Budoucnost dřevního plynu

V následujícím textu chceme podrobněji přiblížit technologii energetického systému v rakouském okresu Güssing, kde se na výrobě elektřiny a tepla významně podílejí technologie zplyňující dřevo.

Proč právě energetické zplyňování s následným využitím dřevního plynu v kogenerační jednotce, s relativně nízkou účinností, když samostatná oddělená výroba tepla běžně pracuje s mnohem vyšší účinností (cca 90 %)? Protože elektřina je mnohem ušlechtilejší a dražší energie a ve finančním vyjádření vyváží nižší tepelnou účinnost. Podívejme se proto na pár čísel:

Tabulka: Spalování dřeva v kotli

Obrázek: Energetický systém v rakouském okresu Güssing

Jako energetický vstup uvažuji 1 tunu dřeva pro snazší názornost v ceně 1 000 Kč. Tabulka uvádí účinnost kotle a energetický ekvivalent tepelné energie v kWh i GJ. K ceně paliva na výstupu je nutné podotknout, že se jedná pouze o palivovou složku ceny tepla bez ceny nákladů na obsluhu a amortizaci zařízení a také bez kalkulovaného zisku, cena vyrobeného tepla tedy může být výrazně vyšší. V tomto případě se jedné pouze o teoretickou hodnotu použitelnou pro porovnání obou technologií. Do kotle „vložíme“ 1 000 Kč, vzhledem k jeho energetické účinnosti ve formě tepla „vypadne“ 850 Kč, zbytek jsou ztráty, které vylétnou komínem. Za kolik vyrobené teplo prodáme a jaký bude zisk, to je zcela jiná kapitola.

Tabulka: Zplyňování dřeva s kogenerací

Tabulka ukazuje ekonomické vyjádření energetických jednotek. V této tabulce ze stejného množství dřeva za stejnou cenu s účinností 65 % vyrobíme dřevní plyn, který po zchlazení pustíme do motoru kogenerační jednotky. Samostatná tepelná účinnost kogenerace je výrazně nižší, navíc se počítá z plynné frakce, přes účinnost výroby dřevního plynu. Pro lepší srovnání je ovšem oceníme stejnou „teoretickou“ částkou jako v levém sloupci Cena tepla dle spalování. Kromě tepla však ze stejné vsázky dřeva vyrobíme ještě elektřinu, kterou ve výpočtu oceníme částkou 4 Kč na kWh, i když to v některých případech (jako u cíleně pěstované biomasy) může být i víc. Na posledním řádku už vidíme srovnání Cena paliva na výstupu. To je ten hlavní důvod, proč v poslední době zaznamenáváme zvýšenou aktivitu mnoha firem a vzrůstající zájem mnoha budoucích provozovatelů o agregáty na energetické využití biomasy prostřednictvím zplyňování. Že nejde o nic jednoduchého, dokazuje celá řada osobních i firemních pomníčků neúspěšných pokusů o zvládnutí technologie energetického zplyňování u nás i v zahraničí. Osobně se domnívám, že za vším stojí touha po moci transformovaná ve vidinu rychlého zisku, kdy agregát na výrobu dřevního plynu „nějak“ funguje a jeho tvůrce mnohdy vyždímaný z posledních finančních rezerv bez dostatečné znalosti celé problematiky se odhodlá ke komerční realizaci. Tragédie na sebe nenechá dlouho čekat. Celá řada zrezivělých instalací je jasným důkazem.

Technologie výroby dřevního plynu zasahuje do několika průmyslových odvětví (chemické technologie a chemické procesní inženýrství, strojírenství, metalurgie, MaR, energetika) a vyžaduje spolupráci odborníků z různých oborů. Teprve v nedávné době po nabytí platnosti zákona o podpoře OZE se do vývoje dřevního plynu u nás pustila řada renomovaných vědeckovýzkumných institucí a velkých firem. Existují ale i firmy mnohem menší, které mnohdy bez lesku finančních podpor a bez zájmu o předčasnou publicitu v zázemí svých dílen ověřují své agregáty. Většinou se jedná o technologie se sesuvným ložem, ale zkoušejí se i přetlakové generátory nebo generátory se spodním plněním paliva.

Jak to celé funguje?

Ve vyvíječi plynu dřevo hoří shora dolů, vzniklý plyn prostupuje přes žhavou vrstvu dřevěného uhlí, čímž se nehořlavý oxid uhličitý redukuje na jedovatý a hořlavý oxid uhelnatý, který je základní složkou dřevoplynu. Dále se v této části generátoru rozkládá vodní pára na vodík a také se zde rozkládá dehet, který je obsažen v plynu v důsledku nedokonalého spalování. Dřevěné uhlí k redukci vzniká v generátoru samovolně. Plyn se filtruje od prachu, intenzivně se chladí v trubkovém nebo vodním chladiči, aby se z něj vysrážela voda a ocet. Místo karburátoru je u motorů osazen prostý směšovač, kde se plyn míchá se vzduchem v poměru 1:1. Motor plyn nasává z generátoru sám (od toho vznikl historický název – motory plynosací). Při tvorbě dřevoplynu vzniká přibližně 20 % vodíku, 20 % oxidu uhelnatého a malé množství metanu, zbytek (asi 50 až 60 %) tvoří dusík. Spalováním vzniká oxid uhličitý a vodní pára, vedlejšími produkty jsou oxid uhelnatý a jedovaté plyny.

