Výpočet emisí CO2 vybraných energetických plodin a úspora emisí skleníkových plynů

S rostoucím tlakem na snižování emisí skleníkových plynů (GHG) a zajištění udržitelné energie se biomasa jeví klíčovou alternativou k fosilním palivům. Nejenže pomáhá snižovat uhlíkovou stopu, ale její energetické využití vytváří diverzifikované ekonomické příležitosti pro zemědělce a rozvoj venkova. V Česku se řídí vyhláškou č. 110/2022 Sb., která stanovuje pravidla pro biomasu od pěstování až po její energetické využití. Tento článek popisuje emisní stopy vybraných plodin, vysvětluje metodiku výpočtu úspory emisí a odkrývá potenciál pro budoucnost energetiky.

Rámec výpočtu emisí GHG vybraných plodin

Celkové emise spojené s produkcí a využitím biomasy zahrnují několik fází životního cyklu: produkci biomasy (včetně pěstování a sklizně), dopravu, zpracování (např. sušení, peletizaci) a konečné spalování. Pro účely tohoto článku se analýza soustředí na šest plodin – miscanthus, komonici, zadinu, pšeničné otruby, technické zrno (triticale) a vojtěšku – a dva typy dřevní biomasy – dřevní štěpku odpadní (lesní) a dřevní štěpku z rychle rostoucích dřevin (RRD). Tyto rostliny byly vybrány pro jejich různorodé využití v energetice a dostupnost dat z českého prostředí.

Celkové emise (E) se podle vyhlášky vypočítají vzorcem:

kde:

• E = celkové emise z výroby paliva před přeměnou energie;
• e_ec = emise z těžby nebo pěstování surovin;
• e_l = anualizované emise ze změn v zásobě uhlíku vyvolaných změnami ve využívání půdy;
• e_p = emise ze zpracování;
• e_td = emise z přepravy a distribuce;
• e_u = emise z používání daného paliva;
• e_sca = úspory emisí vyvolané nahromaděním uhlíku v půdě díky zdokonaleným zemědělským postupům;
• e_ccs = úspory emisí v důsledku zachycování a geologického ukládání CO₂;
• e_ccr = úspory emisí v důsledku zachycování a náhrady CO₂.

Vzhledem k omezené dostupnosti dat o dopravě (e_td​) a zpracování (e_p​) a předpokladům daným vyhláškou – např. že biomasa pochází z orné půdy bez změny využití před 1. lednem 2008 (e_l = 0), spalování je uhlíkově neutrální (e_u = 0) a absenci technologií zachycování uhlíku (e_sca = e_ccs = e_ccr = 0) se výpočet zjednodušuje na:

Hodnota e_ec​ zahrnuje emise z pěstování plodin, zejména z použití pohonných hmot (e_palPHM) a hnojiv (e_hn), a vypočítává se podle vzorce:

kde:

• e_palPHM = emise skleníkových plynů z pohonných hmot použitých pro provoz zemědělských strojů [kg CO₂eq.ha^-1.rok^-1];
• e_hn = emise skleníkových plynů z výroby hnojiv [kg CO₂eq.ha^-1.rok^-1];
• výnos = množství sklizené biomasy z jednoho hektaru [t.ha^-1];
• H = energetický obsah (výhřevnost) biomasy [MJ.kg^-1]. 

kde:

• ∑s_pal = celkové roční množství spotřebované pohonné hmoty (motorové nafty) na obhospodaření jednoho hektaru zemědělské půdy [l·ha^–1·rok^–1];
• ef_pal = emisní faktor ze spotřeby pohonné hmoty (motorové nafty) [kg CO₂eq·l^–1]. Pro motorovou naftu je tato hodnota 3,10 kg CO₂eq ·l^–1.

kde:

• ∑m_hn = celkové roční množství hnojiva aplikovaného na jeden hektar zemědělské půdy [kg·ha^–1·rok^–1];
• ef_hn = emisní faktor produkce hnojiva [kg CO₂eq·l^–1]. 

Emisní faktory hnojiv jsou stanoveny jako: 4,6 kg CO₂eq.kg^-1 pro dusík (N), 0,5 kg CO₂eq.kg^-1 pro fosfor (P₂O₅) a 0,4 kg CO₂eq.kg^-1 pro draslík (K₂O), což vychází z dokumentu Definition of input data to assess GHG default emissions from biofuels in EU legislation (2019).

Příklad podrobného výpočtu u miscanthu

Miscanthus

• Spotřeba pohonných hmot (motorové nafty): 18,2 l·ha^–1·rok^–1 
• Aplikace dusíkatých hnojiv (N): 75 kg.ha^–1·rok^–1
• Aplikace fosforečných hnojiv (P₂O₅): 40 kg.ha^–1·rok^–1
• Aplikace draselných hnojiv (K₂O): 70 kg.ha^–1·rok^–1 
• Výnos: 15 t.ha^–1 
• Výhřevnost (H): 18 MJ.kg^-1

Emisní faktory:

• Motorová nafta (ef_pal): 3,10 kg CO₂eq.l–1
• Dusíkatá hnojiva (ef_hn, N): 4,6 kg CO₂eq.kg^-1
• Fosforečná hnojiva (ef_hn, P₂O₅): 0,5 kg CO₂eq.kg^-1
• Draselná hnojiva (ef_hn, K₂O): 0,4 kg CO₂eq.kg^-1

Výpočet

Výsledky – emisní stopy vybraných plodin

Graf 1 shrnuje výsledné emisní stopy (e_ec​) pro analyzované plodiny. Technické zrno (triticale) vykazuje nejvyšší emisní stopu (3,30 g CO₂eq.MJ^-1) díky intenzivnímu využití nafty a hnojiv, zatímco zadina, pšeničné otruby a dřevní štěpka (lesní) mají nulové emise díky absenci vstupů spojených s pěstováním. Miscanthus a vojtěška se pohybují v rozmezí 1,5–1,7 g CO₂eq.MJ^-1, což odráží střední náročnost jejich produkce.

