Pěstování topolů pro energetické účely – 3

Topol patří mezi perspektivní dřeviny pro energetické účely. Cílem pěstování na plantážích je produkce co největšího množství biomasy z co nejmenší plochy. V prvních dvou pokračováních článku se autor zabýval založení plantáže a výsadbou topolů a popsal ochranu a ošetřování porostu. V poslední části popisuje sklizeň a navazující zpracování.

Důležitá je výhřevnost

V našich podmínkách se topolová hmota využívá především pro energetické účely ve formě štěpky. V tom případě je důležitým parametrem výhřevnost.

Výhřevnost je závislá především na obsahu vody, na druhu dřeva (chemické složení suché dřevní hmoty při spalování) a také například na obsahu pryskyřice, která výhřevnost zvyšuje a podobně.

Mělo by být spalováno dřevo s co nejnižším obsahem vody. Obsah vody je hmotnostní podíl vody ve dřevu vztažený na celkovou hmotnost čerstvého dřeva vynásobený 100, takže údaj je v (%): w = [(m₁ – m₂)/m₁] . 100 (%) , kde: m₁ - hmotnost vlhkého materiálu (g), m₂ – hmotnost suchého materiálu (g). Čerstvě vytěžené dřevo obsahuje podle druhu, lokality a stáří stromu mezi 50 až 98 % vody.

Výhřevnost rostlinné biomasy Q_ir je uváděna v kJ/kg nebo MJ/kg. Prosazuje se i jednotka kWh/kg paliva, protože se urychlí výpočet hodinové spotřeby paliva pro daný výkon kotle uvedeného v kW (MJ/kg se na kWh/kg přepočte tak, že se vydělí hodnotou 3,6). Je nutné znát vždy obsah vody, protože výhřevnost s rostoucím obsahem vody výrazně klesá. Na obsahu vody tedy závisí i množství spotřebovaného dřeva.

Výhřevnost rostlinné biomasy Q_ir je stanovena výpočtem na základě určeného spalného tepla a výsledků prvkového rozboru paliva. Spalné teplo se mezi druhy dřevin mírně liší a pohybuje se v rozsahu 14,7 až 21,1 MJ/kg. Rozdíl je dán zejména poměrem ligninu, jehož výhřevnost je 25,5 MJ/kg, a celulózy, která má výhřevnost 18,8 MJ/kg.

Tabulka 1 – Hodnoty spalného tepla rozdílných klonů rychle rostoucích topolů v závislosti na charakteru dřevní hmoty

Označení klonu (podle Věstníku MZe)	Spalné teplo čisté dřevní hmoty (MJ/kg)	Spalné teplo dřevní hmoty s přirozeným obsahem kůry (MJ/kg)-
populus maximowiczii x populus berolinensis Oxford	19,589	20,144
populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104	19,501	20,389
populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-105	19,477	20,007

Z tabulky 1 vyplývá, že spalné teplo dřevní hmoty s kůrou je nepatrně vyšší, než spalné teplo čisté dřevní hmoty. Rozdíl je v průměru 0,658 MJ/kg. Pokud se porovnají spalná tepla jednotlivých klonů, výraznější rozdíly zde nejsou. V případě čisté dřevní hmoty je to 0,112 MJ/kg a v případě dřevní hmoty s kůrou je to 0,382 MJ/kg. Průměrné hodnoty spalných tepel bez ohledu na klony jsou 19,522 MJ/kg, resp. 20,180 MJ/kg.

V tabulce 2 je přehled výhřevnosti na obsahu vody ve spalované dřevní hmotě. Výhřevnost je uvedena ve vazbě na příslušný schválený klon rychle rostoucích topolů. Při sklizni bývá průměrný obsah vody 65 %, po 6 měsících sušení ve větraném přístřešku bývá průměrný obsah vody 19,23 %.

Tabulka 2 – Výhřevnost čisté dřevní hmoty rychlerostoucích topolů populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104 v závislosti na obsahu vody

Obsah vody (%)	Výhřevnost čisté dřevní hmoty (MJ/kg)
5	18,4
10	17,31
15	16,21
20	15,11
25	14,01
30	12,92
35	11,82
40	10,72
45	9,63
50	8,53
55	7,43
60	6,33

Se stoupajícím obsahem vody v dřevní hmotě klesá její výhřevnost, protože stoupá množství tepla potřebného k odpaření obsažené vody. Vysoušení dřeva jsou v podstatě dva fyzikální procesy. Prvním je pronikání vody zevnitř na povrch dřeva, druhým je odpařování par s povrchu dřeva.

