Energie biomasy

Biomasa vzniká díky dopadající sluneční energii. Jde o hmotu organického původu. Pro energetické účely se využívá buď cíleně pěstovaných rostlin nebo odpadů ze zemědělské, potravinářské nebo lesní produkce. Zásadní výhodou je, že biomasa slouží jako akumulátor energie a lze ji poměrně jednoduše a dlouhodobě skladovat. Nevýhodou je nízká účinnost přeměny slunečního záření na energii. Z hektaru pole získáme hmotu s energetickým obsahem 40 až 90 MWh, podle typu plodiny. To je méně než 1 % slunečního záření, které na tuto plochu za rok dopadne. Při zpracování biomasy a konečném spalování získaného paliva vznikají další ztráty.

Biomasu můžeme rozlišit podle obsahu vody:

Suchá - zejména dřevo a dřevní odpady, sláma a další suché zbytky z pěstování zemědělských plodin. Lze ji spalovat přímo, případně po dosušení.
Mokrá - zejména tekuté odpady, jako kejda a další odpady ze živočišné výroby a tekuté komunální odpady. Nelze ji spalovat přímo, využívá se zejména v bioplynových technologiích.
Speciální biomasa - olejniny, škrobové a cukernaté plodiny. Využívají se ve speciálních technologiích k získání energetických látek - zejména bionafty nebo lihu.

Centrální výtopna na dřevní štěpku (Rakousko). Foto: EkoWATT

Přírodní podmínky

V přírodních podmínkách ČR lze využívat biomasu těchto kategorií:

1. Biomasa odpadní:

• rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny - řepková a kukuřičná sláma, obilná sláma, seno, zbytky po likvidaci křovin a náletových dřevin, odpady ze sadů a vinic, odpady z údržby zeleně a travnatých ploch,
• lesní odpady (dendromasa) - po těžbě dříví zůstává v lese určitá část stromové hmoty nevyužita (pařezy, kořeny, kůra, vršky stromů, větve, šišky a dendromasa z prvních probírek a prořezávek),
• organické odpady z průmyslových výrob - spalitelné odpady z dřevařských provozoven (odřezky, piliny, hobliny, kůra), odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce (cukrovary), odpady z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren,
• odpady ze živočišné výroby - hnůj, kejda, zbytky krmiv, odpady z přidružených zpracovatelských kapacit,
• komunální organické odpady - kaly, organický tuhý komunální odpad (TKO).

2. Biomasa záměrně produkovaná k energetickým účelům, energetické plodiny:

Energetické plodiny. Zdroj: EkoWATT

Možnosti využití a přehled technologií

Z energetického hlediska lze energii z biomasy získávat téměř výhradně termo-chemickou přeměnou, tedy spalováním. Výhřevnost je dána množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs hořlavých uhlovodíků - celulózy, hemicelulózy a ligninu). Biomasa je podle druhu spalována přímo, nebo jsou spalovány kapalné či plynné produkty jejího zpracování. Od toho se odvíjejí základní technologie zpracování a přípravy ke spalování:

Možnosti využití biomasy. © EkoWATT

Přímé spalování a zplyňování

Spalování - suchá biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je velmi vysoký. Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva, zejména při pálení dřeva v kotlích na uhlí.

Dřevoplyn - ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise a vyšší účinnost.

Interiérová kamna na dřevo. Foto: EkoWATT

Vliv vlhkosti na výhřevnost biomasy

Výhřevnost dřeva je srovnatelná s hnědým uhlím. U rostlinných paliv však kolísá podle druhu a vlhkosti, na kterou jsou tato paliva citlivá. Čerstvě vytěžené dřevo má relativní vlhkost až 60 %, na vzduchu dobře proschlé dřevo má relativní vlhkost cca 20 %; pod střechou sníží svůj obsah vody na 20 % za půl až jeden rok. Dřevěné brikety mohou mít relativní vlhkost od 3 do 10 %, podle kvality lisování.

Pro spalování štěpek je optimální vlhkost 30-35 %. Při vlhkosti nižší má hoření explozivní charakter a mnoho energie uniká s kouřovými plyny. Při vyšší vlhkosti se mnoho energie spotřebuje na její vypaření a spalování je nedokonalé. Pro spalování dřeva lze doporučit vlhkost cca 20 %.

