištenja bioplina te konkurentska nacionalna tržišta bioplina tijekom više desetljeća intenzivnog istraživanja i tehnološkog razvoja. Danas energija dobivena iz bioplina pridonosi cilju nacionalne energetske sigurnosti i ublažavanju posljedica stakleničkih plinova u mnogim zemljama. Europski bioplinski sektor obuhvaća na tisuće bioplinskih instalacija. Tehnološki predvode zemlje poput Njemačke, Austrije, Danske, Švedske, Češke, Italije i Nizozemske u kojima se i nalazi najviše suvremenih postrojenja na bioplin. Većina tih postrojenja je usmjerena na što veću proizvodnju električne energije iz bioplina u kogeneracijskim jedinicama. U mnogim se slučajevima toplinska energija iz kogeneracijskih jedinica tek djelomice koristi, odnosno ostaje većinom neiskorištena. Neučinkovitost korištenja toplinske energije usko je grlo u današnjoj proizvodnji energije iz bioplina, koje uzrokuje makroekonomske i mikroekonomske gubitke, ali i izazove u kontekstu sve jače konkurencije u korištenju zemljišta.

1.1 Proizvodnja bioplina

Bioplin se proizvodi anaerobnom digestijom (AD). AD je biokemijski proces u kojem razne vrste anaerobnih mikroorganizama (bakterija) bez prisutnosti kisika rastvaraju kompleksne organske tvari (biomasu) u manje kompleksne organske spojeve. Proces AD prisutan je u mnogim prirodnim okolinama poput morskih sedimenata, želuca preživača ili u tresetištima. Isti se proces odvija i u postrojenjima za proizvodnju bioplina gdje se organski ulazni materijal, odnosno sirovina ili supstrat, anaerobno razgrađuje na dva glavna proizvoda: bioplin i digestat. U većini bioplinskih postrojenja istodobno se koristi mješavina nekoliko sirovina radi stabiliziranja procesa i optimiranja proizvodnje bioplina, što se naziva kodigestija. Prikladne sirovine za AD obuhvaćaju velik raspon biomase, a poželjno je da se sastoje od tvari koje se lako razgrađuju. Tu se ubrajaju razne masti, ulja, šećeri i škrob. Celuloza je također lako razgradiva, dok se lignin (značajan sastojak drva), teško razgrađuje AD-om. Tipične sirovine za bioplinska postrojenja mogu biti i biljnog i životinjskog podrijetla:

• Životinjski izmet (gnojovka, gnojnica, kruti stajski gnoj)

• Poljoprivredni ostaci i nusproizvodi

• Organski otpad iz prehrambeno-prerađivačke industrije

• Organski otpad iz industrije biomaterijala (npr. pulpa i papir, farmaceutski proizvodi)

• Organska frakcija komunalnog krutog otpada

• Otpad koji nastaje pri pripremi i konzumaciji hrane iz ugostiteljstva

• Kanalizacijski mulj iz postrojenja za obradu otpadnih voda

• Energetski usjevi (npr. kukuruz, šećerna repa, trava)

Vrsta sirovine utječe na proces AD i na konačan sastav proizvedenog bioplina. Bioplin se uglavnom sastoji od metana (CH4, 40-80%) i ugljikova dioksida (CO2, 15-45%) te od manjih količina sumporovodika (H2S), amonijaka (NH3), dušika (N2), i drugih spojeva. Bioplin je obično zasićen vodenom parom (H2O).

Traženi sastojak je energetski bogati metan, čiji se energetski sadržaj može pretvoriti u električnu i toplinsku energiju putem kogeneracijske jedinice. Stoga je jedna od najvažnijih značajki kod sirovina korištenih u procesu AD njihov prinos metana. Tablica 1 prikazuje prosječne prinose metana za neke od mogućih sirovina. Vrste sirovine i pripadajući prinosi metana značajno utječu na isplativnost postrojenja na bioplin.

Pored vrste sirovine, na sastav bioplina utječu i drugi čimbenici kao na primjer izvedbe sustava digestije, temperatura digestora, vrijeme retencije i unosa organske tvari.

7

Tablica 1 Prinosi metana nekih sirovina (Podaci iz BM U 2012)

Sirovina

Prinos CH4

[m³/t svježe

sirovine]

Sirovina

Prinos CH4

[m³/t svježe

sirovine] Ulje i masnoće za prženje 562 Ljuske od krumpira 66

Glicerin 421 Prešana pogača od proizvodnje šećera

64

Kazein 392 Rezanci šećerne repe 64 Laktoza 378 Mahunarke (cijela biljka) 63

Obrano mlijeko,osušeno 363 Utrošena zrna (svježa/prešana)

61

Pekarski otpad 344 Krumpirna pulpa od proizvodnje škroba

61

Zrno kukuruza 324 Ljekovite i začinske biljke (odbačene)

58

Zrna žitarica 320 Ostaci hrane 57 Repičina pogača 317 Odrezano cvijeće (odbačeno) 55 Sirutka, nisko šećerna, suha 298 Stočna repa 52

Repičino brašno 274 Komadići repe (od prerade šećera)

50

Otpad od žitarica 272 List šećerne repe s dijelovima šećerne repe

46

Mekinje 270 Sirutka sirišta 44 Stari kruh 254 Flotacijske masnoće 43

Otpad od prerade žitarica 254 Zelene reznice od održavanja zelenih površina

43

Mješavina klipa i zrna kukuruza (CCM) 242 Trava od održavanja cesta 43

Prašina zrna 172 Kisela surutka 42 Melasa od proizvodnje šećera iz šećerne repe 166 Povrće (odbačeno) 40

Kukuruzni klipovi, ljuske, jezgre

148 List stočne repe 38

Kukuruz (cijela biljka) 106 Obrano mlijeko, svježe 33 Žitarice (cijela biljka ) 103 Sadržaj predželuca 33 Trava uključujući travu s pašnjka 100 Stepka svježa 32

Krumpir 92 Krumpirova vlat 30 Krumpir (koji nije za ljudsku konzumaciju) 92 Svinjska crijeva (utroba) 27

Svježi sir 92 Otpad od prerade povrća 26

Melasa od laktoze 91 Žitarični destilacijski ostatak osim od proizvodnje alkohola

22

Životinjska krv 83 Kisela sirutka svježa 20

Flotacijski mulj 81 Žitarični destilacijski ostatak od proizvodnje alkohola

18

Sirak (cijela biljka) 80 Krumpirov destilacijski ostatak osim od proizvodnje alkohola

18

Sudanska trava 80 Svježa slatka sirutka 18 Ljulj 79 Sirutka 18

Šećerna repa 75 Krumpirov destilacijski ostatak od proizvodnje alkohola

17

Stočna raž (cijela biljka) 72 Sadržaj separatora loja 15

8

Sirovina

Prinos CH4

[m³/t svježe

sirovine]

Sirovina

Prinos CH4

[m³/t svježe

sirovine]

Mlijeko 70 Voda iz proizvodnje krumpirova škroba

11

Melasa od laktoze, nisko proteinska

69 Otpadna voda iz proizvodnje škroba

11

Suncokret (cijela biljka) 67 Procesna voda iz obrade krumpira za proizvodnju škroba

3

Krumpir (zgnječen, srednji sadržaj škroba) 66 - -

Sastav bioplina važna je značajka koja utječe na izgaranje bioplina u kogeneracijskoj jedinici, a time na sastav i temperaturu ispušnih plinova. To utječe na količinu i kakvoću toplinske energije koja se može koristiti u okviru nekog koncepta korištenja topline.

Nadalje, koncept bioplinskog postrojenja određuje i razina temperature digestora koja omogućuje bakterijama brzo razlaganje materijala. Za grijanje digestora se obično koristi dio toplinske energije iz kogeneracijske jedinice (obično 20-40%). Digestori postrojenja za proizvodnju bioplina se obično dijele prema sljedećim temperaturnim razinama:

• psihrofilni: ispod 25°C

• mezofilni: 25°C – 45°C

• termofilni: 45°C – 70°C

Pritom, bioplinska postrojenja s nekoliko digestora u nizu često primjenjuju različite temperaturne razine u pojedinom digestoru. Ukoliko je udio lignuceluloznog materijala (npr. slame) u supstratu visok, obično je uključen i odvojeni spremnik za hidrolizu s nižim temperaturama (npr. 25°C - 35°C). Kod postrojenja z a obradu otpada uključen je spremnik za higijenizaciju s višim temperaturama (npr. 70°C).

Temperatura digestora izravno utječe na koncept korištenja toplinske energije jer što je više energije potrebno za zagrijavanje digestora, to je manje toplinske energije na raspolaganju za druge svrhe. S druge strane, prinos bioplina se povećava, do određenog maksimuma, zajedno s povećanjem temperature. Zato je potrebno definirati optimalnu temperaturu. Na odabir temperaturne razine utječu korištena sirovina, izvedba postrojenja, željeno vrijeme retencije, brzina razgradnje i odabrani koncept korištenja topline. Za operatora bioplinskog postrojenja, stabilnost procesa AD obično predstavlja najvažniji čimbenik pri odabiru temperaturne razine.

1.2 Koncepti bioplinskog postrojenja

Na proizvodnju energije, a time i na proizvodnju topline, utječe opći koncept postrojenja proizvodnje i korištenja bioplina. Koncept postrojenja utječe na različite opcije uporabe otpadne topline iz kogeneracijskih jedinica. Koncepte postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina mogu karakterizirati sljedeći aspekti:

• Glavni cilj: Proizvodnja energije (električna i toplinska energija), obrada otpada, ubrizgavanje biometana u mrežu prirodnog plina, spremanje energije, upravljanje opterećenjem, proizvodnja i oplemenjivanje hranjivih tvari.

• Veličina postrojenja: Prosječni instalirani kapaciteti elektrana u Europi približno iznose od 400 do 500kWel, ali raspon veličine počinje već od 1-2 kW za korištenje otpada iz kućanstva (što se prakticira u mnogim zemljama u razvoju) do višemegavatnih bioplinskih postrojenja.

• Tehnologija: Suha / mokra digestija, šaržna / kontinuirana digestija

9

• Poslovni model: Poljoprivredni, industrijski, kućanski, obrada otpadnih voda, bioplinska postrojenja s obradom otpada

• Vrsta sirovine: Namjenski energetski usjevi, poljoprivredni otpad i ostaci, otpad hrane, industrijski otpad, kanalizacijski mulj

Glavni cilj bioplinskih postrojenja u Europi trenutno je proizvodnja obnovljive energije, pri čemu je fokus dugo vremena bio na maksimizaciji proizvodnje električne energije. Naglasak na proizvodnji električne energije posljedica je sustava javnih potpora za bioplinska postrojenja koje su bile namjenjene samo za električnu energiju (feed-in tarife za električnu energiju). Shodno tome, učinkovito korištenje toplinske energije često je zanemarivano. U međuvremenu se prethodno opisana situacija promijenila, budući da je nekoliko zemalja razvilo prikladne alate za iskorištavanje toplinske energije, poput bonusa za kogeneraciju ili zahtjeva za iskorištenjem određenog postotka ostatne toplinske energije. Bioplinska postrojenja koja nemaju razvijene koncepte korištenja ostatne toplinske energije fokus su projekta BiogasHeat (Dzene et al. 2012).

Kako bi se povećala učinkovitost postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina, glavni cilj bi trebao biti što veća iskoristivost primarne energije sadržane u bioplinu. Stoga politiku i zakonodavstvo treba prilagoditi na način da se maksimira učinkovitost, no istodobno osigura i ekonomska isplativost projekta. Energetska učinkovitost postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina se postiže različitim mjerama, poput uporabe otpadne topline iz kogeneracijskih jedinica u okviru nekog namjenskog koncepta uporabe topline, ili oplemenjivanjem bioplina u biometan (kvaliteta prirodnog plina > 95% metana) – koji se može ubrizgati u mrežu prirodnog plina. Prednost ubrizgavanja u mrežu je u tome što biometan može izgarati lokalno, odnosno tamo gdje se pojavljuje potražnja za grijanjem. Međutim, takva tehnologija je vrlo skupa i obično je isplativa tek u primjeni većih razmjera, a često nedostaju poticaji i prikladna regulativa. Osim toga, postrojenja se trebaju nalaziti blizu mreže prirodnog plina.

Sve veći značaj stavlja se na sposobnost kogeneracija na bioplin da stabiliziraju elektroenergetske mreže tako da spreme energiju i time pridonesu aktivnom upravljanju opterećenjem u nekoj pametnoj električnoj mreži, što će biti pojašnjeno kasnije u ovom priručniku. Porastom udjela fluktuirajućih obnovljivih izvora energije, poput energije iz vjetra i energije Sunčevog zračenja, uloga bioplina kao mjere uravnoteženja sustava postaje sve važnija. Međutim, navedeno bi trebalo biti prepoznato i u vidu političke potpore.

Glavni cilj bioplinskih postrojenja s obradom otpada obično je održivo upravljanje otpadom (Rutz et al. 2011; Rutz et al 2012). Često je glavni izvor dohotka takvih poslovnih modela ubiranje pristojbi za obradu otpada, a samo u manjoj mjeri prodaja energije (odnosno električne i/ili toplinske energije). Prije nekoliko desetljeća u početnoj fazi razvoja tržišta bioplina u Njemačkoj, glavni ciljevi su bili recikliranje i oplemenjivanje hranjivih tvari u poljoprivredi u sustavima organskog uzgoja.

Prosječna veli čina tipičnog postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina u Njemačkoj i u većini drugih europskih zemalja iznosi približno 450 kWel. Međutim, veličine bioplinskih postrojenja kreću se u rasponu od 1-2 kW (3-4 m³ digestora) za korištenje kućanskog otpada, kakva se često primjenjuju u mnogim zemljama u razvoju, do sofisticiranih višemegavatnih postrojenja za proizvodnju bioplina. Veličina postrojenja utječe na količinu i dostupnost proizvodnje toplinske energije. U bioplinskom postrojenju s motornom kogeneracijskom jedinicom učinkovitost dosiže čak do 90 posto, od čega oko 35 posto električne i 65 posto toplinske energije.

Općenito, toplinska energija je potrebna za grijanje digestora u svim suvremenim bioplinskim postrojenjima u Europi. Vrsta tehnologije utječe na količinu potrebne topline, budući da su temperaturna razina i izolacija različite. Obično je kontinuirana opskrba toplinskom energijom potrebna za sva bioplinska postrojenja, kako za kontinuirane tako i za šaržne reaktore te i za suhu i za mokru digestiju. Na opskrbu toplinskom energijom u najvećoj mjeri utječe sezonska temperatura okoliša. Dobra izolacija digestora preduvjet je za učinkovit i stabilan proces. Rad postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina obično je integriran u postojeće poslovne djelatnosti, kao što su poljoprivredna gospodarstva i industrijska poduzeća ili poduzeća za

10

obradu otpada. Vrsta poslovanja utječe na glavne ciljeve bioplinskog postrojenja kao i na potencijalne mogućnosti korištenja toplinske energije. U postrojenjima koja koriste sirovine iz poljoprivrede za proizvodnju bioplina, toplinska energija se često koristi za grijanje smještajnih prostora za domaće životinje, sušenje drvnih ostataka, grijanje kuća i hlađenje mlijeka. U postrojenjima za obradu otpada toplinska energija se može koristiti u svrhu sanitacije, higijenizacije i čišćenja. Tipična namjena toplinske energije u industrijskim pogonima je procesna, no tu je ograničavajući čimbenik kvaliteta topline, budući da su često potrebne više temperature.

Kako je već navedeno, vrsta sirovine utječe na sastav bioplina, a time i na količinu i kvalitetu raspoložive toplinske energije.

1.3 Koncepti za korištenje bioplina kao goriva

Bioplin se može pretvoriti u toplinsku , mehani čku , i elektromagnetsku energiju (svjetlo), a može se koristiti i kao kemijski spoj . Brojne su mogućnosti korištenja bioplina, od veoma malih primjena do tehnički sofisticiranih instalacija:

• Rasvjeta: plinske svjetiljke

• Grijanje: plamenici na bioplin, kotlovi i plinske peći

• Sušenje: drvo (drvna građa, drvna biomasa za loženje), žitarice i industrijski proizvodi u različitim tipovima sušilica poput šaržnih sušilica, sušilica na transportnoj traci, transportno-zakretnih sušilica kao i u sorptivnim sustavima spremanja topline

• Hlađenje: industrijski rashladnici

• Elektri čna energija: plinski motori (motori s pilot ubrizgavanjem, plinski Otto motori), gorivne ćelije, mikroplinske turbine, Rankineovi ciklusi (CRC, ORC), Kalina ciklusi, Stirlingovi motori, turbine na ispušne plinove

• Transport: kao biometan u vozilima na stlačeni prirodni plin

• Spremanje energije: u namjenskim sustavima skladištenja bioplina (nisko- i visokotlačnim; ukapljeno) ili kao biometan u mreži prirodnog plina radi uravnoteženja električnog i plinskog opterećenja

• Zamjena za prirodni plin: pročišćavanje bioplina u biometan i potom utiskivanje u mrežu prirodnog plina

Slika 1. Plamenik na bioplin u Austriji (izvor: Rutz)

Slika 2. Jedna od najjednostavnijih primjena bioplin a: bioplinska pe ć za kuhanje u Maliju (izvor: Rutz)

11

Razne jednostavne tehnologije lako omogućavaju korištenje bioplina u plinskim pe ćima za kuhanje (Slika 2) ili u plinskim svjetiljkama za rasvjetu. To je česta primjena u kućnim bioplinskim postrojenjima u zemljama u razvoju, no ovaj priručnik ne obrađuje te tehnologije.

Ponekad se plinski plamenici i kotlovi (Slika 1) primjenjuju samo za proizvodnju topline. Ti se plinski plamenici mogu, primjerice, koristiti za zagrijavanje digestora postrojenja za pročišćavanje bioplina koji utiskuju biometan u mrežu prirodnog plina ili koji opskrbljuju punionice plina za vozila. Kod postrojenja za pročišćavanje mogu se, također, koristiti tzv. niskokalorični (LCV) plinski plamenici (Slika 4) u kojima izgara mješavina ispušnog plina iz procesa pročišćavanja i bioplina kako bi se proizvela toplinska energija za grijanje digestora. Na tim plamenicima mogu izgarati plinovi s veoma niskim sadržajem metana od 5 do 30 vol.%. Plinski plamenici i kotlovi mogu se koristiti kao rezervni sustavi u postrojenjima za pročišćavanje.

Glavna svrha proizvodnje bioplina u većini europskih postrojenja je njegovo korištenje u kogeneraciji . Prije izgaranja proizvedeni se bioplin suši i vrlo često čisti, jer su za većinu plinskih motora propisani maksimalni sadržaji sumporovodika, halogeniranih ugljikohidrata i siloksana. Učinkovitost motora na bazi kogeneracijske jedinice iznosi do 90 posto i od toga motor proizvodi oko 35 posto električne i 65 posto toplinske energije. U većini postrojenja potrebna je manja frakcija generirane toplinske energije (20-40 posto) za digestorski sustav grijanja, a veći se dio (60-80 posto) smatra „otpadnom“ toplinom koja se često ne koristi u daljnjim procesima. Ta bi se toplina mogla iskoristiti za proizvodnju dodatne elektri čne energije , primjerice u Stirlingovim motorima, u organskim Rankineovim ciklusima (ORC), i u Clausius-Rankineovim ciklusima (CRC) ili pak u druge svrhe, primjerice za grijanje, sušenje i hlađenje. Te mogućnosti će u ovom priručniku biti detaljno prikazane.

Kogeneracijske jedinice obično obuhvaćaju motore s unutarnjim izgaranjem kao što su plinski Otto motori i plinski motori s pilot ubrizgavanjem. Dodatno, bioplin u plinskim motorima s pilot ubrizgavanjem obično treba 2-5 posto dizelskog goriva odnosno nafte za paljenje, dok plinski Otto motori rade samo na bioplin. Podrobnije o motorima s unutarnjim izgaranjem možete naći u poglavlju 2.7

Gorivne ćelije (Slika 3) i mikroplinske turbine, također mogu proizvesti kombiniranu toplinsku i električnu energiju. To su, međutim, još uvijek specifične primjene te nisu glavna tema ovog priručnika.

Slika 3. Molten karbonatna goriva ćelija (MCFC) na bioplin u Leonbergu, Njema čka (izvor: Rutz)

Slika 4. Niskokalori čni (LCV) plamenik postrojenja za pro čišćavanje bioplina korišten za grijanje digestora u Aiterhofenu, Njema čka (izvor: Rutz)

12

Korištenje biometana u vozilima za transport još je jedna mogućnost uporabe bioplina. U ovom se slučaju bioplin mora pročistiti do kvalitete prirodnog plina. Kako je ranije navedeno u ovom priručniku, pročišćavanje bioplina obavlja se pomoću relativno skupe tehnologije, pa je ta opcija isplativa samo za veća postrojenja. Premda je energetska učinkovitost biometana korištenog u vozilima općenito vrlo niska (jednako niska kao, uostalom, i učinkovitost uobičajenih goriva u vozilima), ova opcija svakako ima budućnost zbog ograničenih alternativa za biogoriva u sektoru transporta.

Pored različitih tehnologija iskorištavanja bioplina, sve značajniji aspekt i prednost u usporedbi s drugim izvorima obnovljive energije dobiva dobra mogu ćnost skladištenja bioplina i biometana. Kao zamjena za prirodni plin, bioplin tako može pridonijeti povećanju stabilnosti energetske mreže i biti iskorišten kao sredstvo za upravljanje opterećenjem u energetskoj mreži. Naposljetku, ima još jedna potencijalna primjena bioplina, koja nije opisana u ovom priručniku, a to je njegova primjena kao kemijskog spoja u biorafinerijama.

1.4 Izazovi u korištenju toplinske energije

Korištenje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja suočeno je s različitim izazovima na koje utječu karakteristike postrojenja. Postrojenja za proizvodnju bioplina često su smještena u zabačenim područjima gdje nema potražnje za toplinom. Nadalje, količina i kvaliteta proizvedene toplinske energije često nije dovoljna za potrebe veće industrije. Stoga treba identificirati posebna područja gdje bi se toplinska energija što učinkovitije i unosnije vrednovala. U nastavku su nabrojeni najvažniji izazovi koji obično karakteriziraju bioplinska postrojenja.

• Godišnja doba: Ljeti je potrebno manje toplinske energije za grijanje digestora. Osim toga, neke primjene grijanja, primjerice grijanje zgrada, potrebne su samo zimi, stoga ljeti često nastaje višak toplinske energije.

• Zabačenost: Postrojenja koja koriste sirovine iz poljoprivrede za proizvodnju bioplina najčešće se nalaze u udaljenim ruralnim područjima gdje se ne mogu naći potrošači toplinske energije (npr. male industrije, javne zgrade).

• Kvaliteta i koli čina toplinske energije: Instalirani kapacitet tipičnih postrojenja koja koriste sirovine iz poljoprivrede za proizvodnju bioplina u Europi iznosi oko 500 kWth, što je premalo za toplinske potrebe većih industrija. Nekim industrijama potrebne su više temperature od onih koje im može pružiti bioplinsko postrojenje s kogeneracijom na bioplin.

• Ekonomski rizici: Operatori bioplinskih postrojenja koji „ovise“ o vanjskim potrošačima toplinske energije mogu biti suočeni s ekonomskim rizicima u slučaju promjenjive potražnje. Dugoročnim ugovorima takvi se rizici mogu ublažiti.

• Visoki troškovi: Nekoliko opcija korištenja otpadne topline iziskuje dodatnu opremu povezanu s visokim investicijskim troškovima, primjerice ugradnju ORC modula ili postavljanje mikro-toplinskih mreža.

• Javno prihva ćanje i potpora: Postavljanje novih mikro-toplinskih mreža moguće je jedino onda ako je osigurana potražnja za toplinskom energijom, što znači da ima dovoljno kupaca koji se žele priključiti. Nadalje, potrebna je potpora lokalnih uprava kako bi se omogućila izgradnja mikro-toplinskih mreža.

• Cijene fosilnih goriva: Korištenje otpadne topline iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina mora biti konkurentno u odnosu na cijene fosilnih goriva i drugih izvora obnovljive energije.

13

2 Osnove proizvodnje i korištenja topline

Toplina se u termodinamici definira kao energija prenesena iz jednog sustava u drugi toplinskom interakcijom. Ona je funkcija procesa za razliku od funkcije stanja poput temperature ili volumena. Toplina opisuje prijelaz nekog sustava iz jednog stanja ravnoteže u drugo stanje ravnoteže. Pri tome je sustav karakteriziran svojim granicama koje ga određuju. Toplina uvijek spontano prelazi iz višeg temperaturnog sustava u niži. Termin „toplina“ se često također izražava kao „toplinski tok“ i „izmjena topline". Prijenos topline se može odvijati kondukcijom, zračenjem, konvekcijom, prijenosom mase i putem kemijskih reakcija.

Treba razlikovati između osjetilne topline i latentne topline . Osjetilna toplina je izravno mjerljiva kroz promjenu temperature. Latentna toplina je toplina koju oslobađa ili apsorbira neko tijelo ili termodinamički sustav tijekom procesa koji se odvija bez promjene temperature. Tipičan primjer je promjena stanja tvari, kao što je fazni prijelaz od leda (kruta faza) u vodu (tekuća faza).

Primijenjeno na toplinu neke kogeneracijske jedinice u bioplinskom postrojenju, toplinu može karakterizirati, primjerice, određena zapremina nosioca topline (npr. voda) s visokom temperaturom. Ta se toplina može koristiti na različite načine, pri čemu se temperatura nosioca topline smanjuje na nižu razinu.

2.1 Izgaranje bioplina

Toplina izgaranja (∆ H0) (Jednadžba 1) je energija oslobođena u obliku topline kada neki spoj (bioplin ili biometan) prođe potpuno izgaranje s kisikom pod standardnim uvjetima. Navedena kemijska jednadžba prikazuje reakciju metana s kisikom, pri čemu nastaju ugljikov dioksid, voda i toplina.

Jednadžba 1

U ovoj reakciji izgaranja čistog metana oslobađa se -802,4 kJ/mol. To odgovara vrijednosti od 35,89 MJ/Nm³ (donja ogrijevna vrijednost) ili oko 10 kWh/Nm3. Budući da se bioplin i biometan ne sastoje samo od čistog metana (40-80 posto udio metana u bioplinu; 90-100 posto udio u biometanu), sadržaj energije je zapravo niži u odnosu na čisti metan. Količina topline koja se oslobođa tijekom procesa izgaranja se naziva toplina izgaranja .

U postojećim sustavima izgaranja, goriva se karakteriziraju s donjom i gornjom ogrijevnom vrijednošću, koje ovise o kemijskom sastavu goriva.

Kod određivanja donje ogrjevne vrijednosti (Hd); u engleskoj terminologiji također zvanom inferiorna ogrjevna vrijednost (Hi), neto kalorijska vrijednost (NCV) ili niža kalorijska vrijednost (LCV); podrazumijeva se da energija potrebna za isparavanje sadržaja vode u gorivu nije povratno iskoristiva i stoga nije uključena u njezinu vrijednost. Donja ogrjevna vrijednost Hd se određuje oduzimanjem topline isparavanja vodene pare od gornje ogrjevne vrijednosti. U kalkulacijama se pretpostavlja da je na kraju procesa izgaranja cjelokupna vodena komponenta u stanju vodene pare, za razliku od gornje ogrjevne topline (Hg) gdje se pretpostavlja da je sva vodena komponenta na kraju procesa izgaranja ponovno u tekućem stanju. Donja ogrjevna toplina Hd bioplina ovisi o sadržaju metana i o kvaliteti plina te se kreće od 21,5 do 23,5 MJ/Nm3, odnosno 5,5 do 6,0 kWh/Nm3.