Tyto procesy závisí na vlhkosti okolního vzduchu. To znamená, že vypařování probíhá tak dlouho, dokud není dosaženo rovnováhy mezi vlhkostí dřeva a vlhkostí okolí. Vliv má také hodnota okolní teploty a vlhkost vzduchu a také proudění vzduchu a velikost plochy dřeva, ze které dochází k odpařování. Dřevo má schopnost vodu odevzdávat, ale i přijímat. To znamená, že pokud je usušeno a potom nevhodně uskladněno, obsah vody se změní v neprospěch výhřevnosti. Sušení na volném vzduchu může trvat od několika týdnů do několika let. Záleží na dřevině: u topolů to je od 5 do 8 měsíců. Záleží samozřejmě na podmínkách skladování, teplotě, vlhkosti vzduchu a na formě dřeva (polena, krátké kusové dřevo, štípané dřevo, štěpka, větvě).

Z některých informací obsluh spaloven ale vyplývá, že ve skladu štěpky se obsah vody příliš neměří, protože při spalování dřevní štěpky v kotlích vysokých výkonů se míchá se suchou produkcí odpadu od dřevozpracujících firem, takže poněkud vyšší obsah vody je naopak žádoucí.

Nejméně čtyřletý cyklus

Plantáže rychle rostoucích topolů se sklízejí v tzv. velmi krátkém obmýtí, které se v našich podmínkách pohybuje mezi 4 až 6 roky. Pokud bude tedy celková doba existence plantáže 20 až 25 let, znamená to, že bude sklizena 4 – 5 x. Podle zkušeností ze zahraničí, ale již také od nás, se nedoporučuje sklízet v kratších obmýtích, protože se tím sníží celkový výnos za dobu existence plantáže.

V našich podmínkách je čtyřletý cyklus sklizně minimum, a to jen ojediněle v lokalitách s výbornými podmínkami pro růst. Převládá pětiletý až šestiletý cyklus sklizně, v méně příznivých podmínkách až osmiletý. Výhodou je relativní volnost při rozhodování o roku sklizně. Pokud není situace na trhu (poptávka) jeden rok výhodná, lze vyčkat se sklizní do roků dalších.

V případě víceletých topolových plantáží lze rozhodnout také o změně produkovaného sortimentu. Například přejít ze štěpky na jednokmennou lignikulturu (obmýtí až 30 let) pro produkci vlákniny, která je použitelná v papírenském průmyslu nebo sortimenty pro nábytkářský průmysl. Lze vyrábět také polínka, otepi a jiné sortimenty pro malá topeniště.

Termíny podle podmínek

Nejvhodnějším obdobím pro sklizeň RRD a zpracování ve formě štěpky je prosinec – březen, kdy je obsah vody v pletivech nejnižší a je půda zamrzlá a mechanizace nemá problémy s pohybem. Navíc pracovníci nejsou v zimním období tolik vázáni na výrobu jiné rostlinné produkce.

Zkušenosti z praxe nicméně ukazují, že zima může mít z hlediska teplot a srážek velmi rozdílný průběh: Například v roce 2006 sklizni v plantáži bránila vysoká vrstva sněhu, zatímco v roce 2007 nebyl v zimních měsících téměř žádný sníh a povrch půdy nebyl zpevněn mrazem. Těžba tedy může být prováděna v jednom roce v prosinci, v jiném roce až v druhé polovině března. Měřením bylo rovněž zjištěno, že nelze jednoznačně potvrdit ani to, že v zimě bude nejnižší obsah vody v dřevní hmotě. Například v suchém létě může kmenové dříví obsahovat dokonce méně vody než v zimě. Vždy záleží na vnějších podmínkách. Přesné plánování těžby je tedy obtížné, spíše jde o to mít připraveny variantní řešení.

Těžba a další zpracování

V našich podmínkách se topolová hmota využívá především pro energetické účely ve formě štěpky. Pro volbu technologie je důležité i to, zda jde o první sklizeň po výsadbě topolové plantáže nebo již o následující sklizně. U následující sklizně stromy již nerostou v podobě osamocených kmenů, ale z pařízku roste několik kmínků, resp. výhonů různých průměrů a délek. Také záleží na požadované formě produkce (štěpka, polena, kmenové výřezy). Ve Švédsku a Itálii se k těžbě běžně využívají sklízecí mlátičky na kukuřici se speciálním adaptérem na rychle rostoucí dřeviny (SRC). Sklízecí mlátička stromy zpracuje na štěpku přímo na plantáži a transportuje ji do přívěsu taženého traktorem, jedoucího vedle mlátičky. Systém je vysoce efektivní, ale pouze na rovném a pevném terénu. U svažitých a zamokřených pozemků je provoz problematický. Zkoušena byla i sklizeň využívající harvestorové technologie.

