Obehové hospodárstvo

Cirkulárna ekonomika (obehové hospodárstvo) sa zakladá na využívaní dostupných zdrojov environmentálne a ekonomicky udržateľným spôsobom. Na rozdiel od tradičného lineárneho rastu, ktorého podstatou je model „zober, vyrob, zahoď“, obehové hospodárstvo počíta s minimalizáciou odpadu a obmedzovaním zdrojových vstupov. Koncept cirkulárnej ekonomiky tak má vo výsledku chrániť životné prostredie a znižovať našu závislosť od prírodných zdrojov. Pre naplnenie tohto ambiciózneho cieľa je nevyhnutný zodpovedný prístup výrobcu i spotrebiteľa k všetkým neoddeliteľným procesom životnosti výrobku, teda k dizajnu, výrobe, spotrebe a recyklácii [1].

Cieľom obehového hospodárstva je čo najdlhšie zachovať hodnotu výrobkov a materiálov, aby sa minimalizoval odpad a využívanie nových zdrojov. V prípade, že výrobok dosiahne koniec svojho životného cyklu, zdroje sa z hospodárstva nevyradia, ale opätovne sa použijú na vytváranie novej hodnoty. V porovnaní s lineárnym modelom obehové hospodárstvo oddeľuje hospodársky rast od potreby ťažiť nové a vzácne materiály. Prakticky je to zabezpečované realizáciou materiálových úspor, opätovným použitím, zmenou ekodizajnu výrobkov a vyvíjaním nových výrobkov a služieb so zníženou materiálovou náročnosťou, resp. znovuvyužitím v obehovom cykle.

Pod názvom Kruh sa uzatvára prijala Európska komisia ešte v roku 2015 prvý Akčný plán pre obehové hospodárstvo, ktorého cieľom bolo napomôcť pri prechode Európy na obehové hospodárstvo, posilniť globálnu konkurencieschopnosť, podporiť udržateľný hospodársky rast a vytvoriť nové pracovné miesta [3]. Akčný plán stanovil 54 opatrení na „uzavretie kruhu“ životného cyklu výrobkov, ktoré sa týkajú výroby a spotreby, ako aj odpadového hospodárstva a trhu s druhotnými surovinami. Stanovilo sa tiež päť prioritných odvetví, v ktorých treba urýchliť prechod (na obehové hospodárstvo) v rámci ich celého hodnotového reťazca; konkrétne sú to plasty, odpad z potravín, kritické suroviny, stavebné a demolačné práce, biomasa a biologické materiály. Plán kladie silný dôraz na vytvorenie stabilného a priaznivého prostredia pre investície a inovácie.

Zariadenia na energetické využitie odpadov (ZEVO)

ZEVO – zariadenie na energetické využitie odpadov je schopné premeniť odpad, ktorý nie je vhodný na recykláciu, resp. na ďalšie materiálové zhodnotenie, na elektrickú energiu a teplo, ktoré vie dodať do verejnej siete alebo priemyslu. Zhodnocovanie odpadov sa realizuje termicky v zariadení s roštovým kúreniskom, ktoré výrazne redukuje množstvo a objem odpadu. Časť tuhých zvyškov horenia sa recykluje a malá časť (2 %) sa ukladá na skládku odpadov.

Zariadenia na energetické využitie odpadov nepozostávajú iba zo spaľovacieho zariadenia s výrobou energie, musia zahŕňať príjem, medziskladovanie a predbežné spracovanie odpadu a tiež čistenie spalín a úpravu pevných a kvapalných zvyškov.

Charakteristika vstupného paliva pre ZEVO

Vstupným materiálom, resp. palivom pre ZEVO, je zmesový komunálny odpad, ktorý obsahuje nerecyklovateľný odpad. Komunálny odpad je odpad z domácností vznikajúci na území obce pri činnosti fyzických osôb a odpad podobných vlastností a zloženia, ktorých pôvodcom je právnická osoba alebo fyzická osoba – podnikateľ, okrem odpadov vznikajúcich pri bezprostrednom výkone činností tvoriacich predmet podnikania alebo činností právnickej osoby alebo fyzickej osoby – podnikateľa. Za odpad z domácností sa považuje aj odpad z nehnuteľností slúžiacich fyzickým osobám na ich individuálnu rekreáciu, napríklad zo záhrad, z chát, chalúp, garáží. Komunálnym odpadom je aj všetok odpad vznikajúci v obci pri čistení verejných komunikácií a priestranstiev, ktoré sú majetkom obce alebo v správe obce, a tiež pri údržbe verejnej zelene vrátane parkov a cintorínov.

