Biomasa pro energii (1) Zdroje

Biomasa je v našich podmínkách nejperspektivnější obnovitelný zdroj energie. Její energetické využití má mnohostranný význam. Využijí-li se energeticky odpady, vyřeší se současně i způsob jejich likvidace. Pokud se energetická biomasa speciálně pěstuje, přispívá se tím k zachování rázu krajiny a k ekonomice zemědělských výrobců, a to zejména v oblastech méně vhodných k intenzivní zemědělské produkci. Je skutečností, že z potravinového řetězce vypadne v příštích létech nejméně 500 000 ha zemědělské půdy a pro tuto půdu budeme muset najít využití. Jedná se o nahrazení spontánních úhorů, které jsou zdrojem plevelů, alergických pylů a rostlinných chorob a škůdců a příčinou kontaminace vod, plantážemi energetických rostlin majících pozitivní vliv na životní prostředí, ale i na ekonomiku vesnického obyvatelstva, a to zejména v marginálních zemědělských oblastech. Při aplikaci využívání fytopaliv se nabízí i využití oblastí s rekultivovanou půdou po důlní činnosti, využití půdy nadlimitně kontaminované cizorodými látkami, půdy v emisních oblastech a v okolí exponovaných silnic a dálničních tahů. Při přípravě fytopaliv a při investiční výstavbě, provozu a údržbě zařízení na využití vznikne mnoho pracovních míst, a to zejména v oblastech, kde je největší problém s nezaměstnaností. Není možné zapomenout ani druhý pilíř uváděný pro nasazení obnovitelných zdrojů teto kategorie, kterým je nezávislost na dovozu paliv a diverzifikaci s decentralizací výroby energií. Bohužel rok 2001 nám tuto filozofii jen potvrdil.

Rozvoj využití biomasy i jejího pěstování pro energetické účely je podporován v Evropské Unii (EU) jako součást řešení ekologických otázek energetiky, problémů zemědělské politiky a politiky rozvoje venkova. V jejím rámci by se do roku 2010 mělo energetické využití biomasy zvětšit trojnásobně, z toho jedna třetina by měla připadnout na kogenerační výrobu elektřiny a tepla. V uvedeném časovém intervalu se předpokládá dokonce desetinásobné zvětšení výroby elektřiny z biomasy. Tyto objemy rozvoje oboru budou následně podrobněji rozebrány.

V úvodu je v krátkosti provedeno rozdělení biomasy z pohledu energetických přeměn.

Biomasu vhodnou pro energetické využití lze rozdělit do dvou skupin, které tvoří:

• biomasa vhodná pro spalování a zplyňování,
• biomasa vhodná pro anaerobní fermentaci.

Do první skupiny patří:

• odpady dřevařského průmyslu (piliny, hobliny, krajiny atd.),
• zemědělské odpady (sláma, odpadní zrno atd.),
• odpady lesního hospodářství (kůra, probírkové dřevo),
• speciálně pěstované energetické dřeviny a rostliny.

Biomasu této skupiny lze nejednodušeji využít prostým spálením v kotlích vyrábějících teplou či horkou vodu, popřípadě páru. Termodynamicky dokonalejší způsob energetické transformace biomasy představují různé formy zplyňování, pomocí nichž se organické části biomasy přemění v kvalitnější plynné nebo kapalné palivo. Takovéto palivo lze použít v energetických zařízeních vyrábějících teplo nebo kogeneračně elektřinu a teplo.

Do druhé skupiny je možno zařadit:

• komunální a průmyslové odpadní vody, zpracovávané v čistírnách odpadních vod,
• komunální a průmyslové tuhé odpady uložené na řízených skládkách,
• slamnatý kravský hnůj, exkrementy z velkochovů vepřů a drůbeže, jateční odpady, odpady potravinářské výroby a speciálně pěstované trávy.

Z biomasy této druhé skupiny lze řízenými fermentačními procesy získat bioplyn a ten je pak možno uplatnit ve všech typech energetických zařízení obdobně jako zemní plyn.

Energetický potenciál biomasy

V současné době je k dispozici několik oficiálních materiálů, popisujících klimatické, agronomické, technické a technologické podmínky pro využívání biomasy. Následně bude proveden krátký exkurz a závěr autorů, z něhož vyplyne potenciál využití biomasy v České republice. Uvedené materiály pocházejí z poslední doby a jsou vypracovány renomovanými institucemi.

• Studie Teres II pro Českou republiku, která byla zpracována v rámci programu Altener pro EU
• Studie energetické efektivnosti pro Českou republiku, která byla zpracována pro Světovou banku, MPO a MŽP
• Britská studie CSMA
• Studie CZ BIOM
• Materiály doc. Krbka a doc. Polesného

Dřevo a dřevní odpad

Při těžbě dřeva, probírkách a prořezávkách zůstává v lese určitá část biomasy nevyužita (dřevní a stromová hmota). Jedná se zejména o pařezy, kořeny, vršky stromů, větve a části nebo celé stromky z probírek a prořezávek. Dalším zdrojem dřevního odpadu je prvotní a druhotné zpracování dřeva, které je rovněž doprovázeno ztrátami, resp. produkcí odpadů.

V průměru je z celkové roční produkce dřevní hmoty využívána méně než polovina. Ve statistikách je vykazováno jako těžba dřeva přibližně stejné množství dřevní hmoty, jako zůstává nevyužito v lese nebo jako odpad při zpracování. Cca. 30% dřevních odpadů vzniká již při těžbě. Při zpracování dřevní hmoty vzniká 36 % odpadů při pilařském zpracování a 64 % v dalších dřevozpracujících závodech.

Z ekologických, technických a ekonomických důvodů není možno veškeré množství takto vzniklé odpadní dřevní hmoty využít; reálně je využitelných pouze cca. 40%. Celková roční těžba v roce 2000 činila cca 12,5 mil. m³ dřeva, do roku 2010 je zachována na poměrně stabilní úrovni - výhled těžebních možností se pro rok 2010 pohybuje kolem 11,5 mil. m³.

Při uvažované průměrné těžbě v horizontu roku 2010, stejném množství vznikající odpadní dřevní hmoty a 40% využití této hmoty činí využitelný zdroj odpadní dřevní hmoty 4,5 mil. m³, což při průměrné měrné hmotnosti dřeva 600 kg/m³ a při 25% vlhkosti je cca 2 736 000 tun dřevní hmoty. Při průměrné výhřevnosti dřeva 12 GJ/tunu je celkový dostupný potenciál energie ve spalitelné dřevní hmotě 32 800 TJ .

Spalitelná obilní a řepková sláma

Obilní sláma

Obiloviny zaujímají v ČR 51,5 % plochy zemědělské půdy. V roce 2000 byly sklizeny obiloviny z celkové plochy 1 580 000 ha a při uvažovaném průměrném výnosu 4 tuny slámy z hektaru bylo dosaženo celostátní produkce 6 324 000 t slámy. Největší množství slámy je vyprodukováno v jihomoravském a středočeském regionu. V horizontu roku 2005 se pohybuje sklizňová plocha na poměrně stabilní úrovni - výhled pro rok 2005 je 1 479 000 ha, což při zachovaném výnosu slámy přináší 5 916 000 t slámy.

Při výhřevnosti slámy 14,4 GJ/t a roční produkci cca 6 000 000 tun, uvažované v dlouhodobém horizontu, a účinnosti spalování 80 %, je teoreticky možno z vyprodukované slámy získat 69 000 TJ energie. Tato hodnota reprezentuje teoretický potenciál energetického využití slámy.

Celkový výnos slámy není možno v plné míře využít. Z celkového množství vyprodukované obilní slámy lze pro nezemědělské (např. energetické) využití uvažovat maximálně 20-30 %. Zbývající sláma zůstává v zemědělských podnicích ke krmení a na stelivo, část slámy zůstává na polích k zaorání. Využitelný potenciál obilní slámy při 30% využití 1 800 000 tun slámy ročně s uvažovanou výhřevností 14,4 GJ/t je 25 920 TJ.

Plnému využití dostupného potenciálu brání celá řada překážek souvisejících s nutností dopravy slámy na místo využití, ochotou zemědělců a zemědělských podniků poskytovat část vyprodukované slámy atd. Vzhledem k těmto překážkám není možno dostupný potenciál stoprocentně využít. Reálný potenciál se pohybuje od 7 % (v realistickém scénáři) do 20 % (v optimistickém scénáři) roční produkce slámy. Při realistických předpokladech použitých pro dlouhodobý horizont roku 2010 a využití 7 % vyprodukované slámy je využitelný potenciál obilní slámy 420 000 tun ročně, tj. 6 050 TJ.

Řepková sláma

Řepka olejná patří z hlediska agroenergetiky k významným plodinám. Oproti obilní slámě, u které se počítá s výhřevností 14,0 -14,4 GJ/t, má řepková sláma vyšší výhřevnost - 15 až 17,5 GJ/t.

Od roku 1989 se výměra sklizňové plochy řepky v České republice zdvojnásobila. Na výši hektarových výnosů řepky olejné má vliv průběh počasí během zimy, zvláště dlouhotrvající zima má zásadní vliv na přezimování porostů. Dalším významným faktorem je stav včelstev a jejich rozptýlení po krajině. Nepřízeň počasí a snížení stavu včelstev snižuje opylení řepky olejné a tím výnosy této plodiny.

Narůstající spotřeba semene řepky olejné pro potravinářské a nepotravinářské (produkce bionafty) účely a efektivní zhodnocení na trhu umožňuje rozšiřování osevních ploch, ale za předpokladu dodržení zásad řádné agrotechniky a časového odstupu pro pěstování řepky ozimé. Podle těchto zásad je možné řepku olejnou pěstovat až do 12,5 % maximálního zastoupení na orné půdě a v běžném osevním postupu s minimálně čtyřletým časovým intervalem.

Celková osevní plocha řepky činí 230 000 ha. Do roku 2005 se tato plocha má zvýšit na 270 000 ha. Výnos řepkové slámy se v ideálním případě pohybuje kolem 4 t/ha, což by v ideálním případě, tj. při 100% využití slámy a osevní ploše 270 000 ha, přineslo roční produkci 1 080 000 tun slámy. Při výhřevnosti řepkové slámy 15 GJ/t je využitelný potenciál vyprodukované řepkové slámy 16 200 TJ.

Vzhledem k tomu, že část slámy je zaorávána a řepka je pěstována i v oblastech, kde jsou dosahovány nižší výnosy slámy a vzhledem k různým dalším překážkám, souvisejícím s nutností dopravovat slámu na místo využití, ochotou zemědělců a zemědělských podniků poskytovat část vyprodukované slámy atd., bude možno využít 60 % vyprodukované řepkové slámy. Při osevní ploše řepky 270 000 ha tak činí využitelný potenciál řepkové slámy 648 000 tun, tj. 9 800 TJ.

Produkce biomasy z energetických plodin

Potenciálním a přímo klíčovým, ale zatím nevyužívaným zdrojem biomasy pro energetické využití jsou plantáže tzv. pěstovaných energetických plodin, které mohou být pěstovány na zemědělské půdě, uvolněné z využití pro pěstování potravinářských plodin, nebo na tzv. antropogenních půdách jako jsou rekultivované plochy v průmyslových oblastech, rekultivované skládky odpadů, haldy atd. V České republice doposud takové komerčně používané plantáže nejsou a rekultivované plochy antropogenních půd se zatravňují nebo zalesňují bez energetického využití. Biomasa z plantáží energetických plodin je určena zejména pro přípravu tuhých biopaliv.

Aby energetické využití biomasy z plantáží bylo ekonomicky efektivní, musí se pěstovat takové rostliny, které produkují velké množství biomasy. Jsou to tzv. rychle rostoucí rostliny, a to buď jednoleté, nebo vytrvalé, tj. energetické dřeviny. Zákon č. 252/1997 Sb. o zemědělství stanovuje dvě základní funkce zemědělství, a to:

A - funkce produkční

• výživa obyvatel (zajištění potravinové bezpečnosti),
• výroba potřebných nepotravinářských surovin,

B - funkce mimoprodukční

• činnosti za účelem podpory ekologických kvalit krajiny,
• ekologické efekty z produkční činnosti (údržba půdního fondu,…).

Produkce biomasy pro energetické využití je činnost, která patří jak do produkční funkce zemědělství (výroba nepotravinářských surovin), tak i do funkce mimoprodukční (podpora ekologické kvality krajiny a udržování půdního fondu v kulturním stavu). Materiály Komise EU ukazují, že v budoucí společné zemědělské politice EU bude alternativnímu (tj. nepotravinářskému) využití zemědělské produkce poskytována velmi významná podpora.

Od roku 1990 dochází každoročně k úbytku zemědělské půdy a k přírůstku půdy nezemědělské. Skladba zemědělské půdy se neustále mění - plochy orné půdy se značně zmenšují, plochy luk a pastvin se rozšiřují. Dosavadní plochy pěstování energetických plodin jsou zanedbatelné.

