Emise při spalování biomasy

Rostoucí význam biomasy jako zdroje energie je dán snahou využít všechny dostupné zdroje. Obvykle jde o domácí zdroje, takže produkce a zpracování vytváří nové pracovní příležitosti a podporuje rozvoj podnikání. Spalování biomasy, pokud je náhradou za fosilní paliva, přispívá ke snižování produkce skleníkových plynů.

Uvádí se,  že spalování biomasy je z hlediska emisí oxidu uhličitého neutrální, neboť množství produkovaného oxidu uhličitého je srovnatelné s množstvím, spotřebovaným rostlinami při jejich růstu (fotosyntéza). Je to ovšem zjednodušený pohled, neboť stromy rostou desítky let a dřevo z nich se spálí okamžitě. Navíc při spalování biomasy vznikají i další škodliviny, a to některé velmi nebezpečné jako polyaromatické uhlovodíky, případně dioxiny. Měření ale prokázala, že o množství škodlivých emisí rozhoduje především způsob spalování [6] .

Způsob porovnání emisí

Porovnáním emisí jednotlivých škodlivin při spalování tuhých fosilních paliv (černé a hnědé uhlí) a biomasy (dřevních pelet) v kotlích lze nalézt rozborem dat získaných z různých experimentů či komerčních měření emisí.

Data pro jednotlivé škodliviny jsou popsána například ve studii [9], kde jsou shrnuty nejdůležitější závěry týkající se produkce škodlivin při spalování různých paliv. Jde především o měření u zdrojů malých až středních výkonů, které v soukromých obytných objektech převládají. V těchto zdrojích se jako biomasa uplatní hlavně dřevo a z něj odvozená paliva, případně paliva z energetických plodin či zbytků ze zemědělské výroby. K dispozici je kusové palivové dříví, štěpka, brikety a pelety [2] .
Z výsledků měření lze vyčíst, že ne vždy znamená spalování biomasy přímé snížení množství produkovaných škodlivých emisí. Důležitým faktorem je především způsob vedení spalování, který je dán způsobem přivádění paliva, laicky řečeno přikládáním.

Produkce plynných škodlivin

Emisní faktory CO

Koncentrace CO ve spalinách za kotlem nejlépe ukazuje na kvalitu spalovacího procesu. Nedohořelý CO představuje ukazatel o špatně nastavených spalovacích parametrech (množství vzduchu apod.) nebo o nevhodné konstrukci spalovacího zařízení pro dané palivo.

Podle dat z experimentu provedeném na kotlích malého výkonu z pohledu produkce oxidu uhelnatého kupodivu nejlépe vychází černé uhlí (graf 1). Biomasa se řadí před hnědé uhlí. Tyto hodnoty se však při použití jiných technologií mohou lišit.

Emisní faktory NO_x

Emise NO_x jsou nejvíce ovlivněny obsahem dusíku v palivu a teplotou ve spalovací komoře. Vysoká teplota (nad 1000 °C) způsobuje vznik tzv. termických NO_x. Teplota v ohništích malých výkonů je ve většině případů menší než kritická hodnota, takže termické NO_x netvoří hlavní díl výsledných emisí NO_x. Hlavní podíl na tvorbě emisí NO_x má obsah dusíku v palivu.

Nejnižších hodnot emisních faktorů při spalování paliv kotlích malých výkonů (graf 2) bylo dosaženo při spalování dřevních pelet, což je způsobeno menším obsahem dusíku v palivu při porovnání s uhlím. Při spalování uhlí se díky vyšším teplotám začínají tvořit i termické NO_x.

Emisní faktory CO₂

Přestože současná legislativa se nezabývá emisemi CO₂, byly při spalování změřeny i hodnoty skutečných emisních faktorů CO₂ (graf 3). Obvykle se uvádí, že stejné množství oxidu uhličitého, které vznikne spálením biomasy, je biomasou absorbováno během růstu. Z toho plyne, že i když emisní faktor CO₂ při spalování není nulový, lze jej za nulový považovat.

Po přepočtení emisních faktorů na výhřevnost paliva vychází emisní faktory pro hnědé uhlí 81,3 kg CO₂/GJ v palivu, pro černého uhlí 71,3 kg CO₂/GJ v palivu.
V grafu 4 jsou zachycena data z jiného experimentu. Zde byly naměřené hodnoty emise CO, SO₂ i NO₂ nejnižší při spalování biomasy. Nižší produkce oxidu siřičitého u biomasy je dána malým podílem síry v palivu. Množství spalitelné síry v palivu pak určuje množství oxidu siřičitého ve spalinách.

Emise těžkých kovů

U uhlí se ve spalinách objevuje z těžkých kovů řádově více olova než ostatních kovů. U koncentrací kovů s velkým vlivem na zdraví, jako je As, Cd, je koncentrace těchto kovů nižší u uhlí než u biomasy. U některých dalších vysoce toxických kovů, jako je již zmíněné olovo a dále pak rtuť, jsou koncentrace těchto kovů výrazně nižší u biomasy. U ostatních kovů se nedá jednoznačně stanovit, ze kterých paliv pronikají tyto kovy do spalin více.

Tab. 1 – Koncentrace kovů v emisích ze spalování uhlí a biomasy v malých zdrojích

Pozn.: Jednotlivá paliva jsou popsána v [9] .

Porovnání emisních faktorů

Legislativní toxický ekvivalent (LTEQ) je koeficient, jimž se násobí emisní faktory jednotlivých kovů a který zohledňuje jejich vliv na životní prostředí. Vychází z hodnot emisních limitů pro jednotlivé kovy.