V České republice tento způsob prakticky nevyužívá vzhledem k dosud malé rozloze pěstovaných a sklízených ploch. U nás se používají tři základní technologie:

Těžba motorovou řetězovou pilou a následné štěpkování

Základní mechanizaci tvoří dva traktory, dva přívěsy s vysokými bočnicemi, štěpkovač poháněný a tažený traktorem a motorová řetězová pila: Na plantáž přijedou dva traktory s přívěsy a za jedním z nich je ještě připojen za přívěs štěpkovač na kolovém podvozku. Tento štěpkovač může mít vlastní motor k pohonu pracovního nástroje nebo je poháněn prostřednictvím vývodové hřídele traktoru, kterým je tažen.

Nejprve zahájí práci pilař s pomocníkem (traktoristou nebo obsluhou štěpkovače). V případě, že jeden ze zbývající dvojice je také pilař, mohou pracovat při těžbě dvě skupiny a čas pro sklizeň se zkrátí. Pomocník pomáhá ukládat stromy přibližně kolmo na osu řad tak, aby dolní část stromu směřovala do místa, kde je cesta, resp. prostor (meziřadí) pro jízdu soupravy traktoru se štěpkovačem a přívěsem.

Shodné směrování stromů je důležité pro jejich snazší vkládání do vstupního hrdla štěpkovače. Po provedené těžbě je zahájeno štěpkování stromů. Souprava pojíždí podél uložených řad stromů a pracovníci sbírají stromy přibližně ze tří řad topolového porostu a vkládají je do štěpkovače.

Těžba motorovou řetězovou pilou a snopkování

Jednoduché přídavné zařízení na traktor nebo specializovaný sklízecí stroj podřezává v dané výšce výhony, resp. kmínky RRD a spojuje je do snopků, které se buď ponechají na plantáži a nebo se odvážejí na místo konečného zpracování. Po vyschnutí na deponii (1 rok) mohou být snopky štěpkovány. Štěpka obsahuje přibližně 25 až 30 % vody.

Těžba motorovou řetězovou pilou a drcení (rozvlákňování)

Základní mechanizaci tvoří traktor, mobilní rychloběžný drtič dřevní hmoty, teleskopický nakladač a motorová řetězová pila:

1. Nejprve zahájí práci pilař s pomocníkem (nebo dva pilaři, kteří postupují v bezpečných vzdálenostech od sebe). Těžbu lze provést jeden den (nebo více dní, záleží na rozloze plantáže). Pokud je těžba prováděna na podzim po opadu listí, stromy se mohou ponechat určitou dobu přes zimu na plantáži (pokud by například napadla vyšší vrstva sněhu), než v jarních měsících začnou pařízky obrůstat.
2. Operátor nakladače postupně sbírá vhodným nástrojem kmeny (u kterého lze kmeny sevřít, například do drapákových vidlí s kovovými hroty) a vytváří deponie stromů, ke kterým postupně později přijíždí drtič. Mobilní drtič je umístěn vždy do optimálního místa u plantáže a operátor nakladače vkládá do násypky drtiče stromy z předem vytvořené deponie. Zpracovaná hmota je ukládána na povrch nebo může být pomocí dopravníku nakládána do korby přívěsu, což je efektivnější.

(Některé poznatky uvedené v článku byly získány při plnění úkolů v rámci projektu MŠMT 2B06131 Nepotravinářské využití biomasy v energetice.)

Literatura

• Celjak, Ivo: Způsoby těžby a zpracování stromů rychle rostoucích topolů, Farmář 5, 2007, roč. XIII, ISSN 1210-9789, s. 78 – 79
• Celjak, Ivo: Využití biomasy rychle rostoucích dřevin v energetice sídel, Sborník z Mezinárodní konference „Obnovitelné zdroje v energetice sídel“, 6.-7.11.2007, Praha, s.17-26, ISBN 978-80-254-0841-4
• Celjak Ivo, Boháč Jaroslav, Kohout Pavel: Rádce pro začínající pěstitele plantáží rychle rostoucích topolů, Monografie, JČU v Českých Budějovicích, ZF, 2008, ISBN 978-80-7394-011-9, 54 s.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky