Biomasa ako palivo

Získavanie energie z biomasy patrí medzi najstaršie energetické technológie, ktoré ľudstvo používalo ako primárny zdroj tepla a svetla už v dobe kamennej. O niekoľko tisícročí nástupom fosílnych palív sa rýchlo obnoviteľná biomasa dostala do úzadia. V súčasnosti dopady využívania fosílnych palív na naše životné prostredie a ich neobnoviteľnosť si vynucujú zamyslieť sa nad inými možnosťami a spôsobmi získavania energie, a to, na jednej strane zo zdrojov, ktoré sú rýchlo obnoviteľné, a na strane druhej, z takých, u ktorých počas procesu získavania energie z nich nedochádza k nadmernému znečisťovaniu životného prostredia. Táto cesta vedie k opätovnému návratu k prvotnému zdroju energie - k rýchlo obnoviteľnej biomase.

Biomasa = obrovský energetický potenciál

Biomasa je biologický materiál so skrytým obrovským energetickým potenciálom. Tvorí sa vo voľnej prírode alebo je vyprodukovaná činnosťou človeka. Je to zakonzervovaná slnečná energia, ktorú rastliny vďaka fotosyntéze premieňajú na organickú hmotu. Tá, či už ako drevo, rastliny alebo iné poľnohospodárske zvyšky, vrátane exkrementov úžitkových zvierat dokáže vhodnou konverziou poskytnúť užitočné formy energie – elektrickú energiu, teplo i kvapalné palivá pre motorové vozidlá. Biomasa patrí medzi najvýznamnejšie obnoviteľné energetické zdroje a do značnej miery môže nahradiť fosílne palivá.

Všetky fosílne palivá, ktoré dnes využívame (uhlie, ropa, zemný plyn), sú v podstate pradávnou biomasou. Hoci obsahujú rovnaké stavebné prvky (vodík, uhlík) ako čerstvá biomasa, nepovažujeme ich za obnoviteľné. Z hľadiska vplyvu na životné prostredie je veľký rozdiel medzi fosílnymi palivami a obnoviteľnou (čerstvou) biomasou. Pri fosílnych palivách dochádza k ovplyvňovaniu životného prostredia tým, že pri ich spálení sa do atmosféry dostávajú látky, ktoré boli po mnoho miliónov rokov uložené pod zemským povrchom. Spaľovanie čerstvej biomasy je z hľadiska emisií skleníkových plynov neutrálne.

Najrozšírenejším palivom z kategórie biomasy je drevo. Môže mať rôznu formu, t. j. môže byť kusové ako drevný odpad (štiepky, pelety apod.) alebo môže byť špeciálne pestované - energetické dreviny (vŕba, topoľ a pod).

V energetickej bilancii mnohých krajín hrajú významnú úlohu aj organické zvyšky z poľnohospodárskej výroby (napr. slama). Určitou formou biomasy je aj bioplyn, ktorý sa získava zo skládok komunálneho odpadu, čističiek odpadových vôd alebo hnojovice zo živočíšnej výroby. Biomasa sa už dnes podieľa asi 14 % na celosvetovej spotrebe primárnych energetických zdrojov. Avšak pre tri štvrtiny obyvateľstva Zeme, ktorá žije prevažne v rozvojových krajinách, je najdôležitejším palivovým zdrojom. Je predpoklad, že pri raste populácie a znižovaní zásob fosílnych palív bude jej význam narastať. Napríklad vo Švédsku alebo v susednom Rakúsku sa biomasa podieľa asi 15 % na spotrebe energie (u nás sú to menej ako 3 %).

Biopalivá = energia organického pôvodu

Zdroje energie, ktoré sú organického pôvodu (od dreva až po organický materiál na skládkach komunálneho odpadu), sú vlastne biopalivami. V podstate ide o všetky tuhé, kvapalné a plynné palivá vyrobené z organických látok buď priamo z rastlín, alebo nepriamo z priemyselných, poľnohospodárskych alebo domácich odpadov. Taktiež je možné pestovať rastliny špeciálne iba pre energetické účely. Postupne môžeme prejsť všetkými skupinami biopalív podľa skupenstva.

Drevo

Medzi pevné patrí drevo, ktoré sa dá energeticky zhodnocovať trvalo udržateľným spôsobom. Ročný prírastok celosvetovej drevnej hmoty sa odhaduje na 12,5 mld. m³, čo predstavuje energetický ekvivalent cca 182 EJ, teda asi 1,3-násobok celosvetovej ročnej spotreby uhlia. Priemerná spotreba dreva pre všetky účely predstavuje asi 3,4 mld. m³ za rok. Väčšinu lesov v Európe by bolo možné takto využívať bez toho, aby bola ohrozená existencia prírodných ekosystémov. Súvisí to so vznikom odpadu pri ťažbe a spracovaní dreva, ktorý často zostáva nevyužitý (napr. drevné štiepky, resp. piliny na výrobu peliet). Pri využívaní dreva ako energetickej suroviny by sa mala venovať pozornosť najmä účinnosti technológie spaľovania. Tradičné pece majú účinnosť využitia energie často nižšiu ako 30 %, čo je v porovnaní napr. s modernými splyňovacími kotlami s účinnosťou okolo 90 % veľmi málo.