Jednotky a termíny pro objemové značení dřevní hmoty. V praxi používaný výraz "kubík" většinou znamená plm. Zdroj: EkoWATT

Výhřevnost biomasy. Zdroj: EkoWATT

Automatický kotel na štěpku. Foto: EkoWATT

Štěpkovač pro velké průměry dřeva.
Foto: EkoWATT

Peletky lisované z dřevního odpadu. Foto: EkoWATT

Hořák kotle na peletky (lze vmontovat i do kotlů na jiné palivo). Foto: EkoWATT

Bio-chemická přeměna

Bioetanol - Fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat etanol (etylalkohol). Vhodnými materiály jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však energetická výtěžnost 90 až 95 %. Fermentace cukrů může probíhat pouze v mokrém (na vodu bohatém) prostředí. Vzniklý alkohol je nakonec oddělen destilací a je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem etanolu jako paliva je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků.

V posledních letech probíhají výzkumy výroby etanolu z celulózy pomocí speciálně vyšlechtěných mikroorganismů (tzv. biopaliva druhé generace). Etanol lze pak získat i ze dřeva, slámy nebo sena. Výroba je však energeticky náročná.

Od 1. ledna 2008 se v ČR do automobilového benzínu povinně přimíchává 2 % bioetanolu. Podíl se bude postupně zvyšovat - v roce 2009 bude 3,5 %.Tím se sníží závislost na fosilních palivech.

Skládkové plyny - na skládkách TKO dochází ke složitým bio-chemickým pochodům, důsledkem je tvorba skládkového plynu. Složení plynu se mění v průběhu let. Průměrné množství TKO na jednoho obyvatele na rok je asi 310 kg. Z toho je přibližně 35 % organického původu, z něhož lze získat produkci plynu zhruba 0,3 m³/kg.

Bioplyn - při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích, bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Tento proces, kdy se organická hmota štěpí na anorganické látky a plyn, vzniká díky anaerobním bakteriím. Rozkládání víceméně odpovídá procesům probíhajícím v přírodě, s tím rozdílem, že v přírodě probíhají i za přítomnosti kyslíku (aerobní procesy). Proto jsou meziprodukty těchto procesů odlišné a také chemické složení konečných produktů se liší. Zbytky vyhnívacího procesu jsou vysoce hodnotným hnojivem nebo kompostem.

Bioplyn osahuje cca 55-70 % objemových procent metanu, výhřevnost se proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m³. V zemědělství se v největší míře využívá kejda (tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou), případně slamnatý hnůj, v menší míře sláma, zbytky travin, stonky kukuřice, bramborová nať (obtížnější zpracování). Bioplynový potenciál v hnoji závisí na obsahu sušiny a na složení a strávení potravy.

V bioplynové stanici se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru, kde zůstává pevně stanovenou dobu zdržení (většinou experimentálně ověřenou). Optimální teplotní pásma jsou vázána na různé kmeny bakterií:

Optimální teplotní pásma anaerobních bakterií. Zdroj: EkoWATT

Kontinuální systém na zpracování kejdy. Foto: EkoWATT

Bioplynová stanice jako součást kravína. Foto: EkoWATT

Schéma bioplynové stanice, kontinuální systém. © EkoWATT

Popis zařízení: 1 - odvod bioplynu, 2 - přepad kalu, 3 - zásobník odplyněné kejdy, 4 - nová sběrná nádrž, 5 - kalové čerpadlo, 6 - plynojem, 7 - vodní uzávěr, 8 - připojení ke stávajícímu dálkovému vytápění, 9 - teplo z kogenerační jednotky, 10 - kogenerační jednotka, 11 - dmychadlo, 12 - elektřina z kogenerační jednotky.

Mechanicko-chemická přeměna

Bionafta - z řepkového semene se lisuje olej, který se působením katalyzátoru a vysoké teploty mění na metylester řepkového oleje. Nazývá se bionafta první generace. Protože výroba metylesteru je dražší než běžná motorová nafta, mísí se s některými lehkými ropnými produkty, nebo s lineárními alfa-olefiny, aby jeho cena mohla konkurovat běžné motorové naftě. Tyto produkty se nazývají bionafty druhé generace a musí obsahovat alespoň 30 % metylesteru řepkového oleje. Zachovávají si svou biologickou odbouratelnost a svými vlastnostmi, jako je např. výhřevnost, se více přibližují běžné motorové naftě. Jejich výroba se řídí ČSN 656507, která pojednává o výrobě biopaliv. Motory musí být pro spalování bionafty přizpůsobeny (např. pryžové prvky).

