Bioplyn a bioplynové systémy představují energetické zdroje s vysoce positivními přínosy pro ochranu a tvorbu životního prostředí. Přestože bioplyn zatím není schopen vytlačit fosilní paliva z jejich dominantního postavení na trhu s energiemi, má na rozdíl od nich zcela neomezené perspektivy pro budoucí využití.
Bioplynové systémy ve všech možných uspořádáních pracují jako plně obnovitelné energetické zdroje transformující i spoluvyužívající solární energii. Veškeré i pomocné technologie lze v těchto systémech řešit jako ekologicky příznivé procesy a to i v těch případech, kdy se jedná například o zpracování substrátů bohatých sírou.
Termín „bioplyn“ v posledních letech 20. století zcela zobecněl a stal se nejen běžně rozšířeným mezi technickou odbornou veřejností, nýbrž i jistým synonymem čehosi ekologicky příznivého v majoritní laické veřejnosti. Snad právě díky popularizačním pokusům masmedií nejrůznějších typů i odborných úrovní byl v laické veřejnosti fixován dojem, že „bioplyn“ je sice možná páchnoucí, nicméně užitečný a ekologicky čistý plyn vznikající v živých organismech resp. působením těchto organismů.
V tomto směru je třeba přiznat, že ani mezi odbornou veřejností není definice bioplynu zcela jednoznačná a přestože se toto druhové odlišení jisté skupiny plynů široce využívá, je aplikace daného termínu dosti volnou usancí.
Věcný význam slova „bioplyn“ napovídá, že by se mělo jednat o plyn produkovaný blíže nespecifikovaným biologickým druhem, pokud přijmeme další běžný usus, totiž že takto mluvíme o plynech produkovaných a nikoliv spotřebovávaných biologicky. I tak je však kategorie „bioplyn“ stále velmi pestrou skupinou různých plynných zplodin z biologických resp. biochemických procesů.
Při rozkladech i syntézách uskutečňovaných biochemickými cestami vzniká celá řada jednoduchých i složitějších plynných sloučenin. Ovšem mnohé z těchto plynů a plynných směsí nemusí být vůbec do kategorie „bioplyn“ zahrnovány.
Čtěte také:
Jako názorný příklad může posloužit atmosférický kyslík. Přesto, že již po mnoho let zná chemie řadu procesů jak čistý kyslík získat i jinak, než z atmosféry, není nejmenších pochyb o původu absolutně drtivé většiny kyslíku, která nám umožňuje dýchat a nakonec i diskutovat o tom, co je to „bioplyn“. Již po stovky milionů let produkují nejrůznější rostliny kyslík od mikroskopických druhů až po obří a dlouhověké stromy a přitom nikdo kyslík bioplynem nenazývá. Odborník na mikrobiologii a botaniku by snad v diskusi připustil, že principiálně se o bioplyn jedná, ovšem dodá též, že tato kategorizace kyslíku je nanejvýše neobvyklá přesto, že kyslík resp. přesněji atmosférický kyslík vzniká výlučně jen v biologických fotosyntetických procesech.
Oxid uhličitý vznikající při ethanolovém kvašení cukrů je rovněž ryze biologickým plynným produktem a také není řazen mezi „bioplyny“.
Obecnému pojmu „bioplyn“ nevyhoví ani zúžení výběru na všechny plyny hořlavé a jejich směsi. Biologicky produkovaný vodík obyčejně sám není klasifikován jako bioplyn, což stejně platí i pro jiné hořlavé (a někdy též vysoce toxické) komponenty jako jsou např. sulfan, či kyanovodík, které též mohou vznikat v biochemických reakcích.
Teprve široce rozvinutá praxe anaerobních postupů pro čištění odpadních vod, která se jako dobře fungující technologie rozšířila od první čtvrtiny XX. století, přinesla s sebou termín „bioplyn“. I když v technické praxi byla většinou až do šedesátých či sedmdesátých let pro název tohoto plynu aplikována jiná synonyma buď „kalový plyn“, anebo „čistírenský plyn“. V Německu, kde byly v technologických měřítcích široce aplikovány anaerobní čistící procesy je „Klärgas“ dodnes běžný název tohoto plynu. K „čistírenským“ plynům můžeme přiřadit i název „bahenní plyn“, který ve většině případů vyhoví podmínkám zařazení mezi bioplyny. Plyny vznikající v anaerobních prostředích hlubších partiích rybníků, slatin a močálů jsou svým vysokým obsahem biologicky vytvořeného methanu právem chápány jako bioplyny. Naproti tomu mezi bioplyny nemůže být řazen plyn unikající z bahenních „sopek“ na rašeliništi Soos u Mariánských Lázní, neboť tento vysokoprocentní oxid uhličitý se zde objevuje jako plyn vulkanického původu.
