efektivní využití energie

Efektivní využití bioplynu a
odpadového tepla v pivovarech
SAPPORO BREWERIES LTD. Závod Čiba, odd. technologie
Kamiyama Takeshi
OBSAH
■Profil firmy Sapporo Breweries a její aktivity v oblasti
životního prostředí
■Popis anaerobní čistírny odpadních vod v naší firmě
■Příklad realizace kogeneračního zařízení využívajícího plyn
■Ostatní zařízení využívající bioplyn
・palivové články na bioplyn
・kogenerační systém s bioplynovým motorem
■Budoucí úkoly
Profil společnosti
SAPPORO BREWERIES LTD.
1876
zahájení činnosti
1. září 1949
rozdělení pův. spol. a založení Nippon Breweries
1. července 2003 transformace na holdingovou společnost
Základní kapitál:
Předmět činnosti:
10 mld. jenů
Výroba a prodej piva, nízkosladového piva a
dalších lihovin v Japonsku
Prodej vín a likérů a další
Objem tržeb:
278,8 mld. jenů
※Podíl firem (divizí) v rámci Sapporo Group na tržbách:
tuzemská divize alkoholických nápojů
71,6 %
zahraniční divize alkolických nápojů
6,5 %
divize nealkoholických nápojů
8,8 %
divize restauračního stravování
6,9 %
realitní divize
6,0 %
Korporátní environmentální politika
Základní environmentální filozofie
Sapporo Group se zavazuje, věrna zásadě vedení přispívat
k obohacování života a relaxaci, že každý zaměstnanec bude chránit
životní prostředí a aktivně se podílet na vytváření udržitelné společnosti
v celém životním cyklu produktů a služeb,
které v rámci činnosti svých divizí firma poskytuje. Program pro environmentální ochranu
1) Nastavit normy řízení v souladu s legislativou relevantní pro ochranu ŽP. 2) Vytvořit systém pro environmentální management a vykonávat aktivity
pro ochranu ŽP.
3) Vyvíjet technologie a produkty s ohledem na životní prostředí. 4) Snažit se docílit úspor energií, zdrojů a redukce environmentální zátěže. 5) Pracovat na redukci objemu a recyklaci vedlejších produktů a odpadů.
6) Zvyšovat povědomí zaměstnanců o životním prostředí a podporovat dobrovolnou
účast na environmentálních aktivitách v regionu.
7) Snažit se vytvářet zelená prostranství v rámci závodů a zkrášlovat ŽP v jejich
okolí. 8) Rozvíjet externí komunikaci prostřednictvím zveřejňování informací. SAPPORO BREWERIES LTD.
Environmentální cíle pro období 2011 - 2015
※výňatek
Naší snahou je v rámci životního cyklu našich produktů a služeb dosáhnout
následujících cílů, abychom vyjádřili naši vděčnost za dary přírody a předali
budoucím generacím udržitelné životní prostředí:
■Snížení environmentální zátěže v rámci životního cyklu našich výrobků
・snížit emise CO2 ve všech výrobních pobočkách do roku 2015 o 60 %
v porovnání s rokem 1990
・udržet na 100 % snižování objemu vedlejších produktů a odpadů z výroby
a jejich recyklaci atd.
■Snížení environmentální zátěže způsobené obchodní a kancelářskou činností
■Vývoj a zavádění nových technologií
■Snaha o zkrášlování životního prostředí a ochranu ekosystémů
■Vytváření lidských zdrojů schopných přispívat k ochraně životního
prostředí, dialog se zákazníky
Hlavní aktivity v environmentálních otázkách
【Milníky v historii firmy z hlediska životního prostředí】
1968: začátek instalace ČOV do závodů
1970: přechod na palivo s nízkým obsahem síry (z uhlí na ropu)
1973: rozvoj opatření jako je recyklace odpadního tepla nebo recirkulace
a opětovné využití vody
1982: plynofikace závodů na místo doposud používaných paliv
1983: začátek zavádění absorpčních chladniček
1989: začátek zavádění anaerobních čistíren odpadních vod
1991: zřízení Oddělení pro životní prostředí (dnešní Sekce společenského prostředí)
1994: ustanovení „Programu a cílů pro environmentální ochranu“
1997: začátek zavádění kogeneračních systémů s plynem
1998: instalace palivového článku o výkonu 200 kW využívajícího bioplyn
v závodu Čiba 1999: dosaženo 100 % recyklace vedlejších produktů a odpadů ve všech závodech; získání certifátu ISO 14001 ve všech závodech
2004: dosažení environmentálního cíle (pro energie, vodu a emise CO2) (o 6 let dříve oproti plánu) ⇒ nastolen nový environmentální cíl
2010: dosažení environmentálního cíle (objem emisí CO2)
2011: nastavení nového střednědobého environmentálního cíle
Popis anaerobní čistírny odpadních vod
■SAPPORO BREWERIES LTD.
zavedla anaerobní ČOV v 6 závodech v hlavních tuzemských
výrobních pobočkách ■Účel zavedení anaerobních ČOV
V porovnání s původními aerobními čistírnami umožňuje:
・velké snížení spotřeby el. energie
・zredukovat plochu pro instalaci zařízení
・snížit náklady na zpracování odpadů, protože je u nich menší
výskyt kalu
Vznikající bioplyn (metan) je možné zpracovat a efektivně jej
využít jako paliva v podobě páry ve výrobním procesu.
Proces vaření piva
ječmen
slad
chmel
rmutování
zrna, rýže
scezení
usazování
filtrování
kvašení
kvasnice
vaření
dozrávání
čistírna odpadních vod
balení
Proces čištění odpadní vody
Pivovar Čiba
odpadní voda
nádrž na
odpadní
vodu
parní topení
síto
úpravná nádrž
shrnovací
tlaková nádrž
bioplyn
bioplynový
kotel
CH4
odváděcí
nádrž
aerobní ČOV
neutralizační
nádrž
reakční
nádrž
kyselá
nádrž
Anaerobní ČOV
Kapacita: 11.000 m3/den (max.) Max. generované množství plynu: 437 Nm3/hod. (max.)
Bioplynový kotel
Kapacita 2 tuny/hod x 5 ks
Tlak páry 1 MPa
Mechanizmus anaerobního čištění
odpadní vody
využití jako paliva pro kotel
150 – 200 Nm3/hod
CO2
metan
voda
odpadní voda z procesů
výroby piva
V porovnání s aerobním
zpracováním (aktivní kal):
snížení energie na pohon
mikroorganizmy Je možné znovu asi o 30 %,
využít palivo
redukován přebytečný kal
(bioplyn).
Kapacita ČOV (závod Čiba)
Anaerobní ČOV:
instalovaná kapacita
： 11.000 m3/den
pH
： ｉn 4.0∼10.0 ⇒ out 6.0∼8.0
teplota
： 30℃∼38℃
nerozpuštěné částice ： in < 1,000mg/l ⇒ out < 500mg/l
(SS) （※přes shrnovací tlakovou nádrž） biochemická spotřeba ： in < 3,000mg/l ⇒ out < 300mg/l
kyslíku (BSK)
míra odstranění 90%
max. generované
： ４３７Nm3/hod
množství plynu
Kogenerační zařízení využívající plyn
■SAPPORO BREWERIES LTD.
zavedla v hlavních výrobních pobočkách kogenerační zařízení využívající
plyn (plynové motory, plynové turbíny)
■Účel zavedení
Snížit spotřebu energie a náklady díky efektivnímu využití odpadního
tepla při výrobě elektrické energie.
・snížení celkové spotřeby energie
・redukce nakupované el. energie (paušální poplatky, poplatky podle
spotřeby)
・redukce výdajů za nákup paliva pro kotle
Snížit environmentální zátěž
・celkové snížení zátěže v podobě odpadního plynu díky redukci
použití tradičních kotlů Kogenerační zařízení
v SAPPORO BREWERIES LTD.