Gornja ogrjevna vrijednost (Hg); u engleskoj terminologiji također zvanoj superiorna toplinska vrijednost (Hs), bruto kalorijska vrijednost (GCV) ili viša kalorijska vrijednost (HCV); je ukupni energetski sadržaj goriva. Ona se određuje ponovnim hlađenjem svih proizvoda izgaranja na prvotnu temperaturu prije izgaranja (često 25°C). Kod gornje ogrjevne vrijednosti (Hg) se pretpostavlja da je na kraju procesa izgaranja sva voda u tekućem stanju.

14

Kod prirodnog plina je gornja ogrjevna vrijednost za otprilike 11 posto veća od donje ogrjevne vrijednosti.

2.2 Veličine i pretvorbene vrijednosti za toplinu

Matematički simbol za toplinu je Q, a međunarodna jedinica (SI) je džul (Joule - J) . U mnogim područjima tehničke primjene se još koriste i britanska toplinska jedinica (BTU, eng. British Thermal Unit), tona naftnog ekvivalenta (toe), te kalorija. Matematički simbol za brzinu prijenosa topline (kapacitet) jest , a standardna jedinica je vat (Watt - W), definirano kao džul u sekundi. Vat je također najčešće korištena jedinica u bioplinskom sektoru.

• 1 J = 1 Ws = 1/3.600 Wh

• 1 Wh = 3.600 Ws = 3.600 J

• 1 toe = 11.630 kWh = 41,87 GJ

• 1 BTU = 1.055 J

Kapacitet nekog bioplinskog postrojenja obično se izražava u kW ili MW (kilovat ili megavat), električni kapacitet (snaga) u kWel, a toplinski kapacitet (snaga) u kW th. Količina energije proizvedena iz bioplina se obično izražava u kWh (kilovatsat) ili MWh. Stvarna godišnja proizvodnja energije nekog bioplinskog postrojenja obično se izražava kao kWh/god (kilovatsati godišnje). Te vrijednosti se baziraju na ukupnom broju sati u normalnoj godini (365 dana) što iznosi 8.760 sati godišnje (god). U odnosu prema veličini tipičnih bioplinskih postrojenja se obično koriste međunarodni prefiksi kilo (10³), mega (106) i giga (109).

Toplina se može ili mjeriti kalorimetrom ili izračunavati uporabom brojčanih vrijednosti zapremine, mase, temperature i toplinskog kapaciteta. Kao mjerilo količine topline u energetskim sistemima se obično koristi „uporabna“ toplina (npr. za grijanje stambenog prostora). To je naprava koja mjeri toplinsku energiju od izvora (npr. bioplinske kogeneracijske jedinice) na način da mjeri brzinu protoka tekućine za prijenos topline (npr. vode) i promjenu njene temperature (∆T) između protočnih i povratnih cijevi.

Važan brojčani pokazatelj za kogeneracijske jedinice je omjer elektri čne i toplinske energije koji predstavlja odnos između električne energije i korisne toplinske energije (Direktiva 2004/8/EC). Vrijednosti tipičnih kogeneracijskih jedinica iznose između 0,4 i 0,9.

Sljedeće vrijednosti korisne su za izračun i mjerenje energije bioplinskih postrojenja:

• Energetski sadržaj 1 kg biometana: 50 MJ

• Energetski sadržaj 1 Nm³ biometana: 35,5 MJ ili 9,97 kWh

• Sadržaj biometana 1 Nm³ bioplina: 0,45-0,75 Nm³

• Energetski sadržaj 1 Nm³ bioplina: 5-7,5 kWh

• Proizvedena električna energija od 1 Nm³ bioplina: 1,5-3 kWhel

• Gustoća 1 Nm³ biometana: 0,72 kg/Nm³

Dodatna vrijednost korisna za ilustraciju energetskog sadržaja bioplina je da 1 m³ bioplina energetski je ekvivalentan količini od 0,6 litara lož ulja za kućanstva.

Dodatne pojedinosti o pretvorbenim jedinicama dane su pod naslovom „Opće pretvorbene jedinice” na kraju ovog priručnika.

2.3 Kvaliteta topline

Kod izrade koncepata korištenja energije, pored količine energije (kvantiteta) važne su i njezine karakteristike (kvaliteta). Važan parametar koji karakterizira kvalitetu energije je mogućnost pretvorbe jednog oblika energije u drugi. Općenito se električnoj energiji dodjeljuje

15

viši status nego toplinskoj energiji, jer se električna energija lako prenosi i koristi u različite svrhe, primjerice u proizvodnji mehaničke energije ili topline, elektromagnetizma i dr.

U termodinamici se često koristi termin eksergija . Ona predstavlja maksimalni energijski dio nekog sustava koji se može pretvoriti u koristan rad, ukoliko je sustav u ravnoteži s okolinom.

Kvalitetu topline karakterizira temperaturni nivo i njezina količina. Za razvijanje toplinskog koncepata važne su temperatura i količina topline, jer korisniku topline uvijek treba određena minimalna razina obih vrijednosti. Temperatura izvora topline uvijek treba biti viša nego temperatura rashladnog spremnika. Veličina temperaturne razlike između izvora topline i hladnjaka je važna determinanta kvalitete topline. Općenito se može kazati da, što je viša temperatura i količina energije (entropija), to je veća i njena kvaliteta. Uz više temperature otpadne topline nude se veće mogućnosti za njeno korištenje. Neki primjeri minimalnih temperatura različitih namjena su:

• Opskrba toplom vodom: 50-80°C

• Grijanje stambenog prostora: 50-80°C

• Rankineovi ciklusi (ORC, CRC): 60-565°C

• Sušilica za poljoprivredne proizvode: 60-150°C

Ovi su primjeri tipični za uporabu otpadne topline iz bioplinskih postrojenja. Budući da temperatura ispušnih plinova kogeneracijskih jedinica u bioplinskim postrojenjima obično iznosi oko 450-520°C, uporaba otpadne topline iz bi oplinskih postrojenja je u pravilu ograničena na gore navedene primjene. Temperature od hlađenja motora i kružnog ciklusa lubrikacije su još i niže (80-90°C), kako je opisan o u poglavlju 2.6. Industrijama koje iziskuju visoke temperature i velike količine energije, ova otpadna toplina obično nije dovoljna, a temperature su preniske.

2.4 Koli čina topline i potražnja

Električni kapaciteti bioplinskih postrojenja iznose od 50 kWel do 30 MWel. Kapaciteti tipičnih poljoprivrednih bioplinskih postrojenja u Europi s primjenom kogeneracijskih jedinica su reda veličine oko 500 kWel, pri čemu se proizvede približno 550-600 kWth otpadne topline. Od toga je oko 500 kWth na raspolaganju za komercijalne svrhe. Oko 25 posto proizvedene topline potrebno je za grijanje digestora u srednjoeuropskim klimatskim uvjetima (Slika 6). Uz približno pretpostavljenih 8.000 pogonskih sati godišnje, ukupna energija jednog bioplinskog postrojenja od 500 kWth iznosila bi 4.000 MWhth.

Jedan od najjednostavnijih i najčešćih načina potrošnje otpadne topline je grijanje i opskrba kućanstava toplom vodom (PTV). U sljedećem primjeru je prikazana prosječna neto potrošnja energije po osobi u Njemačkoj (temeljeno na kalkulacijama iz Paegera 2012):

• Neto potrošnja energije za grijanje i potrošnu toplu vodu po osobi u kućanstvima: 20,2 kWh/dnevno ili 7.373 kWh/god.

• Neto potrošnja energije za grijanje po osobi u kućanstvima: 17 kWh/dnevno ili 6.205 kWh/god.

• Neto potrošnja energije za grijanje po osobi u kućanstvima (na m² boravišnog prostora): 155 kWh/god/m².

• Neto potrošnja energije za potrošnu toplu vodu po osobi u kućanstvima: 3,2 kWh/dnevno ili 1.168 kWh/god.

S obzirom da neto potrošnja energije za grijanje i toplu vodu po osobi iznosi 7.373 kWh/god, proizvodnja energije od 4.000 MWhth u bioplinskom postrojenju snage 500 kWth bila bi dovoljna za godišnje energetske potrebe 543 osoba. Ovo je naravno samo gruba procjena temeljena na prosječnim brojevima. Valja razmotriti i druge faktore poput varijabilne sezonske potražnje za toplinskom energijom uslijed različitih klimatskih uvjeta ljeti i zimi. Taj sezonski čimbenik

16

potražnje za toplinskom energijom značajan je izazov konceptima otpadne topline za grijanje stambenog prostora.

2.5 Zagrijavanje digestora

Kako je opisano u prethodnim poglavljima, digestore treba zagrijavati da bi se osigurao stabilan i učinkovit proces. Za tipična mezofilna bioplinska postrojenja, temperature digestora iznose od 38°C do 44°C, u ovisnosti o sirovini i ukupnom p rocesu. Digestori se mogu grijati različitim tehnologijama, npr. pomoću grijaćih cijevi duž stjenki fermentora ili pumpanjem digestata kroz izmjenjivač topline.

Za koncepte topline važne su potrebe za toplinom za grijanje digestora budući da to određuje količinu topline koja ostaje raspoloža za daljnje svrhe. Na potrebu digestora za toplinom utječe temperatura okoline, odnosno klimatski uvjeti. Nadalje, u postrojenjima za obradu otpada, toplina može biti potrebna za higijenizaciju sirovine.

Prilikom procjene potreba za toplinskom energijom nekog postrojenja za proizvodnju bioplina treba razlikovati potrebu u fazi puštanja u pogon od potrebe za kontuirani rad. Na početnu potrebu za toplinom (Qstart) u jednadžbi 2 utječu specifične karakteristike sirovine, toplinski kapacitet (c), maseni protok sirovine (m) i temperaturna razlika supstrata (∆T) (Jednadžba 2). Dodatno, u fazi stavljanja u pogon određena toplinska energija gubi se kroz površine digestora.

Jednadžba 2

Qstart Toplina potrebna za pokretanje procesa anaerobne digestije [kWh]

c Toplinski kapacitet sirovine [kWh/t/K]

m Maseni protok [t/h]

∆T Promjena temperature sirovine prije i poslije stavljanja u digestor [K]

t Vrijeme [h])

Qlost Toplinski gubici kroz površine digestora [kWh]

Nakon faze puštanja u pogon započinje kontinuirani pogon. Potreba za toplinom (Qoperation) jednaka je zbroju toplinskog gubitka kroz stjenke digestora (Qlost) i toplinskog gubitka zbog proizvodnje digestata (Qdigestate).

Za smanjenje potrebe za toplinom neophodna je dobra izolacija (Slika 7). Stjenke digestora obično su izolirane tvrdim pjenastim pločama. Izgubljena toplina određuje se površinom, koeficijentom prijenosa topline i promjenom temperature (Jednadžba 3, Jednadžba 4). Slika 5 prikazuje pojednostavljenu shemu izolirane stjenke digestora i temperaturnog profila. Pod digestora treba dobro toplinski izolirati. Ako je digestor prekriven betonskim stropom, on također mora biti toplinski izoliran. Pokrovna folija digestora često nije toplinski izolirana. Ukupna izgubljena toplina (Qoperation) je zbroj svih gubitaka od različitih površina digestora i proizvodnje digestata (Jednadžba 4). Za izračun gubitaka na izolaciji treba utvrditi koeficijent prolaza topline, U (Jednadžba 5).

U cilju povećanja proizvodnje topline mogu se koristiti dvije metode: izolacija svih ploha digestora (uključujući pod, stjenke i pokrov), te izolacija sustava povrata topline koji služe za odvođenje digestata iz fermentora.

17

Jednadžba 3

Jednadžba 4

Jednadžba 5

Qlost Izgubljena toplina kroz površine digestora (podijeljena na gubitke stjenke, poda i pokrova) [kWh]

Qoperation Izgubljena toplina kroz površine digestora i zbog proizvodnje digestata [kWh]

Qdigestate Izgubljena toplina zbog proizvodnje digestata [kWh]

A Površina prijenosa topline [m²]

U Koeficijent prijenosa topline [W/m²K]

∆T Promjena temperature (iznutra-izvana) [K]

t Vrijeme (sati)

hi Koeficijent prijenosa konvekcijske topline unutar digestora (W/m²K)

ha Koeficijent prijenosa konvekcijske topline izvan digestora (W/m²K)

d1 Debljina sloja 1

d2 Debljina sloja 2

k1 Toplinska vodljivost prvog sloja (W/mK)

k2 Toplinska vodljivost drugog sloja (W/mK)

Slika 5. Shematski prikaz stjenke digestora ukl jučujući temperaturni profil u uvjetima hladne zime

(-18°C) (izvor: vlastiti podaci; prema www.u-wert.n et)

18

Kako na zagrijavanje digestora utječu mnogi čimbenici, pa tako i klimatski, teško je izračunati precizne vrijednosti potrebe za toplinskom energijom. Za grubu procjenu toplinske energije potrebne za grijanje digestora često se koriste sljedeća iskustvena pravila:

• U kogeneracijskoj jedinici proizvodi se oko 35 posto električne i 65 posto toplinske energije.

• Za grijanje digestora potrebno je približno 20-30 posto toplinskog kapaciteta kogeneracijske jedinice.

• Omjer električne energija – toplinska energija bioplinskih kogeneracijskih jedinica (odnos između električne energije i korisne toplinske energije) obično iznosi između 0,4 i 0,9, a najčešće oko 0,85.

Slika 6. Sustav distribucije toplinske energije bioplinskog postrojenja za grijanje digestora u Aiterhofenu, Njema čka (izvor: Rutz)

Slika 7. Izolacija digestora (naran časte ploče) u Reichenkirchenu, Njemačka (izvor: Rutz)

Osim ukupne godišnje potrebe digestora za toplinskom energijom, važna je i mjesečna distribucija potreba za toplinskom energijom. Ovisno o klimatskim uvjetima, mjesečne potrebe za toplinskom energijom mogu značajno varirati. Tip digestora i izolacija utječu na mjesečnu distribuciju potreba za toplinom. Operateri bioplinskih postrojenja rijetko mjere potrebe digestora za toplinskom energijom, tako da često ne postoje dovoljno dobri podaci o stvarnoj potrošnji toplinske energije na mjesečnoj razini. Za potrebe provedbe njemačkih studija izvodljivosti u okviru projekta BiogasHeat korišteni su podaci o mjesečnoj distribuciji potreba za toplinskom energijom prikazani na slici 8. gdje je vidljivo da su potrebe digestora za toplinom ujednačenije od potreba kućanstva.

Slika 8. Mjese čna distribucija potreba za toplinom fermentora (pre tpostavka) i ku ćanstva (grijanje prostora i priprema tople vode; mjeren ja) na primjeru slu čaja u okviru BiogsHeat projekta u Njemačkoj

11%10% 10%

9%8%

6% 6% 6% 6%

8% 9%

11%

13% 13%11%

11% 4%

3% 3% 3%5%

8%

13% 13%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

heat demand digester heat demand household

19

2.6 Karakteristike bioplinskih motora s unutarnjim izgaranjem

Glavni način korištenja bioplina u Europi je proizvodnja električne energije u motorima s unutarnjim izgaranjem, tzv. plinskim motorima. Kako je pretvorba energije u tim motorima uvijek popraćena proizvodnjom topline, svi se plinski motori ovdje definiraju kao kogeneracijske jedinice, čak ako se ta toplina i ne koristi.

Ima nekoliko različitih vrsta plinskih motora koji se obično dijele na Otto motore i motore s pilot ubrizgavanjem. Pojedinosti o tim motorima opisane su u narednim poglavljima, a pregled nekih karakteristika dan je u tablici 2. Svi bioplinski motori suočeni su s izazovom promijenjive kvalitete bioplina. Osim toga, sadržaj metana relativno je nizak i može sadržavati tek jedva nekih 45 posto ukupne zapremine bioplina. Kapaciteti plinskih motora mogu imati raspon između 10 kWel i 5 MWel. Nekoliko proizvođača nudi plinske motore za bioplinske primjene, primjerice: Schnell, 2G, Rolls-Royce, Kawasaki, MTU, GE Energy (Jenbacher), Caterpillar, Perkins, MWM, Cummins, Wärtsilä, Dresser-Waukesha, Guascor ili MAN.

U plinskom motoru energija se pretvara u iskoristivu i neiskoristivu energiju. Sljedeće brojke pokazuju da se ukupno može iskoristiti otprilike 90 posto energije (prosječne vrijednosti):

• 10% gubici

• 35% mehanička energija (električna energija)

• 55% iskoristiva toplinska energija

Najveći udio raspoložive topline dolazi od ispušnih plinova i od hlađenja motora. Od ukupne proizvedene toplinske energije mogu se izdvojiti sljedeće toplinske kategorije:

• 1-3% ciklus lubrikacije (ulje za podmazivanje motora): 80 - 90°C

• 3-5% gubici toplinskog zračenja

• 30-40% hlađenje motora (voda za hlađenje): 80 - 90°C

• 50-60% ispušni plin: 460 - 550°C

Raspoloživost topline od hlađenja motora i lubrikacijskog ciklusa obično je konstantna i ispod 100°C. Ta se toplina uglavnom koristi za zagr ijavanje vode u različite svrhe. Zbog relativno niske temperature nisu potrebni nikakvi posebni zahtjevi u pogledu otpornosti cjevovoda na viši tlak.

Na raspoloživost topline od ispušnih plinova utječe stupanj onečišćenja izmjenjivača topline (polaganje nečistoća na površinu izmjenjivača topline). Temperature ispušnih plinova mogu dostići i do 550°C. Zbog stvaranja pare, takve visoke tem perature zahtijevaju visokotlačne cijevi. Stoga se često koriste ona termi čka ulja koja na visokim temperaturama i dalje ostaju u tekućem stanju. Međutim, zbog niske toplinske vodljivosti termičkih ulja, u pravilu su potrebni veći izmjenjivači topline. Smanjenje temperature ispušnih plinova može uzrokovati formiranje kondenzata u sustavu ispušnih plinova, što može dovesti do korozije. Stoga valja pozorno proučiti specifikacije proizvođača motora.

Nominalnu snagu kogeneracijske jedinice proizvođač deklarira kao maksimalnu snagu za korištenje s tim uređajem. Radi osiguranja sigurnosne tolerancije, ova se granica obično postavlja niže od razine na kojoj bi se uređaj oštetio. Dodatno, izgledno je da će se zbog starenja kogeneracijske jedinice, njena maksimalna snaga dodatno smanjiti. Zato se stvarni elektri čni kapacitet obično razlikuje od proizvođačeve nominalne snage.

2.6.1 Plinski Otto motori

Plinski Otto motori (Slika 9) posebno su projektirani za korištenje plinova. Oni se temelje na Otto ciklusu i obično rade uz veći pretičak zraka kako bi se postiglo potpuno izgaranje.

Plinski Otto motori imaju električni kapacitet između 100 kWel i 1 MWel i mogu se koristiti za bioplin s udjelom metana višim od 45 posto. Električni stupanj djelovanja plinskih Otto motora

20

iznosi između 34 i 40 posto, a prosječni vijek im je oko 60.000 sati koji se nakon generalnog remonta može dodatno produžiti. Vijek trajanja znatno ovisi o radnim karakteristikama i o intervalima održavanja.

2.6.2 Plinski motori s pilot ubrizgavanjem

Plinski motori s pilot ubrizgavanjem (motori s pilot ubrizgavanjem ili motori s dvojnim gorivom) (Slika 10) temelje se na principu dizelskog motora. Kao i plinski Otto motori, tako i plinski motori s pilot ubrizgavanjem rade uz znatne pretičke zraka. Za njihov rad potrebno je do 10 posto dizelskog goriva odnosno nafte za paljenje što se izravno ubrizgava u komoru za izgaranje, dok se bioplin ubrizgava zajedno sa zrakom. Motori uglavnom mogu raditi samo na dizelsko gorivo, odnosno naftu. U nekim zemljama, kao npr. u Njemačkoj, zahtijeva se uporaba ili biodizela ili biljnog ulja kao goriva za paljenje kako bi se ostvarilo pravo na poticajne tarife. Korištenje fosilnih goriva za paljenje nije prihvatljiv postupak za ostvarenje prava na poticajne tarife.

Tipična uporaba plinskih motora s pilot ubrizgavanjem uključuje instalirane kapacitete do 340 kWel uz raspon električne učinkovitosti od 30 do 40 posto. Prosječni vijek plinskog motora s pilot ubrizgavanjem traje oko 35.000 sati, nakon čega se motor obično treba zamijeniti, budući da je to uglavnom povoljnije od generalnog remonta.

Slika 9. Plinski Otto motor u bioplinskom postrojenju u Njema čkoj (izvor: Rutz)

Slika 10. Motor s dvojnim gorivom (plinski motori s pilot ubrizgavanjem) kapaciteta 235 kW el s integriranom turbinom na ispušni plin kapaciteta 30 kW el (izvor: Schnell Motoren AG)

21

Tablica 2 Odabrane karakteristike plinskih Otto mot ora i plinskih motora s pilot ubrizgavanjem (preuze to iz FNR 2010)

Plinski Otto motori Plinski motori s pilot ubrizgavanjem

Instralirani elektri čni kapacitet

može biti veći od 1 MW, kapaciteti <100 kW rijetko se nalaze

< 340 kW

Sadržaj metana > 45% također prikladno za bioplin s veoma niskim sadržajem CH4

Elektri čna učinkovitost

34-42% 30-44%

Životni vijek 60.000 sati 35.000 sati

Dodatno gorivo nema 1-5% nafte za paljenje

Prikladnost za veća bioplinska postrojenja za manja bioplinska postrojenja

Prednosti + posebno projektirano za plinove

+ dobre vrijednosti emisija ispušnih plinova

+ mala potrebe za održavanjem

+ ukupna učinkovitost viša nego u plinskih motora s pilot ubrizgavanjem

+ niži investicijski troškovi

+ veća el. učinkovitost nego u plinskih Otto motora

+ niži zahtjevi u pogledu kvalitete plina

Slabosti - investicijski troškovi su nešto viši nego kod plinskih motora s pilot ubrizgavanjem

- viši troškovi uslijed općenito niže proizvodnje

- manje el. učinkovitosti nego u plinskih motora s pilot ubrizgavanjem

- veća potrebe za održavanjem

- ukupna učinkovitost manja nego u plinskih Otto motora

- potrebno je dodatno gorivo

- više vrijednosti emisija ispušnih plinova (NOx)

2.7 Koncepti za kombiniranu proizvodnju toplinske i elektri čne energije iz bioplinskih postrojenja

Većina operatora bioplinskih postrojenja nastoji maksimizirati radni vijek svojih kogeneracijskih jedinica. Rad pod punim opterećenjem od preko 8.000 sati godišnje je moguć, ali je vijek trajanja kogeneracijske jedinice nešto kraći. Razlog za maksimiziranje pogonskog vijeka uglavnom su sustavi potpore (poticajne tarife) budući da se ti poticaji dodjeljuju po količini proizvedene električne energije.

Kada bi se uveli drugačiji programi potpore, kogeneracijske jedinice na bioplin mogle bi optimizirati svoj rad prema pripadnoj potražnji za električnom odnosno toplinskom energijom, umjesto rada na punoj izlaznoj snazi.

U sustavu u kojem dominira potražnja za elektri čnom energijom , električna energija iz bioplinske kogeneracijske jedinice mogla bi se ciljano koristiti za upravljanje optere ćenjem .

U sustavu u kojem dominira potražnja za toplinskom energijom , toplinska energija iz bioplinske kogeneracijske jedinice mogla bi se ciljano uskladiti stvarnoj potražnji za toplinskom energijom. Međutim, takvi sustavi nisu uobičajeni jer za njih nema poticaja. Osim toga,

22

postrojenja koja koriste bioplin za proizvodnju topline suočena su s nekoliko izazova, primjerice sa sezonskom potražnjom za grijanjem stambenog prostora.

U takvom konceptu proizvodnje električne i toplinske energije na osnovi pripadne potražnje, općenito se energija može dobro skladištiti, unatoč ograničenom skladišnom kapacitetu bioplina. Problem skladištenja bioplina se može riješiti putem utiskivanja pročišćenog bioplina (biometana) u mrežu prirodnog plina, koja ima veliki skladišni kapacitet.

Ukratko, većina kogeneracijskih jedinica bioplinskih postrojenja nastoji maksimirati proizvodnju električne energije. Kad je riječ o drugim kogeneracijskim jedinicama, primjerice o malim kogeneracijskim jedinicama u kućanstvima, koje rade na prirodni plin ili biometan, kogeneraciju obično potiče potražnja za toplinskom energijom.

23

3 Mogu ćnosti korištenja toplinske energije iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina

Korištenje otpadne topline iz kogeneracijskih jedinica bitno doprinosi ekonomski uspješnom pogonu bioplinskih postrojenja i smanjenju njihovog utjecaja na okoliš. Njihov rad mora biti ekonomski i tehnički ostvariv. Ako smisleni koncept korištenja toplinske energije nije ostvariv, treba razmotriti druga rješenja, kao što je proizvodnja biometana i njegovo utiskivanje u mrežu prirodnog plina, ili izgradnja bioplinskih cjevovoda do drugih kogeneracijskih postrojenja. Ne može li se razviti prihvatljivi koncept korištenja toplinske energije, u mnogim je slučajevima bolje odustati od projekta postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina. Često i odabir lokacije utječe na koncept korištenja topline, stoga lokaciju treba birati prvenstveno u skladu s mogućnostima korištenja topline, a potom prema drugim kriterijima (blizina supstrata, itd.).

Međutim, ako se dobro i dovoljno unaprijed planira, koncepti korištenja topline se mogu razviti za većinu bioplinskih postrojenja. Što su okvirni uvjeti fleksibilniji, to je više opcija na raspolaganju. Ti okvirni uvjeti uključuju, primjerice, lokaciju postrojenja, potencijalno zainteresirane potrošače toplinske energije, pravnu problematiku, likvidnost itd.

Glavni proizvod postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina je električna energija kojom se obično napaja elektroenergetska mreža. U malom broju slučajeva (Slika 11) je moguće i korištenje CO2, npr. za poboljšanje rasta biljaka u staklenicima, za uzgoj algi, ili za dobivanje sintetičkog metana „power-to-gas“ postupkom (vidi poglavlje 4.6). Glavni izazov je održivo korištenje toplinske energije, koja se može koristiti izravno za grijanje, ali i za dodatnu proizvodnju električne energije, za hlađenje ili za sušenje. Takve se mogućnosti razmatraju u sljedećim poglavljima.