Graf 5 ukazuje, že mezi jednotlivými palivy není významný rozdíl z hlediska množství emitovaných těžkých kovů, s výjimkou spalování slámy z řepky (RSt), briket z uhlí Julian a kalů z ČOV (BSlC). Z pohledu emisního faktoru těžkých kovů vychází z experimentu lépe fosilní palivo (černé uhlí).

Emisní faktory při spalování uhlí v kotlích velkého výkonu jsou více jak o řád nižší (graf 6). Podobné faktory lze očekávat i při spalování biomasy. 

Polychlorované dibenzo-p-dioxiny/dibenzofurany (PCDD/PCDF)

Toxické kongenery u malých zdrojů

Pro sedmnáct toxických kongenerů (konkrétních dioxinů a furanů) byly na základě výsledných koncentrací PCDD/PCDF v emisích vyhotoveny kongenerové profily.
Tyto profily znázorňují poměry koncentrací (vyjádřených procenty) jednotlivých kongenerů. V grafech 7 a 8 jsou uvedeny příklady kongenerových. profilů při spalování uhlí a biomasy.

Emisní faktory PCDD/PCDF

Při srovnání emisních faktorů u velkých kotů s emisními faktory u malých kotlů jsou emisní faktory u velkých zdrojů téměř o tři řády nižší. Oproti velkým kotlům má biomasa má u malých kotlů asi dvojnásobný emisní faktor, ale vyskytlo se i měření, které mělo naopak emisní faktor oproti uhlí přibližně třetinový.

Měření prokázala značné rozkolísání emisí i v rámci shodného druhu paliva, z čehož plyne, že produkce PCDD/F je velice závislá na provozních podmínkách vytápění.
Při srovnání čistých fosilních paliv se směsmi fosilních paliv a biomasy lze říci, že jsou emisní faktory zhruba na stejné úrovni, u některých směsných paliv je dokonce emisní faktor mírně nižší než u samotného fosilního paliva.

Polyaromatické uhlovodíky a polychlorované bifenyly (PAU a PCB)

Graf 9 ukazuje emisní faktor PAU jednotlivých paliv při spalování v kotlích malého výkonu. Emisní faktor pro biomasu je asi dvakrát nižší než pro černé uhlí.
Podobné výsledky přinášejí i měření na větších kotlích: již při částečném nahrazení uhlí biomasou dochází ke snížení tvorby PAU. Při spalování paliv ve velkých zdrojích tepla jsou však tyto emise nižší o více než o tři řády. Stejně jako produkce PCDD/F je tedy i produkce PAU a PCB podstatně závislá na provozních podmínkách při spalování.

Doporučení při vytápění biomasou

Rozhodujeme-li se pro vytápění biomasou, měli bychom vzít na vědomí několik důležitých skutečností:

• cenová nabídka se pohybuje v širokém rozsahu, přičemž cena pelet a briket v některých případech převyšuje cenu uhlí
• z důvodu provozní spolehlivosti, vysoké účinnosti a zejména environmentální přijatelnosti je nutné spalovat dostatečně vysušenou biomasu, doporučený maximální obsah vody je asi 20 % (energeticky), což vyžaduje nejméně roční skladování na dobře větraném místě
• v případě briket a pelet není nutné tuto otázku řešit, obsah vody bývá kolem 10 %. Je však nutné věnovat pozornost jejich mechanické pevnosti. Během skladování a manipulace s nimi by se neměly rozpadat.
• biomasa má vždy menší hustotu, než uhlí. Stejný energetický obsah bude představovat podstatně větší objem paliva a rovněž bude nutné, v případě kotle s automatickým přikládáním, použít složitého, rozměrného a drahého zařízení pro dopravu paliva do kotle.
• při úvahách o spalování pěstovaných energetických plodin je nutné zodpovědně posoudit reálné roční výnosy a tomu odpovídající potřebné pěstební plochy. Oficiálně uváděné údaje bývají často až příliš optimistické.
• instalace jakéhokoliv moderního systému vytápění nemůže přivést dostatečný efekt bez racionálních opatření na straně spotřeby tepla
• je nutné dodržovat způsob přikládání paliva daný výrobcem zařízení pro minimalizaci množství produkovaných škodlivých emisí

Literatura:

1. Zákon č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů)
2. KLOBUŠNÍK L. Pelety palivo budoucnosti, České Budějovice: Sdružení Harmonie, 2003
3. MINISTERSTVO PRŮMYSLU A OBCHODU ČR. Návrh státní energetické koncepce do roku 2030, červen 2003 a schválená verze z března 2004
4. ENERGY CENTRE ČESKÉ BUDĚJOVICE, Biomasa, informační materiál, české Budějovice: 2004 www.eccb.cz
5. P. NOSKIEVIČ, J. KOLONIČNÝ, T. OCHODEK Malé zdroje znečišťování, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum, 2004
6. KOLEKTIV AUTORŮ: Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice. ČEZ, Praha, 2003
7. P. NOSKIEVIČ: Zdroje energie a jejich využívání, Ostrava, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum, Výukové materiály pro vzdělávání v rámci Programu odborného růstu pracovníků, str. 17-38, 2005
8. OCHODEK, T., KOLONIČNÝ, J., BRANC, M. Ekologické aspekty záměny fosilních paliv za biomasu. VŠB – TU Ostrava, Výzkumné energetické centrum, Ostrava 2007. ISBN 978-80-248-1595-4.

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost