Biomasa jako zdroj energie

V roce 2003 se biomasa podílela 10,6 % na světových primárních zdrojích energie, což je 79,9 % ze všech obnovitelných zdrojů. Na tomto podílu se však podílí převážně tradiční a méně efektivní způsoby využití přímého spalování.

V chudších oblastech Afriky, Jižní Ameriky a Asie je biomasa často hlavním nebo jediným zdrojem energie. Průměrný roční nárůst využívání biomasy z posledních let (zhruba o 2 %) je však již převážně způsoben rozvojem využití biopaliv tzv. 1. generace, jako jsou například bioetanol a bionafta z konvenčních zemědělských plodin nebo štěpka a sláma z lesní a zemědělské produkce. Po roce 2015 se očekává postupný nástup využívání biopaliv a technologií 2. generace s většími environmentálními přínosy a ekonomickou efektivností výroby. Jaké jsou tedy přínosy biomasy jako energetického zdroje?

Biomasa je zdroj obnovitelný – tzn. při racionálním využívání nevyčerpatelný; dostupné zásoby fosilních paliv a uranu se pohybují v desítkách let, kromě uhlí, které se odhaduje na 150 – 200 let.

Biomasa je CO₂ neutrální palivo – tzn. při racionálním využívání jsou emise tohoto hlavního skleníkového plynu rovny jeho spotřebě v nově narůstajících biomase; také emise ostatních znečišťujících prvků jsou při efektivním spalování standardizovaných biopaliv nižší než u nejčastěji požívaných fosilních paliv.

Biomasa může být transformována a skladována – tzn. různé formy biomasy mohou být transformovány na různá pevná, plynná a kapalná biopaliva, která mohou být používána v různých energetických zdrojích a i v dopravě; současně mohou být skladována a používána v době potřeby.

Využívání biomasy přispívá k rozvoji zemědělských oblastí hlavně lepším využitím pracovní síly a mechanizace, posílením místní ekonomiky – peníze za energii zůstávají v regionu, přicházejí investice do nových technologií.

Biomasa – tradiční energetický zdroj

České země mají poměrně dlouhou tradici využívání různých forem biomasy pro výrobu energie. Asi nejznámější byly dřevoplynové agregáty pro pohon automobilů za druhé světové války a těsně po ní (přikládala se polínka nebo dřevěné uhlí).

Největšího rozsahu nabylo u nás využívání biomasy pro energetické účely ještě před nástupem spalovacích motorů do zemědělství. Hlavním zdrojem „paliva“ byla zemědělská půda, která pokrývá přes polovinu rozlohy státu. Tehdy byla až třetina produkce obilnin (zejména ovsa) zkrmena hospodářskými, především tažnými, zvířaty – a ta ji přeměnila na energii kinetickou. Přibližně v období první republiky, kdy tažných zvířat s rozvojem zemědělské mechanizace ubývalo, nastal problém, který je aktuální dodnes: Jak efektivně využít zemědělskou půdu v méně úrodných oblastech, na níž se dříve pěstovaly krmné (energetické) plodiny? Hledaly se nové zemědělské plodiny a nová využití plodin tradičních, například u nás existoval dotační program, který podporoval pěstování brambor pro výrobu lihu na Českomoravské vrchovině. Na trhu s kapalnými palivy se vyskytovalo několik směsí využívajících biolíh. Není bez zajímavosti, že přibližně stejná rozloha zemědělské půdy je v současnosti považována za „půdy s nižším produkčním potenciálem“ a na její obhospodařování jsou vynakládány značné finanční prostředky formou dotací.

V posledních letech dochází k postupné renesanci energetického využívání dřeva a biomasy. V roce 2005 se Česká republika zařadila na 9. místo v absolutní spotřebě biomasy a na 11. místo v přepočtu na obyvatele v EU. V roce minulém se potom bylo podle MPO k energetickým účelům využito téměř 6 mil. tun biomasy, přičemž více než polovinu tvoří odhadovaná spotřeba dřeva v domácnostech. Více než 0,5 mil. tun se vyvezlo do zahraničí.

Formy a zdroje biomasy

Biomasou v nejširším smyslu je hmota všech organismů na Zemi. Zahrnuje tedy jak jejich "tělesné" schránky tak i živé či neživé produkty jejich činnosti (obaly, exkrementy, semena, dřevo). Existuje proto celá řada forem biomasy podle jejího původu nebo způsobu vzniku jako například fytomasa, zoobiomasa, dendromasa atd.