■závod Hokkaidó: plynový motor (845 kW) x 2
realizováno v roce 2001 jako projekt ESCO
■závod Sendai:
plynová turbína (700 kW) x 3
realizováno v roce 2003
■závod Čiba:
plynová turbína (1200 kW) x 2
přemístěna v roce 2004 z původního závodu Saitama,
projekt podpořený NEDO jakožto variabilní systém
teplo/el.energie ■závod Šizuoka:
plynový motor (1900 kW) x 2
realizováno v roce 2003, projekt podpořený NEDO jakožto
systém využívající tepelného čerpadla
※Zařízení instalována ve 4 závodech
z 5 hlavních pivovarů
V čem spočívá kogenerační systém?
elektrárna energetické
společnosti
kogenerační systém
palivo
efektivní využití energie
燃料
⇒snížení
jednotky
energie
parní turbína
plynový motor
ztráty
odpadního
tepla 60 %
vypuštěné
odpadní teplo
vyhozená energie
65 %
ztráty z
přenosu
elektřiny 5 %
přenos
do závodu
použitá energie
35 %
ztráty
odpadního
tepla 15,9 %
vypuštěné
odpadní teplo
rekuperace
odpadního
tepla
vyhozená energie
15.9 %
ztráty z
přenosu
elektřiny 0 %
přenos
do místa
spotřeby
použitá energie
84.1 %
V porovnání s elektrárnou je podíl
využitelné energie větší.
Kogenerační systém (turbínový)
Schéma kogeneračního systému s
plynovou turbínou
palivový plyn 1,2 MPa
sací filtr
spalovací jednotka
s nízkými emisemi oxidů dusíku
plyn
pára
2 – 3 tuny/hod
405 Nm3/hod
kompresor
palivového
plynu
generátor
redukce
kompresor kompresor
nízkotlakého vysokotlakého
stupně
stupně
turbínový
stupeň
odpadní plyn
soustava energetické společnosti
odsiřovací
jednotka
chladící jednotka
・・・
spotřeba (zatížení)
v závodě
vstřikovaná pára přehřívač
páry
0 – 1 tuna/hod
el. energie
1,1 – 1,3 MW
doplňování
vody
suchý režim: celková účinnost 70,1 %
vstup
chladící věž
efektivní elektřina 24,9 % 26,9 %
energie
pára 46,2 % 31,6 %
režim vstřikování páry: celková účinnost 58,8 %
ztráta
pára (1,5 MPa)
kotel na
odpadní teplo
ekonomizér
Kogenerační systém s variabilním systémem
teplo/elektřina
■ nově vyvinutý systém využívající parní turbínu s variabilním
systémem teplo/elektřina a vstřikováním páry
tento systém s kapacitou 1 MW první na světě svého druhu
vstřikuje max. cca 1/3 (1,0 t/hod) vznikající páry do parní
turbíny → umožňuje zvýšení množství generované elektřiny téměř o 20 %
Tento systém flexibilně reaguje na potřebu elektřiny a tepla v
závodě.
Podpořeno v roce 1999 organizací NEDO v rámci “Projektu pro
podporu podniků zavádějících nové energie“
■ výjimečná environmentální šetrnost
spalovací jednotka s nízkými emisemi NOx (metoda DLN) →
35 ppm (16 % O2)
aplikace denitrifikačního systému → max. 20 ppm (16 % O2)
Kogenerační systém (KGS)
(efekt instalace zařízení)
•  kogenerační systém využívající plynovou turbínou s variabilním
systémem teplo/elektřina
•  generátor (1220 kW) x 2 ks
•  kotel na odpadní teplo (3000 kg/h) průtokový x 2 ks
•  celková účinnost 71,1 % (energetická účinnost 24,9 %,účinnost
rekuperace 46,2 %)
před instalací
po instalaci
40 %
elektrická
energie
nakupovaná
el. energie
nákup
100 %
kotel na bioplyn
15 %
pára
KGS
nakupovaná
pára
nakupovaná
pára
kotel na bioplyn
10 %
KGS
40 %
Schéma kogeneračního systému s
plynovým motorem
přídavná
zařízení
soustava energetické společnosti
spotřeba
v závodě
tlumič
deodorační a
odsiřovací jednotka
・・・
spotřeba
v závodě
odpadní plyn obtok
kogenerační
jednotka
parní kotel na
odpadní teplo
1172 kg/hod
1,172kg/h
plynový motor
generátor
1910 kW
teplovodní kotel
na odpadní teplo z jednotky č. 2
665 MJ/hod
chladící jednotka
lubrikačního oleje
82.8℃
primární ch
chladící voda
pára (1,4 MPa)
doplnění vody (65℃)
664.8
MJ/h
tepelný výměník teplá voda
93.0℃
1,960
pro zpětné MJ/hod
z jedn. č. 2
získávání teplé vody
50℃
1,140MJ/h
plyn
palivo pro
zapálení
382 Nm3/hod kompresor
plynu
chladící jednotka
vzduchu
42.0℃
topný olej
energetická
účinnost
účinnost rekuperace
páry
teplá voda (primární
chladící voda)
teplá voda (sekund.