Brikety, štiepky, pelety, slama a rýchlorastúce rastliny a dreviny

Okrem dreva sú tu ešte brikety, štiepky, pelety, slama a rýchlorastúce rastliny a dreviny. Brikety sú valcovité telesá s dĺžkou asi 15 až 25 cm. Vyrábajú sa z odpadovej biomasy drvením, sušením a lisovaním bez akýchkoľvek chemických prísad. Majú vysokú výhrevnosť (19 MJ.kg^-1).

Štiepky sú 2 až 4 cm dlhé kúsky dreva. Vyrábajú sa z drevných odpadov (u tenčiny z prerieďovania porastov alebo konárov.

Relatívne novou formou drevného paliva sú pelety. V podstate sú to granule kruhového prierezu s priemerom približne 6 až 8 mm a dĺžkou 10 až 30 mm. Sú vyrobené výhradne z odpadového materiálu (piliny, hobliny) bez akýchkoľvek chemických prísad. Relatívne vysoká hustota nalisovaných granúl (min. 650 kg/m³) garantuje aj vysokú výhrevnosť – takmer 20 MJ/kg. Týmito parametrami sa pelety vyrovnajú uhliu.

Slama má vyššiu výhrevnosť ako hnedé uhlie a ako palivo na vykurovanie sa dnes využíva v mnohých vyspelých krajinách.

Niektoré druhy rastlín a drevín sa vyznačujú rýchlym rastom alebo kvalitou produkovaného oleja. Vďaka tomu je ich možné cielene pestovať na energetické využitie. Z hľadiska ochrany životného prostredia je veľmi výhodné pestovanie vŕb. Je možné použiť ich na čistenie vôd v tzv. biologických čističkách. Na každom hektári sa dá každý rok ekologicky zlikvidovať 10 až 20 t odpadových vôd a kalov. Spojenie funkcie biologickej čističky a energetickej dreviny robí z vŕb unikátny biologický druh. Podstatné je, že spaľovanie týchto drevín, podobne ako aj inej biomasy, neprispieva k zvyšovaniu emisií síry ani skleníkových plynov do ovzdušia. Navyše pestovanie týchto rastlín a drevín pre energetické účely vedie aj k tvorbe nových pracovných príležitostí.

Perspektívnou rastlinou je aj konope, ktoré sa vyznačuje vysokou produkciou živej hmoty – až 24 t na ha za približne 4 mesiace. S ohľadom na obsah omamných látok jeho pestovanie však nie je jednoduché.

Kvapalné biopalivá

Kvapalné biopalivá na rozdiel od pevných a plynných biopalív sa uplatňujú predovšetkým na pohon motorových vozidiel. Najdôležitejšími palivami, ktoré sa v súčasnosti vyrábajú z biomasy, sú etanol, metanol a bionafta.

Bionafta, ktorá sa vyrába z repky olejnej, je jediným z kvapalných biopalív, ktoré sa využíva aj u nás. U našich susedov v Dolnom Rakúsku existuje asi 40-tis. hektárov, ktoré sú určené výlučne na pestovanie plodín na výrobu biopalív, hlavne bionafty. Ročná produkcia tu predstavuje 120 miliónov litrov.

Najrozšírenejšími kvapalnými biopalivami sú tzv. alkoholové palivá (etanol a metanol). Vyrábajú sa hlavne z obilia, kukurice a cukrovej trstiny. Pri ich spaľovaní sa tvorí menej škodlivín, pretože majú jednoduchšiu štruktúru ako benzín alebo nafta a zároveň lepšie horia.

Etanol sa dnes bežne využíva ako náhrada za benzín v spaľovacích motoroch. S používaním etanolu v doprave majú skúsenosti hlavne v Brazílii (program Proalcool) a v USA (program Gasohol). Istou nevýhodou výroby etanolu z poľnohospodárskych produktov je skutočnosť, že v prípade snahy o nahradenie väčšieho množstva klasických palív by takáto veľkovýroba v celosvetovom meradle predstavovala konkurenciu k produkcii potravín. Uvedené nevýhody sa však netýkajú výroby etanolu z drevnej biomasy. Podobne to platí aj pri výrobe etanolu z odpadovej biomasy z poľnohospodárskej produkcie.