Metodika výpočtu úspory emisí pro pevnou biomasu

Vyhláška č. 110/2022 Sb. stanovuje, že paliva z biomasy musí splňovat kritéria udržitelnosti a dosahovat minimální úspory emisí GHG oproti referenčním fosilním palivům.

Úspora emisí se vypočítá jako:

Pro elektřinu a teplo se emise po přeměně upravují podle účinnosti:

Pro zařízení na výrobu energie zajišťujících pouze dodávky elektřiny: 

kde:

• EC_h,el = celkové emise skleníkových plynů z konečné energetické komodity;
• E = celkové emise skleníkových plynů z paliva před závěrečnou konverzí;
• η_el = elektrická účinnost, definovaná jako roční výroba elektřiny děleno ročním vstupem paliva na základě jeho energetického obsahu;
• η_h = účinnost tepla, definovaná jako roční výroba užitečného tepla děleno ročním vstupem paliva na základě jeho energetického obsahu.

Pro srovnání úspor emisí předpokládáme η_h = 0,9 (90% účinnost tepla) a η_el = 0,4 (40% účinnost elektřiny). Výsledky pro vybrané plodiny ukazují:

Faktory ovlivňující výpočet

Přesnost výpočtu úspory emisí závisí na několika faktorech:

1. Vstupní data: Přesné údaje o spotřebě nafty a hnojiv jsou klíčové pro stanovení eec​. Variabilita v pěstebních postupech (např. konvenční vs. ekologické zemědělství) může výsledky ovlivnit.
2. Účinnost přeměny: Nižší účinnost (např. u starších technologií) zvyšuje emise na jednotku vyrobené energie, což snižuje úsporu.
3. Regionální podmínky: Produkční výnosy a emisní faktory se mohou lišit podle klimatických a půdních podmínek.

Rozdíl úspor emisí podle typu paliva

Pro srovnání úspor emisí byly vypočteny hodnoty pro elektřinu (EC_el = 183 g CO₂eq.MJ^-1) a teplo (EC_h = 80 a 124 g CO₂eq.MJ^-1). Výsledky jsou uvedeny v Tab. 1:

Všechny analyzované plodiny splňují požadavek 70% (do roku 2025) i 80% úspory (od roku 2026), přičemž nejvyšší úsporu vykazují plodiny s nízkou emisní stopou, jako dřevní štěpka (lesní) a komonice. Technické zrno, přes svou vyšší emisní zátěž, stále dosahuje přijatelných hodnot, což potvrzuje potenciál biomasy jako alternativy k fosilním palivům.

Rozdíly v úspoře emisí odrážejí nejen produkční náročnost, ale i potenciál jednotlivých plodin pro různé energetické aplikace. Například miscanthus a dřevní štěpka (RRD) jsou díky vysokým výnosům a nízkým vstupům ideální pro výrobu tepla, zatímco technické zrno může být výhodné v kombinaci s vyšší účinností spalovacích technologií. Nulové emise u pšeničných otrub a zadiny naznačují význam využití odpadních materiálů, což podporuje principy cirkulární ekonomiky.

Závěr

Analýza emisních stop a úspor GHG u vybraných plodin ukazuje, že biomasa má značný potenciál přispět k dekarbonizaci energetického sektoru. Emisní stopy se liší podle intenzity pěstování – od nulových hodnot u odpadních materiálů po 3,30 g CO₂eq.MJ^-1 u technického zrna. Všechny plodiny splňují kritéria udržitelnosti a úspory emisí podle vyhlášky č. 110/2022 Sb., což potvrzuje jejich vhodnost jako alternativy k fosilním palivům. Pro maximalizaci přínosů je však třeba optimalizovat pěstební postupy, zvyšovat účinnost přeměny energie a podporovat využití odpadní biomasy. Tento přístup nejen snižuje emise, ale také posiluje udržitelnost zemědělství a lesnictví v České republice.

Literatura:

• Vyhláška č. 110/2022 Sb., o stanovení druhů a parametrů podporovaných obnovitelných zdrojů.
• Definition of input data to assess GHG default emissions from biofuels in EU legislation, Version 1d – 2019.
• Data CZ Biom, 2024.

Článek byl publikován v časopisu Biom 1/2025 S bioenergetikou na cestě k uhlíkové neutralitě.

Tweet

Biometanová stanice Krakořice mění hnůj na zelený plyn

Provozní podpora pro teplo nad 1 MW

Regulace teploty plynových motorů

Roadmap obnovitelných plynů 2040

Jak bioplyn přispívá na cestě k uhlíkové neutralitě