Rostlinná biomasa slouží k uskladnění sluneční energie

V současné době se na celém světě zvyšuje zájem o využití rostlinné biomasy (RB) jako perspektivního, standardního a hlavně obnovitelného zdroje energie. Má význam především z důvodu snižování produkce skleníkových plynů, produkce biologických odpadů a také jako částečná náhrada za postupně vyčerpaná fosilní paliva.

Obr. 1: V lese a zemědělských plodinách je dobře uskladněná sluneční energie

Pěstováním RB (a tedy i energetické biomasy) se snižuje obsah CO₂ v ovzduší, a tím i vliv obávaného skleníkového efektu. Současně slouží k uskladnění světelné sluneční energie, což má pro člověka podobný význam jako tepelná energie ze Slunce ve formě infračerveného záření.

Zachycení energie

Energie světelného záření se přeměňuje fotosyntézou na energii chemickou a ta je po určitý čas na zemském povrchu uskladněna v rozmanitých „skladech“ různých forem rostlinné biomasy (RB). V lesích v podobě stromů, na polích v podobě zemědělských plodin, v sadech jako ovocné stromy, na záhonech jako zelenina a ve městech a parcích jako komunální zeleň a keře, pod zemí je to pak například v podobě uhlí, ropy nebo rašeliny. Rozlišuje se tak RB podzemní a nadzemní, a dále rostoucí a odumřelá. RB disponuje vnitřním obsahem chemické energie, kterou je možno přeměnit na elektřinu a především na teplo.

Obr. 2: Pro energetickou hodnotu zemědělské biomasy je důležitý termín sklizně

Sklady fosilních paliv obsahují většinou velmi obtížně „vyskladnitelnou“ odumřelou RB. K získání takové biomasy je třeba použít těžkou mechanizaci s vysokými energetickými nároky. S tím pochopitelně souvisí i náklady na získání této fosilní biomasy. Tyto sklady byly přírodou budovány a naplňovány velmi dlouho a důkladně. Naopak stromy v lesích a plodiny na polích jsou dobře vyskladnitelné a jejich doplňování se děje průběžně. Z nich se získává rostoucí RB ve formě výnosu rostlinné nebo dřevní hmoty, a to buď surové nebo zpracované. Zpracovaná dřevní biomasa existuje například ve formě pilin, hoblin, štěpky, polen, kusového dříví a otepí. Některá topidla potřebují biomasu ještě více zušlechtěnou. To je v případě automatických kotlů s přísunem biomasy ze zásobníku, kdy je touto formou peleta nebo u kotlů na pyrolýzu, kdy se jedná briketu. Pro snazší využití RB ze zemědělské produkce je i tato zpracovávána. Například energetický šťovík je přetvářen na brikety a pelety a sláma z obilí bývá vázána do bloků, aby byla její přeprava k topeništi nebo do skladu snazší. Je evidentní, že každý zásah do úpravy, resp. přípravy RB pro její energetické využití zvyšuje náklady na její výrobu.

Technické ukazatele

Kromě výnosu RB je dalším důležitým parametrem sklízené biomasy obsah sušiny. Ideální je co nejvyšší podíl sušiny v době sklizně, aby nebylo nutné sklízenou biomasu dosoušet, případně aby dosoušení proběhlo co nejrychleji a bez nutnosti dalšího vstupu energie. Vysoušení se může výrazně promítnout do ceny a cena energetické biomasy ovlivní poptávku spotřebitelů.

Obr. 3: Plantáž energetických topolů tři roky po provedené těžbě

Energii z RB lze získat buďto termochemickou konverzí (tzv. suchým procesem), to znamená spalováním, zplynováním a pyrolýzou nebo biochemickou konverzí (tzv. mokrým procesem), to znamená anaerobní fermentací, aerobní fermentací nebo alkoholovou fermentací či fyzikálně-chemickou konverzí, to znamená esterifikací bioolejů.

Pro spalování je výhodné, aby RB obsahovala co nejméně vody. Výhřevnost absolutně suché RB – spalné teplo (obsah vody w = 0 %) se mezi druhy dřevní biomasy mírně liší, u měkkého dřeva se pohybuje v rozmezí 14,76 MJ/kg až 21,1 MJ/kg, u tvrdého dřeva je to rozmezí 18,4 MJ/kg až 20,1 MJ/kg. Nepočítáme-li vliv vlhkosti, jsou rozdíly dány zejména poměrem ligninu, jehož výhřevnost je 25,5 MJ/kg a celulózy, která má výhřevnost asi 18,8 MJ/kg. Mírně vyšší výhřevnost kůry, větví a jehličí je potom dána vyšším obsahem pryskyřic, které mají výhřevnost asi dvakrát vyšší než samotné dřevo. Technologie spalování ve velkých topeništích (výkony kotlů nad 500 kW) umožňují spalování i štěpky s obsahem vody 50 % nebo je mokrá štěpka míchána se suchým dřevním odpadem, ale logicky je výhřevnost nižší a spotřeba RB na výrobu energie vyšší. Jiné požadavky na obsah vody mají malá topidla (například kamna) nebo kotle nízkých výkonů (do 45 kW) na spalování dřeva. V malých topidlech lze vlhké dřevo spalovat obtížně, proto je požadavek, aby byl obsah vody do 20 %. Je tedy patrné, že dřevo nemůže být spalováno ihned po sklizni nebo musí být bezprostředně po sklizni sušeno.

Optimální využití

Pro využití biomasy v bioplynových stanicích je vhodné sklízet ještě zelenou travní hmotu s optimálním obsahem sušiny 25 až 40 %. Z toho, co bylo uvedeno, je patrné, že je důležité, ve kterém termínu je biomasa (zejména zemědělské plodiny) sklízena. Zda v době největšího nárůstu biomasy, pozdě na podzim nebo brzy na jaře. Největší nárůst biomasy je u většiny plodin v době kvetení nebo těsně po odkvětu. Potom dochází k její postupné ztrátě. Obecně platí, že ekonomicky a energeticky efektivnější je pěstování rostlin víceletých a vytrvalých než tradičních jednoletých (pokud to není vedlejší produkt jako sláma obilovin či olejnin). Pěstováním netradičních vytrvalých plodin lze efektivně snížit celkové náklady na produkci jednotky biomasy a zásadně zvýšit poměr výstupu energie ke vstupu (tzv."output : input"). Podle zahraničních zdrojů je to v rozmezí čtyři až desetkrát. Je to dáno tím, že při pěstování vytrvalých rostlin jsou nejvyšší náklady v prvním roce. Například při založení plantáže rychle rostoucích topolů jsou tyto náklady mnohem vyšší než u tradičních zemědělských plodin. V následujících letech celkové náklady na pěstování vytrvalých rostlin prudce klesají, neboť odpadají náklady na zpracování půdy, ošetření a setí. Snižují se také náklady na hnojení, chemickou ochranu apod.

Využívání rostlinné biomasy pro energetické účely je trendem doby. Je to správná cesta, ale na druhé straně se nesmí nic dělat neuváženě, resp. za každou cenu. Takže využívat obilí pro výrobu tepelné energie (spalování obilí v kotlích) nebo výroba lihu z tradičních potravinářských plodin, který je potom přidáván do benzínu, jemuž ovlivní jeho požadované vlastnosti pro optimální proces spalování v motoru, je poněkud problematickým krokem.

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