Napriek separovanému zberu rôznych frakcií odpadu obvyklá výhrevnosť zmesového komunálneho odpadu dosahuje približne 10 až 11 MJ na kilogram. To znamená, že 1 tona zvyškového odpadu je z hľadiska výhrevnosti rovnocenná približne 1 tone hnedého uhlia alebo 250 litrom vykurovacieho oleja.

Energetická účinnosť ZEVO

Spaľovanie je exotermický proces, kalorická hodnota odpadov sa počas spaľovania uvoľňuje vo forme tepelnej energie, ktorá sa transferuje do spalín. Chladenie spalín umožňuje:

  • využitie energie z horúcich spalín,
  • čistenie spalín pred ich vyústením do okolitého ovzdušia.

ZEVO používa na získanie tepla parný kotol, ktorý absorbuje teplo spalín a voda mení svoje skupenstvo na vodnú paru. Charakteristiky pary (teplota a tlak) sú dané lokálnymi požiadavkami a prevádzkovými obmedzeniami. Najvyššia energetická účinnosť sa môže získať v prípade, ak sa rekuperované teplo priamo využíva v rámci systémov centrálneho zásobovania teplom alebo ako zdroj procesného tepla v priemysle. Vysokú energetickú účinnosť možno dosiahnuť aj pri kombinácii výroby tepla a elektrickej energie. Štandardné parametre vyrábanej pary sú 40 barov a 400 °C. Pri ZEVO, ktoré je orientované prioritne len na výrobu elektrickej energie, sa energia z odpadu efektívnejšie využíva, ak sú parametre vodnej pary podstatne vyššie (60 bar, 520 °C). Úmerne sa však zvyšujú aj problémy s koróziou na povrchu prehrievača pary (supeheater) a výmenníka [4].

Energetická účinnosť pri termickom zhodnocovaní odpadov je nevyhnutnou požiadavkou už pri návrhu ZEVO a, samozrejme, aj počas jeho prevádzky. Európska legislatíva veľmi presne definuje spôsob výpočtu energetickej účinnosti pri energetickom zhodnocovaní odpadov. Metodika výpočtu je odvodená z podielu vyrobenej energie (teplo, elektrická energia, chlad…) vo vzťahu k dodanému množstvu energie v odpadoch (výhrevnosť odpadu a pomocné palivá).

Príloha II rámcovej smernice o odpadoch uvádza tzv. hodnotu R1 na výpočet energetickej účinnosti zariadenia na energetické využívanie odpadov podľa nasledujúceho vzorca:

kde

Ep je ročné množstvo energie vyrobenej ako teplo alebo elektrina (GJ/rok), energia vo forme elektrickej energie sa vynásobí hodnotou 2,6 a teplo vyrobené na komerčné účely sa vynásobí hodnotou 1,1;

Ef – ročný energetický vstup do systému z palív prispievajúcich k výrobe pary (GJ/rok);

Ei – ročné množstvo dodanej energie okrem Ew a Ef (GJ/rok);

Ew – ročné množstvo energie obsiahnuté v spracovanom odpade (GJ/rok);

0,97 – koeficient zohľadňujúci energetické straty v dôsledku popola zo spaľovania odpadu a sálania.

Zariadenia na spaľovanie zmesového komunálneho odpadu sú kategorizované ako zariadenia na energetické využitie odpadov len v prípade, ak ich energetická účinnosť, resp. hodnota R1, je rovná alebo vyššia ako η = 0,65; v takomto prípade je činnosť nakladania s odpadom označovaná kódom R1, využitie najmä ako palivo alebo na získavanie energie iným spôsobom. Ak zariadenie nedosiahne požadovanú energetickú účinnosť, je činnosť nakladania s odpadom označovaná kódom D10, spaľovanie na zemi.
Z odborného hľadiska treba poznamenať, že vhodný výber lokality pre nové zariadenie a odborne vykonaný návrh procesu umožní dosahovanie hodnoty R1 vyššej ako 0,9 alebo dokonca 1,0, ako to dokazujú príklady najlepšej praxe z Rakúska. Dokonca aj v krajinách s teplejšími klimatickými podmienkami (a teda bez potreby diaľkového vykurovania, ale potenciálne s možnosťou výroby chladu) umožní vhodný výber lokality a návrhu procesu dosiahnutie hodnoty R1 výrazne vyššej ako 0,65, čo by malo byť nevyhnutnosťou z hľadiska efektívnosti využívania zdrojov a energie a znižovania emisií skleníkových plynov tak, ako to požadujú viaceré smernice EÚ.

Závery o najlepších dostupných technikách na spaľovanie odpadov (Závery BAT WI) definujú dve úrovne energetickej účinnosti pre ZEVO v závislosti od technického riešenia [28].

