Modelování ekonomiky výroby bioplynu

Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
Nitra, 19.-20. september 2006
S
W
1
X
ECONOMIC MODELLING OF BIOGAS PRODUCTION
OLDŘICH MUŽÍK, ZDENĚK ABRHAM
Research Institute of Agricultural Engineering
Abstract:
The contribution deals with modelling of biogas plants economy. The model of biogas
plant economy computing works with given data on proceeded material, its amount
and physical and chemical properties. On basis of these data is estimated biogas
production and its energy yield. According to the proceeded material type and amount
is also allocated the most suitable technology of anaerobic digestion and from it
resulting investment costs. To determine operational costs the simplified estimation is
used on basis of experiences of practise. After variant ordering of biogas utilization
possibilities the model will estimate yields and calculate assuming return on
investment.
Keywords: biogas, biogas plant, anaerobic digestion, economy of biogas plant.
1. Úvod
Jedním z cílů Evropské unie (EU) v oblasti energetiky je do roku 2010 pokrýt
z obnovitelných zdrojů 12 % primární energetické bilance a 22% produkce elektrické energie.
Biomasa tvoří v celkové bilanci OZE okolo 65%. Anaerobní digesce je jedním z perspektivních
způsobů materiálového a energetického využití biomasy. Jde o dynamicky se rozvíjející
technologie, při které dochází k přeměně surové organické hmoty na biologicky stabilizovaný
substrát a bioplyn (BP). V České republice je v současnosti v provozu 12 zemědělských
bioplynových stanic (BPS) a předpokládá se jejich výrazný nárůst.
2. Modelování ekonomiky bioplynových stanic
Před rozhodnutím o výstavbě bioplynové stanice je mimo jiné nezbytně nutné provést
podrobné propočty ekonomiky plánované stavby. Tyto propočty by měly rozhodnout o ekonomické
realizovatelnosti stavby a měly by být provedeny odborníky v daném oboru. Tento krok s sebou ale
sám o sobě přináší nezanedbatelné náklady, a je proto žádoucí vypracovat základní odhad
ekonomiky zamýšlené stavby ještě před zadáním zakázky projekční kanceláři. Právě k tomuto
účelu by měl sloužit model ekonomiky BPS vypracovaný ve VÚZT.
2.1
Vstupní údaje
2.1.1 Základní vlastnosti zpracovávaných materiálů
Nejdůležitějšími údaji pro zjednodušený výpočet ekonomiky BPS jsou množství a
vlastnosti zpracovávaného materiálu. Nejvýznamnějšími vlastnostmi materiálu pro anaerobní
digesci jsou (Pastorek, 2004):
podíl organických látek,
obsah sušiny,
pH
poměr uhlíkatých a dusíkatých látek C:N.
Z těchto údajů jsou odhadnuty jednak produkce bioplynu a potažmo výnosy plynoucí
z jeho využití, tak i investiční náklady. Podíl organických látek a obsah sušiny jsou důležité
Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
S
W
1
X
Nitra, 19.-20. september 2006
zejména pro určení produkce bioplynu. Pro optimalizaci surovinové skladby pal i pH a poměr C:N.
Tyto základní vlastnosti materiálů vhodných pro anaerobní digesci včetně měrné produkce BP jsou
uloženy v databázi materiálů, se kterou výpočtový model pracuje. Jako nutné vstupní údaje tedy
postačí množství a druh zpracovávaného materiálu, ale pro zpřesnění výpočtu je dobré si základní
vlastnosti uvedené v tabulce 1 nechat přesně stanovit. Příklad obsahu databáze materiálů je uveden
v tabulce 1.
Tab. 1: Základní fyzikální a chemické vlastnosti vybraných materiálů
Materiál
Organické látky Sušina Poměr C:N
[% suš.]
[%]
pH
Měrná produkce BP
[m3.kg-1org. suš.]
Kejda prasat
72-78
2-9
10-15:1
6,5-7,6
0,22-0,64
Kejda skotu
70-81
1-6
14-18:1
6,2-8
0,2-0,52
Kejda drůbeže
65-76
3-18
10:1
7-8
0,33-0,72
Čerstvě posečená tráva
80-92
15-25
12-25:1
6,0-6,5
0,64
Kuchyňský odpad
75-88
20-35
15-20:1
-
0,4-0,6
2.1.2 Investiční náklady
Investiční náklady na vybudování BPS jsou závislé na celé řadě faktorů. Odvíjí se nejen od
velikosti zařízení a instalované technologie, ale také podle toho zda je stavba realizována
svépomocí nebo dodavatelsky a na podílu svépomocných prací. Podle zkušeností z dosavadní
výstavby BPS v Německu se specifické investiční náklady na svépomocné stavby v závislosti na
velikosti pohybují kolem 350-600€ na velkou dobytčí jednotku (VDJ) a 550-1500€.VDJ-1 u
dodávaných zařízení. Investice na vybudování bioplynové stanice na zpracování tekutých materiálů
je rozdělena přibližně takto (Schulz, 2004):
stavební část (fermentor s izolací a ostatní stavby) 43%,
kogenerace (kogenerační jednotka, plynovod a plynojem, náklady na připojení k síti) 23%,
technologický ohřev (skladování odpadního tepla, vytápění fermentoru a napojení ostatních
spotřebičů teplé vody) 17%,
kejdové hospodářství (čerpací a míchací technika, potrubní vedení a vyvážecí technika)
13%,
projektová příprava - 4% investičních nákladů.
Ke stanovení celkových předpokládaných investičních nákladů je třeba nejdříve odhadnout
náklady na vybudování stavební části. Tyto náklady se odvodí z množství zpracovávaného
materiálu a tedy od velikosti fermentoru. Pro dimenzování bioplynové stanice je nejdůležitější, jaké
množství materiálu má být zpracováno. V případě, že tyto údaje nejsou přesně k dispozici, je
možné je odhadnout např. na základě měrné produkce exkrementů hospodářských zvířat nebo dle
průměrných výnosů konkrétních plodin. I toto hodnoty jsou pro nejběžnější materiály zahrnuty
v databázi.
Potřebný objem fermentoru model spočítá z denního množství zpracovávaného materiálu a
střední doby zdržení ve fermentoru. Střední doba zdržení materiálu ve fermentoru se u průtokových
zařízení pohybuje mezi 20-30 dny. Z potřebného objemu fermentoru odhadneme investiční náklady
na stavební část BPS dle měrných investic na 1 m3 fermentoru, které jsou uvedeny v tabulce 2.
Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
Nitra, 19.-20. september 2006
S
W
1
X
Tab. 2 Investiční náklady na zemědělské bioplynové stanice (Schulz, 2004)
Specifická investice (Kč)
Celková investice (Kč)
Investice na VDJ
14 500 – 26 000
2 958 000 – 5 304 000
3
Investice na m objemu fermentoru
7 250 – 11 600
2 610 000 – 4 176 000
Investice na vyrobenou kWhel
11 - 17
3 276 350 – 5 063 450
Z rozložení investičních nákladů na jednotlivé části BPS a nákladů na vybudování
fermentoru model odhadne celkové investiční náklady. Investiční náklady se dají stanovit i přesněji
pro každý konkrétní případ z cen jednotlivých komponent a stavebních prací. Takto odhadnuté
investiční náklady se potom musí doplnit ručně do systému.
2.1.3. Provozní náklady
Provozní náklady bioplynové stanice zahrnují odpisy, náklady na opravu a údržbu, spotřebu
energie, osobní náklady na obsluhu a provozní režii.
Odpisy
Ke stanovení ročních nákladů na odpisy je nutné rozdělit investici do dvou částí – technika
a stavba, protože patří do jiných odpisových skupin. Pro zjednodušený výpočet model počítá s 60%
investice na techniku a 40% na stavbu. Náklady na odpisy se pak stanoví podle zařazení
jednotlivých částí do odpisových skupin:
- stavební část patří do skupiny 4 s dobou odpisů 20 let,
- technologické systémy patří do skupiny 2 s dobou odpisování 5 let.