V EÚ sa udáva, že ak by sa na výrobu etanolu použila napr. cukrová repa, tak by týmto palivom bolo možné zásobiť všetky poľnohospodárske stroje, pričom výmera pôdy by predstavovala približne 10 % ornej pôdy v EÚ. Zo skúseností totiž vyplýva, že z jedného hektára osiateho cukrovou repou je možné získať takmer 5-tisíc litrov etanolu. Hoci energetická bilancia pri výrobe etanolu (podiel získanej a vloženej energie) je približne polovičná v porovnaní s bionaftou (MERO), výhodou etanolu je, že z jedného hektára je možné získať viac litrov paliva (4 755 litrov) ako v prípade MERO (asi 1 400 litrov). Bilancia výroby etanolu prepočítaná na kg vstupnej suroviny vychádza lepšie, keď sa použije obilie. Na výrobu jedného litra etanolu je potrebných asi 2,8 kg obilia. V prípade cukrovej repy je to približne 10 kg. Výrobná cena etanolu spolu s jeho destiláciou sa vo svete pohybuje na úrovni 0,6 USD za liter. Cena etanolu je dvojnásobná v porovnaní s metanolom, čo platí aj v prípade jeho syntetickej výroby. Pri tejto cene je jeho využívanie ako paliva v doprave problematické. Brazílsky príklad však ukazuje, že je možné vytvoriť podmienky pre jeho širšie uplatnenie.

Metanol (metylalkohol) je čistá kvapalina bez zápachu. Energia obsiahnutá v 1 litri metanolu predstavuje 18 MJ, ale účinnosť motora pri aplikácii tohto paliva je vyššia ako v prípade benzínu (asi o 20 %), čo potom zvyšuje hmotnostnú energiu metanolu na 22,5 MJ. Metanol je možné vyrobiť nielen z biomasy, ale aj z niektorých fosílnych palív ako napr. zo zemného plynu alebo z uhlia. Nevýhodou výroby metanolu z biomasy je jeho dvojnásobná cena v porovnaní so syntetickým metanolom, ktorý je vyrobený zo zemného plynu. Zaujímavosťou tiež je, že z metanolu je možné vyrobiť aj benzín, avšak celý proces výroby prebieha s energetickou stratou, a preto sa nevyužíva. Zo skúseností vyplýva, že z jednej tony suchej biomasy je možné vyrobiť asi 700 litrov metanolu.

Bionaftu - rastlinný olej je možné získať z viac ako 300 druhov rôznych rastlín (repka olejná, slnečnica, oliva, sója, kokosový orech a i.). Význam bionafty je hlavne v tom, že takmer každý naftový motor je v princípe možné upraviť na spaľovanie bionafty. Použitie čistého rastlinného oleja v motoroch však prináša viacero ťažkostí, a preto sa tento olej upravuje esterifikáciou na metylester u nás označovaný ako MERO, v zahraničí sa používa termín RME (rape seed metyl ester). Takýto olej je potom možné bez problémov primiešavať do nafty. Neprejaví sa to negatívne na chode motora. Má to však pozitívny vplyv na zníženie emisií pri spaľovaní. Na rozdiel od rastlinných olejov MERO obsahuje niektoré rakovinotvorné látky a je rovnako toxický ako nafta. Bionafta, pod ktorou sa rozumie čistý rastlinný olej alebo MERO, sa z hľadiska energie obsiahnutej v jednom litri paliva približuje kvalite nafty, pričom táto hodnota je vyššia ako energetická hustota iných alternatívnych palív. Výroba bionafty pozostáva z lisovania repky, filtrovania a následného delenia oleja (esterifikácia) na metylester (MERO – bionafta) a glycerol.

Glycerol ako vedľajší produkt je vhodný pre chemický priemysel a výlisky sú cennou krmovinovou zmesou.

MERO je ekologicky čisté palivo a v porovnaní s naftou pri spaľovaní vykazuje 3-až 40-krát nižší obsah uhľovodíkov vo výfukových plynoch. Má zníženú dymivosť, plyny obsahujú menej tuhých častíc a iných nebezpečných látok. Použitie MERO si vyžaduje však malú úpravu motora, pričom sa zníži jeho výkon aj spotreba paliva asi o 5 %. Použitie plynných palív v motoroch s vnútorným spaľovaním je známe už takmer 150 rokov. Využitie organickej hmoty na výrobu plynných palív je v podstate možné dvoma spôsobmi: splyňovaním suchých zvyškov biomasy (drevoplyn) anaeróbnym vyhnívaním biomasy (bioplyn)