Základním producentem biomasy jsou rostliny, které jsou schopné využitím světelné energie zachycené v zeleném barvivu – chlorofylu – produkovat sacharidy a následně bílkoviny. Ty jsou základním „stavebním kamenem“ všech živých organismů – biomasy. Tato reakce je syntézou atmosférického CO₂ a vody za pomoci energie slunečního záření (proces zvaný fotosyntéza). Teoreticky všechny formy biomasy je možno využít pro produkci energie, neboť základním stavebním prvkem živé hmoty je uhlík a uhlíková vazba, která obsahuje energii. Je pouze technickou otázkou jak tento potenciál využít a zda je to ekonomicky výhodné.

Biomasa má mnoho forem, z nichž mnohé se ke spalování nehodí, kvůli vysokému obsahu prvků nebo látek, které zhoršují kvalitu spalování, nebo se při spalování vytvářejí nebezpečné emise. U těchto forem biomasy je možně zvolit jiný způsob transformace například výrobu bioplynu anaerobním kvašením. Z hlediska vzniku biomasy je biomasu vhodnou pro výrobu energie možno rozdělit na tyto základní skupiny:

1. Zbytková biomasa ze zemědělství

• rostlinné sklizňové zbytky zemědělské prvovýroby, zejména sláma obilná a řepková
• organické zbytky zemědělské výroby, zejména chlévská mrva
• organické nebo rostlinné zbytky ze zpracovatelského průmyslu, zejména mlékárenského a potravinářského (např. rostlinné obaly olejnatých semen - slunečnice, tuky)

2. Zbytková biomasa z lesnictví

• těžební odpad z lesního hospodaření např. z prořezávek, probírek a nehroubí (průměr kmene < 7cm) z mýtní těžby
• spalitelný odpad z pilařské výroby, dřevozpracujícího a papírenského průmyslu

3. Biomasa energetických plodin 1. generace

• řepka a palma olejná na FAME a PPO (čistý řepkový olej)
• pšenice a kukuřice (v USA) na bioetanol
• žitovec (triticale) na pelety

4. Biomasa energetických plodin 2. generace (tzv. ligno-celulózní plodiny)

• dřeviny: např. topoly, vrby nebo v teplejších oblastech eukalyptus
• nedřevnaté rostliny: energetický šťovík, ozdobnice, proso dvojřadé aj.

Je zajímavé, že biomasa zbytková z ligno-celulózních plodin má v suchém stavu velmi podobné chemické složení. Je tvořena přibližně ze 44 – 48 % uhlíkem, 44 % kyslíkem a 5,5 - 6,5 % vodíkem. Z tohoto faktu také vyplývá skutečnost, proč je výhřevnost zcela suché biomasy různých plodin skoro stejná – obvykle se pohybuje mezi 17,5 – 19,5 MJ/kg. Biomasa z některých plodin obsahuje však také prvky a sloučeniny, které mohou negativně ovlivnit kvalitu biopaliva. Jsou to například chlor, křemík, dusík a těžké kovy. Velkou předností fytopaliv je, že, až na výjimky, neobsahují síru a jejich spalování tedy není zdrojem SO₂. Obsah popela v biomase je velmi nízký, u dřeva se hodnoty pohybují v průměru okolo 1 %, ale často je jeho podíl i nižší. Spalné teplo biomasy je závislé na obsahu vody, který se v praxi pohybuje v širokém rozmezí 10 – 70 %. Výhřevnost s obsahem vody lineárně klesá.

Zbytková biomasa lesní a zemědělská

Zbytková biomasa je v našich podmínkách převážně snadno dostupná a levná forma paliva. Bývá tedy prvním a zatím také hlavním zdrojem biopaliv v existujících nebo budovaných výtopnách a kotelnách na spalování biomasy.

Nejčastějším zdrojem bývají pilařské a dřevozpracující provozy, které často jako odpadní produkt poskytují piliny a odřezky různého rozměru. Tato forma biomasy – zejména z velkých zdrojů - začíná být pomalu zcela využita především pro výrobu biopaliv, například lisovaných dřevních pelet a briket. Menší lokální pily však stále mohou být rentabilním zdrojem pro místní potřeby.

Další velmi slibným zdrojem je odpadní dřevní biomasa z výchovných a mýtních těžeb v lesních porostech. Přesto, že je její potenciál velmi vysoký, není zatím téměř vůbec využíván, protože lesnické společnosti, které provádějí těžbu, nejsou schopny tuto biomasu vyklízet z lesa ekonomicky rentabilním způsobem.

Zemědělské sklizňové zbytky – zejména obilná, příp. řepková sláma, mají široké uplatnění. Kromě toho, že jsou krmivem a stelivem pro hospodářská zvířata, substrátem v kompostárenství, jsou také velmi dobrým, dostupným a relativně levným palivem. Energetické využití u nás však stagnuje z různých důvodů (vysoká cena, agro-ekologické námitky, nevhodnost pro některá topeniště).

Energetické rostliny a plodiny

Termínem energetické plodiny nebo rostliny jsou označovány taxony dřevin, trvalek a bylin – tedy botanické druhy, kultivary, klony, přírodní i záměrní kříženci – které jsou využívány nebo testovány pro záměrnou produkci biomasy k energetickému využití (resp. pevných, kapalných a plynných biopaliv). V posledním evropském přehledu energetických plodin bylo celkem evidováno 37 plodin, z čehož bylo 10 druhů dřevin.

V posledních letech dochází k jistému posunu v chápání energetických plodin a to tak, že se po vzoru biopaliv rozdělují na energetické plodiny 1. a 2. generace. První skupinu tvoří původně potravinářské, krmivářské, příp. technické zemědělské plodiny, které jsou zpracovávány převážně na kapalná příp. plynná biopaliva. Patří mezi ně například řepka používaná na výrobu FAME a čistého řepkového oleje (PPO), pšenice na výrobu ethanolu, žitovce na výrobu pelet a kukuřice na výrobu bioplynu a ethanolu (USA).

Do druhé skupiny patří "nové energetické plodiny", někdy také nazývané ligno-celulóní energetické plodiny. Jedná se zejména o vybrané klony a odrůdy rychle rostoucích dřevin, vytrvalých travin a bylin. Podle současných prognóz by se měly v zemědělství výrazně rozšířit v druhém desetiletí spolu s komerčním rozvojem technologií zkapalňování biomasy (například na ethanol) a efektivních metod spalování (například kogenerací). Pěstování energetických plodin 2. generace a jejich konverzní technologie budou mít lepší ekonomickou efektivnost a výrazně vyšší environmentální přínosy (např. úsporu skleníkových plynů). Podle našeho aktualizovaného přehledu, bylo zatím v Evropě testováno přes 150 taxonů rostlin pro výběr energetických plodin „druhé generace“. V praxi se pěstuje 5 až 8 taxonů výhradně na zemědělské půdě (ZPF) jako alternativní zemědělské plodiny. Největší pěstební plochy dosahují vrby a topoly (18tis resp. 5tis. ha hlavně ve Švédsku a Itálii) a proso dvojřadé. V domácí praxi se pak nejvíce pěstuje tzv. energetický šťovík na cca 1200 ha a rychle rostoucí dřeviny (topoly a vrby) na cca 150 ha.

Stav a perspektivy využití biomasy

Aktuální energetická politika ČR si klade za cíl zvýšení podílu obnovitelných zdrojů na celkové spotřebě primárních energetických zdrojů na 8,9 % k roku 2010 a zhruba 15,7 % k roku 2030. Biomasa by měla pokrývat přibližně ¾ tohoto podílu. V roce 2006 však činil podíl energie z obnovitelných zdrojů zhruba jen 4,3 %, z čehož biomasa pokrývala jednu čtvrtinu. I když se na pomalejším rozvoji produkce a využití biomasy podílelo více příčin, nejvíce byl vývoj v uplynulých 7 až 10 letech ovlivňován v důsledku nejednoznačných státních a rezortních politik (zejm. MZe, MŽP a MPO), které neumožnily dostatečný rozvoj některých forem biomasy. V uplynulém období se také objevilo několik konfliktů, které mohou v příštích letech energetické využití biomasy komplikovat. Jedná se například o konflikt mezi tradičním surovinovým (dřevo-desky, cihlářství, papír aj.) a energetickým využitím dřevní štěpky. Další konflikt vzniká využitím potravinových plodin (energetické plodiny 1. generace) k produkci biopaliv (FAME, bioetanol), které vede k zvyšování cen potravin.

I přes uvedené připomínky se lze domnívat, že využití biomasy jako energetického případně průmyslového zdroje bude v příštích letech vzrůstat a že přispěje k rozvoji našeho zemědělství a venkova. Do jaké míry se tak skutečně stane, bude záviset především na vytvoření stabilních a harmonizovaných politik a dočasných dotačních programů, které by umožnily rozvoj pěstební plochy energetických plodin 2. generace a nástup efektivních pěstebních a zpracovatelských technologií. V současnosti již musí tato koordinace probíhat ve spolupráci s EU a v návaznosti na očekávanou reformu společné zemědělské politiky. Nedílnou součástí dlouhodobé podpory rozvoje biomasy by také měla být výrazně vyšší a koordinovaná podpora základního a aplikovaného výzkumu.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu