Energetické využitie fytomasy pestovanej na Slovensku

1. Úvod

Zmenou legislatívy sa čoraz častejšie na Slovensku experimentuje s pestovaním fytomasy pre energetické účely. Aktuálny stav poľnohospodárstva na Slovensku ponúka rozsiahle možnosti pestovania tzv. energetických rastlín. Z dôvodu prísnych kvót emisných limitov prichádza do úvahy hlavne produkcia určená na výrobu ekologicky čistej energie. Jedným z alternatívnych spôsobov ekologického využitia fytomasy je kogeneračná výroba tepelnej a elektrickej energie jej priamym spaľovaním, resp. úpravou na formu použiteľnú pre spaľovacie motory napr. vo forme MERO (Metylester repky olejnej) [3].

2. Energetický potenciál fytomasy na Slovensku

V súčasnosti sa celkový dostupný technicky potenciál biomasy na Slovensku odhaduje na viac ako 38 PJ. Z tohto potenciálu zhruba 28 % pripadá na fytomasu, z čoho napr. obilná slama predstavuje 275 tis. ton (3.9 PJ), repková slama 160 tis. ton (2.2 PJ). Vyšľachtené sú rôzne druhy rastlín vyznačujúce sa vysokými výnosmi, ktorých výhrevnosť sa pohybuje od 8.1 do 18.6 MJ.kg^-1 v závislosti na obsahu vody, napr. slama s obsahom vody cca 15 % má výhrevnosť 14.3 MJ.kg^-1 (4.0 kW.kg^-1), slama repky ozimnej 17.5 MJ.kg^-1, repkový olej 37.1 MJ.kg^-1 (10.3 kW.kg^-1).

Tab. 1: Súčasný stav vo využívaní potenciálu biomasy na Slovensku

Druh biomasy	Súčasné využitie
	TJ/rok	%
Lesná biomasa	1 778	13.4
Poľnohospodárska biomasa	216	1.6
Biopalivá	1 188	8.9

3. Charakteristika energetickej rastliny Amaranthus caudatus

V súčasnosti je táto rastlina považovaná za energeticky hodnotnú plodinu, dokonca na konferencii vo Švédsku bola vyhlásená za energetickú plodinu roka. Je preto predpoklad, že o niekoľko rokov sa táto rastlina stane cenným zdrojom energie [3]. Jedná sa o jednonoročnú jednodomú rastlinu s výškou od 10 do 80 cm. Byľ je poliehavá až vzpriamená, husto olistená s krátkym súkvetím. Plodom je drobná, široko vajcovitá nažka alebo tobolka.

Výnimočnou schopnosťou tejto rastliny je to, že dokáže odčerpávať množstvo ťažkých kovov zo zeminy. Je však dôležité aby sa s nadzemnou časťou zberal aj koreň. V opačnom prípade dôjde k opätovnej kontaminácií pôdy. Tabuľka č. 2 uvádza hodnoty obsahu ťažkých kovov v pôde pred siatím a po zbere rastliny v porovnaní s limitnými hodnotami ťažkých kovov v pôde.

Tab. 2: Obsah ťažkých kovov v pôde

Prvok	Pôvodná kontaminácia [mg.kg-1]	Zvyšková kontaminácia [mg.kg-1]	Limitné hodnoty [mg.kg-1]
As	50,0	26,0	25,0
Cu	321,0	300,0	60,0
Hg	1,2	1,2	0,5
Pb	66,0	30,0	70,0

Z uvedeného prehľadu vidíme, že z troch vzoriek najmenej v jednom prípade je obsah ťažkého kovu vyšší ako je limitná hodnota pre obsah kovu v pôde. Rozloženie ťažkých kovov v jednotlivých častiach rastliny dokumentuje nasledujúca tabuľka.

Tab. 3: Obsah ťažkých kovov v rastlinách

Skúmaný prvok [mg.kg-1]	Rastlina nekontaminovaná	Rastlina kontaminovaná	Koreň rastliny
As	0,03	0,06	1,68
Cu	8,00	31,00	25,00
Hg	0,05	0,06	0,12
Pb	do 0,50	1,11	3,59

Možno pozorovať, že najviac ťažkých kovov sa koncentruje v koreňovom systéme, menej v stonke a listoch. Z toho dôvodu je významné energeticky spracúvať aj koreň.