Obidve palivá tak drevoplyn, ako aj bioplyn je možné použiť v benzínových a naftových motoroch s istými úpravami. Výhodou plynných palív je, že pri spaľovaní sa lepšie miešajú so vzduchom, a preto lepšie horia ako kvapalné palivá. V porovnaní s benzínom a naftou majú vyššie oktánové číslo. Vyššia kvalita plynných palív umožňuje použitie vyššieho kompresného pomeru – až do 10 : 1 v benzínových spaľovacích motoroch a 15 : 1 v naftových motoroch, čo má za následok vyšší výkon a účinnosť motora. Z energetického hľadiska však plynné biopalivá nedosahujú úroveň napr. zemného plynu (35 MJ.m^-3). Energia obsiahnutá v drevoplyne je tiež podstatne nižšia ako pri bioplyne a jej minimálna hodnota predstavuje len asi 5,6 MJ/m³ (bioplyn - 21,6 MJ.m^-3). Zloženie bioplynu a drevoplynu však nie je konštantné a mení sa v závislosti od podmienok ich výroby v digestore alebo splynovači. V drevoplyne je najdôležitejšou energetickou zložkou vodík, v bioplyne je to metán. Keďže metán má kritickú teplotu pre skvapalnenie -82 °C, nedá sa jednoducho skvapalniť a používať v takejto forme. Vo svete však existujú príklady použitia stlačeného (pri tlaku 200 – 220 bar) alebo skvapalneného bioplynu v traktoroch s objemom valcov 50 litrov. Skúsenosti ukazujú, že skvapalnenie bioplynu a následné využitie ako paliva pre motorové vozidlá neprináša pre používateľov výraznejšie ekonomické výhody, a preto sa aplikácia bioplynu v súčasnosti koncentruje prevažne v stacionárnych motoroch – kogeneračných jednotkách (výroba elektriny a tepla). Každá organická hmota po odumretí podlieha rozkladu. Ak tento proces prebieha účelovo bez prítomnosti kyslíka (tzv. anaeróbne vyhnívanie), dochádza k vzniku bioplynu.

Bioplyn sa v súčasnosti získava hlavne zo skládok komunálneho alebo z poľnohospodárskeho odpadu. Jeho využitie pre energetické účely predstavuje jeden z najekonomickejších spôsobov ekologického zneškodňovania odpadov. Jeho výroba je v súčasnosti sústredená v krajinách EÚ hlavne v poľnohospodárskych podnikoch. Z hľadiska použitia je najjednoduchšie spaľovanie bioplynu s následným získavaním tepla na vykurovanie alebo ohrev vody. V lete však vzniká problém s nadbytkom tepla, a preto je vhodné využiť bioplyn na iné účely. Do úvahy prichádza hlavne spaľovanie bioplynu v plynovom motore s následnou výrobou elektriny, ktorej využitie je všestrannejšie. Bioplyn skladajúci sa hlavne z metánu (60 – 70 %) a oxidu uhličitého (30 – 40 %) predstavuje hodnotné palivo. Proces anaeróbneho vyhnívania organických zvyškov prebieha v nádržiach bez prístupu vzduchu. Okrem bioplynu vzniká v nádrži aj tuhý odpad, ktorý je vhodným hnojivom pre poľnohospodárske účely. Uvedená výroba je perspektívna hlavne pre poľnohospodárske družstvá, čističky odpadových vôd alebo skládky komunálneho odpadu, kde vzniká tzv. skládkový plyn. Hoci výroba bioplynu pre energetické účely je vo svete bežná, na Slovensku existuje len veľmi málo takýchto zariadení. Zatiaľ je v prevádzke len niekoľko čističiek odpadových vôd a len päť poľnohospodárskych bioplynových staníc. Prvým zariadením využívajúcim hnojovnicu je bioplynová stanica v poľnohospodárskom družstve Bátka. Bioplyn vyrobený v Bátke sa využíva na kombinovanú výrobu elektriny a tepla. Bioplyn z čističiek odpadových vôd sa používa prevažne na prípravu teplej vody. Využitie tohto paliva v motorových vozidlách však u nás neexistuje.

Inforámček mimo článku

Pozitíva využívania biomasy ako paliva:

• prispieva k ekonomickému rozvoju vidieka a k oživeniu lokálního hospodárstva
• zvýšenie príjmov poľnohospodárov
• diverzifikácia poľnohospodárskej produkcie
• revitalizácia pôdy
• znižovanie emisií z energetiky
• tvorba nových pracovných príležitostí (zber, spracovanie a využitie) a priemyselný rozvoj viažuci sa na vývoj technológií
• otvorenie nových trhov (technické plodiny)
• znižovanie emisií skleníkových plynov
• absorpcia CO₂ z atmosféry rastlinami
• využívanie metánu z bioplynu (zo skládok, hnojovice a pod.)
• nižší obsah síry

Článok bol napísaný v rámci projektu aplikovaného výskumu STU Riešenie energetického hospodárstva využitím dostupných obnoviteľných zdrojov energie (AV 120/2006). Text upravila Ivana Lisická.

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