chladící voda)
celková účinnost
teplá voda (85℃)
sekundární
chladící voda
6,9 l/hod
12.2%
13.3%
84.1%
doplnění vody (20℃)
tepelný
výměník
pro ohřev vody
38.5℃
2,962
49.9℃ MJ/h 25.0℃
z jedn. č. 2
32.0℃
2,280MJ/h
chladící věž
35.0℃
do jedn. č. 2
8,212MJ/h
do jedn. č. 2
42.8%
15.7%
2,006kg/h･2 ks
absorpční tepelné
čerpadlo
s rekuperací tepla
337.8kg/h
849MJ/h
drenáž
rekuperační
jednotka
Formy smluv na odběr elektřiny v Japonsku
■Poplatky za elekřinu
1) paušální poplatek podle smlouvy
předem dohodnut podle špičkového odběru
→ snížení paušálního
výroba el. en při špičce
2) poplatek podle skutečné spotřeby poplatku
účtováno podle spotřebovaného množství v
příslušných obdobích
13,72 JPY/kWh
6,08 JPY/kWh
10,56 JPY/kWh
vysoký tarif (denní proud v létě)
noční tarif (víkendy a noční proud)
denní proud (doba mimo výše uvedené)
nákup a
→ výroba
elekřiny
Výhody samostatné výroby elektřiny
pomocí kogeneračního systému
※příklad ze závodu, kde se instaloval kogenerační systém
nakoupená
Objem vyrobené a nakoupené elektřiny
[kW]
před
instalací
6.800 kW
8,000
7,000
6,000
po
instalaci
3.200 kW
買電量
elektřina
vyrobená
No.2発電量
elektřina
č. 2
vyrobená
No.1発電量
elektřina
č. 1
základní spotřeba
elektřiny
5,000
4,000
3,000
2,000
1,000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
[čas]
Využití tepelné energie v pivovaru
※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém
80,000
množství tepla
z蒸気熱量
páry
množství tepla
z湯熱量
teplé vody
množství tepla (MJ/hod)
70,000
60,000
50,000
základní spotřeba
tepelné energie
40,000
30,000
20,000
10,000
0
1
5
9
13
17
21
čas
Efekt snížení oxidu uhličitého díky
instalaci kogeneračního systému
※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém
Položka
Objem nakupované
elektřiny
Spotřebované množství
plynu v kogeneračním
systému
Spotřebované množství
plynu na rekuperaci tepla
Celkem
Změna díky instalaci Převodní ukazatel
19,156MWH 0.469ｔ-MWH
Úspora (t/ rok)
8,984
△4,143 tis. m3 2.121ｔ-tis. m3
△ 8,789
1,941 tis. m3 2.121ｔ- tis. m3
4,118
4,313
※Pozn.: vypočtená data v době instalace
△označuje nárůst
Roční vypouštěné množství oxidu
uhličitého: sníženo o 4.313 ｔ
Snížení oproti stavu před instalací o 11,2 %
Úspora nákladů díky instalaci
kogeneračního systému
※příklad z pivovaru, kde se instaloval kogenerační systém
Změnové položky
Částka (tis. jenů/rok)
Poplatky za elektřinu
220 000
Zpětné získávání páry
50 000
Uspořené náklady
Zpětné získávání teplé vody
67 000
Mezisoučet
337 000
Poplatky za plyn
△ 178 000
Poplatky za topný olej
△ 3 200
Chemikálie atd.
△ 4 800
Náklady navíc
Údržba
△ 7 400
Dodatečná smlouva na elektřinu
△ 8 600
Mezisoučet
△ 202 000
Celkem
135 000
※Pozn.: vypočtená data v době instalace
Roční úspora nákladů 135 mil. jenů
Hodnocení kogeneračního systému
využívajícího plyn
○ Umožňuje rekuperaci tepla za využití elektřiny a odpadního tepla.
→ efektivním využitím odpadního tepla je dosaženo úspory energie
spotřebovaná energie na jednotku (MJ/kL) v pivovaru snížena: o cca 4 %
○ Efekt snížení emisí oxidu uhličitého
→ v závislosti na způsobu výroby elektřiny energetickou společností snížena
spotřeba fosilních paliv díky snížení nakupované elektřiny a rekuperací
tepelné energie
→ možné snížit emise oxidu uhličitého
△ Efekt snížení nákladů
→ výrazné snížení poplatků za nakupovanou elektřinu díky přehodnocení
smluvně dodávané elektřiny
vůči nákladu na nakupovanou elektřinu 13 jenů/kWh je náklad na výrobu
elektřiny cca 3 jeny/kWh
→ výsledný efekt úspory nákladů se však významně mění v závislosti na
nákupní ceně plynu
Vztah příjmů/výdajů na energii a ceny
paliva v kogeneračním systému
využívajícím plyn
120,000
☆Klíčové:
80.0
výdaje
エネル
70.0
na a
možná nejstabilněji
ギーコスト
systém co
energii
収支
beze zbytku využít zpětně získanou
tepelnou
60.0
cena za
燃料単価
80,000
energii
palivo
50.0
provoz na 100 % kapacity 40.0
60,000
⇒100 % efektivně využít generovanou
30.0
40,000
elektřinu a tepelnou energii
20.0
・efekt
úspory
nákladů
se
snižuje
při zvýšení
20,000
ceny plynu
10.0
・náklady
na údržbu jsou také důležitý
prvek
0
0.0
cena (jenů/KL)
částka (tis. jenů)
・Provozovat
100,000
1
2
3
4
5
6
7 rok
Výsledek snížení emisí CO2 při výrobě piva
Celkové emise CO2
Environmentální cíl: zamezit oteplování zeměkoule
Míra snížení oproti roku 1990
0.0%
250
-20.0%
200
-30.0%
150
Cíl: 86,4
-40.0%
Rok 2010: 79,5
-50.0%
100
-60.0%
50
-70.0%
0
1990
2002
2003
2004
2005
2006
Rok a cíl
2007
2008
2009 2010
Cíl
Míra snížení (%)
Emise CO2 (tis. tun CO2/rok)
-10.0%
Systém palivových článků využívajících
jako palivo bioplyn
Charakteristiky kogeneračního systému s
palivovými články
■ energetická účinnost a celková účinnost je vysoká
■ nízká hlučnost a vibrace
■ téměř žádné látky znečišťující ovzduší
→ environmentálně adaptivní kogenerační
systém
Schéma kogeneračního systému s
palivovými články
soustava energetické spol.
・・・
plyn
výkon článků: 200 kW
předúprava
zásobní
nádrž plynu
jednotka
palivových
článků
tepelný výstup
736 MJ/hod 60℃ teplá voda
bioplyn
53 Nm3/hod.
CH4: 95 %
pára
chladící voda
Cca 80 % energie obsažené v palivu je efektivně využito
elektrickochem. reakce chem. reakce
energie
vodík
paliva
reformátor
elektřina 40 %
pára 41 %
ztráta 19 %
spotřeba
v závodě
spotřeba
v závodě
efektivní energie
81 %
nádrž s
teplou
vodou
teplá voda (85℃)
tepelný výměník
na ohřev vody
Efekt ze zavedení systému
■ snížení poplatků za elektřinu
■ efektivní využití nevyužité energie
■ snížení emisí CO2
■ zlepšení životního prostředí
■ vlastní výroba elektřiny
■ zlepšení image podniku
Mechanizmus bioplynu a výroby elektřiny
■ využívá plyn, který vzniká jakožto derivát při anaerobním zpracování
odpadní vody
→metan: 65∼70 ％, CO2: necelých 30 ％,
podíl síry atd.: cca 0,5 ％
■ v rámci předúpravy se odstraní síry atd. (odsiřovací jednotka atd.)
■ po dosažení koncentrace metanu min. 95 % zaveden do palivových
článků
■ v reformátoru je z metanu (CH4) oddělen vodík (H2)
■ v palivových článcích se spustí reakce s kyslíkem ve vzduchu a vyrábí se
elektřina
Princip palivového článku
•  Princip výroby elektřiny je
proces obrácené elektrolýzy
•  Elektřina se vytváří pomocí
elektrochemické reakce
vodíku a kyslíku
•  Vodík se vyrábí reformací
metanu.
stejnosměrný proud
H2
O2
(výstup cca 1,3 kW/článek)
elektrody (platina
elektrody (platina)
H2
zatížení
•  Z vodíku se uvolní elektrony a
vznikají vodíkové ionty.
•  Vodíkové ionty reagují s
kyslíkem a s proudícími
elektrony a vzniká voda.
•  Proudící elektrony vytvářejí
elektrický proud.
O2
uhlík
palivová elektroda (uhlík)
kalalyzátor (platina
elektrolyt (kys. fosforečná)
vodík
voda + elektrolyt (např.H2SO4)voda + elektrolyt (např.H2SO4)
elektrolýza vody
palivový článek
elektroda vzduchu (uhlík)
separátor
vzduch (kyslík)
Hodnocení palivového článku
využívajícího bioplyn
○ anaerobní zpracování + palivový článek
→ bioplyn, který vzniká při anaerobním zpracování, lze využít nejen
jako páru ale i jako elektřinu.
○ systém palivových článků
→ vysoká celková účinnost, nízká hlučnost a vibrace, bez emisí plynů
○ efekt ze zavedení systému
→ snížení poplatků za elektřinu, efektivní využití nevyužité energie,
snížení CO２
zlepšení okolních environmentálních vlastností, vlastní vyrobená
elektřina, zlepšení image podniku
×efekt snížení nákladů je nepatrný
→ snížení jednotky energie v pivovaru: elektřina 3 %, zpětně získaná
teplá voda = palivo 2 % vůči nákladu na nakupovanou elektřinu 13 jenů/kWh je náklad na
výrobu elektřiny cca 25 jenů/kWh
nákladná údržba
Úkolem zůstává snížení nákladů
životního cyklu (LCC) zahrnujících
počáteční náklady a náklady na údržbu
Ostatní způsoby využití bioplynu
■kogenerace s motorem na bioplyn
bioplyn
energie páry
(hypotéza)
4 t/hod (0.98MPa) 2,880kW
300 Nm3/hod
účinnost 96 %
6.860 kcal/Nm3
ztráta 4 %
bioplyn
(hypotéza)
300 Nm3/hod
6.860 kcal/Nm3
energie z elektřiny 900 kW,
účinnost 35 %
energie z teplé vody 650 kW,
účinnost 25 %
energie z páry 410 kW, účinnost
16 %
ztráta 25 %
Budoucí úkoly
■ nově navrhnout celkovou energetickou rovnováhu
■ snížit množství spotřebovávané energie ve výrobních
procesech
・ vytvořit výrobní procesy tak, aby spotřebovávané množství energie bylo
co nejmenší
・ redukovat ztráty
■ co nejvíce zredukovat výkyvy ve spotřebě ve výrobních
procesech
■ zlepšit provozní účinnost stávajících technologických zařízení
■ s ohledem na celkovou energetickou rovnováhu zvážit
zavedení nových úsporných zařízení
Závěr
SAPPORO BREWERIES LTD.
bude i nadále nabízet kvalitní
produkty, aby se naši zákazníci mohli
těšit z příjemného a bohatého života,
a zároveň bude seriózně pracovat na
úkolech souvisejících se životním
prostředím.
Děkuji Vám za pozornost!