Můžeme tedy shrnout, že souhrnný termín „bioplyn“ přiřadila současná technická praxe výlučně pro plynný produkt anaerobní methanové fermentace organických látek uváděné též pod pojmy anaerobní digesce, biomethanizace, biogasifikace anebo vyhnívání (u čistírenských kalů). Názvem „bioplyn“ je obecně míněna plynná směs methanu a oxidu uhličitého.
V plynném produktu dobře prosperujících methanogenních mikroorganismů představuje suma CH4 a CO2 hodnoty velmi blízké 100 % obj., vždy s výraznou převahou obsahu methanu. Protože se však v technické praxi nemusíme vždy potkat s takovýmto „ideálním“ bioplynem je zde ještě celá škála dalších plynů, které může bioplyn obsahovat. Mohou to být zbytky vzdušných plynů (N2, O2, Ar), neúplně spotřebované produkty acidogeneze (H2, přebytek CO2) anebo další minoritní a stopové příměsi z předcházejících anebo simultánních reakcí organické hmoty (H2S, N2O, HCN, uhlovodíky i jejich deriváty většinou kyslíkaté i sirné).
Zvláštní kapitolu mezi bioplyny představují plyny tvořící se samovolně ve skládkách odpadů, které obsahují biologicky rozložitelné komponenty. I když jde principálně o zcela stejné procesy, jako u reaktorové biomethanizace, bývá složení skládkových plynů mnohem proměnlivější.
Skládkový plyn je termín, který se někdy používá pro veškeré plyny, které lze odsát či navzorkovat z tělesa skládky odpadů bez ohledu na to, zda obsahuje třeba i jen 1 % obj. methanu a nebo i 10 % obj. kyslíku. Kvalitní skládkový plyn se však svým složením velmi blíží k reaktorovým bioplynům, především nízkými obsahy dusíku a velmi nízkými až nulovými obsahy kyslíku při majoritním zastoupení pouze methanu a oxidu uhličitého.
Anglosaská literatura v oborech plynárenství, ochrany ovzduší, skládek a odpadového hospodářství vytvořila pro skládkový plyn dnes již široce používanou zkratku LFG = Landfill Gas (skládkový plyn), která vznikla podle jiných „plynárenských“ vzorů LNG = Liquid Natural Gas (kapalný zemní plyn), LPG = Liquid Propane Gas nebo též Liquid Petroleum Gas (propan-butan), SNG = Substitute Natural Gas (náhradní zemní plyn), CNG = Compressed Natural Gas (stlačený zemní plyn), CBM = Coal Bed Methane (zemní plyn z uhelných slojí (karbonský)).
Anaerobní mikroorganismy produkující methan patří mezi nejstarší živé organismy na Zemi. Pro všechny druhy methanogenních organismů je kyslík prudkým jedem a to i ve velmi nízkých koncentracích. Jejich přirozené přežívání je však dáno velmi těsnou symbiózou s mnoha jinými mikroorganismy, které jsou ve svých životních funkcích s methanogeny neoddělitelně spjaty.
Výsledkem historických a teoretických úvah je tedy, stručně shrnuto, omezení kategorie „bioplyn“ na přírodní plyny bahenní a na plyny vznikající biomethanizačními procesy buď v reaktorech anebo ve skládkách odpadů či biomasy. Mezi bioplyn v právě popsané kategorii plynů musíme řadit i plyny unikající z polí při pěstování rýže, což jsou v principu plyny „bahenní“. Dále patří mezi methanem bohaté plyny i střevní plyny přežvýkavců. Tak zvaná enterická fermentace pěstovaného skotu produkuje do atmosféry velmi významný podíl methanových emisí anthropogenního původu.