Od 1. 9. 2007 se u nás do motorové nafty přimíchává 2 % metylesteru mastných kyselin. V roce 2009 se podíl zvýší na 4,5 %. V roce 2010 má povinný podíl bioložky v motorových palivech v zemích EU činit 5,75 % z celkové spotřeby benzínu a motorové nafty.

Pěstování biomasy pro energetické účely

Vhodný druh energetické plodiny je určován mnoha faktory: druhem půd, způsobem využití a účelem, možností sklizně a dopravy, druhovou skladbou v okolí atp. Předem se musí porovnat náklady na pěstování a na výrobu (spotřebu energie) a výnosy (zisk) energie.

Z bylin jsou zajímavé rostliny produkující cukr, škrob nebo olej. Například brambory, cukrová řepa, slunečnice a zejména řepka (řepkový olej se zpracovává na naftu a mazadla, řepková sláma se využije ke spálení). Řepková sláma má výhřevnost 15-17,5 GJ/t, obilná sláma o něco nižší - 14,0-14,4 GJ/t.

Z víceletých rostlin je známá křídlatka sachalinská (Reynoutria sachalinensis Nakai), která dosahuje vysokých výnosů 30-40 t sušiny z ha. Velmi diskutovanou energetickou rostlinou je sloní tráva (Miscanthus sinensis). Výhodné je pěstování konopí setého (Cannabis sativa L.), neboť nevyžaduje žádné ošetření v průběhu vegetace. V Evropě dosahuje výšky až 4 m a výnosu 6-15 t suché hmoty z hektaru. Konopí je jednoletá rostlina, ale na stanovišti vydrží, pokud se vysemení, mnoho let (odtud např. Konopiště).

Orientační klíčová čísla pro výhřevnost, výnosy, dobu sklizně a sklizňovou vlhkost energetické fytomasy. Zdroj: VÚRV

Nejvhodnější rychle rostoucí dřeviny (RRD) jsou platany, topoly (černý, balzamový), pajasany (žláznatý), akáty, olše a zejména vrby, které jsou vhodné hlavně pro hydromorfní půdy podél vodotečí, kde lze uplatnit i domácí topol černý. Obmýtní doba je 2 až 8 vegetačních období, životnost plantáže je 15-20 let. Speciální vyšlechtěné klony mají výtěžnost až 15-18 t sušiny na hektar, v našich podmínkách se dosahuje roční výtěžnosti 10 t/ha. Je však třeba respektovat zákon 114/92 Sb. o ochraně přírody a krajiny (cizí rostliny a dřeviny).

Automatický kotel na peletky. Foto: EkoWATT

Sklizeň konopí. Foto: EkoWATT

Použitá a doporučená literatura

[1] Beranovský, J., Truxa, J.: Alternativní energie pro váš dům. ERA, Brno, 2004.

[2] Murtinger, K., Beranovský, J.: Energie z biomasy. ERA, Brno, 2006.

[3] Pastorek, Z., Jevič, P., Kára, J.: Biomasa. FCC Public, 2004.

[4] Srdečný, K., Energeticky soběstačný dům. ERA, Brno, 2006, dotisk 2007.

[5] Srdečný, K., Macholda. F.: Úspory energie v domě. Grada, Praha 2003.

[6] Klobušník, L.: Pelety palivo budoucnosti. Sdružení Harmonie, Č. Budějovice, 2003.

[7] Kára, J., Adamovský, R.: Praktická příručka - obnovitelné zdroje energie. MZE ČR, Praha, 1993.

[8] Pažout, F., Hutla, P.: Praktická příručka obnovitelné zdroje energie 3/1993. MZE ČR, Praha, 1993.

[9] Simanov, V.: Dříví jako energetická surovina. MZE ČR, Praha, 1993.

SOUVISEJÍCÍ INFORMACE

Energie slunce - sluneční teplo, ohřev vody a vzduchu

Jak využít slunečního záření pro vytápěné budov, k ohřevu teplé vody a vzduchu?

Energie slunce - výroba elektřiny

Možnosti využití slunečního záření k výrobě elektřiny.

Energie větru

Možnosti a podmínky využití větru pro výrobu elektřiny.

Energie vody

Malé vodní eletrárny - možnosti a podmínky výroby energie.

Kombinovaná výroba elektřiny a tepla

Kogenerace zvyšuje účinnost výroby energie, lze ji využít i pro malé, decentralizované zdroje.

Energie prostředí, geotermální energie, tepelná čerpadla

Možnosti využití energie prostředí - vody, půdy, vzduchu pomocí technologie tepelného čerpadla.

další informace >>