Opravy a udržování
Výpočet nákladů na opravy a udržování vychází rovněž z investičních nákladů. Jednotlivé
části investice mají odlišné nároky na opravy a udržování. Roční náklady na opravy a udržování se
uvažují v následující výši:
- stavební část – 0,5 % z investičních nákladů stavební části
- technologické systémy – 4 % z investičních nákladů na technologické systémy.
Pojištění
Náklady na pojištění bioplynové stanice se počítají ve výši 0,5 % z celkového objemu
investic.
Osobní náklady obsluhy
Osobní náklady na obsluhu vychází z osobních nákladů obsluhy na 1 hodinu a z celkové
potřeby práce za rok. Dosavadní zkušenosti ukazují, že potřeba lidské práce je cca 30min. denně
(Schulz, 2004).
Náklady na energii
BPS využívá pro svůj provoz vlastní energii, výsledná energetická produkce BPS je snížena
o spotřebu energie pro vlastní provoz. Náklady na externí energii se tedy v těchto výpočtech
neuvažují.
Výsledky z praxe ukazují, že celkové roční provozní náklady bioplynové stanice se pohybují
někde mezi 12-20% celkových investic.
2.1.4 Výnosy
Při stanovení výnosů model vychází z měrné produkce BP pro konkrétní materiál či směs
více materiálů a jeho množství. Údaje o měrné produkci BP a jeho složení z 1 kg organické sušiny
jsou opět obsaženy v databázi materiálů a jejich vlastností. Příklad produkce BP z materiálů
vhodných pro anaerobní digesci je uveden na obrázku 1.
S
Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
W
1
X
Nitra, 19.-20. september 2006
1000
800
3. -1
Produkce bioplynu [m t ]
800
600
400
360
245
200
150
25
36
kejda skotu
prasečí
kejda
65
90
0
obsahy
žaludků
zeleninové travní siláž kuchyňské
odpady
odpady
pšeničné tuky a oleje
odpady
biolog.
původu
Obr. 1 Měrná produkce bioplynu z čerstvého materiálu (Baserga, 1998)
V případě, kdy není blíže specifikován způsob využití BP, počítá model se současnou
výrobou elektrické energie a tepla z BP v kogenerační jednotce. Elektrická energie se dodává za
garantovanou cenu do sítě a teplo se využívá pro vlastní potřebu. Garantovaná cena elektrické
energie z bioplynu dodávané do sítě je podle Cenového rozhodnutí ERÚ č. 10/2005 ze dne 18.12.
2005 stanovena na 2980 Kč.MWh-1. Dalším zdrojem příjmů mohou být poplatky za likvidaci
bioodpadů při kofermentaci.
2.1.5 Doplňující údaje – způsob využití bioplynu
Bioplyn je možné využívat podobně jako jiná plynná paliva. Mezi nejčastější způsoby
využití bioplynu patří (Pastorek, 2004):
přímé spalování (topení, sušení, chlazení, ohřev užitkové vody apod.),
výroba elektrické energie a ohřev teplonosného média (kogenerace),
výroba elektrické energie, ohřev teplonosného média a výroba chladu (trigenerace),
pohon spalovacích motorů nebo turbín pro získání mechanické energie,
využití bioplynu v palivových článcích.
Model umožňuje variantní zadání využití elektrické energie a tepla z kogenerace nebo
přímé vložení očekávaných výnosů v případě jiného využití BP. Pro upřesnění výpočtu se v této
fázi zadává, jestli bude elektrická energie dodávána do sítě nebo bude nahrazovat vlastní spotřebu.
U využití tepla model nabízí 5 variant, a sice možnost využití tepla celoročně, pouze v topné
sezóně nebo vůbec a jestli teplo nahrazuje vlastní zdroj tepla (kotel na hnědé uhlí), nebo externě
dodávané teplo.
Podobně se do systému vkládají i údaje o financování investice – z vlastních zdrojů
či na úvěr. Úrokovou míru je možné zadat také přímo, v opačném případě systém pracuje
s předdefinovanou hodnotou. Modelové investiční náklady lze dodatečně snížit např. při
Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
S
W
1
X
Nitra, 19.-20. september 2006
možnosti získat investiční dotace, při svépomocné výstavbě či při levnější přestavbě již
existujícího objektu. Funkční schéma modelu je znázorněno na obrázku 2.