Slika 8. Pojednostavljeni dijagram toka korištenja bi oplina

bioplin

izgaranje u (satelitskoj)

kogeneracijskoj jedinici

pročišćavanje u

biometan

CO2

električna

energijatoplinska energija

biometan

mreža

prirodnog

plina

bioplinski cjevovod

(opcijski)

transportzamjena za

prirodni plin

el. energija grijanje hlađenje sušenje

npr. ORC, Stirling

primjeri:

daljinsko grijanje

akvakultura

staklenici

agroindustrija

primjeri:

daljinsko grijanje

ribarstvo

mliječna industrija

skladištenje hrane

primjeri:

drvni otpaci

piljevina za pelete

ogrjevno drvo

digestat

žitarice, biljke, začini

izmjenjivač

topline

apsorpcijsko

hlađenje

npr. zračna

sušilica

24

3.1 Grijanje

Izravno korištenje toplinske energije za različite primjene je među najučinkovitijim rješenjima za održivo korištenje otpadne topline. Time se mogu zamijeniti fosilna goriva, a emisije stakleničkih plinova znatno smanjiti. Najjednostavniji način korištenja topline je, primjerice, grijanje zgrada ili isporuka tople vode nekom objektu, što je posebno pogodno za poljoprivredne objekte. U nekim je slučajevima potrebno razvijati druge koncepte korištenja toplinske energije, kao onda kada raspoloživa toplinska energija prelazi potrebe grijanja prostora i pripreme tople vode. Proizvedena toplinska energija iz srednje velikih poljoprivrednih bioplinskih postrojenja je često veća od toplinskih potreba poljoprivrednog gospodarstva. Osim toga, bioplinska postrojenja se mogu nalaziti predaleko od zgrada, pa nastaje potreba za drugim, neizravnim opcijama grijanja. Naposljetku, na kvantitetu i kvalitetu opskrbe i potreba za toplinskom energijom utječu sezonske i/ili dnevne promjene.

Pri projektiranju sustava grijanja treba što detaljnije procijeniti karakteristike potreba za toplinskom energijom . Zato treba utvrditi sljedeće:

• Ukupne potrebe za toplinskom energijom

• Potrebe za toplinskom energijom tijekom godine

• Vršna toplinska opterećenja

• Sezonske promjene toplinskih potreba.

Ovisno o veličini sustava grijanja za utvrđivanje karakteristika potrošača toplinske energije mogu se primijeniti različiti pristupi, kao što su:

• Provjera računa za grijanje ispostavljenih potrošačima u prethodnom periodu

• Mjerenja

• Izračuni

Pojedinosti o planiranju sustava grijanja opisani su u poglavlju 3.1.1.

3.1.1 Daljinsko grijanje

Izravno korištenje toplinske energije u sustavima daljinskog grijanja najjednostavniji je način iskorištavanja otpadne topline. Veličina sustava daljinskog grijanja kreće se od malih sustava na koji je priključeno svega nekoliko kućanstava (mikro mreže grijanja) (Slika 12) do velikih sustava na koje su priključeni čitavi gradovi. Toplinska energija iz bioplinskih postrojenja može se iskoristiti za opskrbu i malih i velikih sustava.

Veći sustavi daljinskog grijanja definiraju se kao sustavi za distribuciju centralno proizvedene topline (npr. u kogeneraciji na bioplin) za potrebe grijanja stambenih i poslovnih prostora, uključujući i opskrbu toplom vodom. U većim sustavima je moguće priključiti nekoliko postrojenja za proizvodnju topline u isti sustav. Toplinska energija distribuira se potrošačima putem toplinske mreže te se izravno ili neizravno priključuje preko izmjenjivača topline (Slika 14, Slika 20, Slika 20). Sustavi daljinskog grijanja sastoje se od polaznih i povratnih cjevovoda koji čine zatvoreni krug. Polazna topla voda ili para se transportira potrošačima, a ohlađena voda ili kondenzat se dovodi natrag do postrojenja za proizvodnju topline. Zbog nižih temperaturnih razina topline proizvedene u bioplinskim postrojenjima, obično se koristi samo topla voda, a ne i para. Cijevi trebaju biti dobro izolirane i postavljene podzemno, no ima sustava i s nadzemnim cjevovodima. Na promjere cijevi utječu veličina sustava i protoci transportirane vode. Kao dodatna oprema mogu se javljati izmjenjivači topline, spojna armatura, podstanice, sustavi akumulatora topline i kalorimetri. Cijevi mogu biti od sintetičkih materijala npr. PE (polietilen), pur pjene (Slika 16, Slika 17) ili čelika (Slika 18). Mogu biti instalirane kao pojedinačne cijevi ili dvostruke cijevi (Slika 16, Slika 17), pri čemu polaganje dvostrukih cijevi dovodi u pravilu do manjih gubitaka topline. Međutim, odabir tipa cijevi znatno ovisi o različitim uvjetima na lokaciji.

25

Cijevi se u zemlju mogu položiti putem rovokopača (Slika 12) ili horizontalno usmjerenim bušenjem tzv. HDD usmjerenim bušenjem (Slika 13). HDD je metoda polaganja podzemnih cijevi, kablova i cjevovoda u plitkom luku uz zadanu stazu bušenja u obliku brazde bez iskapanja kanala, a uz minimalni utjecaj na okolno područje. Usmjereno bušenje primjenjuje se onda kada iskapanje kanala nije praktična opcija, a prikladno je za iskapanja na različitim tipovima tla i za različite situacije, uključujući polaganje cijevi preko zemljanih površina, prometnica i rijeka. Provedene su instalacije duljine i do 2.000 m. Cijevi mogu biti sačinjene od materijala poput PVC-a, polietilena, polipropilena, savitljivog željeza i čelika, ukoliko se takve cijevi mogu provući kroz nastale rupe. Najbolji materijali za direktno bušenje su čvrste stijene i sedimentna tla. Usmjereno bušenje nije praktično ukoliko u stijeni postoje praznine ili slojevi. Ova tehnika ne preporuča se za šljunkovita tla. Postoje, također, različiti tipovi nastavaka za bušenje, a njihov izbor ovisi o geološkom materijalu koji se buši (Wikipedia, 2014).

HDD je posebice prikladan uz prometnice, budući da je smetnja za susjedna kućanstva svedena na minimum te je time i prihvaćanje lokalne zajednice veće.

Slika 9. Polaganje cijevi za grijanje zgrada u okolici farme (Izvor: Thermaflex Isolierprodukte GmbH)

Slika 10. Stroj za usmjereno bušenje (Izvor: Rutz )

Ovisno o sustavu, krajnji potrošač obično prima toplinsku energiju preko izmjenjivača topline (Slika 14, Slika 15). No, postoje i sustavi u kojima je toplovod izravno priključen na potrošačev krug grijanja. Time se smanjuju gubici topline za oko 5 posto po izmjenjivaču topline, no za to su potrebni sofisticiraniji sustavi i više rada na održavanju, jer bi kvarovi mogli utjecati na cijeli sustav.

Premda su suvremeni sustavi daljinskog grijanja veoma učinkoviti, neminovni su gubici topline . Gubitke treba svoditi na minimum, no u proračunima se uvijek mora razmotriti kompromis između gubitaka i troškova njihovog izbjegavanja. Na toplinske gubitke u sustavu daljinskog grijanja utječu sljedeći parametri:

• Duljina cjevovoda

• Izolacija cijevi (Slika 18)

• Vrsta tla

• Debljina sloja zemlje iznad cijevi (Error! Reference source not found. , Slika 19)

• Zapremina, optimalni protok i temperatura ogrjevnog kruga

• Predviđena temperaturna razlika na krajnjem izmjenjivaču topline

• Broj serijski priključenih izmjenjivača topline.

26

Postoje različiti načini iskazivanja gubitaka u nekom sustavu daljinskog grijanja (Wiese 2007):

• Temperaturna razlika na početku i kraju sustava

• Relativne brojčane vrijednosti ili postoci gubitaka topline

• Apsolutne brojčane vrijednosti gubitaka topline u kW

Proizvođači cijevi za toplinske mreže za svoje proizvode obično navode postotke gubitka topline. Međutim, za projektiranje mreža daljinskog grijanja preporuča se uzimanje u obzir apsolutnih brojčanih vrijednosti, jer se tako može odrediti gubitke topline pri različitim toplinskim opterećenjima.

U sklopu projekta Ecoheat4cities (www.ecoheat4cities.eu ) izrađena je dobrovoljna oznaka za mjerenje i priopćavanje podataka o radu sustava daljinskog grijanja, uključujući obnovljivost energije, učinkovito upravljanje resursima (faktor primarne energije) i učinkovito upravljanje emisijama CO2. Time će se glavnim akterima diljem Europe pokazati kako daljinsko grijanje i hlađenje može pridonijeti postizanju odgovarajućih energetskih ciljeva i olakšati sagledavanje daljinskog grijanja i hlađenja kao konkurentne i izvedive opcije na europskom tržištu grijanja i hlađenja.

Tipi čni potroša či otpadne topline iz bioplinskih postrojenja su industrijski i poslovni subjekti, javni subjekti i privatni potrošači. Među potrošače s obično visokim i stalnim potrebama za toplinskom energijom tijekom cijele godine ubrajaju se, primjerice, veliki proizvođači mesa, akvakultura, praonice rublja, rekreacijski centri, bolnice, plivački bazeni i toplice. Manje je stabilna potražnja kod hotela, kantina, skladišta namirnica, škola i privatnih stanova.

Izgradnja sustava daljinskog grijanja za otpadnu toplinu iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina povezana je sa znatnim troškovima izgradnje . Što je veća udaljenost između postrojenja za proizvodnju bioplina i potrošača toplinske energije, to su troškovi veći te su stoga, u većini projekata, udaljenosti manje od 4 km . Dobar pokazatelj učinkovitosti daljinskog grijanja je godišnja isporučena toplina po metru mreže (u kW/m*god.). U Njemačkoj navedeni pokazatelj mora iznositi minimalno 500 kW/m*god kako bi projekt bio prihvatljiv za potpore iz KfW programa.

Zbog visokih troškova izgradnje i znatnih napora potrebnih za izgradnju sustava daljinskog grijanja trebalo bi ići na dugoro čne ugovore između dobavljača i potrošača. Na sustave daljinskog grijanja iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina mogu se primijeniti tri različita koncepta. To su osnovna toplinska opskrba, potpuna toplinska opskrba i prodaja toplinske energije toplinarskim tvrtkama.

27

Slika 14. Priklju čak sustava za grijanje bioplinskog postrojenja u Njema čkoj (desno od cijevi nalazi se izmjenjiva č topline) (Izvor: Rutz)

Slika 15. Priklju čna oprema (uklju čujući izmjenjiva č topline) jednog krajnjeg potroša ča priklju čenog na sustav daljinskog grijanja u Achentalu, Njemačka (izvor: Rutz)

Slika 16. Ugra đena PE dvostruka cijev za grijanje fermentora (Izvor: Rutz)

Slika 17. Dvostruka cijev od polietilena (Izvor: Rutz)

Osnovna toplinska opskrba

U ovom konceptu operator bioplinskog postrojenja isporučuje potrošaču toplinske energije samo raspoloživi dio toplinske energije. Operator ne jamči potpunu opskrbu toplinskom energijom. Stoga je potrebno da potrošač toplinske energije bude opremljen dodatnim kotlovima koji se uključuju u slučaju nepokrivanja potreba od strane operatora bioplinskog postrojenja. To se uglavnom događa u vremenu vršne potražnje ili izostanka rada bioplinskog postrojenja (npr. kvar na sustavu, održavanje). U sustavu osnovne toplinske opskrbe, rizik operatora bioplinskog postrojenja sveden je na minimum. Međutim, operator bioplinskog postrojenja obično ne postiže ekonomski opravdanu cijenu za takvu toplinsku energiju. Potrošači toplinske energije uglavnom imaju koristi od vrlo niskih cijena toplinske energije, ali moraju investirati u ugradnju i održavanje dodatnih kotlova.

28

Potpuna toplinska opskrba

U ovom konceptu, cjelokupnu potrebu za toplinskom energijom pokriva operator bioplinskog postrojenja što uključuje isporuku u vremenu vršne potražnje, npr. za hladnih zima, kao i isporuku u slučaju održavanja sustava ili kvara. Prema mnogim ugovorima u Njemačkoj, jamči se isporuka toplinske energije kad se temperature spuste ispod -15°C. U takvom sustavu operator bioplinskog postrojenja ima veće investicijske troškove jer treba ugraditi vršne kotlove za vršnu potrošnju odnosno za slučaj nužde. Kako bi se to osiguralo, korisno je imati priključak na mrežu prirodnog plina jer on može izgarati i u bioplinskim kogeneracijskim jedinicama i na kotlovskim plamenicima. Rizik za operatora postrojenja je veći jer mora osigurati kontinuiranu isporuku toplinske energije sukladno potpisanim ugovorima. Kako je potrošač u cijelosti opskrbu toplinskom energijom povjerio operatoru bioplinskog postrojenja, mogu mu se zaračunati konkurentne cijene toplinske energije.

Prodaja lokalnim toplinarskim tvrtkama

I konačno, operator bioplinskog postrojenja može prodavati sveukupnu toplinsku energiju lokalnoj toplinarskoj tvrtki, ili nekoj specijaliziranoj tvrtki za pružanje toplinarskih usluga, u kategoriji tvrtki za pružanje energetskih usluga (ESCo). Toplinarska ili ESCo tvrtka obično kupuje svoju toplinsku energiju od operatora postrojenja i jamči punu isporuku toplinske energije potrošaču. Stoga toplinarska ili ESCo tvrtka mora imati spremne agregate za pokrivanje vršne potrošnje odnosno za slučaj nužde. Ti agregati mogu raditi na konvencionalna goriva kao što su prirodni plin ili nafta, ili na biogoriva poput bioplina iz drugih postrojenja, drvnih otpadaka, biodizela ili biljnog ulja.

Slika 18. Predizolirane čelične cijevi za daljinsko grijanje u Njema čkoj (izvor: Rutz)

Slika 19. Izgradnja sustava daljinskog grijanja u Njemačkoj (izvor: Rutz)

29

Slika 20. Spiralni izmjenjiva č topline u Danskoj (izvor: Rutz)

Slika 21. Bioplinski kotao kapaciteta 1.500 kW u Dan skoj (izvor: Rutz)

3.1.2 Planiranje sustava daljinskog grijanja

Pri projektiranju toplinske mreže važno je imati u vidu da u tome sudjeluje više zainteresiranih strana , kao što su operatori bioplinskog postrojenja, potrošači toplinske energije, vlasnici zemljišta na trasi prijenosa energije, lokalne vlasti, tvrtke za pružanje usluga toplinske energije, toplinarske tvrtke, projektanti, izvođačka tvrtka i lokalni stanovnici. Njihovo sudjelovanje valja predvidjeti već u ranoj fazi planiranja. Koncepti toplinskih sustava velikih razmjera su osobito složeni.

Kako bi se realizirali koncepti daljinskog grijanja na otpadnu toplinu iz bioplinskih postrojenja, projekt mora biti tehnički i ekonomski izvediv. To se može ocijeniti analizom karakteristika potrošnje i podataka kod postojećih potrošača toplinske energije. Pritom treba procijeniti sezonske i dnevne karakteristike potrošnje i vršna opterećenja (Schröder 2007). Primjeri prikupljenih podataka mjerenja za grijanje zgrada i za sušenje drvne sječke prikazani su na slikama 22. i 23, a prikupljeni su u okviru studija izvodljivosti u Njemačkoj.

Osim toga, važno je uzeti u obzir i buduća događanja, poput adaptacije zgrada.

Najjednostavnija procjena potrošnje može se obaviti provjerom ra čuna za toplinsku energiju ispostavljenih potrošačima u prethodnim razdobljima. Preporuča se provjeriti račune unazad nekoliko godina. Ta je metoda prikladna ako se predviđa priključenje malog broja potrošača i ako je potreba za toplinskom energijom daleko ispod toplinskog kapaciteta postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina.

Druga metoda procjene potreba za toplinskom energijom uključuje mjerenja , koja mogu biti satna, dnevna ili mjesečna. U postojećim većim pogonima se potrošnja ponekad prati pa se mogu koristiti prikupljeni podaci. Potrebna su detaljna mjerenja ako se potreba za toplinskom energijom želi pokriti u potpunosti ili ako su ukupne potrebe blizu dostupnog toplinskog kapaciteta postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina.

30

Slika 11. Primjer rezultata mjerenja potrošnje toplin ske energije za dva ku ćanstva, jednu priklju čnu

građevinu, svinjac i privatni bazen za slu čaj u okviru projekta BiogasHeat (period 2007-2013)

Slika 12. Primjer rezultata mjerenja potrošnje toplin ske energije za sušenje drvne sje čke za isto bioplinsko postrojenje kao na slici Slika 11. (period 2010-2013)

Primjenom mjernih podataka, mogu se izraditi krivulje opterećenja i krivulje trajanja opterećenja. Krivulja toplinskog optere ćenja je grafički prikaz stvarne potrošnje toplinske energije tijekom određenog vremena, obično jedne godine (8.760 sati) te pruža informacije o ukupnim potrebama za toplinskom energijom, vršnim opterećenjima i vremenskim karakteristikama.

Krivulja trajanja toplinskog optere ćenja slična je krivulji opterećenja, no podaci o potrebama dani su u silaznom redoslijedu veličine, a ne kronološki. Slika 24. prikazuje primjer krivulje trajanja toplinskog opterećenja za jedan srednje veliki toplinski sustav. Ista pokazuje koliko se toplinskih potreba može, u baznom opterećenju, pokriti bioplinskim postrojenjem kapaciteta

31

600 kWth s približno 7.200 radnih sati. Pritom bi pokrivanje vršnog opterećenja trebao osigurati neki drugi sustav. Ako bi punu opskrbu toplinskom energijom trebalo osigurati bioplinsko postrojenje, kapacitet bi u tom slučaju trebao biti oko 1.800 kWth.

Slika 24. Primjer krivulje trajanja optere ćenja sustava grijanja uz toplinsku snagu kogeneraci jske

jedinice od 600 kW

Slika 25. Primjer krivulja opskrbe toplinskom energij om kroz godinu dana za bioplinsko postrojenje od

600 kW th u srednjoj Europi

kW

sati rada pogona

bazno optere ćenje

vršno optere ćenje

toplinskikapacitet

neiskorištenikapacitet

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

sij velj ožu tra svi lip srp kol ruj lis stu pro

MWh

Ukupna proizvodnja toplinske

energije

Proizvodnja el. energije

Opskrba toplinskom

energijom za daljinsko grijanje

Opskrba toplinskom

energijom digestora

32

Konačno, mogu se napraviti prora čuni potreba za toplinskom energijom. Kad je riječ o zgradama, proračuni obično uključuju podatke o grijanim prostorima za boravak, o stanju izolacije, o broju potrošača tople vode, te lokalne klimatske parametre.

Pored analize toplinskih potreba, pomno treba isplanirati i toplinsku proizvodnju kogeneracijske jedinice te drugih toplinskih agregata. Stoga su važni tehnički podaci proizvođača kogeneracijske jedinice, posebice o ukupnom toplinskom kapacitetu. Stvarnost pokazuje da su ti podaci obično oko 3 posto niži od početno iskazanih (Gaderer et al. 2007). Treba, nadalje, razmotriti potrebe za toplinskom energijom za grijanje digestora, koja se mijenja ovisno o godišnjem dobu. Slika 25. prikazuje primjer krivulje opskrbe toplinskom energijom bioplinske kogeneracijske jedinice. U ovom primjeru je isporuka toplinske energije visoka zimi, dok se ljeti proizvodi višak toplinske energije.

Proizvodnja toplinske energije kao i potražnja za njom pod jakim su utjecajem klimatskih uvjeta . Pritom posebno treba uzeti u obzir najniže temperature na lokaciji , jer one utječu na iznos i trajanje vršnog opterećenja kao i na maksimalni kapacitet instaliranog toplinskog sustava. Klimatske podatke pružaju javni metereološki zavodi. Klimatski podaci, zajedno s podacima o priključenim zgradama (vrsta i oblik zgrada, izolacija, dimenzije prozora i namjena zgrade), koriste se za točan izračun potreba za toplinskom energijom i za dobivanje sezonskih specifikacija sustava daljinskog grijanja.

Ovisno o zahtjevima, u sustav daljinskog grijanja mogu se uključiti dva različita sustava skladištenja topline . Međuspremnici se koriste za izjednačavanje dnevnih i kratkoročnih varijacija u potrebama za toplinskom energijom. Prema jednom primjeru Gaderera et al. (2007) u Njemačkoj primjena međuspremnika omogućava opskrbu oko 20 individualnih obiteljskih kuća s jednim postrojenjem za proizvodnju i korištenje bioplina kapaciteta 150 kWel te 57 individualnih obiteljskih kuća s jednim bioplinskim postrojenjem kapaciteta 500 kWel. Drugi sustavi spremanja su sezonski spremnici koji omogućavaju skladištenje ljeti proizvedene topline za potrošnju zimi. U ovom slučaju Gaderer et al. (2007) pokazuju mogućnost opskrbe oko 48 individualnih obiteljskih kuća s jednim postrojenjem za proizvodnju i korištenje bioplina kapaciteta 150 kWel te 135 individualnih obiteljskih kuća s jednim postrojenjem za proizvodnju i korištenje bioplina kapaciteta 500 kWel. Kod sezonskih sustava skladištenja topline se obično radi o sondama smještenima u podzemne bušotine koje predaju toplinu tlu i tako je skladište. U ovim sustavima se odvija izmjena topline preko U-cijevi ili preko otvorenog cjevovodnog sustava.

Prilikom planiranja mikro toplinskih mreža preporuča se uzeti u obzir savjete stru čnjaka , iako je u nekim slučajevima planiranje izvodi sam operater. Odluka o uključivanju stručnjaka ovisi o vještinama operatera i složenosti sustava. Ponekad i proizvođači toplinskih cijevi nude usluge operatoru bioplinskog postrojenja za lakše planiranje sustava.

Osim analize i procjene raspoložive i potrebne toplinske energije, koje predstavljaju preduvjet za daljnje korake u procesu planiranja, operator bioplinskog postrojenja može koristiti različite alate za projektiranje mikro toplinske mreže. To mogu biti, npr. on-line alati za mapiranje poput Google Earth-a ili jednostavni crteži u kartama. Pomoću ovog alata može se dobiti razmjerno detaljna trasa cjevovoda kao i duljine pojedinih dionica tese mogu prikazati visinski profil mreže, što je važno za mreže s velikim odstupanjima u nadmorskoj visini.

Nakon što su ključni podaci (dostupnost toplinske energije, potražnja za toplinom, duljina toplinske mreže) poznati, mogu se proračunati podaci o tehničkoj učinkovitosti mreže . To se može relativno jednostavno napraviti pomoću, npr. Excel programa. Informacije o učinkovitosti su vrlo važne jer neki programi potpore zahtjevaju određeni izračun učinkovitosti mreže jer inače nisu prihvatljivi za financiranje. Primjerice, kogeneracijski bonus u Njemačkoj zahtijeva da gubici u mreži budu manji od 25 posto (na temelju iskorištene topline). Nadalje, izravna potpora za male toplinske mreže zahtijeva minimalni protok od 500 kWh/m/god kako bi se ostvarila uz potporu njemačkog KfW programa.

Primjer proračunatih ključnih parametara s cilljem usporedbe učinkovitosti toplinske mreže u odnosu na toplinsku mrežu iz satelitske kogeneracije prikazana je u Table 1.

33

Table 1. Izra čun učinkovitosti mini toplinske mreže bez bioplinskog cj evovoda i s cjevovodom (slu čaj u Njemačkoj)

Samo toplinska mreža

Bioplinski cjevovod i toplinska mreža

Duljina toplinske mreže [m] 1 473 540

Duljina bioplinskog cjevovoda [m] 0 1 016

Potrebe za toplinom za grijanje stanova i sportskog kluba (korištena toplina) [kWh/a]

1 497 287 930 000

Toplinski protok [kWh/m/a] 1 016 1 722

Gubici [W/m] 22 22

Gubici čitavog sustava [W] 32 406 11 880

Gubici čitavog sustava [kWh/a] 283 877 104 069

Gubici čitavog sustava [kWh/m] 193 193

Ukupna potreba za toplinom= potreba za toplinom potroša ča [kWh/a] + gubici čitavog sustava [kWh/a]

1 781 164 1 034 069

Gubici na temelju korištene energije % (u skladu s EEG) 19% 11%

Gubici na temelju isporu čene topline (korištena toplina plus) u % (tehni čka vrijednost)

16% 10%

3.1.3 Objekti za držanje životinja

Svinjske i peradarske farme proizvode meso tijekom cijele godine, dakle i zimi. Kako bi se osigurala kontinuirana proizvodnja te i povećala proizvodnja, objekti za držanje životinja se često griju, osobito zimi. Povezivanje postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina sa svinjskim i peradarskim farmama omogućava korištenje gnojiva i stelje kao sirovine za rad postrojenja i korištenje otpadne topline za klimatizaciju staja. Te se sinergije mogu primijeniti u velikim stočarskim sustavima. No i manja ekološka poljoprivredna gospodarstva mogu od toga imati koristi jer je potrebno više (grijanog) prostora po životinji.

Svinjogojstvo

Svinje se obično uzgajaju u različitim uvjetima prema njihovoj dobi. Precizno grijanje može značajno pridonijeti poboljšanju tih uvjeta, a time i produktivnosti sustava svinjogojstva. Svinjama su potrebni topli i suhi uvjeti u objektima za držanje svinja koji će ih zaštititi od hladne zime. U uzgoju svinja prikladne su sljedeće temperaturne razine prema dobi svinje:

• 1. tjedan: 32°C

• 2.- 4. tjedan: 28°C

• 4.- 8. tjedan: 22-27°C

• tov: 20°C

34

Mladim svinjama (prasadi) su potrebne više temperature. Postoje različiti sustavi grijanja, poput zonskih grijača ili grijaćih podloga. Potrebe za toplinom po uvjetnom grlu svinje iznose oko 16 kWh mjesečno u klimatskim uvjetima južne Njemačke (Schulz et al. 2007).

Slika 26. Moderna ventilirana farma svinja u Njema čkoj koja je grijana otpadnom toplinom iz bioplinsko g

postrojenja (Izvor: Rutz)

Peradarstvo

Peradarstvo je uzgoj domaćih ptica kao što su kokoši, purani, patke i guske radi dobivanja mesa ili jaja za ishranu.

Pilići su najbrojnija uzgajana perad. Postoji puno različitih sustava uzgoja, a uzgoj u zatvorenom prostoru najčešća je praksa. Pilići za proizvodnju mesa, tzv. brojleri ili pilići za tov, uzgajaju se na podu velikih peradarnika opremljenih sustavima hranjenja i ventilacije te grijačima. Uobičajene temperature peradarnika za uzgoj pilića za tov prema dobi, navedene su u tablici 3. Postoji razlika između sustava centralnog grijanja kojima se grije cijeli peradarnik i stropnih grijača na isijavanje koji griju samo dijelove peradarnika (površine ispod grijača) i koji obično rade na električnu energiju.

35

Tablica 4 Optimalne temperature peradarnika za uzgo j pili ća (Berk 2008)

Dob (dani) Sustav centralnog

grijanja za cijeli peradarnik [°C]

Stropni grija č [°C]

1-2 36-34 32-31

3-4 32-31 30

5-7 30-29 29-28

8-14 29-27 28-26

15-21 26-25 25

22-28 24-23 24

29-35 22-20 22-20

36-42 21-19 21-19

>43 20-18 20-18

3.1.4 Staklenici

Staklenici (Slika 27) često trebaju puno energije za stvaranje optimalnih uvjeta za uzgoj poljoprivrednih kultura. Troškovi grijanja obično su među najvišim poslovnim troškovima staklenika. Često su potrebne temperature od 20-25°C, čak i u hladnom dijelu godine. Stoga otpadna toplina iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina može biti dobar i povoljan izvor toplinske energije. Preduvjet je da se staklenik nalazi u blizini bioplinskog postrojenja.