Mechanizmus využití potravy u přežvýkavců funguje na stejných principech jako anaerobní metanogenní fermentace a výsledný zbytkový plyn je analogickou směsí methanu a oxidu uhličitého.
Není přesně známo, kdy v dávné historii lidstva rozpoznal člověk hořlavost bahenního plynu s nímž se jako s přírodní formou bioplynu mohl setkat v četných močálech a rašeliništích
Skutečně věrohodná a novodobá historie bioplynu začíná až těsně před koncem 19. století. Od roku 1897 byly v anglickém městě Exeter čištěny odpadní vody v uzavřených septicích. Postupy anaerobního zpracování kalů se pak rychle rozšiřují i v USA. Podle doporučení A.N. Talbota se vznikající bioplyn jímá a využívá k vytápění a ke svícení na čistírně odpadních vod. Na počátku 20. století vznikl design nových „vyhnívacích“ nádrží. Z roku 1903 jsou známy pokusy W.O. Travise s kontinuálním uspořádáním, které však nebyly aplikačně příliš úspěšné. Kolem roku 1905 vyvinul K. Imhoff dvoupatrovou nádrž s odděleným usazovacím a „vyhnívacím“ prostorem, která byla patentována roku 1907. Principem těchto nádrží byla separace toků kalu a vody tak, že zdržení zachycených kalů je vyšší a sedimentované kaly přitom podlehnou anaerobní fermentaci. Tento typ nádrží se rozšířil pod názvem „Emscherské studny“ anebo „Imhoffovy nádrže či usazováky“. První samostatné zařízení pro anaerobní vyhnívání uvedli do provozu O‘Shaughnessy a Watson roku 1910 v Birminghamu. Provozně úspěšný reaktor pro anaerobní stabilizaci kalů z čistírny odpadních vod byl navržen a vybudován na čistírně odpadních vod v Essenu-Rellinghausenu v roce 1924. Tento reaktor byl tvořen vyhřívanou nádrží, přičemž k jejímu otopu byl používán vznikající bioplyn. Díky ohřevu byl proces fermentace kalu přiveden k velmi vysoké intenzitě a tento způsob zpracování čistírenských kalů se začal rychle rozšiřovat. Současně se zhruba od poloviny dvacátých let 20. století začalo rychle šířit i využití bioplynu (tehdy byl většinou nazýván plynem kalovým) k pohonu elektrických motorgenerátorů a k pohonu vozidel. Od počátku třicátých let rovněž začíná intenzivní výzkum procesu anaerobní fermentace. Nová vlna zájmu a rozšíření technického poznání je pozorovatelná těsně po skončení 2. světové války. Výzkum methanogenů však také nezahálel a Marvin P. Bryant uveřejnil v roce 1967 nové základní poznatky o methan produkujících anaerobech. Právě díky M.P.Bryantovi a jeho spolupracovníkům trvale roste naše poznání biomethanizace pro lepší kontrolu a řízení technologických procesů.
Základ bioplynových technologií jednoznačně vzešel z procesů čištění splaškových odpadních vod. Teprve technické úspěchy bioplynu v tomto oboru motivovaly snahy o rozšíření aplikace i na jiné organické substráty než na kaly z odpadních vod. Tak byly aplikovány procesy anaerobní stabilizace na nejrůznějších potravinářských i zemědělských odpadech. Souběžně s vývojem reaktorových technologií pro anaerobní fermentaci organických odpadů byla v 60. – 70. letech rozpoznána i nebezpečí plynoucí ze samovolné tvorby bioplynu ve skládkách komunálních odpadů. Methan se samozřejmě tvořil i ve skládkách mnohem starších, avšak teprve rozvoj konsumních společností přinesl ohromný nárůst produkce odpadů a s ním spojený stále se zvětšující objem skládek se stoupajícím podílem biologicky rozložitelných odpadů.
Od 70. let se již technologie reaktorové anaerobní fermentace neomezuje pouze na odpady, nýbrž je úspěšně aplikováno i biologické zplyňování cíleně pěstované (tzv. energetické biomasy), ať již se jedná o zelenou dužnatou biomasu (kukuřice, obilí, krmná kapusta, vodní hyacint apod.) anebo o dřevní biomasu (většinou rychle rostoucí listnaté dřeviny).
FT Sun