Obr. 2 Funkční schéma modelu pro výpočet ekonomiky BPS
3. Výsledky modelování ekonomiky BPS
Po zadání doplňujících (zpřesňujících) údajů model automaticky dopočítá ekonomickou
návratnost investice (return on investment ROI) podle vzorce 1.
ROI =
kde:
I
Pr
Npr
I
Pr − N pr
[roky]
(1)
– náklady na pořízení investice (Kč),
– průměrné roční přínosy (Kč),
– roční provozní náklady (Kč).
Tento výpočet však udává pouze statický pohled na investici. Neuvažuje se v něm ani s faktorem
času, ani s časovou hodnotou peněz. Pro přesnější výpočet budoucích přínosů z provozu
bioplynové stanice proto použijeme vztah, který vyjadřuje tzv. čistou současnou hodnotu
hotovostních toků (net present value) NPV. a provoz viz vzorec 2 (Vašíček, 2005):
Tž
NPV = ∑ CFt .(1 + r ) − IN
−t
[Kč]
(2)
t =1
kde:
IN
Tž
(1+r)-1
CFt
– celkové investiční náklady (Kč),
– doba životnosti zařízení (roky),
– odúročitel,
– hotovostní peněžní tok (cash flow), v každém t-tém roce je dán rozdílem očekávaných
přínosů a výdajů na realizaci.
Management of Production Systems with support of
Information Technologies and Control Engineering
Nitra, 19.-20. september 2006
S
W
1
X
Obecně pro bioplynové stanice platí, že doba návratnosti investice do 5 let je velmi dobrá a
do 10 let přijatelná. Po 15 letech provozu dosáhne většina hlavních prvků bioplynové stanice své
životnosti a je potřeba počítat s vyššími náklady na opravy a údržbu.
4. Závěr
Model ekonomiky BPS by měl sloužit především zemědělcům a dalším významným
producentům zbytkové biomasy, kteří uvažují a vybudování BPS. Ještě před zadáním zpracování
projektu odborníkům si mohou snadno ověřit jeho ekonomickou výhodnost. I po získání prvních
výsledků lze dále měnit či upřesňovat vstupní a doplňující údaje podle potřeb uživatele. Uživatel si
tak může ověřit více variant řešení a vybrat tu nejvhodnější. Model ekonomiky BPS nemůže
nahradit práci kvalifikovaného projektanta, ale měl by uživatelům usnadnit rozhodování o budoucí
investici a případně zamezit zbytečným komplikacím a chybným rozhodnutím.
Příspěvek vychází z výsledků řešení výzkumného záměru MZE 0002703101 „Výzkum nových
poznatků vědního oboru zemědělské technologie a technika a aplikace inovací oboru do
zemědělství České republiky. Příspěvek byl publikován ve sborníku z mezinárodní vědecké
konference In Management of Production Systems with support of Information Technologies and
Control Engineering v Nitře v roce 2006.
Literatura
Banout J.: Optimalizace surovinové skladby, výrobní plochy a kalkulace provozních nákladů při
výrobě kompostu. Doktorská disertační práce. ČZU. Praha 2005.
Baserga U.: Vergäsung-Biogas aus organischen reststoffen und Energie-gras. Schweizer
Landtechnik, 1998, č. 6.
Schulz H., Eder B.: Bioplyn v praxi. HEL. Ostrava 2004. ISBN 80-86167-21-6
Pastorek Z., Kára J., Jevič P.: Biomasa – obnovitelný zdroj energie. FCC Public. Praha 2004. ISBN
80-86534-06-5
Vašíček
J.: Zásady ekonomického hodnocení energetických projektů. TZB-info 2005.
http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=2565&h=219&pl=39
Váňa J.: Výroba a využití kompostů v zemědělství. Institut výchovy a vzdělávání MZe ČR. Praha
1997. ISBN 80-7105-144-6
Contact address:
Ing. Oldřich Mužík, Ing. Zdeněk Abrham, CSc.
Výzkumný ústav zemědělské techniky, Drnovská 507, Praha 6, 161 01, Česká republika
[email protected], [email protected]