Najprikladniji sustav grijanja u staklenicima je kružno grijanje vodom (Slika 28) jer se ono može precizno namjestiti pa se cirkulacija zraka može smanjiti, dok zračni grijači imaju nekoliko slabosti.

Važan čimbenik za utvrđivanje je li staklenik prikladan potrošač otpadne toplinske energije je potražnja za toplinskom energijom. Gabloffsky (2007) navodi da godišnja energetska potreba za grijanje staklenika na 20°C u Njema čkoj još uvijek može doseći oko 600 kWh/m². Razvija se bolja izolacija staklenika, a ograničavajući čimbenik je to što kroz prozirni pokrov treba prodrijeti dovoljno svjetla. Za utvrđivanje potražnje za toplinskom energijom može se upotrijebiti jednadžba 6 (BDEW 2009):

�� = � × �� × (�� − ��) Jednadžba 6

Potražnja za toplinskom energijom [W]

A Površina prozirnog pokrova [m2] (također podna površina u [m²] x 1,4)

u’ Koeficijent potražnje za toplinskom energijom [W/m2 K]

ti Unutarnja temperatura staklenika [°C]

ta Minimalna ambijentalna temperatura lokacije [°C]

Koeficijent potražnje za toplinskom energijom u’ je vrijednost potražnje različitih vrsta staklenika, koja ima raspon od 4,6 za dvostruko ostakljene staklenike s mješovitim sustavom

36

grijanja do 10 za jednostavne staklenike s folijama i uzdignutim nadzemnim toplinskim cijevima.

Treba uzeti u obzir da je najviša potražnja staklenika za toplinskom energijom u hladnom dijelu godine odnosno zimi, kao i u kasnu jesen i rano proljeće. Isto tako, raspoloživa toplinska energija iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina je manja u hladnom dijelu godine, jer je tada više energije potrebno za grijanje digestora. Pogoni za skladištenje topline mogu izjednačiti varijacije, ali su troškovno izrazito intenzivni. Za točno planiranje potreba staklenika za toplinskom energijom potrebni su detaljni proračuni.

Konačno, treba uzeti u obzir i korištenje CO2 iz struje ispušnih plinova kogeneracijske jedinice jer on potiče rast biljaka.

Slika 27. Klimatizirani staklenici u Njema čkoj (izvor: Rutz)

Slika 28. Radijator jednog sustava grijanja stakleni ka u Njema čkoj (izvor: Rutz)

3.1.5 Akvakultura

Za integrirane sustave akvakulture nude se brojne mogućnosti. Primjerice, u nekom integriranom sustavu uzgoja ribe i irigacije (IFFI) riblja farma se postavlja između izvora vode i navodnjavanog polja, čime se polje opskrbljuje hranjivim tvarima. U primjeru akvaponskog

37

koncepta cilj je razviti održivu eko-tehnologiju integriranja i kombiniranja akvakulture i hortikulture s minimalnim emisijama i optimiranim vodenim tokovima za višekratnu uporabu. Akvaponski sustav je sustav proizvodnje hrane koji kombinira akvakulturu (uzgoj ribe i drugih vodenih organizama) i hidroponiju (uzgoj biljaka u vodi, bez tla) u jednom integriranom simbiotskom okolišu. Postoji dosta sličnih koncepata.

Općenito, povezivanjem postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina i akvakulture moguće je stvoriti situacije u kojima svi dobivaju. U nekim sustavima digestat se koristi kao gnojivo u akvakulturi. U drugim sustavima otpad od akvakulture koristi se kao sirovina za proizvodnju bioplina.

Posljednjih se godina razvijao novi koncept koji je pobudio veliko zanimanje u Europi. Riječ je o korištenju otpadne topline iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina za grijanje u akvakulturi. Morskih i slatkovodnih riba i škampa uglavnom ima sve manje, pa se sve više umjetno uzgajaju, često uz znatne posljedice po okoliš. Grijane akvakulture još su rijetke u Europi zbog visokih troškova energije. Korištenje otpadne topline iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina pruža nove mogućnosti poljoprivrednicima da proizvode dodatne visokokvalitetne proizvode. Akvakultura može biti zanimljiv novi izvor prihoda koji ujedno omogućava uzgajanje tropskih vrsta u europskim klimama.

Nekoliko perspektivnih projekata nedavno je pokrenuto u srednjoj Europi. No takvi su projekti povezani s visokim rizicima i uvjetovani su jakim interesom operatora za akvakulturu. Za planiranje projekata akvakulture važni su sljedeći aspekti:

• Priključak na (nekoliko) cjevovoda za vodu i otpadnu vodu

• Operatorovo poznavanje akvakulture

• Operatorovo poznavanje prerade i prodaje ribe

• Postojanje (lokalnog) tržišta za proizvode

• Cijena i količina proizvoda

• Zakonska regulativa

• Investicijski troškovi

• Dostupnost i prikladnost tehnologija

Grijane akvakulture mogu biti kopnena uzgajališta, no sve se više primjenjuju akvakulture zatvorenog sustava , također zvane riblje farme zatvorenog kruga ili recirkulirajući sustavi akvakulture. Postoje sustavi za slatkovodne i slanovodne vrste riba i škampa, kao i za vrste umjerenih i tropskih klima. Akvakulture zatvorenog sustava u Europi se obično postavljaju u zatvorenim prostorima, posebno onda ako se drže tropske vrste kojima je potrebna priličina količina topline. Sustav se u pravilu sastoji od nekoliko ribnjaka izrađenih od betona ili sintetike. Postoje različiti načini cirkulacije vode koja se podvrgava procesu čišćenja ili u nekom centraliziranom postrojenju ili u svakom ribnjaku posebno.

Za uzgoj tih vrsta treba stvoriti idealne uvjete uzgoja na koje utječu sljedeći parametri: hranidba, kvaliteta vode, opći higijenski uvjeti, ventilacija, temperatura vode te broj riba po volumenu. Jedan od najbitnijih parametara je čistoća i higijenski uvjeti radi izbjegavanja bolesti i patogena, a time i izbjegavanja liječničkih intervencija. Zbog mikroorganskih filtarskih sustava ne može se primijeniti nikakav antibiotski medicinski preparat, jer bi to negativno djelovalo ili bi uništilo mikroroganizme istih. Nekoliko parametara može se pratiti i automatski kontrolirati radi osiguranja kontinuiteta procesa.

Drugi važan parametar je potrošnja energije . Oko jedna trećina isporučene energije potrebna je u obliku električne, a oko dvije trećine u obliku toplinske energije (Schulz et al. 2007). Toplinska energija potrebna je za grijanje vode i za klimatizaciju (grijanje/hlađenje) zatvorenog prostora. Temperature za grijanje ribnjaka variraju već prema tome radi li se o škampima ili ribama. Idealne temperature vode kreću se od 20°C do 32°C. Primjerice, u okviru jednog projekta u Njemačkoj (www.garnelenhof.de) afrički som (Clarias gariepinus) se uzgaja

38

(Landgenossenschaft Pröttlin) na temperaturi od 27°C. U okviru drugog projekta u Njemačkoj (www.garnelenhof.de) bijele tigraste kozice (Penaeus vannamei) uzgajaju se na temperaturama od 30°C. U tablici 3 navedene su idea lne temperature vode za različite vrste riba i škampa.

Primjeri proizvođača tehnologije koji su uključeni u kombinirane bioplinsko-akvakulturne projekte su PAL Anlagenbau GmbH (www.pal-anlagenbau.de), F & M Anlagenbau GbR (www.f-m-aqua.de) i International Fish Farming Technology (http://p113585.typo3server.info).

Potreban prostor za akvakulture zatvorenog sustava ovisi o vrstama koje se drže, a kreće se od 6 do 10 m² po toni godišnje proizvodnje (Schulz et al. 2007). Stare poljoprivredne hale, na koje se često nailazi, mogle bi se iskoristiti za instaliranje akvakulture. Za tipično postrojenje kapaciteta od 100 t/god. potreban je jedan stalni zaposlenik (ibid.) koji bi trebao dobro poznavati akvakulturu i sam proces akvakulture. Tipični investicijski trošak za jednu akvakulturu zatvorenog sustava kapaciteta 100 t/god. iznosi oko milijun eura, no to vrlo ovisi od veličini, vrstama uzgoja, procesu itd. (ibid.).

Osim toplinske energije za grijanje vode i klimatizaciju zatvorenog prostora, toplinska energija je potrebna i za sljedeće faze procesa, poput prerade ribe. Vrela voda je potrebna za čišćenje opreme i osiguranje higijenskih uvjeta. Toplinska energija može se dalje transformirati za potrebe hlađenja ribe.

Tablica 5 Potrebne temperature vode za razli čite vrste riba i škampa

Naziv vrste Latinski naziv Temperatura [°C] Tip

Jegulja Anguilla anguilla 23-25 Slatkovodna riba

Afrički som Clarias gariepinus 27 Slatkovodna riba

Velika slatkovodna kozica

Macrobrachium

rosenbergii 26-32 Slatkovodni škamp

Crna tigrasta kozica

Penaeus monodon 24-34 Slanovodni škamp

Bijela tigrasta kozica

Penaeus vannamei 30 Slanovodni škamp

Smuđ Sander lucioperca 22-25 Slatkovodna riba

Iverak Scophthal

musmaximus 16-20 Slanovodna riba

Som Silurus glanis 24 Slatkovodna riba

Tilapija Tilapia sp. 24-26 Slatkovodna riba

3.1.6 Transport toplinske energije u kontejnerima

Ponekad nije moguće izgraditi sustave daljinskog grijanja bilo da su udaljenosti prevelike ili da to nije moguće zbog pravnih ili drugih eksternih uvjeta. Tada se može razmotriti mogućnost transporta toplinske energije putem skladišnih sustava u kontejnerima. Međutim, valja

39

napomenuti da ta tehnologija nije još u širokoj primjeni. Tek nekoliko proizvođača trenutno nudi sustave spremanja toplinske energije u kontejnerima.

Zamisao je da se toplina postrojenja za korištenje bioplina skladišti u mobilnim kontejnerima, obično u standardnim neizoliranim kontejnerima dimenzije 6,10 m x 2,44 m. Teoretski, kontejnere ne treba izolirati jer je energija kemijski spremljena, i to ne pod povišenom temperaturom kao u drugim sustavima spremanja energije. Međutim, u praksi sukontejneri izoliranijer osim kemijski pohranjene topline, prilikom procesa punjenja dolazi i do povećanja temperature, što doprinosi ukupnom kapacitetu skladištenja topline. Kad se kontejner napuni, može se potrošaču toplinske energije prevoziti kamionima. Transportne udaljenosti mogu iznositi 1 do 30 km za postrojenje za korištenje bioplina kapaciteta 500 kWel (Gaderer 2007). Prema Kralemannu (2007), udaljenost ne bi trebala biti veća od 20 km, ako je maksimalno radno opterećenje postrojenja 4.000 sati.

Tehnologija spremanja toplinske energije u kontejneru predstavlja veliki izazov. Postoje dvije glavne tehnologije spremanja topline:

• Sustavi spremanja latentne topline

• Termodinamički sustavi spremanja

U sustavima spremanja latentne topline toplina se sprema primjenom taljenja neke tvari koja se naziva fazna promjena materijala (eng. PCM). Tijekom faze punjenja PCM mijenja svoju fazu iz krute u tekuću, dok se temperatura ne povećava (izotermalna fazna promjena). Ako se proces preokrene, toplina se može ponovno iskoristiti. Raspoložive i željene razine temperature utječu na odabir PCM-a koji je karakteriziran svojom temperaturom taljenja.

U sustavima spremanja latentne topline za postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina, PCM može biti, primjerice, rastopljeni natrijev acetat (trihidrat) koji je sol neopasnih osobina. Talište rastopljenog natrijeva acetata je 58°C. Kru g grijanja ili punjenja odvojen je od PCM-a, tako da se toplinska energija mora prenositi unutar skladišnog materijala. Za proces punjenja na raspolaganju treba biti temperaturna razlika od barem 10°C, pa je na izvoru topline potrebno 68°C za spremanje topline u sustavima rastopljenog natrijeva acetata. Niska temperatura taljenja omogućava korištenje ovoga sustava samo za primjene koje iziskuju niske temperature od oko 48°C, pa su primjene ovoga susta va ograničene.

Kontejner dimenzija 6,10 m x 2,44 i 26 t ima kapacitet skladištenja topline od oko 2,5 MWh, što odgovara količini od oko 250 l lož ulja (Schulz et al. 2007). Kapacitet punjenja iznosi 250 kW na temperaturama od 70/90°C, a vrijeme punjenja iznosi 10 sati (ibid.). Kapacitet potrošnje iznosi oko 125 kW na temperaturama od 48/38°C, a vr ijeme potrošnje 20 sati (ibid.).

Drugi prikladni PCM je rastopljeni barijev hidroksid (oktahidrat) s talištem od 78°C. Zbog njegovih opasnih karakteristika potrebne su posebne mjere sigurnosti.

Troškovno učinkoviti sustavi skladištenja iziskuju visoke interne protoke topline, što uglavnom ovisi o toplinskoj vodljivosti materijala za spremanje. Nemetalni materijali za skladištenje obično imaju nisku toplinsku vodljivost, a kruto stanje se ponaša kao toplinski izolator. Povećanje efektivne toplinske vodljivosti materijala za skladištenje od velike je važnosti za razvoj troškovno učinkovitih sustava skladištenja (DLR 2012).

Među tehnološkim tvrtkama koje proizvode kontejnere ističu se LaTherm (www.latherm.de) (Slika 31) ili Transheat (www.transheat.de). TransHeat proizvodi kontejner (Slika 29, Slika 30) u kojem izmjenjivač topline prenosi toplinu u lož ulje koje se pumpa u kontejner gdje se miješa s natrijevim acetatom, a time se toplina prenosi i skladišti rastapanjem soli.

40

Slika 29. Shema sustava spremanja latentne topline (p reuzeto od tvrtke TransHeat GmbH)

Slika 30. Željezni čki vagon sa sustavom spremanja latentne topline (izvor: TransHeat GmbH)

Slika 31. Prikolica s kontejnerom i sa sustavom spremanja latentne topline (izvor: LaTherm GmbH)

Slika 32. Kontejner za pohranu topline na prikolici na postrojenju za spaljivanje otpada (Augsburg, Njema čka) (Izvor: Rutz)

Slika 33. Izolirana priklju čna stanica kontejnera za pohranu topline (Augsburg, Njema čka) (Izvor: Rutz)

41

U termodinami čkim sustavima skladištenja (sorpcijskim spremnicima topline) koriste se zeoliti. To su mikroporozni minerali od aluminijskog silikata koji se obično koriste kao komercijalni adsorbensi. Zbog svoje porozne strukture zeoliti imaju vrlo veliku površinu. Jedan gram zeolitskih peleta ima površinu do 1.000 m² (Fraunhofer 2012). Kad vodena para prolazi kroz zeolitski materijal, biva adsorbirana i oslobađa se toplina. Stoga ti sustavi nisu korisni samo za skladištenje topline već istodobno i za sušenje jer se sustav ponovno puni suhim i vrućim zrakom.

Prema Fraunhoferu (2012), ovaj sustav može spremiti tri do četiri puta veću količinu topline nego voda. Potrebni su, dakle, samo kontejneri za skladištenje oko četvrtine veličine kontejnera za vodu. Osim toga, toplina se može skladištiti za dugo razdoblje. Do gubitaka energije dolazi samo u procesu punjenja i pražnjenja kontejnera, ali ne i za vrijeme samog uskladištenja, budući da je energija kemijski vezana.

Pa ipak, ovaj sustav još nije u komercijalnoj upotrebi. Istraživači Frauenhoferova instituta u Njemačkoj za sada razvijaju primjene takvog sustava u demonstracijskom opsegu uz zapreminu spremanja od 750 l.

Općenito valja imati na umu da za kontinuiranu opskrbu toplinskom energijom treba primijeniti sofisticirani logistički sustav. Na raspolaganju treba biti dovoljno skladišnih kontejnera, a isto tako valja voditi računa o vremenima punjenja i pražnjenja. Minimalni broj kontejnera može se izračunati pomoću sljedeće formule (Schulz et al. 2007):

Jednadžba 7

N Minimalni ukupni broj kontejnera

nL Minimalni broj kontejnera na mjestu punjenja

nC Minimalni broj kontejnera kod potrošača

Ukupno potreban toplinski kapacitet [kW]

Kapacitet punjenja jednog kontejnera [kW]

Kapacitet potrošnje jednog kontejnera [kW]

Trajanje punjenja obično je duže od trajanja pražnjenja za potrošnju toplinske energije. Nadalje, važno je osigurati dobar cestovni pristup koji omogućava transportiranje 26-tonskih kontejnera, kao i dovoljno prostora na priključnim točkama. Također se može razmotriti mogućnost angažiranja vanjske logističke tvrtke.

Kako je već spomenuto, sustavi za transport toplinske energije u kontejnerima još se ne primjenjuju naveliko. U pripremi novih projekata valja razmotriti sljedeće čimbenike:

• Primjena se preporučuje samo onda kad nema drugih rješenja za direktno korištenje toplinske energije (postavljanje toplinskih ili plinskih cijevi)

• Maksimalna transportna udaljenost: 30 km

• Opći rizik zbog nedostatka dugotrajnijeg iskustva s tim sustavima

• Minimalno potreban toplinski kapacitet: 250 kW

• Minimalna potreba za toplinskom energijom: 125 kW

• Ovisno o sustavu, ponuditi se mogu samo niske temperaturne razine (npr. 48°C ili 78°C)

42

• Nužno je osigurati prikladan cestovni pristup i dovoljno prostora za kontejnere

• Izbjegavati sukobe sa susjedima uslijed povećanja prometa

• Broj ciklusa punjenja teoretski je neograničen, no nema dugotrajnijeg iskustva

3.1.7 Grijanje u druge svrhe

Postoji puno drugih mogućnosti korištenja toplinske energije, izravno ili neizravno, poput sustava hlađenja ili sušenja. Evo primjera:

• Proizvodnja lijekova: grijanje za procese sušenja i ekstrakcije iz biljaka

• Praonice : vrela voda za pranje tekstila

• Mljekarska industrija: grijanje i hlađenje mliječnih proizvoda

• Proizvodnja mikroalgi : grijanje i hlađenje reaktora i CO2 fertilizacija

• Agroindustrija hrane: vrela voda i para za preradu, čišćenje i higijenizaciju

• Upravljanje otpadom: higijenizacija otpadne sirovine

3.2 Sušenje

Pored izravnog korištenja toplinske energije za podizanje temperaturnih razina u različite svrhe, otpadna toplina iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina također se može koristiti i za sušenje nekoliko materijala. Od njih se ističu: sušenja digestata, kanalizacijskog mulja, krute biomase (drvna sječka, piljevina, cjepanice) i poljoprivrednih proizvoda. Međutim, i neki proizvodni procesi za određene industrijske proizvode zahtjevaju toplinu, poput procesa proizvodnje sintetičkih materijala ili pripreme betonskih odljeva (Slika 22). Na proces sušenja materijala utječu sljedeće karakteristike:

• Temperatura

• Kvantiteta topline

• Sadržaj vlage u zraku

• Vlažnost materijala i sadržaj vode

• Vrijeme procesa

• Brzina ventilacije

• Vrsta i oblik materijala

Primijenjena temperatura ovisi o materijalu koji treba sušiti i o predviđenoj namjeni korištenja materijala. Drveni proizvodi mogu se sušiti na visokim temperaturama, hranu valja sušiti na nižim temperaturama, a sadni materijal (koji treba ponovno klijati) na najnižim temperaturama.

Osim temperature, važan je čimbenik i sadržaj vlage u zraku koji utječe na proces sušenja. Uz rastuće temperature maksimalni sadržaj pare u zraku može se povećati. Kad je relativna vlažnost 100 posto, zrak je zasićen vodom. Za procjenu i projektiranje procesa sušenja često se koriste dijagrami h-x (Slika 36). Oni prikazuju apsolutni sadržaj vode u vlažnom zraku (x), relativnu vlažnost (%), temperaturu (°C), i entalpi ju (h). S ovim dijagramima može se procijeniti maksimalna količina vode koju zrak može preuzeti iz sušenog materijala. U sljedećem primjeru (Slika 36, preuzeto od Kirchmeyr & Anzengrubera 2008) dan je grubi prikaz koliko se dodatne vode (pare) može preuzeti ako je temperatura 20°C i ako je relativna vlažnost ulaznog zraka 35 posto. To iznosi oko 0,0094 kg vode po kg zraka (0,005 kg/kg minus 0,0144 kg/kg). Kako bi se dobile točne vrijednosti, potrebno je provesti proračune.

43

Slika 34. Toplina iz bioplinskog postrojenja u Njemačkoj (u pozadini) koristi se u pripremi betonskih elemenata (Izvor: Rutz)

Slika 35. Betonski elementi upravo uklonjeni iz komore za sušenje (u pozadini ) (Izvor: Rutz)

Dijagram, nadalje, pokazuje da s rastom temperature razina vlažnosti ulaznog zraka postaje manje važnom i čak zanemarivom za proces sušenja.

Slika 36. Molierov dijagram h-x (na 1.013 mbar) (izv or: preuzeto iz Grundfos-a 2012)

44

Tablica 6. Sadržaj vode u zraku na razli čitim temperaturnim razinama (Kirchmeyr & Anzengrube r 2008)

Temperatura u °C

Maksimalni sadržaj vode u zraku na 35%

relativne vlažnosti [g/kg]

Maksimalni sadržaj vode u zraku na 100% relativne vlažnosti [g/kg]

Dodatno uzimanje vode u zraku [g/kg]

20 5,0 14,4 9,4

30 9,1 36,1 27

40 15,9 45,4 29,5

50 39,6 113,1 73,5

Sadržaj vode i vlaga biomase (drvo, zeljasto bilje) dvije su važne odrednice koje karakteriziraju vodu sadržanu u materijalu. One se mogu izračunati pomoću sljedećih jednadžbi:

Jednadžba 8

Jednadžba 9

Jednadžba 10

� =�

��× 100 Jednadžba 11

�� =[��×(��)](�.��×�)

� Jednadžba 12

mw Masa vode u materijalu [kg]

mm Masa vlažnog materijala [kg]

md Masa suhog materijala [kg]

w Sadržaj vode [%]

u Vlažnost materijala [%]

Huw Energetska vrijednost [MJ/kg] materijala kod sadržaja vode w

Hua Energetska vrijednost [MJ/kg] suhog materijala u anhidričnom stanju

Energija isparavanja [MJ/kg] vode na 25°C

Sadržaj vode w i vlažnost u međusobnom su odnosu i lako se računaju iz priloženih jednadžbi. Tako je sadržaj vode od 50 posto ekvivalentan vlažnosti od 100 posto. Vlažnost može biti viša od 100 posto. Tipičan sadržaj vode svježeg drva iznosi oko 45 - 60 posto.

Drugi važan čimbenik u procesu sušenja je vrijeme potrebno za sušenje materijala kao i sezonsko razdoblje sušenog materijala. Sezonsko razdoblje nekih materijala prikazano je u tablici 7, uključujući maksimalne temperature sušenja.

45

Tablica 7. Vrijeme i temperature sušenja razli čitih materijala

Materijal Razdoblje sušenja Maksimalne temperature sušenja [°C]

Drvna sje čka i cjepanice od gospodarenja šumama zima 55-150

Drvna sje čka i cjepanice od održavanja krajolika cijela godina 55-150

Drvna sje čka od kultura kratkih ophodnji zima 55-150

Žitarice srpanj – kolovoz 30-65

Ljekovito i za činsko bilje lipanj – listopad 25-50

Digestat i kanalizacijski mulj cijela godina 55-95

Postoje različite tehnologije sušenja . Prikladne tehnologije za relativno niske temperature otpadne topline iz bioplinskih postrojenja uključuju šaržne sušilice, sušilice na transportnu traku i transportno-zakretne sušilice (Tablica 8).

Tablica 8. Tehnologije sušenja i njihove glavne kar akteristike

Tip sušilice Materijali za sušenje Karakteristike

Šaržna sušilica Zrno, kukuruz, sjeme i drugi materijali u rinfuzi

Vruć materijal prolazi kroz materijal u vodoravnim ili okomitim bunkerima, i to u fiksnim silosima, kamionima ili kontejnerima. To je jedna od najjednostavnijih sušilica, budući da se materijal aktivno ne pokreće. Ujedno je jeftina i prikladna za male kapacitete: za poljoprivredna imanja do 100 ha površine uzgajanih žitarica ili za raspoloživu toplinsku energiju do 500 kWth.

Sušilica na transportnu traku

Materijal u rinfuzi, npr. digestat (separiran), drvni otpaci, zrno, kukuruz, kukuruzna silaža

Vruć zrak suši materijal koji se polako prebacuje na transportnu traku. Zbog većih troškova ulaganja, ova tehnologija je u načelu prikladna za dostupnu toplinsku energiju od preko 500 kWth.

Transportno-zakretna sušilica

Uljarice, zeljasto bilje, trava, pelete, granulat, drvni otpaci, komina

Vruć zrak se upuhava kroz dvostruko dno (mrežno dno) kroz proizvod. Zakretne naprave poput lopatica miješaju i transportiraju proizvod.

Bubanjske sušilice

Materijal u rinfuzi od poljoprivrede i održavanja krajolika

Materijal prolazi kroz vodoravni bubanj. Kako su potrebne visoke temperature (1.000°C), ova sušilica nije pri mjenjiva na bioplinska postrojenja.

Sušilice s kontinuiranim protokom

Žitarice, sjemenje

Materijal (žito) se suši u vertikalnom cilindru (silosu) koji je opremljen kaskadnim napravama za ubrizgavanje vrućeg zraka.

46

Tablica 2. Prikladnost tehnologija za sušenje za drv nu sje čku, žitarice i travu (sijeno) (“+” = prikladno; “-“ = nije prikladno)

Drvna sječka Žitarice Sijeno

Šaržna sušilica +++ + ---

Sušilica na transportnu traku

++ +++ ++

Transportno -zakretna sušilica

++ +++ +

Bubanjske sušilice ++ - +

Sušilice s kontinuiranim protokom

--- +++ ---

Slika 37. Primjeri jednostavne šaržne sušilice za dr vnu sje čku na prikolici (Izvor: Rutz)

Slika 38. Priru čna konstrukcija šaržne sušilice s perforiranom metalnom cijevi (Izvor: Rutz)

Slika 39. Priru čna konstrukcija šaržne sušilice s perforiranim duplim podom (Izvor: Rutz)

47

Slika 13. Bubanjska sušilica za sušenje trave u Njemačkoj (Izvor: Rutz)

Slika 41. Sušilica na transportnu traku za sušenje digestata (Izvor: Rutz)

Slika 42. Transportno-zakretna sušilica u Njemačkoj (Izvor: Rutz)

Slika 43. Lopatice transportno- zakretne sušilice mješaju drvnu sje čku (Izvor: Rutz)

3.2.1 Digestat i kanalizacijski mulj

Digestat ili fermentirani ostatak je ostatak iz postrojenja za anaerobnu digestiju i kanalizacijskog mulja iz postrojenja za obradu otpadne vode. Ovisno o njegovom sastavu i karakteristikama, odnosno o ulaznim materijalima, može se koristiti bez ikakve daljnje obrade, primjerice kao gnojivo. Skladištenje, transport, rukovanje i primjena digestata povezani su sa značajnim troškovima u usporedbi s njihovom gnojivnom vrijednošću, a zbog velikog volumena i niskog sadržaja suhe tvari.

Takvi troškovi digestata značajno rastu u zemljama s područjima intenzivne stočarske proizvodnje, kao što su Danska, Njemačka, Italija i Francuska, gdje strogi nacionalni ekološki propisi ograničavaju količinu nutrijenata koji se smiju upotrijebiti po jedinici poljoprivrednog zemljišta (Al Seadi et al. 2013). Zbog tih propisa nužno je transportirati i redistribuirati hranjive tvari dalje od intenzivno korištenih poljoprivrednih područja. Radi smanjenja transportnih troškova, digestat se mora dalje prerađivati.

Prvi korak u sustavu prerade digestata je odvajanje krutog od tekućeg, odnosno separiranje tekućeg digestata u visoko suhi kruti materijal i tekućinu s niskim sadržajem suhe tvari. Ova se separacija često obavlja mehanički npr. vijčanim tlačnim separatorima ili dekanter centrifugama. Suha faza digestata može se dalje kompostirati ili sušiti.

Digestati se mogu sušiti sa solarnim sušilicama u staklenicima ili s otpadnom toplinom iz postrojenja za korištenje bioplina. Ova dva sustava mogu se kombinirati (hibridno sušenje). U

48

sušilici s transportnom trakom (Slika 44) digestat se kontinuirano i ravnomjerno transportira kroz punilicu ili usipni koš na perforiranu traku. Traka nosi proizvod kroz područje sušenja. U tim ćelijama vruć zrak ili ispušni plin struji kroz ili preko mokrog digestata i suši ga. Sušeni materijal može se iskoristiti u sektorima hortikulture i vrtlarstva ili izravno ili u peletiranom obliku. Materijal se također može iskoristiti u gojilištima ili za specijalne sustave uzgoja, npr. u proizvodnji gljiva. Lokalna situacija i tržišta utječu na mogućnosti plasmana komposta ili sušenog digestata. Uz to, valja voditi računa o standardima kvalitete i o zakonskim propisima o gnojivima i kompostnim proizvodima. Koncentracije teških metala mogu biti preprekom prodaji proizvoda od digestata osobito za postrojenja koja koriste otpad za proizvodnju bioplina. To može utjecati na prodajne mogućnosti ako se ti proizvodi ili koriste na poljoprivrednim poljima za proizvodnju hrane ili se primjenjuju u proizvodnji neprehrambenih proizvoda, poput vrtova, parkova i dr. Lokalni okvirni uvjeti utječu na dohodak operatora postrojenja.

Daljnja obrada često je obvezni uvjet za uporabu kanalizacijskog mulja budući da nekoliko propisa (poput njemačkih) ne dopuštaju odlaganje kanalizacijskog mulja bez ikakve daljnje obrade na odlagalištima. Stoga je potrebna ili njegova izravna primjena kao gnojiva (što je također regulirano zbog kontaminanata) ili sušenje uz spaljivanje u spalionici. Metode sušenja uglavnom su iste kao za sušenje digestata. Osušeni kanalizacijski mulj može izgarati u spalionicama.

Općenito je potražnja za digestatom ili kanalizacijskim muljem kontinuirana uz male sezonske varijacije zbog nižih ambijentalnih temperatura. Međutim, ako su sustavi dovoljno veliki, materijal se može sušiti ovisno o raspoloživosti toplinske energije. Takav pristup omogućava učinkovito korištenje velikih količina otpadne topline.

Uporaba topline za sušenje digestata uz peletiranje u obližnjem postrojenju je trenutno predmet rasprave za nekoliko bioplinskih koncepata. Peletizirani digestat se može iskoristiti za proizvodnju električne energije u većoj spalionici. Međutim, ovaj je postupak u suprotnosti s idejom stvaranja zatvorenih ciklusa hranjivih tvari i zamjene mineralnih gnojiva organskim. Stoga ovaj pristup autori ne preporučuju.

Slika 44. Sušilica s transportnom trakom za sušenje d igestata ispred jednog bioplinskog postrojenja

(izvor: STELA Laxhuber GmbH)

3.2.2 Cjepanice, drvna sječka i peleti

Potražnja za krutom biomasom i modernim oblicima krute biomase (drvna sječka i peleti) postojano raste zbog njihove rastuće primjene za grijanje. Svježe posječeno drvo sadrži puno vode, 50-65 posto, koja je kemijski i fizikalno vezana u drvu.

Ovisno o krajnjoj namjeni, drvo često treba zadovoljiti izvjesne minimalne standarde u pogledu maksimalnog sadržaja vode. Posebice za manje jedinice izgaranja, drvo treba biti dosta suho zbog sljedećih razloga (Rutz et al. 2006; Hiegl et al. 2011):

49

• Što je viši sadržaj vode, to je izgaranje energetski manje učinkovito, jer se dio energije „izgubi” na isparavanju. Niža ogrjevna vrijednost postaje viša ako je drvo suho.

• Uskladištivost je bolja ako je sadržaj vode u drvu manji od 25 posto, budući da su životni uvjeti za mikroorganizme (gljive i bakterije) teži u suhim uvjetima.

• Rast mikroorganizama dovodi do gubitka materijala, što smanjuje energetski sadržaj.

• Oslobođene spore gljiva (u drvnim otpacima) mogu izazvati zdravstvene rizike.

• Daljnja prerada nekih proizvoda iziskuje minimalni sadržaj vlage. Primjerice, piljevina od svježeg drva traži sušenje prije peletiranja.

• Logističke koristi za transport na velike udaljenosti budući da se smanjuju težina i volumen.

Odnos ogrjevne vrijednosti drva prema sadržaju vode prikazan je na slici 45. Što je viši sadržaj vode, to je niža ogrjevna vrijednost.

Slika 45. Ogrjevna vrijednost drva u odnosu na sadr žaj vode (izvor: FNR 2012)

Za sušenje drva se mogu primijeniti različite metode. Najjednostavnija metoda sušenja je vanjsko skladištenje drva u trajanju od 1-3 godine, ovisno o debljini i vrsti drva. Međutim, zbog povećane potražnje za drvom i novih proizvodnih postupaka (uzgoj brzorastućih nasada ili kultura kratke ophodnje), vrijeme postaje ograničavajućim čimbenikom, kao i troškovi dugoročnog skladištenja tako da umjetno sušenje dobiva na značenju.

Cjepanice se mogu dobiti iz šumarstva, od specijaliziranih drvnih plantaža ili od uređenja krajolika. Sadržaj vode cjepanica treba smanjiti na razine ispod 20 posto. Po europskim standardima cjepanice se klasificira u 4 kategorije vlažnosti (M20, M30, M40, M65), time što brojevi predstavljaju maksimalnu granicu sadržaja vode. Umjetno sušenje iziskuje niske troškove. Drvo iz šumarstva i specijaliziranih plantaža obično se siječe zimi kad je sadržaj vode u drvu prirodno smanjen i kada je tlo smrznuto, kako bi se smanjila oštećenja tla. Stoga je potražnja za otpadnom toplinom za sušenje cjepanica općenito viša zimi. Međutim, zimi je raspoloživa otpadna toplina iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina u pravilu niža. Stoga se posječeno drvo može uskladištiti te sušiti samo onda kada ima viška topline, a to je često ljeti. Drvni materijal proizašao iz održavanja krajolika nastaje tijekom cijele godine čime se stvara kontinuirana potreba za sušenjem drva, posebice ljeti kada je drvo koje se sječe vrlo vlažno. Cjepanice se obično suše u komori za sušenje (šaržna sušilica) kroz koju se upuhava vrući zrak.

50

Drvna sje čka može se dobiti iz istih proizvodnih sustava kao i cjepanice, no za sječku je potrebna teška mehanizacija tako da se obično proizvodi samo u većim razmjerima. Sadržaj vode drvne sječke treba smanjiti na razine ispod 20 posto. Po europskim standardima drvna sječka svrstava se u 5 kategorija vlažnosti (M20, M30, M40, M55, M65). Zbog male veličine čestica, drvna sječka je osjetljivija na mikroorganizme ako je sadržaj vode previsok. Povećane aktivnosti mikroorganizama dovode do povećanih temperatura materijala, što je znalo uzrokovati zapaljenje u skladištima drvne sječke. Drvna sječka obično se suši u šaržnim sušilicama koje mogu biti kontejneri (Slika 46, Slika 47) ili u skladišnim objektima kroz koje se upuhava vrući zrak. Upotrijebiti se mogu sušilice koje imaju i opremu za okretanje, poput onih koje se koriste za sušenje kukuruza.

Slika 46. Kontejner i cijevi za zra čno grijanje za sušenje drvne sje čke u jednom bioplinskom postrojenju u Münchenu, Njemačka (izvor: Rutz)

Slika 47. Kontejner za sušenje drvne sje čke u Münchenu, Njema čka (izvor: Rutz)

Peleti se mogu dobiti prešanjem piljevine u male i standardne pelete prikladne za korištenje u kotlovima, veličine od kućanskih do industrijskih. Zahvaljujući njihovoj visokoj energetskoj gustoći i homogenosti, s peletima se lako trguje i koriste se za automatizirana postrojenja. Piljevina se treba sušiti na razinama sadržaja vode ispod 10 posto. Europski standardi svrstavaju pelete u tri kategorije sadržaja vode (W10, W20, W30). Otpadna toplina iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina mogla bi se iskoristiti za sušenje piljevine jer je tu potražnja za toplinskom energijom kontinuirana tijekom cijele godine.

Slika 48. Jednostavna naprava za sušenje sijena na bioplinskom postrojenju u Njema čkoj (Izvor: Rutz)

Slika 49. Jednostavna naprava za sušenje ogrjevnog drva na bioplinskom postrojenju u Njema čkoj (Izvor: Rutz)

51

3.2.3 Industrijsko i građevinsko drvo

Osim sušenja drvne biomase za energetske svrhe, ostatna toplina s bioplinskih postrojenja može se iskoristiti I za sušenje industrijskog i građevinskog drva. To je izgledna opcija ukoliko se bioplinsko postrojenje nalazi u blizini industrije prerade drveta, izrade namještaja ili stolarija. Za sušenje drvne građe koriste se komore ili kontejneri za sušenje. Nekoliko proizvođača ima u ponudi takve sustave.

Slika 50. Primjer kontejnera za sušenje drvnog materijala (Izvor: http://www.lauber-holztrockner.de)

Slika 51. Primjer kontejnera za sušenje građevinskog drvnog materijala (Izvor: http://www.lauber-holztrockner.de)

Proizvođači opreme imaju u ponudi sustave za montažu ili pojedinačne instalacije poput kontejnera od 6 ili 12 m. Međutim, postoji i mogućnost ugradnje komore za sušenje u postojeće građevine. Drvo se do komore dovozi u prikolici ili na tračnicama. Ciklus vode iz bioplinske kogeneracijske jedinice i izmjenjivač topline opskrbljuju komoru toplinom.

Ključni parameter za sušenje građevinske drvne građe je vrijeme potrebno za sušenje. Vrijeme za sušenje određeno je vrstom drveta, debljinom materijala i početnom vlažnošću drveta. Kako bi se osiguralo kvalitetno sušenje te minimizirale torzije i iskrivljenja, sušenje se treba odvijati polagano i pri umjerenim temperaturama, ali kontinuirano. Drvo svježe širokolisne listače treba sušiti i nekoliko tjedana prije nego što se postigne udio vlažnosti od 8-10 posto, što je preduvjet za daljnju obradu drveta. Kako bi se process sušenja odvijao u kontroliranim uvjetima potrebno je instalirati instrumente za mjerenje temperature i vlažnosti.

Ukoliko se komora za sušenje u određenom trenutku ne koristi za sušenje građevinskog drva može se koristiti za sušenje ogrjevnog drva. U tom slučaju je iz ekonomskih razloga potrebno smanjiti vrijeme sušenja, odnosno osušiti ogrjevno drvo što je brže moguće.

Proizvođač Woodmizer navodi da je najmanji raspoloživi toplinski kapacitet 30 kW. Energetske potrebe za ventilacijom iznose oko 1,2 kWh.

3.2.4 Poljoprivredni proizvodi

Kako bi se povećala uskladištivost mnogih poljoprivrednih proizvoda (žitarice, zeljasto bilje, začinske i ljekovite biljke, sijeno), oni se moraju sušiti da bi se ispunili određeni zahtjevi u pogledu sadržaja vode. Na sadržaj vode ovih proizvoda utječe godišnje doba žetve i vremenski uvjeti tijekom žetve, kao i opći klimatski uvjeti i namjena proizvoda. U nekim slučajevima nužno je umjetno sušenje nakon žetve, čime se stvaraju mogućnosti za uporabu topline iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina. Potražnja za toplinskom energijom za sušenje tih proizvoda je sezonska i primjenjuje se osobito ljeti. Ljeti često nastaje višak topline iz postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina koji se može izvrsno iskoristiti za procese sušenja.

52

Među najčešće primjene sušenja u poljoprivredi spada sušenje žitarica, posebice u produženim kišnim razdobljima. Maksimalni sadržaj vlage za dobro skladištenje žitarica je 14,5 posto. Zbog ograničenih mogućnosti pogona za sušenje, žitarice se često skladište na 7°C dok se ne osuše. Nakon skladištenja žitarica vlaga se obično ponovno povećava na oko 16 -17 posto kako bi se olakšalo mljevenje. Kako bi se održale hranjive tvari ili kapacitet klijanja sjemenki, temperature sušenja ne bi smjele biti više nego što je navedeno u tablici 8. Maksimalne temperature smanjuju se s vlažnošću. Tehnologije sušenja žitarica obično uključuju šaržne sušilice te sušilice s opremom za miješanje

Tablica 10. Maksimalne temperature (u °C) za grijan je žitarica (Strehler 1993 u Karalusu 2007)

Vlažnost [%] Pšenica [°C] Raž, zob, ječam [°C]

Sjemenski materijal, pivarski je čam [°C]

16 55 65 49

18 49 59 43

20 43 53 38

22 37 47 34

24 35 40 30

Ljekovito bilje, zeljane i začinske biljke su obično osjetljivije na temperature od žitarica te se obično suše u transportnoj sušilici. Ti se proizvodi u pravilu suše ispod 9 posto vlažnosti. Primjeri ovih biljaka su paprena metvica, kamilica, kopar, peršin, luk vlasac i vrijesak.

3.3 Hlađenje

Otpadna toplina iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina također se može iskoristiti za pogon rashladnih uređaja. U primjeni su dva glavna principa rada rashladnih uređaja: apsorpcijski i kompresijski.

3.3.1 Pregled rashladnih uređaja

Kompresijski rashladni ure đaji su najšire korišteni sustavi za klimatizaciju, i za kućanske i komercijalne rashladne uređaje. Osnovu tog sustava čini električni kompresor.

Za razliku od uglavnom električnog pogona u kompresorskim uređajima, apsorpcijski rashladni ure đaji koriste izvor topline kao glavnu energiju za proces hlađenja. Apsorpcijski uređaji predstavljaju alternativu uobičajenim kompresorskim uređajima u slučajevima gdje je opskrba električnom energijom nepouzdana, skupa, ili je nema te ondje gdje je buka iz kompresora problematična, ili gdje postoji višak toplinske energije, kao što je to slučaj s bioplinskim postrojenjima. U usporedbi s kompresorskim uređajima, apsorpcijske uređaje općenito karakteriziraju sljedeće prednosti (Skagestad & Mildenstein n.d.):

• Manje potrebe za električnom energijom za pogon rashlade

• Niže razine buke i vibracija u pogonu

• Mogućnost korištenja otpadne topline i pretvorba u rashladnu energiju

• Radni mediji obično nisu štetni za ozonski omotač.

53

I apsorpcijski i kompresorski uređaji koriste radni medij obično vrlo niskog vrelišta. Kod oba principa se rashladni efekt postiže odvođenjem toplinske energije iz sustava putem isparavanja tj. termoekspanzije rashladne tekućine. Glavna razlika između ova dva principa je način na koji radni medij mijenja fazu iz plinovitog stanja u tekuće, omogućujući ponavljanje ciklusa. Kompresorski uređaj prevodi plinovitu fazu u tekuću tako da stlačuje radni medij pomoću (električnog) kompresora. Apsorpcijski uređaj vrši ukapljivanje apsorpcijom radnog medija drugom tekućinom, te desorpcijom putem sušenja, za što je potrebna toplina. Druga razlika između ta dva principa je u korištenom radnom mediju. Kompresorski uređaji obično koriste klorofluorougljik (CFC), dok apsorpcijski najčešće koriste amonijak ili litijev bromid (LiBr).

Apsorpcijski uređaji se u principu dijele na one s direktnim ili indirektnim izvorom topline, te na jednostupanjske, dvostupanjske i trostupanjske. Za korištenje otpadne topline bioplinskih postrojenja, relevantni su samo uređaji s indirektnim grijanjem, premda bi se teoretski moglo raditi i s direktnim izvorom uz direktno izgaranje bioplina. Apsorpcijski i kompresorski uređaji mogu biti i kombinirani (kaskadno ili hibridno hlađenje).

Podjela na jednostupanjske, dvostupanjske i trostupanjske apsorpcijske rashladne uređaje temelji se na broju izvora topline (razina). Jednostupanjski apsorpcijski ure đaji imaju samo jednu razinu grijanja radnog fluida (slaba otopina). Dvostupanjski apsorpcijski ure đaji imaju isparavanje, tj. izdvajanje rashladnog sredstva od apsorbensa, u dva koraka. Stoga dvostupanjski hladnjaci imaju dva kondenzatora i dva generatora. Prijenos topline odvija se na višoj temperaturi u odnosu na jednostupanjski ciklus. Dvostupanjski hladnjaci učinkovitiji su ali i skuplji (New Buildings Institute 1998). Trostupanjski apsorpcijski ure đaji još su napredniji u odnosu na dvostupanjske hladnjake. Ovi su uređaji još u razvojnoj fazi, kao sljedeći korak u napretku apsorpcijske tehnologije (New Buildings Institute 1998).

Uporaba apsorpcijskih rashladnih uređaja ovisi o temperaturnoj razini otpadne topline, o korištenom rashladnom sredstvu i transportnom mediju te o željenoj temperaturi hlađenja. Apsorpcijski uređaji s LiBr/H2O mogu hladiti do 6°C, a oni s NH 3/H2O od 0°C do -60°C.

Za usporedbu uređaja koristi se omjer energetske u činkovitosti (energy efficient ratio, EER) koji je sličan učinskom koeficijentu (coefficient of performance, COP) toplinskih pumpi. To je omjer rashladnog kapaciteta ( ) prema potrebnom unosu topline ( ), pri čemu se snaga pumpe (PP) zanemaruje. EER apsorpcijskih rashladnih sustava u stvarnosti je obično manji od 1. EER-ovi uređaja na tržištu imaju raspon od 0,65 do 0,8 za jednostupanjske jedinice te od 0,9 do 1,2 za dvostupanjske jedinice (Skagestad & Mildenstein n.d.).

= �� ℎ��

�� =

� �

�� + ��≈

� �

��

Jednadžba 13

EER Omjer energetske učinkovitosti

Rashladni kapacitet [kW]

Snaga unosa topline [kW]

PP Snaga unosa električne energije [kW]

Slika 52. prikazuje proces tipičnog apsorpcijskog rashladnog ure đaja na amonijak i vodu. U ovom procesu amonijak (NH3) služi kao rashladno sredstvo, a voda (H2O) kao transportni medij (apsorbens). U ispariva ču čisti rashladni amonijak u tekućem stanju uzrokuje efekt hlađenja. On isparavanjem i ekspanzijom apsorbira toplinu iz tvari koju treba hladiti. Odatle se

54

amonijeva para odvodi u apsorber. U apsorberu je već prisutna slaba otopina amonijaka i vode. Voda, korištena kao transportni medij u otopini, nezasićena je i ima kapacitet za apsorbiranje veće količine amonijevih para. Kako amonijak iz isparivača ulazi u apsorber, biva odmah apsorbiran u vodu te se dobija jaka otopina amonijaka i vode. Tijekom procesa apsorpcije oslobađa se toplina, što može smanjiti kapacitet vode za apsorpciju amonijaka; zato se apsorber hladi rashladnom vodom. Zbog apsorpcije amonijaka, u apsorberu se formira jaka otopina amonijaka i vode. Ova se otopina pod visokim tlakom pumpa u generator, gdje se zagrijava otpadnom toplinom iz bioplinskog postrojenja, uslijed čega amonijak isparava iz otopine. Amonijakova para izlazi iz generatora, no neke čestice vode također bivaju odnešene s amonijakom, zbog njegovog jakog afiniteta prema vodi. Stoga se provodi kroz separator , uređaj sličan destilacijskoj koloni u procesnim postrojenjima te se separirana voda vraća u generator. Slaba otopina amonijaka i vode vraća se iz generatora kroz regenerator i ekspanzijski ventil u apsorber. Para čistog amonijaka ulazi u kondenzator pod višim tlakom gdje se hladi vodom. Hlađenjem se amonijak ukapljuje, i potom prolazi kroz ekspanzijski ventil, pri čemu uslijed termoekspanzije temperatura i tlak naglo padaju. Amonijak potom ponovno ulazi u isparivač, gdje se vrši hlađenje te se time ciklus zatvara. Pumpa i ekspanzijski ventili odvajaju generator i kondenzator na višem tlaku od apsorbera i isparivača na nižem tlaku. Niži tlak, koji omogućuje termoekspanziju i samo hlađenje, postiže se upravo apsorpcijom para u otopinu.

Slika 52. Proces u tipi čnom apsorpcijskom ure đaju s amonijakom i vodom

oslobođena

toplina

rashladna energija

za uporabu

isparivač

kondenzator separatorgenerator

NH3

+ H2O

apsorberNH

3+ H

2O

regenerator

bioplinsko

postrojenje

rashladna

voda

ekspanzijski ventil

ekspanzijski ventil

pumpa

čisti NH3

čisti NH3

H2O

NH3

+ H2O

Q

QC

Q

Q

QH

Pp

55

Slika 53. Klimatizacijski ure đaj koji koristi ostatnu toplinu postrojenja za spal jivanje otpada u Austriji

(Izvor: Rutz)

3.3.2 Daljinsko hlađenje

Daljinsko hlađenje je slično daljinskom grijanju, jedino što se umjesto topline distribuira rashlađena voda. Iako potreba za hlađenjem postojano raste, zbog viših standarda udobnosti i viših temperatura vezanih za klimatske promjene, daljinsko hlađenje se ne primjenjuje u mjeri u kojoj i daljinsko grijanje. Nekoliko europskih gradova uvelo je sustave daljinskog hlađenja radi smanjenja emisija stakleničkih plinova (Slika 54).

Slika 54. Godišnje uštede CO 2 u odabranim europskim gradovima zahvaljuju ći daljinskom hla đenju

(izvor: Euroheat & Power)

56

Izvori hlađenja mogu biti apsorpcijski rashladni uređaji, kompresorski rashladni uređaji i drugi izvori iz okoliša, kao duboka jezera, rijeke, podzemne vode i mora. Moguće je kombinirati i različite sustave hlađenja. Glavna prednost korištenja otpadne topline iz postrojenja za korištenje bioplina u radu apsorpcijskih hladnjaka je visoka sezonska dostupnost toplinske energije ljeti, kombinirano s velikim potrebama za hlađenjem. Ovisno o ugovorima s potrošačima, hlađena se voda može isporučivati i za bazne i za vršne potrebe. Zbog viših investicijskih troškova apsorpcijskih hladnjaka, za osiguravanje pokrivanja vršnih potreba se mogu koristiti povoljniji dodatni kompresorski uređaji.

Izvedbu sustava daljinskog hlađenja određuju sljedeći ključni čimbenici:

• Temperaturna razlika između polaznih i povratnih cijevi

• Brzina protoka

• Tlak u mreži te razlika tlaka između polaznih i povratnih cijevi.

Uspješna realizacija sustava daljinskog grijanja i hlađenja uvelike ovisi o sposobnosti sustava da postigne visoke temperaturne razlike (∆T) između polazne i povratne vode (Skagestad & Mildenstein n.d.). ∆T je obično ograničena na 8-11°C. Sustavi u pravilu podešavaju polaznu temperaturu hladne vode na temelju temperature okoliša. Sustavi daljinskog hlađenja mogu se dalje podijeliti u tri skupine na temelju polaznih temperatura (ibid.):

• Konvencionalne temperature hlađene vode: 4°C do 7°C

• Sustavi ledene vode: +1°C

• Sustavi s ledenome kašom: -1°C

Zbog malih temperaturnih razlika između cjevovodne mreže i okolnog tla, cijevi nije potrebno izolirati. Podzemne cijevi distribucijske mreže obično su ukopane na dubinama od oko 60 cm. Izolacija je potrebna za nadzemne cijevi i u vrlo toplim klimama.

Maksimalne dopustive brzine protoka određene su ograničenjima u pogledu pada tlaka i kritičnim promjenama parametara sustava, kao što je npr. nagli porast tlaka u cjevovodu uslijed zatvaranja zaporne armature (tlačni udari). Brzine veće od 2,5 – 3,0 m/s valja izbjegavati, ukoliko sustav nije posebno izveden i zaštićen tako da su omogućene veće brzine protoka (ibid.).

3.3.3 Moguće primjene rashladnih sustava

Za postavljanje većih sustava daljinskog hlađenja otpadna toplinska energija iz postrojenja za korištenje bioplina obično je nedostatna. No voda hlađena bioplinskom otpadnom toplinom bi se mogla integrirati u postojeće sustave daljinskog hlađenja.

Manji sustavi daljinskog hlađenja, za priključenje samo jednog ili malog broja potrošača, mogli bi se izvesti u mnogo manjem opsegu za korištenje otpadne toplinske energije iz postrojenja za korištenje bioplina. Prednost je u tome što otpadne toplinske energije iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina najviše ima ljeti kada je ujedno i najveća potreba za hlađenjem. No hlađenje s otpadnom toplinom iz postrojenja za korištenje bioplina se još uvijek koristi za specifične namjene i nije u širokoj primjeni. Primjeri primjene su:

• Klimatizacija javnih i privatnih zgrada

• Klimatizacija objekata za skladištenje hrane : žitarica, povrća, voća, mesa

• Klimatizacija staja: svinjogojstvo

• Klimatizacija prostorija sa serverskim ra čunalima

• Riblja industrija : hlađenje skladišnih hala i proizvodnja leda

57

• Mliječna industrija: hlađenje mlijeka na farmi; hlađenje za industrijsku preradu mlijeka i hlađenje mliječnih proizvoda

• Male industrijske tvrtke : procesno hlađenje, npr. alata za obradu polimera.

Posebnu primjenu hlađenja predstavlja proizvodnja leda. Pritom skladištenje leda može imati svrhu privremenog uravnoteženja ponude i potražnje. Nadalje, slično transportu topline u kontejnerima, led se može također lako transportirati potrošačima, čime se smanjuje potreba za cijevovodima u sustavima daljinskog hlađenja. Međutim, to nije uobičajan koncept iskorištavanja toplinske energije iz postrojenja za korištenje bioplina.

3.4 Dodatna proizvodnja elektri čne energije

Kako je već opisano u prethodnim poglavljima, električna energija predstavlja visokokvalitetnu vrstu energije jer se lako može pretvoriti u druge oblike energije. Otpadna toplina iz postrojenja za korištenje bioplina s temperaturama u rasponu od 80°C do 550°C manje je vrijedna jer ju je teže pretvoriti u druge oblike energije. Međutim, postoje tehnička rješenja za pretvorbu otpadne topline u dodatnu električnu energiju u prikladnim termodinamičkim ciklusima, a time i za dodatne prihode od električne energije.