Většina aplikací byla využívána k pohonu motorových vozidel, proto řada dnešních pokusů o novodobé energetické využití dřevního plynu vychází z původního souproudého zplyňovače typu IMBERT a jeho dalších modifikací.

Základní členění generátorů s pevným ložem představují typy:

• souproudý
• protiproudý
• s křížovým proudem

Dále rozlišujeme generátory s fluidním nebo unášivým ložem. Dřevní plyn je směsí mnoha uhlovodíků s relativně nízkou výhřevností.

Tabulka: Složení dřevního plynu

Tabulka pochází ze zprávy Výzkumného energetického centra – VEC Ostrava, která porovnává složení plynu z jednotlivých typů zplyňovačů: protiproudého, souproudého a fluidního. Na první pohled jsou jednotlivé rozdíly zanedbatelné až na zvýšený obsah prachových částic a dehtů u fluidního zplyňovače. Ovšem při pohledu na složení dřevního plynu získaného alotermním zplyňováním nepřímým ohřevem vodní parou a olivínu kvalita dřevního plynu bere dech.

Tabulka: Složení dřevního plynu získaného alotermním zplyňováním nepřímým ohřevem vodní parou a olivínu

Snad za jediný handicap je možné považovat vyšší obsah ne- hořlavého CO₂, což bohatě vyvažuje obsah metanu i vyšší podíl ostatních spalitelných složek. Téměř zanedbatelný je obsah dusíku, který u předchozích principů představuje cca 50 %! Právě dusík je z energetického hlediska nevyužitelným plynem, který pouze zabírá prostor ve válcích spalovacího motoru, proto je energetický obsah (výhřevnost) tak nízký.

Díky podstatně vyšší kvalitě a výhřevnosti dřevního plynu získaného při alotermním zplyňování však odpadá řada problémů s kvalitou a čištěním dřevního plynu. Nevýhodou je, že tento princip dosahuje již rafinérských rozměrů (viz snímek 2 MW_el) a není použitelný pro výkony kolem 100 kW_el. Pochopitelně čištění plynu se rozhodně nevyhneme ani v tomto případě. Plyn je nutné čistit nejen od prachových částic, ale i od dehtů a podle cílové aplikace i dalších látek. Pro energetické využití plynu v kogenerační jednotce je nutný funkční systém čištění plynu, který je zdrojem obtíží snad u všech známých aplikací. Zplyňování s duálním fluidním ložem je proto použitelné pouze pro vyšší výkony v řádech několika MW. Zdařilou a na evropském kontinentu ojedinělou aplikaci najdeme v rakouském vědeckovýzkumném parku obnovitelných zdrojů v Güssingu. I přes handicap své velikosti se tato instalace vzhledem k vysoké kvalitě a výhřevnosti dřevního plynu stává zlatým hřebíčkem celého oboru.

Hlavní výhodou tohoto technického principu je oddělení spalovacího procesu jakožto zdroje tepla od chemických reakcí vedoucích ke získávání dřevního plynu. Teplo se do chemického procesu přivádí parou a prostřednictvím cirkulujících ohřátých zrnek olivínu (frakce o zrnitosti hrubšího písku), který se v Güssingu používá jako nosičtepla směrovaný přímo mezi dřevní štěpku unášenou v cirkulujícím fluidním loži. Za zmínku stojí, že v Güssingu ke stěpkování používají 2 roky staré ve venkovním prostředí vyschlé klády, což sice zvyšuje energetickou náročnost stěpkování, ale jak dokládá dřívější tabulka, výsledná kvalita dřevního plynu za to stojí.

I přes svou relativně dlouhou historii a prokazatelné úspěchy je dřevní plyn v oblasti energetického využití biomasy stále nováčkem, ba přímo ještě malým miminkem v plenkách. To je hlavním důvodem, proč instalace v Güssingu nemá hojná opakování. Již téměř pět let se zde staví menší aplikace o výkonu 300 kW_el, složená z dvojice vyvíječů se sesuvným ložem. Její provoz stále není uspokojivý, proto se k ní turisté neprovázejí.

Technické systémy pro energetické využití biomasy zplyňováním čeká masivní rozvoj, podobně jako je tomu u bioplynových stanic u nás i ve světě. Není se co divit, u jejich kolébky stojí řada sudiček, které si můžeme pojmenovat různě: decentralizovaná výroba elektrické energie, vyšší účinnost a vyšší stupeň využití paliva, snížení naší závislosti na dovozových nebo fosilních palivech, zachování tržeb za energie v daném regionu, vyšší zaměstnanost v odlehlých obcích.

Další zdroje a informace: www.energis24.cz a Technické systémy pro výrobu elektrické energie z biomasy – Elektřina s vůní dřeva

Tento článek byl publikován v rámci spolupráce redakce časopisu Alternativní energie a CZ Biom.

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