Hlavní překážkou, bránící pěstování energetických plodin, je neexistence trhu s biopalivy, respektive minimální poptávka a cenová úroveň biopaliv ve srovnání s cenou uhlí. Poptávka je zatím jen po palivovém dříví, zejména po tzv. polínkovém dříví, pro jaké jsou konstruovány malé kotle na dřevo. Velkých kotelen na biopalivo ve formě dřevní štěpky je v ČR jen několik a spalují odpadní dřevo a dřevní štěpku z místních zdrojů (dřevozpracující závody).

Při ocenění potenciálu cílevědomě pěstované biomasy pro energetické účely byla vzata v úvahu všechna známá fakta a dostupné údaje o dosavadním stavu, uvedené v předcházejících odstavcích a dosud publikované práce podobného zaměření, a učiněn následující závěr:

Současné ekonomické, fiskální a legislativní podmínky neumožňují cílevědomé pěstování energetických plodin. Do roku 2010, za předpokladu překonání uvedených dosavadních překážek a zachování současných trendů růstu objemu pěstování technických plodin a trendů změn struktury zemědělské i nezemědělské půdy, nelze očekávat založení plantáží energetických plodin na větší rozloze než 200 000 ha. Předpokládaný průměrný výnos biomasy z této plochy nepřesáhne 8 tun z hektaru. Na základě odhadů bylo provedeno ocenění dostupného potenciálu biomasy z plantáží energetických plodin: předpokládaný objem 1 600 000 tun ročně s energetickým obsahem cca 22,5 PJ.

Ostatní biopaliva

Bioplyn

Pro produkci bioplynu lze využít tuhých (chlévská mrva) i tekutých substrátů (kejda, odpady z potravinářského průmyslu aj.) vznikajících v živočišné výrobě. Bioplynové stanice svojí technologií (fermentační procesy) zajišťují zpracování takto produkovaných organických odpadů do podstatně přijatelnějších forem pro skladování a následné využití za současné produkce bioplynu, který je možno využít k přímému spalování při vytápění, nebo jako palivo v plynových motorech kogeneračních jednotek uzpůsobených k jeho spalování.

Při stanovení potenciálu je používán přepočet produkce organických odpadů jednotlivými druhy hospodářských zvířat na jednu VDJ (velká dobytčí jednotka), odpovídající dospělému kusu hovězího dobytka. Koeficienty pro přepočet VDJ jsou pro prasata 0,3; pro ovce 0,1; pro drůbež 0,0026. Průměrná produkce bioplynu z 1 VDJ je 1,2 m³ za den. V budoucnosti je počítáno s cca 3 300 000 VDJ t.j. 3 960 000 m³ za den.

Při průměrné výhřevnosti bioplynu 22 MJ/m³ je využitelný potenciál produkce bioplynu v živočišné výrobě 32 000 TJ. Tento využitelný potenciál nebude možno v plné míře využít. Dále do bilance vstupuje bioplyn z čistíren odpadních vod a výroba bioplynu z energetických plodin (zelená biomasa), farmářských zbytků a agropotravinářských odpadů, které se stávají významnými zdroji pro anaerobní fermentaci.

Potenciál bioplynu je v ČR odhadován na cca 7 000 TJ energie v palivu.

Bionafta

Odhad dostupného potenciálu výroby bionafty, resp. metylesteru řepkového oleje, vychází z využití 270 000 ha zemědělské plochy, což je maximální uvažovaná plocha pro pěstování řepky v horizontu roku 2005.

Při uvažovaném průměrném výnosu řepky 3 t/ha a výtěžnosti 0,3 t metylesteru řepkového oleje z 1 tuny řepky vychází dosažitelný potenciál výroby metylesteru na 243 000 t/rok. V současnosti mají výrobny bionafty kapacitu zpracovávat 62 500 tun bionafty za rok, proto by bylo nutno vybudovat další zpracovatelská zařízení o celkové kapacitě cca 180 000 tun. Při průměrné výhřevnosti methylesteru 38 GJ/t a roční produkci řepky 243 000 tun je dostupný potenciál výroby bionafty 9 250 TJ.

Bioetanol

Odhad potenciální produkce bioethanolu je učiněn zhruba na základě roční produkce cukrové řepy a obilnin. Nejsou uvažovány další možné zdroje - např. dřevní odpad, jehož případné použití může (ale nutně nemusí) kolidovat s jeho případným jiným energetickým využitím. Dostupný potenciál je předpokládán v objemu 9 000 TJ.

Shrnutí potenciálu

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