Općenito govoreći, termodinami čki ciklus se sastoji od niza termodinamičkih procesa kojima se predaje toplina i rad, dok se tlak, temperatura i druge varijable stanja mijenjaju. Kružni procesi korišteni za proizvodnju električne energije pretvaraju toplinsku energiju u mehaničku, za razliku od procesa u toplinskim pumpama koje daju toplinsku energiju korištenjem mehaničke. U nastavku su opisani neki kružni termodinamički procesi upotrebljivi za korištenje otpadne topline iz bioplinskih postrojenja.

3.4.1 CRC sustavi

Toplinska energija se može pretvoriti u mehaničku energiju, a potom u električnu energiju pomoću Rankineovih ciklusa (Ciklus Clausiusa Rankinea, CRC). U zatvorenom krugu se obično grije voda, isparava i ekspandira kroz turbinu koja pokreće generator za proizvodnju električne energije. Taj se ciklus primjenjuje u većini konvencionalnih i novih elektrana, uključujući elektrane na biomasu, ugljen i nuklearne elektrane, pa i neke vrste sunčevih elektrana.

Slika 55. Prikaz Rankineovog clikusa (izvor: English W ikipedia user Andrew.Ainsworth)

58

U Rankineovom ciklusu postoje četiri faze koje su prikazane po brojevima (Slika 55):

• 1-2: Radni medij se pumpa od niskog na više tlakove. Kako je medij kapljevit, u ovoj fazi pumpi je potrebno malo ulazne energije.

• 2-3: Stlačeni medij ulazi u kotao gdje se na konstantnom tlaku grije otpadnom toplinom iz bioplinskog postrojenja i prelazi u suhozasićenu paru.

• 3-4: Suhozasićena para ekspandira kroz turbinu proizvodeći mehaničku energiju. Time se smanjuje temperatura i tlak pare te može doći do određene kondenzacije.

• 4-1: Mokra para zatim ulazi u kondenzator gdje kondenzira na konstantnoj temperaturi i potpuno se ukapljuje.

• Ciklus se zatvara i počinje iznova s fazom 1-2

Učinkovitost procesa se izračunava pomoću jednadžbe 14:

Jednadžba 14

ηtherm Termodinamička učinkovitost procesa

Protok topline u sustav

P Mehanička energija koju sustav konzumira ili je predaje

3.4.2 Sustavi ORC

Kao poseban oblik prethodnog ciklusa, organski Rankineov ciklus (ORC) (Slika 56, Slika 57) koristi neki organski fluid umjesto vode i pare (Slika 58). To omogućava korištenje niskotemperaturnih izvora topline, kao što je otpadna toplina iz postrojenja za korištenje bioplina s temperaturama od 70–90°C. Ovo je omogu ćeno nižim vrelištem organskih fluida u usporedbi s vrelištem vode na 100°C. Bez obzira na tu razliku, radni princip ORC-a isti je kao radni princip Rankineovog ciklusa. Radni fluid pumpa se u kotao gdje isparava, ekspandira kroz turbinu i na kraju ponovno kondenzira.

Odabir radnog fluida od ključne je važnosti u Rankineovim niskotemperaturnim ciklusima. Koeficijent prijelaza topline je od posebnog značaja, s obzirom da utječe na termodinamička svojstva radnog medija, a time i na radne uvjete. Uobičajeno se koriste ugljikovodici i razni rashladni radni mediji. Na medije utječu sljedeći parametri, a neki od medija nabrojeni (Tablica 11) se mogu kombinirati radi povećanja učinkovitosti:

• izentropska krivulja suhozasićene pare

• ledište i vrelište

• maksimalna temperaturna tolerancija

• latentna toplina i gustoća

• potencijal škodljivosti za ozonski omotač (ODP) i potencijal globalnog zagrijavanja (GWP)

• korozivni potencijal, zapaljivost i toksičnost

• dostupnost i trošak.

59

Procjenjuje se da se od otpadne topline kogeneracijske jedinice snage 1 MWel, može proizvesti oko 7-10% dodatne električne energije (70-100 kWel) (FNR 2010). Ukupna električna učinkovitost jednog postrojenja za korištenje bioplina može se tako povećati na oko 45%. Otpadna toplina od ORC procesa teoretski se dalje može koristiti za grijanje, no uglavnom se ispušta u atmosferu.

Slika prikazuje jedan primjer ORC modula za postrojenja za korištenje bioplina. U tom primjeru jedna jedinica može proizvesti do 125 kW električne energije koristeći izvor topline snage oko 980 kWth. Minimalna temperatura iznosi 121°C, najve ći dio dolazi od topline ispušnih plinova, a manji dio iz hladnjaka motora.

Tablica 11. Karakteristike odabranih fluida za term odinami čke procese

Fluid Kriti čna to čka [°C]

Kriti čna to čka [MPa]

Vrelište [°C] (na 1 atm)

Temperatura razlaganja [°C]

Voda 374,00 22,06 100,00 -

Amonijak (NH3) 132,30 11,33 -33,30 477,00

n-Butan C4H10 152,20 3,80 -0,40 -

n-Pentan C5H12 196,80 3,37 36,20 -

C6H6 289,20 4,90 80,00 327,00

C7H8 5645,00 4,10 110,60 -

R134a

(HFC-134a) 101,20 4,06 -25,00 177,00

C8H10 343,20 3,50 138,00 -

R12 112,00 4,13 -29,80 177,00

HFC-245fa 157,70 3,64 15,40 247,00

HFC-245ca 178,60 3,86 25,20

R11 (CFC-11) 198,00 4,41 23,20 147,00

HFE-245fa 171,00 3,73 -273,00 -

HFC-236fa 130,80 3,18 -1,00 -

R123 183,90 3,70 28,00 -

CFC-114 145,90 3,26 3,70 -

R113 214,30 3,41 47,40 177,00

n-perfluoro-pentan C5F12

147,60 2,05 29,40 -

60

Slika 56. ORC sustav jednog bioplinskog postrojenja (koji koristi R245fa) u Dublovicama, Češka Republika (izvor: GE Energy)

Slika 57. ORC sustav (koji koristi R245fa) (kontejner sprijeda) i bioplinski motori (kontejner odostraga) jednog odlagališta u Warringtonu, UK (izvor: Verdesis Services UK Limited)

Slika 58. Shema "Clean cycle" ORC modula 125kW, GE Ener gy (preuzeto od GE Energy)

61

Slika 59. "Clean cycle" ORC modul, GE Energy (izvor: G E Energy)

3.4.3 Kalina ciklus

Kao alternativa ORC procesima, za proizvodnju električne energije od otpadne topline iz bioplinskih postrojenja može se koristiti i Kalina proces. Međutim, primjeri Kalina ciklusa kod postrojenja za korištenje bioplina su vrlo rijetki.

Za razliku od ORC procesa, koristi se kapljevita mješavina amonijaka i vode. Kako amonijak i voda imaju različita vrelišta, proces isparavanja odigrava se u rasponu temperatura sličnima destilacijskim procesima. Time se iz izvora može izvući više topline nego samo s jednim radnim fluidom. Omjeri otopina, vrelište i radni mediji mogu se prilagoditi željenoj proizvodnji topline. Voda/amonijak je najšire korištena kombinacija, no i druge su kombinacije izvedive.

U usporedbi s ORC procesom mogu se navesti sljedeće prednosti Kalina-procesa:

• Za ORC procese amonijak i voda su povoljniji fluidi od organskih.

• Moguća je prilagodba raznim temperaturnim razinama

• Energetska učinkovitost veća je nego kod ORC jedinica

Kao slabosti Kalina procesa u usporedbi s ORC procesom se može navesti sljedeće:

• Iskustvo s malim modulima Kalina ciklusa vrlo je ograničeno

• Amonijak ima visoki korozivni potencijal koji je uzrokom većeg trošenja i iziskuje posebnu opremu

• Ukupni investicijski troškovi viši su nego za ORC jedinice

• Amonijak je otrovan i neugodna mirisa pa treba izbjegavati njegovo ispuštanje u okoliš

• Amonijak je zapaljiv i eksplozivan.

3.4.4 Stirlingov motor

Stirlingov motor je toplinski motor koji radi na bazi cikličke kompresije i ekspanzije zraka ili nekog drugog plina na različitim temperaturnim razinama, koristeći neki vanjski izvor topline, poput otpadne topline iz bioplinskih postrojenja. U Stirlingovu se motoru toplinska energija

62

pretvara u mehanički rad, za pogon električnog generatora. Princip rada motora se sastoji od ciklusa u kojem se hladni plin komprimira, grije, širi i na kraju hladi prije ponavljanja ciklusa. Pritom je sustav zatvoren i nikakav se plin ne dodaje motoru niti se iz njega oslobađa pa se stoga klasificira kao motor s vanjskim izgaranjem. Prijenos topline se odvija kroz izmjenjivač topline koji je integralan s cilindrom motora.

Postoje različiti tipovi Stirlingovih motora, kao što su dvoklipni motor alfa tipa i motori na istiskivanje poznati kao beta i gama tipovi. Slika 60 ilustrira princip Stirlingova motora i prikazuje četiri takta motora alfa tipa. Alfa Stirling sadrži dva klipa u odvojenim cilindrima, u jednom vrućem i jednom hladnom. Vrući cilindar smješten je unutar visokotemperaturnog, a hladni cilindar unutar niskotemperaturnog izmjenjivača topline. Ovaj tip motora ima visok omjer između snage i zapremine, ali ima i tehničke probleme obično vezane za visoke temperature vrućeg klipa i trajnost njegovih brtvi. U praksi ovaj klip obično ima znatnu izolaciju kako bi se brtve držale dalje od vruće zone, što povećava mrtvi prostor (Wikipedia).

1. Većina radnog plina dotiče vruće stijenke cilindra koje su prethodno zagrijane. To uzrokuje ekspanziju koja potiskuje klip na dno cilindra. Ekspanzija se nastavlja u hladnom cilindru koji je fazno pomaknut 90° iza vrućeg klipa, te iz vrućeg plina izvlači više rada.

2. Plin je sada dostigao svoju maksimalnu zapreminu. Klip vrućeg cilindra počinje potiskivati najveći dio plina u hladan cilindar gdje se hladi i tlak mu pada.

3. Skoro sav plin se sada nalazi u hladnom cilindru i hlađenje se nastavlja. Hladni klip, pokretan zagonom zamašnjaka (ili drugim klipnim parovima na istoj osovini), tlači preostali dio plina.

4. Plin dosiže svoju minimalnu zapreminu i sada će ekspandirati u vrućem cilindru gdje će biti još jednom zagrijavan i pokretati vrući klip u njegovu taktu.

Slika 60. Osnovni princip Stirlingova motora alfa tip a (izvor: Wheeler R. (Zephyris, Wikipedia 2007)

Općenito, Stirlingovi motori imaju puno nižu učinkovitost nego motori s unutarnjim izgaranjem pa se primjenjuju samo u specifičnim slučajevima. Korištenje otpadne topline iz postrojenja za korištenje bioplina tu je vrlo ograničeno zbog niskih temperaturnih razina, s obzirom da motor bolje radi na visokim temperaturama (iznad 900°C).

Trenutno su Stirlingovi motori tržišno dostupni s malim kapacitetima od oko 40 kWel. Pored toga, investicijski troškovi su još uvijek vrlo visoki. Između ostalih problema, javlja se korozija i stvaranje naslaga na izmjenjivačima topline, s obzirom da ispušni plin sadrži sumporni dioksid (SO2).

63

3.4.5 Turbina na ispušne plinove

Daljnja mogućnost povećanja ukupne proizvodnje električne energije postrojenja za korištenje bioplina je instalacija plinske turbine, koja koristi ispušne plinove motora, na ispuh. Problem je pritom izbjegavanje korozije unutar turbine, s obzirom da ispušni plin ima korozivna svojstva. Trenutno samo nekoliko proizvođača nudi sustave s turbinama na ispušni plin.

Slika 61. prikazuje motor na dvojno gorivo s integriranom turbinom na ispušni plin. Visokoučinska plinska turbina je integrirana u sustav ispušnog plina SCHNELL-ove kogeneracijske jedinice. Korištenjem ove turbine i priključenog brzohodnog generatora se raspoloživa toplinska energija pretvara u električnu. Tako se dobiva dodatna snaga od 30 kWel. Prema SCHNELL-u, rezultat je 20 posto veći stupanj iskorištenja u usporedbi s konvencionalnim kogeneracijskim jedinicama s plinskim Otto motorima.

Slika 61. Motor s dvojnim gorivom (plinski motor s pilot ubrizgavanjem) snage 235 kW el s integriranom turbinom na ispušni plin snage 30 kW el (izvor: Schnell Motoren AG)

Slika 62. Turbina na ispušni plin snage 30 kWel (izvor: Schnell Motoren AG)

64

4 Inovativni koncepti za u činkovitu pretvorbu bioplina

Kako je već navedeno u prethodnim poglavljima, postoji puno različitih opcija za korištenje bioplina. Danas je uobičajena primjena izgaranja bioplina u kogeneracijskim jedinicama za proizvodnju električne i toplinske energije, obično na lokaciji instaliranog postrojenja za proizvodnju bioplina.

Međutim, u promjenjivom sustavu opskrbe energijom, koji se kreće u pravcu od fosilnih goriva prema široj integraciji obnovljive energije, istražuju se, uvode i primjenjuju novi koncepti za različite namjene. Premda ti koncepti nisu izravno u opsegu ovog priručnika, čija je glavna tema korištenje otpadne topline iz postrojenja za proizvodnju i/ili korištenje bioplina, oni su ovdje ukratko opisani kako bi se ilustrirao puni raspon uporabe bioplina. Ovisno o budućim energetskim sustavima, moguće je da će bioplinskim sustavima biti namijenjena još važnija uloga. Pritom bi se mogla smanjiti uloga korištenja bioplina u konvencionalnim kogeneracijskim jedinicama u svrhu maksimalne proizvodnje električne energije, dok bi na važnosti mogli dobiti novi koncepti korištenja bioplina.

4.1 Bioplinski cjevovodi i satelitske kogeneracijsk e jedinice

Pristup u kojem se učinkovito koristi energetski sadržaj bioplina jest transportiranje bioplina plinskim cjevovodima (bioplinske mikro-mreže) u takozvane satelitske kogeneracijske jedinice smještene u blizini potrošača toplinske energije (Slika 65). Sustavi s jednom ili nekoliko satelitskih kogeneracijskih jedinica sve su češći, a takvi se projekti obično izvode za postrojenja za proizvodnju bioplina koja nemaju mogućnost konzuma sveukupno dostupne toplinske energije na lokaciji postrojenja, ali žele toplinskom energijom opskrbiti potrošače koji su smješteni na većim udaljenostima od samog postrojenja. Kako bi se toplinska energija optimalno iskoristila, bioplin se potrošačima transportira putem bioplinskog cjevovoda što je dobra alternativa izgradnji malih sustava daljinskog grijanja u kojima se topla voda transportira cjevovodima do potrošača. Transport bioplina cjevovodom je efikasniji jer kod njega gotovo i ne dolazi do gubitka energije, dok kod transporta topline toplovodom dolazi do znatnog gubitka energije. Međutim, budući da je toplina potrebna i za grijanje digestora, osim satelitske kogeneracije najčešće se instalira još jedna kogeneracijska jedinica u okviru postrojenja.

U tablici 10. dana je opća usporedba bioplinskih i toplinskih cjevovoda. Na odabir sustava utječu mnogi lokalni faktori, a uključena su i tehnička, ekonomska i pravna pitanja. Bioplinski cjevovodi i satelitske kogeneracijske jedinice u pravilu su pogodniji kod većih udaljenosti između bioplinskog postrojenja i potrošaća toplinske energije. Sustav distribucije toplinske energije potreban je i kod satelitskih kogeneracijskih jedinica, no u tom slučaju gubici energije znatno su manji zahvaljujući blizini satelitske kogeneracije.

Preduvjet za transport bioplina cjevovodima u satelitske kogeneracijske jedinice je dobro sušenje plina. Ako je plin previše vlažan, voda kondenzira u cjevovodima i uzrokuje koroziju i začepljivanje. Osim toga, bioplin je potrebno odsumporiti radi izbjegavanja korozije. Obično se koriste jednostavne sintetičke cijevi, a za razliku od toplovoda dovoljno je instalirati samo jednu cijev. Time su troškovi investicije kod ugradnje cjevovoda za plin znatno manji nego troškovi izgradnje toplovoda.

65

Slika 63. Po četak bioplinskih cijevi za jednu satelitsku kogeneracijsku jedinicu u gradu Trebonu, Češka Republika (izvor: D. Rutz))

Slika 64. Po četak bioplinskog cjevovoda (uklju čujući ventilator) do satelitske CHP u Njemačkoj (Izvor: Rutz)

Slika 65. Bioplinski cjevovod do satelitskih kogener acija (lijevo) i sustava mikro-daljinskog grijanja

(desno)

Bioplinsko

postrojenje

CHP

potrošač

CHP

potrošač

bioplinsko

postrojenje

CHP

potrošač potrošač

CHP

CHP

bioplinske cijevi

povratni cjevovodi

polazni cjevovodi

66

Tablica 12. Usporedba razli čitih karakteristika bioplinskih i toplinskih cjevov oda

Karakteristike Bioplinski cjevovod Toplinski cjevovod

Lokacija kogeneracijskih jedinica

Obično jedna kogeneracijskih jedinica pri postrojenju za proizvodnju bioplina (za grijanje digestora) i nekoliko satelitskih kogeneracijskih jedinica na kraju bioplinskog cjevovoda

Jedna ili nekoliko kogeneracijskih jedinica centraliziranih pri postrojenju za proizvodnju bioplina

Transportirani medij Bioplin Vrela/topla voda

Kompresor/pumpa Plinski kompresor Vodena cirkulacijska pumpa

Broj cjevovoda Potreban je samo jedan cjevovod Polazni i povratni cjevovodi potrebni za zatvoreni vodeni krug

Cjevovod Plinski cjevovodi; otporni na koroziju; antikorozivno zaštićene čelične ili plastične cijevi

Predizolirani cjevovodi daljinskog grijanja; obično od sintetičkog materijala

Gubici Niski gubici plina Gubici topline ovise o izolaciji, no gubici energije uglavnom su viši od gubitaka plina.

Pripremne mjere Sušenje plina, odsumporavanje (<10 ppm), stavljanje pod tlak Grijanje vode

Zakonski uvjeti

Pravna situacija često još nejasna i klasifikacija plinskih cjevovoda nedefinirana; vrijede viši zahtjevi sigurnosti

Obično odobreni sustav

Troškovi Troškovi plinskih kompresora mnogo su viši nego troškovi circulacijskih pumpi

Trošak izgradnje toplinskog cjevovoda obično je viši

Stupanj provedbe Tek malobrojni primjeri u nekim zemljama

Mali sustavi daljinskog grijanja u širokoj su primjeni

Opća prikladnost Bolji za veće udaljenosti Bolji za manje udaljenosti

4.2 Pročišćavanje bioplina i utiskivanje biometana u mrežu

Druga opcija za učinkovito korištenje bioplina je pročišćavanje bioplina do kvalitete biometana i zatim njegovo utiskivanje u mrežu prirodnog plina. U procesu pročišćavanja, bioplin se u prvom koraku čisti od nečistoća poput sumporovodika, vode, dušičnog amonijaka, siloksana, čestica i kisika. Odstranjivanje ovih tvari i potrebna razina čistoće ovisi o drugom koraku u kojem se odstranjuje CO2, dok se sadržaj metana povećava od 45-70 posto CH4 na >95% CH4 čime se povećava gustoća energije. Bit čitavog procesa je tehnologija pročišćavanja koja se može podijeliti u četiri kategorije.

• Adsorpcijske tehnologije: adsorpcija promjena tlaka (eng. PSA)

• Apsorpcijske tehnologije: čišćenje vode, organsko fizičko čišćenje, kemijsko čišćenje

• Difuzijske tehnologije: visokotlačna membranska separacija, niskotlačna membranska separacija

67

• Kriogene tehnologije oplemenjivanja

Najčešće primjenjena metoda je pranje bioplina vodom pri čemu visokotlačni plin prelazi u kolonu gdje se ugljikov dioksid i drugi elementi u tragovima čiste kaskadnom vodom koja teče suprotno protoku plina.

Nakon procesa pročišćavanja, biometan se kondicionira (fino podešavanje sastava plina i ogrjevne vrijednosti), aromatizira i stlačuje na odgovarajući tlak da bi se predao u mrežu prirodnog plina.

Posljednjih godina stalno se povećava broj postrojenja za pročišćavanje bioplina. U Njemačkoj je trenutno u radu oko 140 takvih postrojenja. I u drugim zemljama, kao u Švedskoj, Švicarskoj i Austriji, grade se postrojenja za pročišćavanje. Glavna je korist u tome što se biometan, kad jednom uđe u mrežu prirodnog plina, može lako uskladištiti i trošiti na bilo kojem mjestu koje ima pristup mreži prirodnog plina. Pritom se može iskoristiti puni energetski sadržaj, jer je potrošnja bioplina moguća npr. na lokacijama potrošača toplinske energije. Glavne slabosti postrojenja za oplemenjivanje mogu se ukratko nabrojiti kako slijedi:

• Viši investicijski troškovi čitavog procesa

• Zbog visokih troškova trenutno prikladno samo za veća postrojenja

• Za proces pročišćavanja potrebna je energija

• U mnogim zemljama nisu pogodni okvirni uvjeti

Istraživanja i mišljenja stručnjaka pokazuju da je nadogradnja ekonomski isplativa kod kapaciteta dobivenog pročišćenog biometana većeg od 250-500 m3/h jer su troškovi investicije vrlo visoki. Navedeno je ekvivalentno kapacitetu kogeneracijske jedinice od 1-2 MWel.

Koncept korištenja sirovina iz otpada za proizvodnju bioplina uz paralelno pročišćavanje u biometan, također zvan Iz-otpada-do-biometana, promiče projekt UrbanBiogas (Gradski otpad za ubrizgavanje biometana u mrežu i transport u urbanim područjima) u pet europskih gradova (Rutz et al. 2011; Rutz et al 2012). U mnogim europskim regijama gospodarenje otpadom još je uvijek značajan problem i samo nekolicina postrojenja koristi biootpad otpad za proizvodnju biometana.

Slika 66. Tehnologija apsorpcije promjena u tlaku (PSA) u Aiterhofenu, Njema čka (izvor: Rutz)

Slika 67. Postrojenje za pro čišćavanje bioplina pranjem u vodi, Swedish Biogas International u Lidköpingu, Švedska (izvor: Rutz)

68

4.3 Prijevoz biometana u kontejnerima

Na lokacijama bez mreže prirodnog plina ili bez pristupa mreži prirodnog plina, biometan se također može uskladištiti u kontejnerima i potom prevoziti do lokacije potrošnje. Biometan se komprimira i pumpa u kontejnere kao takozvani Bio-SPP (stlačeni prirodni plin) ili SBM (stlačeni biometan) (Slika 68). Taj se pristup često primjenjuje u Švedskoj koja ima slabo razvijenu mrežu prirodnog plina. Tamo se kontejneri Bio-SPP-a kamionima dovoze do punionica plina, budući da se veći dio biometana u Švedskoj koristi za prijevoz.

Biometan se također može ukapljiti hlađenjem do oko -162°C. To se može u činiti s tekućim dušikom. Ukapljeni biometan, također zvan Bio-UPP (ukapljeni prirodni plin) ili UBM (ukapljeni biometan), potom se skladišti u rashlađenim kontejnerima koji se mogu transportirati potrošačima. Tu je glavna prednost u visokoj energetskoj gustoći koja iznosi oko 5 puta više od gustoće Bio-SPP-a, tako da transport kontejnera na velike udaljenosti postaje isplativijim. Međutim, za proces ukapljivanja potrebna je znatna količina energije. Ovaj se proces zasad koristi samo u istraživanju (Slika 69) i ubuduće bi se mogao koristiti samo u specifične svrhe, primjerice u brodskom prometu i zrakoplovstvu. Glavni su nedostaci visoki troškovi, visoki gubici energije i sigurnosni rizici.

Slika 68. Kontejneri za prijevoz SBM-a bioplinskog po strojenja u Boråsu, Švedska (izvor: Rutz)

Slika 69. Bioplinsko postrojenje, Swedish Biogas Int ernational, koje proizvodi SBM u Lidköpingu,

Švedska (izvor: Rutz)

69

4.4 Korištenje biometana u prometu

Biometan se u sve većoj mjeri smatra mogućom alternativom drugim energentima u prometnom sektoru. U mnogim je zemljama infrastruktura za korištenje SPP-a u prometu već vrlo dobra te postoje mreže punionica SPP-a.

Kad je biometan jednom ubrizgan u mrežu prirodnog plina može se koristiti za prijevoz s istom infrastrukturom kao i za vozila na SPP (Rutz & Janssen 2008). Ipak, specijalizirane punionice SBM-a su rijetke. Obično se nudi pomiješano gorivo SPP/SBM, a samo u nekim slučajevima nudi se čisti SBM, ponekad i izravno na lokaciji postrojenja za proizvodnju i/ili pročišćavanje bioplina. Vodeće europske zemlje u korištenju SBM-a su Švedska i Švicarska.

Značajan problem u korištenju SBM-a (kao i SPP-a) predstavlja skladištenje biometana u vozilu i ograničena maksimalna dužina vožnje s jednim punjenjem spremnika za gorivo. Često se koriste kombinirani sustavi opskrbe gorivom koji uključuju metan i benzin/etanol ili dizelsko gorivo. Mnoga laka i teška vozila za prijevoz tereta su modificirana, tj. dodatno su opremljena s spremnikom za stlačeni plin u prtljažnom prostoru i s plinoopskrbnim sustavom uz već postojeći sustav za tekuće fosilno gorivo (Al Seadi et al. 2008).

Također, postoji sve više specijaliziranih vozila na biometan koja se konstrukcijski optimiraju radi postizanja bolje učinkovitosti i boljeg smještaja spremnika za gorivo bez gubitka prtljažnog prostora. Bioplin se skladišti na 200 do 250 bara u tlačnim posudama od kompozitnog čeličnog ili aluminijskog materijala (ibid.).

Slika 70. Punionica biometana, Svensk Biogas, Linköpin g, Švedska (izvor: Rutz)

Slika 71. Kamionski rezervoar za SBM, Švedska (izvor: Rutz)

4.5 Bioplin kao sredstvo upravljanja optere ćenjem i održavanja stabilnosti mreže

Ključni izazov za buduće energetske sustave, a posebno za elektroenergetske sustave, je integriranje mnogih različitih manjih i decentraliziranih izvora energije u ukupni energetski sustav. Kako je sve veći udio energije vjetra i sunca u elektroenergetskim sustavima, moraju se pronaći novi i inteligentni sustavi upravljanja kako bi se elektroenergetski sustav održao stabilnim. Važnu ulogu u stabiliziranju buduće elektroenergetske mreže imat će sustavi skladištenja energije kao i sustavi koji mogu brzo reagirati na promjenjiva opterećenja. Inteligentne elektroenergetske mreže sa sustavima automatske interakcije i dojave ponude i potražnje električne energije nazivaju se i pametne mreže .

70

Prirodni plin, bioplin i biometan su energenti koji se mogu lako skladištiti u skladištima različitih veličina, od malih - koja su dio svakog postrojenja za proizvodnju bioplina, do velikih skladišta - kao što je sama mreža prirodnog plina. Nadalje, električna energija iz plinskih generatora (turbina, motora) može se uključivati i isključivati kroz vrlo kratko vrijeme. Stoga su ti sustavi vrlo prikladni za stabiliziranje mreže i balansiranje opterećenja.

Električna energija iz bioplinskih i biometanskih kogeneracijskih jedinica može pridonijeti stabilizaciji mreže. U kontekstu praktične primjene to znači da bi operator postrojenja za korištenje bioplina podešavao rad kogeneracijske jedinice prema potražnji za električnom energijom u mreži jednostavnim uključivanjem i isključivanjem kogeneracijske jedinice. Operator postrojenja za korištenje bioplina samo treba primiti signal od operatora mreže ili od trgovca električnom energijom te bi se s takvim signalima rad kogeneracije mogao automatski podešavati.

Međutim, cilj operatora postrojenja za korištenje bioplina obično je maksimirati proizvodnju električne energije, pogotovo ako se može izvući korist od fiksne zajamčene tarife za svaki kilovatsat pušten u elektroenergetsku mrežu. Kad bi operator postrojenja za korištenje bioplina bio dužan obavljati stabiliziranje elektroenergetske mreže, kogeneracijske jedinice mogle bi se redovito isključivati te bi za tu dodatnu uslugu i za izgubljeni dohodak od zajamčene tarife operator postrojenja za korištenje bioplina trebao bi dobiti naknadu. Osim toga, operator postrojenja trebao bi dobiti naknadu i za ulaganje u dodatne kapacitete za skladištenje bioplina.

Osim dodatnog skladišnog kapaciteta za bioplin, operator postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina mogao bi podešavati proces anaerobne digestije (AD) unosom sirovine u digestor. Budući da je reakcija procesa AD troma i iziskuje vrijeme, informacije o potrebnoj proizvodnji električne energije valja predvidjeti i prenijeti operatoru postrojenja.

Nekoliko istraživačkih i demonstracijskih projekata već je realiziralo takve inteligentne sustave i dokazalo njihovu izvedivost (E-Energy, AlpEnergy).

4.6 Biometan i pretvorba elektri čne energije u plin

Prema konceptu pretvorbe električne energije u plin (Power-to-Gas ) (Slika 72), višak električne energije pretvara se u sinteti čki metan . Sa sve većim brojem vjetro i sunčevih (fotonaponskih) elektroenergetskih postrojenja češće dolazi do viška proizvedene električne energije. To se događa u vremenima kada se generira više obnovljive električne energije nego što se može iskoristiti ili transportirati elektroenergetskom mrežom. Jedna od mogućnosti da se taj problem riješi kako bi se elektroenergetska mreža održala stabilnom, je da se isključe dotična vjetro i sunčana postrojenja. Druga je opcija korištenje tog viška električne energije za proizvodnju sintetičkog metana.

Višak električne energije razdvaja vodu putem elektrolize na kisik i vodik. Vodik i unos CO2 (npr. iz postrojenja za oplemenjivanje bioplina) pretvara se u Sabatierovu procesu (Jednadžba 15) u metan. Ovaj se metan ubrizgava u mrežu prirodnog plina i djeluje kao zamjenski prirodni plin.

Jednadžba 15

Taj se proces može kombinirati ili s postrojenjem za pročišćavanje bioplina koje opskrbljuje sustav sa CO2 ili s nekim zajedničkim postrojenjem za proizvodnju bioplina koje opskrbljuje sustav konvencionalnim bioplinom, koji također sadrži velike količine CO2.

Skladišni kapacitet mreže prirodnog plina u koju se ubrizgava sintetički metan vrlo je velik. Sustav pretvorbe električne energije u plin (Power-to-Gas) alternativa je hidroelektričnim skladišnim sustavima u područjima gdje se ne može izgraditi hidroelektrična infrastruktura. Ujedno je alternativa drugim skladišnim sustavima, kao što su akumulatori, zamašnjaci,

71

komprimirani zrak i dr. Preduvjet za ovaj sustav je postojanje izvora vode kao i izvora CO2. Proizvedeni kisik je nusproizvod koji se može upotrijebiti i u komercijalne svrhe.

Prema institutu Worldwatch (2012) veliki je nedostatak ovoga pristupa znatan gubitak energije koji je s njim povezan. Pretvorba električne energije u metan zbiva se s učinkovitošću od svega 60 posto. Ako se metan kasnije koristi u elektrani na prirodni plin za proizvodnju električne energije, učinkovitost pada na 36 posto. Pumpana akumulacija, s druge strane, sprema energiju po stopi učinkovitosti od 70 do 80 posto. Sa stanovišta zaštite okoliša bolje je koristiti ovu tehnologiju nego „gubiti“ električnu energiju u slučaju da se moraju isključiti vjetro odnosno solarni generatori.

U Njemačkoj, koja ima velike kapacitete vjetroenergije na sjeveru i visoku potražnju za električnom energijom na jugu zemlje, sustavi pretvorbe plina u električnu energiju (Gas-to-Power) mogli bi ponuditi jednu od mjera za stabiliziranje elektroenergetske mreže. Trenutno je u izgradnji nekoliko istraživačkih i demonstracijskih pogona (Dena 2012):

• Enertrag-hibridna elektrana, Prenzlau

• E.ON-pilot postrojenje, Falkenhagen

• SolarFuel-postrojenje tipa alfa, Stuttgart

• 250-kW-pilot postrojenje Power-to-Gas, Stuttgart

• Audi-e-gas-postrojenje, Werlte

• Demonstracijski i inovacijski projekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow

Slika 72. Koncept Power-to-Gas

72

5 Upute o mogu ćnostima korištenja toplinske energije

Kako je prikazano u ovom priručniku, postoji puno različitih mogućnosti korištenja bioplina. Cilj svih njih je maksimizirati korištenje energije dobivene pretvorbom bioplina. Osim različitih opcija za iskorištavanje toplinske energije, Amann i Amann (2014) opisuju obećajavajuće strategije i poslovne modele za iskorištavanje toplinske energije iz bioplinskih postrojenja. Strategija na europskoj razini prezentirana je od strane Mergner i sur. (2013).

Za operatora postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina glavni cilj je maksimirati prihode od proizvodnje bioplina te energije iz bioplina uz istodobno ispunjenje zakonskih propisa. U ovom poglavlju su dani savjeti za operatora postrojenja kako odabrati najbolje opcije korištenja toplinske energije sukladno različitim okvirnim uvjetima.

Najučinkovitiji i najprofitabilniji način korištenja bioplina je njegova pretvorba u elektri čnu i toplinsku energiju pomo ću neke u činkovite i suvremene kogeneracijske jedinice uz uporabu toplinske energije izravno na lokaciji biop linskog postrojenja . Pritom se toplinska energija može iskoristiti u različite svrhe. Međutim, u realnim uvjetima rijetko nastaje situacija kad se proizvodnja električne energije kao i ponuda i potražnja toplinske energije mogu istodobno maksimizirati.

Vrlo dobra opća alternativa istodobnom maksimiziranju korištenja električne i toplinske energije je utiskivanje pročišćenog bioplina u mrežu prirodnog plina. Pritom se biometan može koristiti u satelitskim kogeneracijskim jedinicama na lokacijama gdje vlada velika potražnja za električnom i toplinskom energijom. Međutim, investicijski troškovi postrojenja za pročišćavanje vrlo su visoki pa se projekti pročišćavanja obično realiziraju u okviru većih projekata.

U početnoj fazi planiranja projekata iskorištavanja topline postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina valja razmotriti četiri klju čna pitanja prije nego što se započne s detaljnim ispitivanjima projekta:

• Može li se toplina iz kogeneracijske jedinice koristiti u vlastitom pogonu (npr. grijanje digestora, grijanje vlastitih zgrada i staja, hlađenje i sušenje poljoprivrednih proizvoda, sušenje digestata i kanalizacijskog mulja, higijenizacija, itd.)? Koliko se topline može iskoristiti u vlastite svrhe?

• Postoji li neki vanjski potencijalni potrošač toplinske energije u blizini postrojenja? Koliko je pouzdana potražnja za toplinskom energijom? Koliko je potrošač toplinske energije udaljen od bioplinskog postrojenja? Je li potražnja za toplinskom energijom kontinuirana ili sezonska? Koja se vrsta i rok ugovora može sklopiti s potrošačem toplinske energije?

• Ako se ne može naći potrošač toplinske energije, je li moguće „stvoriti“ novog potrošača toplinske energije nedaleko od postrojenja (npr. sušionica, staklenik, akvakultura)?

• Ako se ne može naći potrošač toplinske energije, je li izvedivo neko postrojenje za pročišćavanje bioplina? Je li takvo postrojenje dovoljno veliko? Koliko je udaljena mreža prirodnog plina? Postoji li zakonska potpora proizvodnje biometana?

Osim tih pitanja, na sljedećoj kontrolnoj listi nalaze se važni aspekti o kojima valja voditi računa u detaljnijem planiranju:

Koji je glavni cilj izgradnje i rada bioplinskog postrojenja?

• Sadašnja situacija postrojenja (postojećeg ili planiranog)

• Maksimizacija proizvodnje električne i toplinske energije (i prihoda od zajamčene tarife)

• Maksimizacija proizvodnje toplinske energije

73

• Doprinos upravljanju opterećenjem pomoću dodatnog skladištenja plina i kogeneracijskih kapaciteta

Koje su zakonske mogućnosti i ograničenja?

• Zakoni primjenjivi na obnovljivu proizvodnju električne energije iz bioplina

• Specifični zakonski aspekti za korištenje toplinske energije, učinkovitosti, veličine postrojenja i dr. (npr. u Njemačkoj je obvezna ukupna iskoristivost energije iz bioplinskog postrojenja 60%, a u Hrvatskoj 50%)

• Specifični zakonski aspekti vezani uz dodatni kapacitet skladištenja plina

• Specifični zakonski aspekti vezani uz doprinos stabilnosti elektroenergetske mreže

• Specifični zakonski aspekti vezani uz klasifikaciju i zaštitu zemljišta (npr. zaštićena područja)

• Specifični zakonski aspekti vezani uz sigurnost

• Postupci izdavanja dozvola

Koja su specifi čna ograničenja lokacije?

• Raspoloživi prostor za dodatne instalacije

• Vlasništvo zainteresiranih dionika (npr. cjevovodi prolaze kroz različite posjede)

• Klasifikacija i zaštita zemljišta (npr. zaštićena područja)

Koji se tehnološki aspekti moraju razmotriti?

• Dodatni kapacitet skladištenja bioplina

• Dodatni kogeneracijski kapacitet za vršne vrijednosti električne energije

• Dodatni plinski plamenici za vršne vrijednosti toplinske energije

• Životni vijek opreme

• Zahtjevi za održavanjem

• Zrelost i pouzdanost tehnologije

• Tehnički nadzor

Koji se financijski aspekti odnose na projekt?

• Cijena električne energije

• Cijena toplinske/rashladne energije

• Cijena drugih usluga, poput sušenja

• Cijena proizvoda akvakulture

• Investicijski troškovi dodatne opreme i instalacija

• Troškovi kapitala (kamatna stopa)

• Omjer glavnice i duga

• Troškovi dodatne opreme

• Troškovi zamjene opreme

• Troškovi pogona i održavanja

• Troškovi dodatne radne snage

• Postojeći planovi javne potpore

74

Kakvi su kapaciteti operatora ?

• Operatorova stručnost i kvalificiranost

• Kvalificirano osoblje

• Dodatno radno vrijeme

Koji su ugovorni odnosi s (poslovnim) partnerima relevantni?

• Ugovori o opskrbi električnom energijom

• Ugovori o opskrbi toplinskom energijom

• Trajanje ugovora

• Garantirana ili negarantirana opskrba

• Pouzdanost proizvođača

• Postojeće iskustvo s poslovnim partnerima

• Suglasnost susjeda

• Privatni ili javni partneri

• Investitori

• Preostalo vrijeme u okviru sustava poticajnih cijena (feed-in tarifa)

6 Zaklju čci

U konačnici, može se zaključiti da se među najčešće koncepte uporabe toplinske energije za postrojenja koja proizvode bioplin iz sirovina iz p oljoprivrede danas ubrajaju direktno korištenje toplinske energije u vlastite svrhe (kuće, staje) i sušenje krute biomase u poljoprivrednim pogonima. Pritom ponuda toplinske energije često nadmašuje potražnju za toplinskom energijom (ljeti) te se još uvijek gubi veliki udio toplinske energije. Neka postrojenja koriste toplinu za sušenje žitarica i za male sustave daljinskog grijanja. Toplinska energija za klimatizaciju staklenika, za hlađenje i za akvakulturu se još uvijek primjenjuje samo u vrlo specifičnim slučajevima.

Najuobičajeniji koncepti korištenja toplinske energije - postrojenja koja proizvode bioplin iz otpada - namijenjeni su za vlastite svrhe, kao što su higijenizacija i sanitacija. Neka postrojenja također isporučuju toplinsku energiju sustavima daljinskog grijanja. Nadalje, neka postrojenja koriste toplinsku energiju za sušenje digestata. Isto se odnosi na postrojenje za obradu otpadnih voda koje kao sirovinu koristi kanalizacijski mulj.

U Švedskoj je najčešći koncept pročišćavanja bioplina u biometan i zatim distribucija punionicama biometana.

U Njemačkoj je u porastu izgradnja postrojenja za pročišćavanje u svrhu utiskivanja biometana u mrežu prirodnog plina. Na oko 8.000 instaliranih postrojenja za proizvodnju bioplina, danas je približno oko 140 postrojenja koja koriste bioplin za pročišćavanje. Taj broj Njemačka vlada planira značajno povećati.

Korištenje biometana u prometu ima posebnu ulogu: trenutno se prometni sektor jako oslanja na pogonska goriva na bazi ugljika. Korištenje goriva koja se ne baziraju na ugljiku (vodik, električna energija) ima tek manju ulogu u današnjem prometnom sustavu. Kako je i biometan gorivo na bazi ugljika, on bi mogao značajno pridonijeti budućem energetskom miksu. To je važno, budući da su alternative gorivima na bazi ugljika vrlo ograničene. Stoga bi se mogla prihvatiti općenito niža energetska učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem.

75

Ograničena raspoloživost resursa, konkurencija oko korištenja zemljišta te povećana konkurencija oko otpadnih materijala intenziviraju pritisak na postrojenja za proizvodnju i korištenje bioplina. Stoga će postatii sve važnije maksimizirati proizvodnju iskoristive energije bioplina. A to znači izraditi održive i učinkovite koncepte toplinske energije za bioplinska postrojenja kombinirana s kogeneracijskim jedinicama. Bez pouzdanog koncepta toplinske energije, buduća bioplinska postrojenja suočena su s rizikom gubitka svoje ekonomske izvedivosti i ekološke funkcije.

76

Pojmovnik i kratice

U pojmovniku i kraticama opisuju se i definiraju razni specifični ili uobičajeni izrazi, termini i riječi koje se koriste u ovom priručniku. Glavni je cilj ovoga popisa olakšati prevođenje priručnika na nacionalne jezike. Nekoliko izraza usvojeno je iz Wikipedije.

AD: vidi Anaerobna digestija

Adsorpcija promjene tlaka (PSA) : metoda oplemenjivanja bioplina u kvalitetu biometana.

Adsorpcija : prianjanje atoma, iona ili molekula plina, tekućine ili rastopljene krute tvari za neku krutu površinu.

Akvakultura : akvakultura, također zvana akvatički uzgoj, je uzgoj vodenih organizama kao što su ribe, rakovi, mekušci i vodene biljke. Akvakultura obuhvaća uzgoj slatkovodnih i slanovodnih populacija u kontroliranim uvjetima za razliku od komercijalnog ribolova kao hvatanja divlje ribe. Akvakultura se može prakticirati u prirodnim ili umjetnim vodenim masama ili u zatvorenim umjetnim sustavima.

Akvaponika : umjetna riječ koja se sastoji od riječi akvakultura (riba) i hidroponija (biljke). U ovom sustavu ekskrement riba i ostalih vodenih životinja izvor je nutrijenata za rast biljaka u hidroponičnom uzgoju, koje pritom upijajući nutrijente pročišćavaju vodu za ribe.

Amonijak : plinski spoj vodika i dušika, NH3, oštra mirisa i okusa.

Anaerobna digestija : također zvana digestija ili fermentacija: mikrobiološki proces raspadanja organske tvari u potpunoj odsutnosti kisika, pokretan zajedničkim djelovanjem širokog raspona raznih mikroorganizama. Od anaerobne digestije (AD) nastaju dva glavna krajnja proizvoda: bioplin (plinska smjesa metana, ugljikov dioksida i drugih plinova i elemenata u tragovima) i digestat (digestirani supstrat). Proces AD je zajedničko svojstvo mnogim prirodnim okolišima i danas se primjenjuje u proizvodnji bioplina u hermetički zatvorenim reaktorskim spremnicima, takozvanim digestorima.

Apsorpcija : proces u kojem atomi, molekule ili ioni ulaze u neko rinfuzno stanje (plin, tekućinu ili krutu tvar). Taj se proces razlikuje od adsorpcije time što molekule podvrgnute apsorpciji bivaju upijane obujmom, a ne površinom (kao u slučaju adsorpcije).

Barel ekvivalenta nafte (boe) : količina energije sadržana u jednom barelu sirove nafte, tj. oko 6,1 GJ, odnosno 1.700 kWh. „Petrolejski barel" je tekuća mjera jednaka 42 američkih galona (35 imperijalnih galona ili 159 litara); oko 7,2 barela ekvivalentno je jednoj (metričkoj) toni nafte.

Barijev hidroksid : kemijski spoj čija je formula Ba(OH)2. Poznat i pod nazivom barijev oksid, jedan je od glavnih barijevih spojeva. Obično se prodaje u obliku bijelog monohidrata u zrnu.

Bio-SBM : vidi Stlačeni biometan

BiogasHeat : projekt (Razvoj tržišta održive toplinske energije za bioplinska postrojenja u Europi) financiran po programu Europske komisije Intelligent Energy for Europe u okviru kojeg je izrađen ovaj priručnik.

Bio-UBM : vidi Ukapljeni biometan

Biometan : bioplin oplemenjen u kvalitetu prirodnog plina sa sadržajem CH4 >95%

Bioplin : plin koji nastaje anaerobnom digestijom, a uglavnom se sastoji od metana i ugljikovog dioksida, ali i od sumporovodika, vode i manjih frakcija drugih spojeva.

Bioplinska postrojenja na otpad : bioplinska postrojenja koja kao sirovinu koriste industrijski ili komunalni organski otpad.

SBM: vidi Stlačeni biometan

77

CH4: vidi Metan

CHP: kombinirana toplinska i električna energija (sinonim: kogeneracija): Sekvencijska proizvodnja električne energije i korisne toplinske energije od nekog zajedničkog energenta. Odbačena toplinska energija iz industrijskih procesa može se iskoristiti za pogon električnog generatora (eng. bottoming cycle). Obratno, višak toplinske energije od neke elektrane može se iskoristiti za industrijske procese ili za grijanje prostora i vode (eng. topping cycle).

Clausius-Rankineov-Ciklus (CRC) : termodinamički zatvoreni ciklus u kojem se voda grije, isparava i prolazi kroz turbinu koja pokreće generator za proizvodnju električne energije.

SPP: stlačeni prirodni plin

CO2: vidi Ugljikov dioksid

COP: vidi Koeficijent učinka

CRC: vidi Clausius-Rankineov-ciklus

Daljinsko grijanje : daljinsko grijanje je sustav za distribuciju topline (vrelom/toplom vodom ili parom) generirane na centraliziranoj lokaciji za potrebe grijanja stambenog i poslovnog prostora, poput grijanja prostora i grijanja vode.

Daljinsko hla đenje : daljinsko hlađenje je sustav za distribuciju rashlađene vode ili mješavine vode i leda s neke centralizirane lokacije za potrebe hlađenja stambenog i poslovnog prostora poput klimatizacije.

DH: daljinsko grijanje

DHC: daljinsko grijanje i hlađenje

DHW: opskrba kućanstava potrošnom toplom vodom (PTV)

Digestat : obrađeni/ digestirani izljev iz procesa AD (sinonimi: ostaci AD, digestirana biomasa, bioplinski digestirani tekući gnoj).

Digestija : vidi Anaerobna digestija

Digestor : (ponekad zvan fermentator) zatvoreni spremnik, obično vertikalno ili horizontalno cilindričnog oblika, ili garaža (za suhu digestiju) u kojoj se odvija proces anaerobne digestije.

Džul (J) : metrička jedinica za energiju, ekvivalentna radu što ga izvrši sila od jednog newtona na putu od jednog metra. 1 džul (J) = 0,239 kalorija; 1 kalorija (cal) = 4,187 J.

EER: vidi Omjer energetske učinkovitosti

Eksergija : u termodinamici, eksergija nekog sustava je maksimalni koristan rad koji je moguć unutar nekog procesa koji dovodi sustav u stanje ravnoteže pomoću toplinskog spremnika. Kad je spremnik okolina, eksergija je potencijal sustava da uzrokuje određenu promjenu dok postiže ravnotežu sa svojom okolinom. Eksergija je energija dostupna za uporabu. Kad sustav i okolina postignu ravnotežu, vrijednost eksergije je nula. Određivanje eksergije bio je i prvi cilj termodinamike.

Ekvivalent nafte : tona ekvivalenta nafte (toe) je jedinica energije: količina energije oslobođene izgaranjem jedne tone sirove nafte, približno 42 GJ.

Elektroliza : elektroliza je metoda korištenja istosmjerne električne struje (DC) za pokretanje neke inače nespontane kemijske reakcije. Primjerice, elektrolizom se voda može rastaviti na svoje elemente vodik i kisik.

Entalpija : entalpija je mjera ukupne energije jednog termodinamičkog sustava. Ona obuhvaća unutarnju energiju koja je potrebna za stvaranje nekog sustava, i količinu energije potrebnu da bi se napravio prostor za taj sustav potiskivanjem njegove okoline i uspostavom njegova obujma i tlaka.

Entropija : entropija je mjera ravnomjerne raspodjele energije u nekom sustavu. U fizikalnom sustavu entropija izražava mjeru količine energije koja se ne može radno iskoristiti.

78

ESCo: vidi Tvrtka za pružanje energetskih usluga

Fosilno gorivo : fosilna goriva formiraju se tijekom milijuna godina prirodnim procesima kao što je anaerobno rastvaranje mrtvih organizama.

Generator : naprava za pretvaranje mehaničke energije u električnu. U apsorpcijskim hladnjacima, generator je naprava u kojoj se unosom toplinske energije odvajaju rashladno sredstvo i transportni medij.

god. : vidi Godina

Godina : jedna kalendarska godina aproksimacija je Zemljinog orbitalnog perioda u okviru nekog kalendara. Kalendarska godina po gregorijanskom (kao i julijanskom) kalendaru ima ili 365 dana (u običnim godinama) ili 366 dana (u prijestupnim godinama). Za pogonske sate bioplinske opreme obično se primjenjuje 8.760 sati godišnje.

Gorivna ćelija : naprava koja pretvara energiju goriva izravno u električnu i toplinsku energiju bez izgaranja.

GWP: vidi Potencijal globalnog zagrijavanja

H2: vidi Vodik

H2O: vidi Voda

H2S: vidi Sumporovodik

Higijenizacija : higijenizacija je toplinska i/ili tlačna metoda predobrade sirovine (otpadnog materijala) radi smanjenja patogenih mikroorganizama u sirovini.

Hlađenje : hlađenje je prijenos toplinske energije putem isijavanja, kondukcije ili konvekcije čime se mijenja temperatura iz ciljnog sustava od viših prema nižim temperaturnim razinama.

h-x dijagram : mollierov-h-x-dijagram omogućava određivanje promjenjivih karakteristika vlažnog zraka grijanjem, hlađenjem, vlaženjem i sušenjem

ibid. : (ibidem – isto) je termin za prethodno navedeni citat ili izvor.

Instalirani kapacitet : instalirani kapacitet je ukupan toplinski i električni kapacitet uređaja za proizvodnju energije.

Isparina vode : isparina vode je plinovita faza vode. Vidi Isparina

Isparina : isparina je tvar u plinovitom stanju na temperaturi nižoj od njene kritične točke. To znači da isparina može kondenzirati u tekućinu ili u krutu tvar povećanjem njena tlaka bez smanjenja temperature. Primjerice, voda ima kritičnu temperaturu od 374°C (647 K), što je najviša temperatura na kojoj tekuća voda može postojati. Stoga će u atmosferi na običnim temperaturama voda u plinovitom stanju (poznata kao vodena para) kondenzirati u tekuće stanje ako se njen parcijalni tlak dovoljno poveća. Isparina može koegzistirati s tekućinom (ili krutom tvari).

Ispušni plin : plin koji se nakon izgaranja oslobađa iz nekog uređaja za izgaranje (plamenik, motor); on uglavnom sadrži CO2, ali i druge spojeve.

Izmjenjiva č topline : naprava za učinkoviti prijenos topline iz jedne tekućine u drugu, bilo da su te tekućine razdvojene krutom stjenkom, tako se nikada ne mogu miješati, ili su u izravnom kontaktu.

Kalina-proces : kalina-proces ili ciklus je termodinamički proces pretvaranja toplinske energije u iskoristivu mehaničku energiju. On kao svoj radni fluid koristi otopinu dvaju fluida različitih vrelišta.

Kanalizacijski mulj : preostali mokri kruti mulj postrojenja za obradu otpadne vode nakon obrade.

79

Kapacitet : mksimalna snaga koju neki stroj ili sustav može ili proizvesti ili sigurno nositi (maksimalna trenutna proizvodnja nekog izvora pod posebnim uvjetima). Kapacitet opreme za generiranje energije obično se izražava u kilovatima ili megavatima.

Kilovat (kW) : mjera električne energije ili toplinskog kapaciteta jednakog 1.000 vata.

Kilovatsat (kWh) : najčešće korištena jedinica energije. Ona znači jedan kilovat električne ili toplinske energije isporučene kroz jedan sat.

Kisik : na standardnoj temperaturi i tlaku dva atoma tog elementa spajanjem formiraju dvokisik, veoma blijedo plavičasti diatomski plin bez mirisa i okusa s formulom O2. Taj je spoj važan dio atmosfere i nužan je za život na Zemlji.

Koeficijent u činka ili COP (ponekad samo CP) toplinske pumpe je omjer promjene topline na „izlazu“ (dotičnog toplinskog spremnika) i isporučene snage. COP-om se uspoređuju toplinske pumpe po energetskoj učinkovitosti.

Kogeneracija : vidi CHP

Stlačeni biometan (SBM) : SBM se proizvodi komprimiranjem biometana. Budući da ima ista svojstva kao SPP, vidi opis „Stlačeni prirodni plin“.

Stlačeni prirodni plin (SPP) : SPP se proizvodi komprimiranjem prirodnog plina na manje od 1% njegove zapremine na standardnom atmosferskom tlaku. Skladišti se i distribuira u kontejnerima i spremnicima pod tlakom od 200–248 bar (2.900–3.600 psi).

Kondenzacijski kotao : kondenzacijski kotlovi su grijači vode visoke učinkovitosti (obično iznad 90%) koja se postiže uporabom otpadne topline u dimnim plinovima radi predgrijavanja hladne vode koja ulazi u kotao. Mogu biti na plin ili loživo ulje i zovu se kondenzacijski kotlovi zato što vodena para proizvedena tijekom izgaranja kondenzira u vodu koja odvodnom cijevi izlazi iz sustava.

Krivulja optere ćenja : krivulja opterećenja je grafički prikaz stvarne potrošnje toplinske ili električne energije tijekom vremena, obično jedne godine (8.760 sati).

Krivulja trajanja optere ćenja : krivulja trajanja opterećenja slična je krivulji opterećenja, no podaci o opterećenju poredani su silaznim redoslijedom veličine, a ne kronološki.

kWel:električna energija (kapacitet)

kWh : vidi Kilovatsat

kW th: toplinski kapacitet

Latentna toplina : latentna toplina je toplina oslobođena ili apsorbirana od nekog tijela ili termodinamičkog sustava tijekom procesa koji se odvija bez promjene temperature. Tipičan primjer je neka promjena stanja materije odnosno fazna tranzicija, kao što je topljenje leda ili ključanje vode. Za razliku od latentne topline, senzibilna energija ili toplina uzrokuje procese koji rezultiraju promjenom temperature sustava.

UBM: ukapljeni biometanski plin

UPP: vidi Ukapljeni prirodni plin

UNP: vidi Tekući naftni plin

m³: jedan kubični metar je zapremina 1x1x1 m. Jedan kubični metar je oko 1 t vode.

Materijal fazne promjenjivosti (PCM) : PCM je tvar s visokom toplinom taljenja te je na određenoj temperaturi sposobna spremiti i osloboditi velike količine energije. Toplina se apsorbira odnosno oslobađa kad se materijal mijenja iz krutog u tekuće stanje i obratno.

Metan : CH4 je zapaljivi i eksplozivni plin bez boje i okusa koji je neznatno topljiv u vodi te topljiv u alkoholu i eteru; vrije na -161.6ºC i smrzava se na -182.5ºC. Formira se u barama i močvarama pri raspadanju organske tvari, a u podzemlju predstavlja veliku opasnost od eksplozije. Metan je značajan sastavni dio (do 97%) prirodnog plina i koristi se kao izvor

80

petrokemikalija i kao gorivo. Može izgarati u normalnim uvjetima i veoma je moćan staklenički plin.

Mezofilni proces : AD proces s temperaturom od 25°C – 45°C

Mikroplinska turbina : mala turbina s unutarnjim izgaranjem snage od 25 do 500 kW. Mikroplinske turbine sastoje se od kompresora, komore izgaranja, turbine, alternatora, rekuperatora i generatora. U odnosu na druge tehnologije male proizvodnje energije mikro-turbine nude niz prednosti, kao što su mali broj pokretnih dijelova, kompaktnost, mala težina, veća učinkovitost, manje emisije, niži troškovi električne energije, mogućnosti jeftine masovne proizvodnje te mogućnosti korištenja otpada kao goriva.

Mini-mreža : integrirani lokalni sustav proizvodnje, prijenosa i distribucije energije (električne ili toplinske) za brojne kupce.

mol : međunarodna jedinica koja se koristi u kemiji za označavanje količine kemijske tvari, definirana kao količina neke tvari koja sadrži toliko elementarnih jedinica (npr. atoma, molekula, iona, elektrona) koliko ima atoma u 12 grama čistog ugljika. To odgovara vrijednosti od 6,02214179(30)×1023 elementarnih jedinica dotične tvari.

Motor s dvojnim gorivom : vidi Plinski motor s pilot ubrizgavanjem

Motor s pilot ubrizgavanjem : vidi Plinski motor s pilot ubrizgavanjem

Natrijev acetat : natrijeva sol octene kiseline čija je formula CH3COONa, skraćeno NaOAc, također zvan natrijev etanoat. Ta bezbojna sol ima široku primjenu.

NH3: vidi Amonijak

Nm³: u zemljama koje koriste metrički sustav jedinica vrlo se često rabi termin „normalni kubični metar" (Nm3) kojim se označuju zapremine plina u nekom normaliziranom ili standardnom stanju. Nema nekog opće prihvaćenog skupa normiranih ili standardnih uvjeta. U Njemačkoj Nm³ predstavlja zapreminu plina u sljedećim normalnim uvjetima: 1,01325 bar, vlažnost 0% (suhi plin), 0°C (DIN) ili 15°C (iSO).

O2: vidi Kisik

ODP: vidi Potencijal nestajanja ozona

Ogrjevna vrijednost : količina topline oslobođene tijekom izgaranja određene količine goriva (bioplina, biometana).

Omjer energetske u činkovitosti (EER) : omjer izlaza hladnoće prema ulazu električne energije za određeni izvor.

ORC: Organski Rankineov ciklus

Organski Rankineov ciklus: ORC proces nazvan je po svom korištenju nekog organskog fluida velike molekularne mase s faznom promjenom iz tekućine u paru, odnosno s vrelištem na temperaturi nižoj od temperature fazne promjene vode u paru. Ovaj fluid omogućava povrat topline Rankineova ciklusa iz izvora niže temperature kao, primjerice, iz bioplinskih postrojenja.

Otpadna toplina : toplina iz nekog procesa, primjerice iz kogeneracijske jedinice, koja se neiskorištena oslobađa u atmosferu. Može se nazvati i viškom topline, budući da prema zakonu o očuvanju energije „toplina“ kao oblik energije ne može nestati (izgubiti se).

Pametna mreža : pametna mreža je elektroenergetska mreža koja koristi informacijske i druge tehnologije u svrhu optimalno učinkovitog usklađivanja potražnje i ponude. Pametne mreže su mjere za poboljšanje energetske učinkovitosti, a s porastom primjene obnovljive energije stabiliziranje mreže bit će još važnija zadaća.

Para: para je tehnički termin za vodenu paru; plinovito agregatno stanje vode.

PCM: vidi Materijal fazne promjenjivosti

81

Perad : je kategorija domaćih ptica koje ljudi drže u svrhu skupljanja jaja ili klanja radi dobivanja mesa i/ili perja.

Plamenik niske kalori čne vrijednosti (LCV) : LCV plamenik namijenjen je za niskokalorični plin (ogrjevna vrijednost ispod 8,5 MJ/Nm3).

Plinska turbina (sinonim: turbina s unutarnjim izga ranjem) : turbina koja pretvara energiju vrućih komprimiranih plinova (nastalih izgaranjem goriva u komprimiranom zraku) u mehaničku energiju. Gorivo koje se koristi obično je prirodni plin ili nafta.

Plinski motor s pilot ubrizgavanjem : plinski motori s pilot ubrizgavanjem (također zvani motor s pilot ubrizgavanjem ili motor s dvojnim gorivom) na bazi rada dizelskih motora.

Plinski Otto motor : motori posebno izvedeni za korištenje plinova, rade po Ottovom principu.

Potencijal globalnog zagrijavanja (GWP) : GWP je relativna mjera količine topline koju neki staklenički plin zarobi u atmosferi. GWP-om se uspoređuje količina topline apsorbirane određenom masom dotičnog plina s količinom topline apsorbirane sličnom masom ugljikovog dioksida. GWP se izračunava za određeni vremenski interval, obično 20, 100 ili 500 godina. GWP se izražava kao faktor ugljikovog dioksida čiji je GWP normiran na 1. Primjerice, 20-godišnji GWP metana iznosi 72, što znači da kad bi se ista količina metana i ugljikovog dioksida uvela u atmosferu, metan bi apsorbirao 72 puta više topline nego ugljikov dioksid tijekom idućih 20 godina.

Potencijal nestajanja ozona (ODP) : ODP nekog kemijskog spoja je relativna količina razgradnje ozonskog omotača koju taj spoj može uzrokovati, a triklorfluormetan (R-11 ili CFC-11) određen je kao ODP vrijednosti 1,0. Klordifluormetan (R-22), primjerice, ima ODP 0,055. CFC 11, ili R-11 ima maksimalni potencijal među klorougljicima zbog prisutnosti tri atoma klora u molekuli. ODP se često koristi zajedno s GWP-om nekog spoja kao mjera štetnosti po okoliš. GWP predstavlja potencijal doprinosa neke tvari globalnom zagrijavanju.

Power-to-Gas (pretvorba viška elektri čne energije u plin) : proces proizvodnje sintetičkog metana putem elektrolize vode od viška električne energije

Prirodni plin : prirodni plin je fosilna ugljikovodična plinska smjesa koja se u prvom redu sastoji od metana, od drugih ugljikovodika, te od ugljikovog dioksida, dušika i sumporovodika.

Procesna toplina : toplina korištena za različite unutarnje ili vanjske procese (npr. za grijanje digestora).

PSA: vidi Adsorpcija promjene tlaka

Psihrofilni proces : AD proces s temperaturom ispod 25°C.

Rankineov ciklus : vidi Clausius-Rankineov ciklus

Sadržaj vode : omjer mase sadržaja vode u nekom materijalu (biomasi) i mase samog vlažnog materijala.

Satelitska kogeneracija : kombinirana jedinica za proizvodnju toplinske i električne energije koja nije smještena na lokaciji bioplinskog postrojenja već na nekom drugom mjestu. S bioplinskim postrojenjem povezana je bioplinskim cjevovodom.

Senzibilna energija : vidi Senzibilna toplina

Senzibilna toplina : senzibilna toplina je toplina izmijenjena nekim termodinamičkim sustavom čiji je jedini učinak određena promjena temperature.

SI: međunarodni sustav mjernih jedinica (skraćeno prema francuskom nazivu:: Système international d'unités) je suvremeni oblik metričkog sustava i općenito je sustav mjernih jedinica izrađen temeljem sedam osnovnih jedinica i broja deset.

Sinteti čki metan : metan proizveden u procesu pretvorbe električne energije u plin (Power-to-Gas).

82

Sirovina : bilo koji ulazni materijal koji je ubačen u proces i pretvara se u neki drugi oblik ili proizvod.

Snaga : količina rada izvršenog ili energije prenesene u jedinici vremena (definicija u fizici) kao i električna energija iz mreže (definicija u sektoru energetike).

Stakleni čki plin (GHG) : plinovi koji apsorbiraju sunčevu toplinu u Zemljinoj atmosferi proizvodeći tako efekt staklenika. Dva glavna staklenička plina su vodena para i ugljikov dioksid. Ostali staklenički plinovi su metan, ozon, klor-fluor-ugljici i dušikov oksid.

Stirlingov motor : Stirlingov motor je toplinski motor koji radi na bazi cikličke kompresije i ekspanzije zraka ili drugog plina te radnog fluida, na različitim temperaturnim razinama tako da nastaje neto pretvorba toplinske energije u mehanički rad.

Sumporovodik : H2S je bezbojni, veoma otrovni zapaljivi plin koji ima miris trulih jaja. Često nastaje bakterijskim raspadom organske tvari u odsutnosti kisika (anaerobna digestija).

Ukapljeni naftni plin (UNP) : UNP je fosilna mješavina propana i butana i također se naziva GPL, ili LPG.

Temperaturni diferencijal ( ∆T): razlika dviju temperaturnih razina, dok je rezultat uvijek pozitivan.

Termodinamika :termodinamika je prirodna znanost koja se bavi toplinom i njenim odnosom prema drugim oblicima energije i rada. Ona uglavnom proučava promjene temperature, entropiju, obujam i tlak kojima se opisuju prosječna svojstva materijalnih tijela i zračenje topline te objašnjava u kakvim su oni odnosima i po kojim se zakonima mijenjaju tijekom vremena.

Termofilni proces : AD proces s temperaturom od 45°C – 70°C.

Toplina : toplina je energija prenesena toplinskom interakcijom s jednog sustava u drugi. Za razliku od rada, toplina je uvijek popraćena prijenosom entropije. Protok topline od tijela visoke temperature na tijelo niske temperature odvija se spontano. Taj protok energije može se iskoristiti i djelomice pretvoriti u koristan rad pomoću toplinskog motora. Po drugom zakonu termodinamike nemoguć je protok topline od tijela niske ka tijelu visoke temperature, no pomoću toplinske pumpe vanjski rad može se iskoristiti za transport energije od niske prema visokoj temperaturi. U svakodnevnom jeziku toplina ima raznovrsna značenja, uključujući temperaturu. U fizici, „toplina" je po definiciji prijenos energije i uvijek je povezana s nekim procesom ove ili one vrste. Termin „toplina" rabi se zamjenjivo s terminima „protok topline" i „prijenos topline". Prijenos topline može se odvijati na razne načine: kondukcijom, radijacijom, konvekcijom, prijenosom neto mase, trenjem ili viskoznošću te kemijskom disipacijom.

Turbina : stroj za pretvorbu toplinske energije pare ili plina visoke temperature u mehaničku energiju. U turbini brza struja pare ili plina prolazi kroz niz radijalnih lopatica pričvršćenih za središnju osovinu.

Turbine na ispušni plin : plinske turbine koje koriste dio ispušnog plina za dodatnu proizvodnju električne energije.

Tvrtka za pružanje energetskih usluga (ESCo, ESCO) : tvrtka za pružanje energetskih usluga je poslovno poduzeće koje pruža širok raspon kompletnih energetskih rješenja uključujući projektiranje i izvođenje projekata uštede energije, konzerviranje energije, eksternaliziranje energetske infrastrukture, proizvodnju i dobavu energije te upravljanje rizicima.

Ubrizgavanje u mrežu : ubrizgavanje biometana u mrežu prirodnog plina; ekvivalent u sektoru električne energije, ubacivanje električne struje s povlaštenom cijenom (feed-in)

Učinkovitost prijenosa topline : omjer proizvodnje korisne i stvarne topline proizvedene u napravi za izgaranje.

83

Ugljikov dioksid : CO2 je kemijski spoj koji se javlja u prirodi, sastavljen je od dva atoma kisika kovalentno spojenih s jednim atomom ugljika. To je plin koji je u stanju standardne temperature i tlaka sadržan u Zemljinoj atmosferi kao plin u tragovima u koncentraciji od 0,039% po zapremini.

Ukapljeni biometanski plin (LBG) : biometan koji postaje tekući nakon što se ohladi ispod vrelišta od oko -160°C

Ukapljeni prirodni plin (LNG) : prirodni plin koji postaje tekući nakon što se ohladi ispod vrelišta od oko -160°C

Vat (W): standardna jedinica mjere (sustav SI) za količinu u kojoj energiju konzumira neka oprema ili količinu u kojoj se energija kreće od jednog mjesta na drugo. Vat je također standardna jedinica mjere za električnu energiju. Termin 'kW' označava „kilovat" ili 1.000 vata. Termin 'MW' označava „megavat" ili 1.000.000 vata.

Višak topline : vidi Otpadna toplina.

Vlažnost : omjer mase sadržaja vode u materijalu (biomasi) i mase same suhe tvari.

Vlažnost : vlažnost je termin koji označava količinu vodene pare u zraku

Voda : H2O sadrži jedan atom kisika i dva atoma vodika i u ambijentalnim je uvjetima tekućina, no u prirodi često koegzistira sa svojim krutim agregatnim stanjem odnosno ledom, kao i s plinovitim stanjem (vodenom isparinom ili parom). Voda pokriva 70,9% površine Zemlje i od bitne je važnosti za sve poznate oblike života.

Vodik : H2 je najlakši element i njegov monoatomski oblik (H1) najobilatija je kemijska tvar koja čini oko 75% barionske mase svemira. Na standardnoj temperaturi i tlaku vodik je neotrovni, nemetalni, visoko zapaljiv diatomski plin bez boje, okusa i mirisa, čija je molekularna formula H2. Atomski vodik se, naravno, rijetko nalazi na Zemlji.

Zajamčena tarifa : zajamčena tarifa je sustav povlaštene cijene električne energije isporučene u opću elektrenergetsku mrežu; ekvivalent ubrizgavanja biometana u mrežu prirodnog plina

Zeoliti : mikroporozni, aluminosilikatni minerali obično korišteni kao komercijalni adsorbensi.

∆T: vidi Temperaturni diferencijal

84

Pretvorba mjernih jedinica

Tablica 13. Prefiksi za jedinice energije

Prefiks Skraćenica Faktor Koli čina

Deka Da 10 Deset

Hekto H 10² Sto

Kilo K 10³ Tisuću

Mega M 106 Millijun

Giga G 109 Milijarda

Tera T 1012 Trilijun

Peta P 1015 Kvadrilijun

Eksa E 1018 Kvintilijun

Tablica 14. Pretvorba jedinica energije (kilodžul, k ilokalorija, kilovatsat, tona ekvivalenta ugljika, kubi čni metar prirodnog plina, tona ekvivalenta nafte, bare l, Britanska jedinica topline - BTU)

kJ kcal kWh TCE m³

CH4 toe barrel

1 kJ 1 0.2388 0.000278 3.4 10-8 0.000032 2.4 10-8 1.76·10-7

1 kcal 4.1868 1 0.001163 14.3 10-8 0.00013 1 10-7 7.35·10-7

1 kWh 3.600 860 1 0.000123 0.113 0.000086 0.000063

1 TCE 29,308,000 7,000,000 8,140 1 924 0.70 52

1 m³ CH4

31,736 7,580 8.816 0.001082 1 0.000758 0.0056

1 toe 41,868,000 10,000,000 11,630 1.428 1,319 1 7.4

1 barrel 5,694.048 1,360.000 1,582 0.19421 179.42 0.136 1

1 BTU 1.055

85

Tablica 15. Pretvorba jedinica snage (kilokalorije u sekundi, kilovat, konjska snaga

kcal/s kW hp PS

1 kcal/s 1 4,1868 5,614 5,692

1 kW 0,238846 1 1,34102 1,35962

1 hp 0,17811 0,745700 1 1,01387

1 PS 0,1757 0,735499 0,98632 1

Tablica 16. Pretvorba jedinica temperature

Unit Celsius Kelvin Fahrenheit

Celsius °C - °C = K − 273.15 °C = (°F − 32) × 1.8

Kelvin K K = °C + 273.15 - K = (°F +459.67) × 1.8

Fahrenheit °F °F = °C × 1.8 + 32 °F = K × 1.8 – 459.67 -

Tablica 17. Pretvorba jedinica tlaka (paskal, bar, tehni čka atmosfera, standardna atmosfera, torr, funta po kvadratnom in ču)

Pa bar at atm Torr Psi

1 Pa 0.00001 0.000010197 9.8692×10−6 0.0075006 0.000145037

7

1 bar 100,000 1.0197 0.98692 750.06 14.50377

1 at 98,066.5 0.980665 0.9678411 735.5592 14.22334

1 atm 101,325 1.01325 1.0332 760 14.69595

1 Torr 133.3224 0.001333224

0.001359551

0.001315789 0.01933678

1 psi 6894.8 0.068948 0.0703069 0.068046 51.71493

Literatura

AlpEnergy (2012) http://www.alpenergy.net

Al Seadi, T., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., Janssen, R. (2008). Biogas Handbook. Esbjerg, Danska: University of Southern Danska.

Al Seadi T., Drosg b., Fuchs W., Rutz D., Janssen R. (2013, in print) Digestate quality and utilization. – In: Wellinger A., Murphy J., Baxter D. (eds.) The biogas handbook: Science, production and applications. - Woodhead Publishing Series in Energy No. 52

Amann C., Amann S. (2014) Promising Strategies for the Utilisation of Heat from Biogas Plants. - e7 Energie Markt Analyse GmbH, Austria; Report oft he BiogasHeat Project; http://www.biogasheat.org/wp-content/uploads/2014/10/BiogasHEAT_D3-1_Report_Promising_Strategies_FINAL_140930.pdf

BDEW (2009) Erdgas in Gärtnereien. - BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V.; Berlin, Njemačka; http://www.www.hortigate.de/Apps/WebObjects/Hortigate.woa/vb/bericht?nr=39553

Berk J. (2008) Haltung von Jungmasthühnchen (Broiler, Masthähnchen). – DLG Merkblatt 347; Frankfurt am Main, Njemačka; http://statictypo3.dlg.org/fileadmin/downloads/merkblaetter/dlg-merkblatt_347.pdf

BMU (2012) Biomass Ordinance (BiomasseV) (as amended as of 1 January 2012); Federal Ministy for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety; Njemačka; http://www.bmu.de/english/renewable_energy/downloads/doc/5433.php

Dena (2012) www.powertogas.info Deutsche Energie Agentur – Njemačka agencija za energiju [20.07.2012]

DIREKTIVA 2004/8/EZ EUROPSKOGA PARLAMENTA I VIJEĆA od 11. veljače 2004. o promicanju kogeneracije na temelju potražnje korisne topline na unutarnjem energetskom tržištu i kojom se dopunjuje i izmjenjuje Direktiva 92/42/EEZ

DLR (2012) http://www.dlr.de/tt/desktopdefault.aspx/tabid-2872/4415_read-6487/[10.07.2012]

Dzene I., Rochas C., Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Kulisic B., Maras Abramovic J., Malek B., Devetta M., Surowiec M., Amann C., Leutgoeb K., Hinge J., Ofiteru A., Adamescu M., Fevrier N., Froning S. (2012) Development of Sustainable Heat Markets for Biogas Plants. – Izvješća s 20. europske konferencije o biomasi

E-Energy (2012) http://www.e-energy.de/

Euroheat & Power: District Cooling The sustainable responseto Europe’s risingcooling demands. – brošura; http://www.euroheat.org/Files/Filer/documents/District%20Heating/Cooling_Brochure.PDF [10.07.2012]

FNR (2010) Leitfaden Biogas: Von der Gewinnung zur Nutzung. - 5., vollständig überarbeitete Auflage, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Njemačka; http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_208-leitfaden_biogas_2010_neu.pdf [10.07.2012]

FNR (2012) Bioenergy in Germany: Facts and Figures. – Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Njemačka; http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_484-basisdaten_engl_web_neu.pdf[10.07.2012]

Fraunhofer (2012) http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2012/june/compact-and-flexible-thermal-storage.html[10.07.2012]

Gaderer M., Lautenbach M., Fischer T. (2007) Wärmenutzung in kleinen landwirtschaftlichen Biogasanlagen. – Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (LfU), Augsburg, Njemačka; http://www.lfu.bayern.de/energie/biogas/doc/machbarkeitsstudie_abwaermenutzung.pdf[10.07.2012]

Grundfor (2012) http://www.grundfos.com/service-support/encyclopedia-search/dew-point.html[10.07.2012]

Hiegl W., Rutz D., Janssen R. (2011) Information Material Biomass Systems. – Training Handbook for Sanitary and Heating Installers; WIP Renewable Energies, München, Njemačka; Academy for In-Service Teacher Training and Staff Development (ALP), Dillingen a.d. Donau, Njemačka; Report of the IEE Project Install+RES

Karalus W. (2007) Ernte und Lagerungf von Getreide. - Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft; Dresden, Njemačka; http://www.landwirtschaft.sachsen.de/landwirtschaft/download/GetreideimOeL_ErnteLager_2_Kennwortschutz.pdf

Kirchmeyr F., Anzengruber G. (2008) Leitfaden zur Wärmenutzung bei Biogasanlagen. – ARGE Kompost und Biogas Österreich; Linz, Austrija

Kralemann M. (2007) Einleitung: Wärmenutzung in Biogasanlagen. - In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Stručni skup održan 20. studenog 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projekt-bioenergie.com/wcms/ftp//p/projekt-bioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf[10.07.2012]

Mergner R., Rutz D., Wagner I., Amann S., Amann C., Kulišić B., Abramović J.M., Vorisek T., Bailón Allegue l., Hinge J., De Filippi F., Dzene I., Surowiec M., Adamescu C.M., Ofiteru A. (2013) European Strategy Paper on Heat Use from Biogas Plants. – WIP Renenwable Energies, Germany; Report oft he BiogasHeat Project; http://www.biogasheat.org/wp-content/uploads/2013/12/BiogasHeat-Strategy-paper_FINAL.pdf

New Buildings Institute (1998) Guideline: Absorption Chillers. - New Buildings Institute; Fair Oaks; Kanada; http://www.stanford.edu/group/narratives/classes/08-09/CEE215/ReferenceLibrary/Chillers/AbsorptionChillerGuideline.pdf[10.07.2012]

Paeger J. (2012) http://www.oekosystem-erde.de/html/energie.html

Ramanauskaite R., Rutz D., Bailon L., Dzene I., Vorisek T., De Filippi F., Amann S., Amann C., (2012): Good Practice Examples for Efficient Heat Use from Biogas Plants. - WIP Renewable Energies: München, Njemačka; Izvijšće izrađeno u okviru projekta BiogasHeat (Ugovor br.: IEE/11/025)

Rutz D., Janssen R. (2008) Biofuel Technology Handbook. - 2nd version; BIOFUEL MARKETPLACE Project funded by the European Commission (EIE/05/022); WIP Renewable Energies, Njemačka; 152p.

Rutz D., Janssen R., Letsch H. (2006) Installateurs-Handbuch Biomasseheizanlagen. - EU-IEE EARTH Project; 241p.www.earth-net.info

Rutz D., Janssen R., Hoffstede U., Beil M., Hahn H., Kulisic b., Jurić Z., Kruhek M., Ribic B., Haider p., Gostomska A., Nogueira M.A., Martins A.S., Martins M., do Céu Albuquerque M., Dzene I., Niklass M., Gubernatorova I., Schinnerl D., Ruszel m., Pawlak P. (2011) Organic Waste for Biogas Production in Urban Areas. – Izvješća s 19. europske konferencije i izložbe o biomasi; str. 2125-2131; ISBN 978-88-89407-55-7; DOI: 10.5071/19thEUBCE2011-VP3.4.27

Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Hoffstede U., Hahn H., Kulisic B., Bosnjak R., Kruhek M., Ribic B., Surowiec T., Surowiec M., Nogueira M.A., Martins A.S., Duarte D., do Céu Albuquerque M., Martins M., Dzene I., Niklass M., Pubule J., Schinnerl D., Kalandyk k., Zapora D. (2012) The use of Bio-Waste for biomethane Production in European Cities.

- Izvješća s 20. europske konferencije i izložbe o biomasi; str. 1481 – 1490; ISBN978-88-89407-54-7; DOI:10.5071/20thEUBCE2012-3CO.2.2

Schröder D. (2007) Konzeption eines Wärmenetzes: Von „Wärmeabfall“ zum wirtschaftlichen Nutzungskonzept. – In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projekt-bioenergie.com/wcms/ftp//p/projekt-bioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf[10.07.2012]

Schulz W., Heitmann S., Hartmann D., Manske S., Erjawetz S.P., Risse S., Räbiger N., Schlüter M., Jahn K., Ehlers B., Havran T., Schnober M., Leitfaden Verwendung von Wärmeüberschüssen bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen. – Bremer Energie Institut; Bremen, Njemačka

Skagestad B., Mildenstein P. (no date) District Heating and Cooling Connection Handbook. – International Energy Agency (IEA) District Heating and Cooling. http://dedc.dk/sites/default/files/programme_of_research_development_and_demonstration_on_district_heating_and_cooling.pdf[10.07.2012]

Wiese G. (2007) Wärmeverluste: Vorsicht mit pauschalen Angaben! – In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. – Stručni skup održan 20. studenog 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; http://www.projekt-bioenergie.com/wcms/ftp//p/projekt-bioenergie.com/uploads/leitfaden_biogaswrmenetze_11071.pdf[10.07.2012]

Worldwatch Institute (2012) http://blogs.worldwatch.org/revolt/is-%E2%80%9Crenewable-methane%E2%80%9D-energy-storage-an-efficient-enough-option/ [17.07.2012]

ISBN 978-953-6474-81-3

Documents

Održivo korištenje toplinske energije iz bioplinskih ...nik_HR.pdf · Pretvorba mjernih jedinica .....84 Literatura .....86. 5 Predgovor U Europi, kao i širom svijeta, znatno se