  • hrubá elektrická účinnosť v prípade spaľovne alebo časti spaľovne, ktorá vyrába elektrickú energiu pomocou kondenzačnej turbíny,
  • hrubá energetická účinnosť v prípade spaľovne alebo časti spaľovne, ktorá vyrába:
    – len teplo,
    – elektrickú energiu pomocou protitlakovej turbíny a teplo prostredníctvom pary vychádzajúcej z turbíny.

Hrubá elektrická účinnosť

Hrubá energetická účinnosť

kde

We je vyrobený elektrický výkon (MW),

Qhe – tepelná energia dodávaná do výmenníkov tepla na primárnej strane (MW),

Qde – priamo odvádzaná tepelná energia (ako para alebo teplá voda) mínus tepelná energia spätného prietoku (MW),

Qb – tepelná energia vyrobená v kotle (MW),

Qi – tepelná energia (ako para alebo teplá voda), ktorá sa využíva interne (napr. na opätovný ohrev spalín) (MW),

Qth – tepelný vstup do jednotiek tepelného spracovania (napr. pecí) vrátane odpadu a pomocných palív, ktoré sa používajú nepretržite (napríklad s výnimkou nábehu), vyjadrený ako hodnota dolnej výhrevnosti (MWth).

Pri nových zariadeniach ZEVO treba dosiahnuť BAT-AEEL pre hrubú elektrickú účinnosť v rozsahu od 25 do 35 % a BAT-AEEL pre hrubú energetickú účinnosť v rozsahu od 72 do 91 %. Z toho dôvodu by sa nové ZEVO mali budovať v lokalitách, kde sú požiadavky na odber tepla vo forme pary, resp. horúcej vody (priemysel, CZT). Kogeneračnou výrobou tepla a elektrickej energie možno dosiahnuť energetickú účinnosť nad 80 % v porovnaní so zariadeniami, ktoré vyrábajú len elektrickú energiu a dosahujú energetickú účinnosť na úrovni 20 %. Zjednodušené porovnanie energetického toku v ZEVO vybavenom kondenzačnou turbínou a s kogeneračnou výrobou elektrickej energie a tepla je na obr. 4 [1].

Najvyššia energetická účinnosť sa dosahuje pri maximálnom odbere tepla a najnižších parametroch pary (nižšia spotreba elektrickej energie na chladenie a kondenzáciu) a pri zohľadnení nasledujúcich faktorov:

  • lokalita s úplným celoročným využitím tepla,
  • nízka teplota spalín na výstupe kotla,
  • nízke množstvo odpadového plynu dosiahnuté vhodne navrhnutým a kontrolovaným spaľovaním a čiastočnou recirkuláciou spalín (t. j. nízka hladina zvyškového kyslíka v odpadovom plyne),
  • úplné spálenie tuhých materiálov a spaľovacích plynov,
  • systémy na rekuperáciu tepla v zariadení (eventuálne aj z ochladzovania popola), a teda nízka teplota odpadových plynov na výstupe z komína,
  • nízka spotreba energie, a to pri predúprave odpadu aj pri prevádzke zariadenia,
  • zníženie spotreby chemických prísad a pomocných palív na minimum a predchádzanie častým nábehom a dobehom zariadenia, ako aj odstávkam, resp. maximálne využite FPD 8 000 hodín/ročne,
  • optimálna veľkosť zariadenia: menšie zariadenia majú vyššie straty a vyššiu spotrebu energie na tonu spracovaného odpadu.

ZEVO na Slovensku

V súčasnosti sú v Slovenskej republike v prevádzke dve zariadenia na energetické využitie zmesového komunálneho odpadu: OLO, a. s., Bratislava a KOSIT, a. s., Košice. Obe zariadenia pracujú na princípe energetického zhodnocovania odpadov priamym spaľovaním v roštovom kúrenisku ZEVO.

ZEVO Bratislava – pôvodná spaľovňa tuhého komunálneho odpadu Technických služieb mesta Bratislavy bola uvedená do prevádzky v roku 1978. ZEVO tvoria dva parné kotly s vratisuvnými roštmi s ročnou kapacitou do 135 000 ton spáleného komunálneho odpadu ročne. Po fyzickom a morálnom dožití technologických zariadení spaľovne sa v rokoch 2000 – 2002 uskutočnila jej rozsiahla rekonštrukcia náhradou dvoch z troch pôvodných inštalovaných kotlov vrátane inštalácie parného turbogenerátora a zariadenia na čistenie spalín spĺňajúceho požiadavky na ochranu ovzdušia a životného prostredia podľa novej legislatívy SR a EÚ. Zariadenie na čistenie spalín pracuje na princípe polosuchej metódy čistenia spalín – dávkovania vápenného mlieka do prúdu spalín bez odpadových vôd. Kyslé škodlivé látky sú viazané vápenným mliekom, pričom vzniká odpadový produkt – zmes solí. Pred tkaninovým filtrom sa do spalín dávkuje uhlíkatý sorbent na zachytenie ťažkých kovov, dioxínov a furánov. Teplo získané pri spaľovaní odpadu sa využíva na výrobu pary, ktorá slúži pre vlastnú spotrebu technológie. Na energetické využitie – na výrobu elektriny – je v spaľovni nainštalovaná kondenzačná turbína s generátorom s elektrickým výkonom 6,3 MW. Časť vyrobenej elektriny sa používa pre vlastnú spotrebu spaľovne a zvyšok je vyvedený do verejnej rozvodnej siete.

ZEVO Košice bolo do prevádzky uvedené v roku 1989 a tvoria ho dva parné kotly s valcovými roštmi s ročnou kapacitou do 150 000 ton spáleného komunálneho odpadu ročne. V rokoch 2010 – 2013 prešlo ZEVO rekonštrukciou, ktorá zahŕňala výmenu starého kotla K2, generálnu opravu roštového systému, vybudovanie zariadenia na čistenie spalín pre nový kotol a inštalovanie nového zariadenia na výrobu elektrickej energie. V rokoch 2016 až 2018 bola uskutočnená generálna oprava kotla K1. Nové zariadenia na čistenie spalín s technológiou štvorstupňového čistenia suchou metódou s využitím vápenného hydrátu a aktívneho uhlia zabezpečujú splnenie záväzných emisných limitov podľa našich aj európskych predpisov. Dodržiavanie emisných limitov kontroluje automatický monitorovací systém (AMS monitoruje hodnoty emisií). Kondenzačná parná turbína s využiteľným výkonom 6,43 MW je schopná vyrobiť za rok maximálne 48 000 MWh elektrickej energie, ktorú spoločnosť využíva pre vlastnú potrebu a zvyšok odovzdáva do rozvodnej siete. Okrem výroby elektrickej energie vo vykurovacej sezóne zásobuje teplom mestskú vykurovaciu sieť s potencionálnym maximálnym výkonom 12 MWt.

Záver

Podporu na rozvoj nových kapacít ZEVO je vhodné orientovať do členských štátov EÚ, ktorých odpadové hospodárstvo je silne závislé od skládkovania. Zabezpečenie odklonu od skládkovania musí ísť paralelne s budovaním kapacít na recykláciu odpadov s dôrazom na spracovanie biologicky rozložiteľného podielu komunálneho odpadu. Pozitívnym príkladom môže byť symbióza pri rozvoji nových priemyselných parkov, kde ZEVO zhodnocuje odpady klientov z priemyselného parku a následne im dodáva teplo, resp. elektrickú energiu. Súčasne v takýchto zónach možno efektívne zhodnotiť tuhý zvyšok z procesu ZEVO – škvaru.

Súčasné moderné technológie ZEVO na zhodnotenie zmesového komunálneho odpadu ponúkajú komplexné environmentálne a ekonomické riešenie pre nerecyklovateľný komunálny odpad. Správnou lokalizáciou ZEVO s celoročným využitím tepla možno dosiahnuť vysokú energetickú účinnosť, minimalizovať uhlíkovú aj vodnú stopu (carbon/water footprint) a separovať kovy z tuhých zvyškov s ich finálnou materiálovou recykláciou v stavebníctve. V blízkej budúcnosti aplikáciou inovatívnych techník na zachytávanie uhlíka sa technológia ZEVO môže stať uhlíkovo negatívna a významne tak prispieť k dekarbonizácii slovenského hospodárstva.

Literatúra

[1] Waste to Energy In Austria, White Book Figures, Data, Facts. Federal Ministry of Agriculture, Forestry, Environment and Water Management, Vienna 2015. (online) 

[2] (online) 

[3] Communication from the Commission to the European Parlament, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. Closing the loop – an EU action plan for Circular Economy. Brussels 2. 12. 2015.

[4] Waste Technologies: Waste to Energy Facilities. A report for the SWIP Working Group, 2013.

Zdroj: Stoiber, H. – Kurz, G. – Halász, L. – Chovanec, J. – Šimkovicová, V.: Energetické zhodnocovanie odpadov v Slovenskej republike. Biela kniha. ewia, a. s., 2020. ISBN 978-80-570-2270-1.

-tog-