4. Spracovanie rastliny v laboratórnych podmienkach

Výška rastlín použitých v experimente sa pohybovala v rozmedzí 50 – 80 cm s hmotnosťou od 100 do 350 g. Hmotnosti jednotlivých laboratórnych rastlín v suchom stave dokumentuje nasledujúci graf.

Pre energetické účely je možne danú rastlinu spracovať vo forme balíkov, alebo brikiet. Lisovanie brikiet z energetickej rastliny sa vykonávalo v laboratórnych podmienkach lisovacím prípravkom (obr. 4) za pomoci hydraulického skúšobného stroja HECKERT EU 40 (max. 400kN). Objem dutiny v lisovacom prípravku bol 160 ml t. j. 16.10-6 m³. Pre lisovanie brikiet bola použitá suchá rastlinná drť (obr. 3) o vlhkosti cca 15 %. Naplnená dutina formy sa uzatvorila horným razníkom s dorazovými krúžkami. Prípravok bol vložený do skúšobného stroja a pohybom barana dochádzalo k zatláčaniu horného razníka. Pohyb horného razníka sa opticky kontroloval pričom po jeho dosadnutí na dorazové krúžky sa pohyb vypol. Následne po rozobratí lisovacieho prípravku sa z neho vytlačila vylisovaná briketa.

5. Kalorimetrický rozbor lisovaných vzoriek

Vzorka bola skúmaná z hľadiska stanovenia spalného tepla a výhrevnosti. Spalné teplo udáva množstvo tepla v kJ, ktoré je možné získať dokonalým spálením určitého množstva paliva so vzduchom, pri konštantnom tlaku, pričom všetky splodiny sú ochladzované na východziu teplotu zložiek. Pri spalnom teple sa uvažuje, že voda vzniknutá reakciou aj pôvodne obsiahnutá v palive je v kvapalnom stave. Kondenzačné teplo vody, ktoré sa pri horení uvoľní je pripočítané k energetickej bilancií. Na základe experimentálnej hodnoty spalného tepla Q_s, je možné vypočítať výhrevnosť sušiny Q_i i potenciálnej energetickej suroviny Q_ir pri aktuálnej vlhkosti, to je hodnota spalného tepla zmenšená o výparné teplovody. Výhodné je prepočítať spalné teplo horľaviny Q_s na výhrevnosť sušiny Q_i a potom prepočet tejto hodnoty na obsah vody v palive. Tento postup je veľmi výhodný pre prípad, že máme výrazne vlhkú potenciálnu energetickú surovinu čo u biomasy je častý prípad a hľadáme, na akú hodnotu vlhkosti je žiaduce ju vysušiť, aby sa dosiahla optimálna kvalita paliva vo vzťahu k energetickému zariadeniu, ktoré má dané biopalivo spaľovať. Spalné teplo horľaviny potom predstavuje pre daný druh paliva, resp. energetickej suroviny konštantu vyjadrujúcu kvalitu energetického nosiča.

Tab. 4: Energetická bilancia brikiet z Amaranthus caudatus a vybraných druhov biomasy

Druh biopaliva	Obsah vody [%]	Výhrevnosť [MJ.kg-1]	Objemová hmotnost [kg]
Drevné štiepky	10 – 40	16,4 – 10,1	170 - 225
Slama obilnín	15 – 20	15,5	120 balíky
Slama repky olejnej	15 – 20	16,0	100 balíky
Amaranthus caudatus	15 – 20	14,0	127 balíky

Energeticky potenciál, ktorý je obsiahnutý v rýchlorastúcich rastlinách závisí od výnosov a energetického obsahu v suchej hmote. Hodnoty pre niektoré aj u nás testované rastliny sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Tab. 5: Energetický potenciál na Slovensku

Rastlina	Výnos (t/ha/rok)	Energetický obsah (GJ.t-1)	Potenciálny energetický zisk (GJ/ha/rok)
Amaranthus caudatus	10	17	170
Vŕba (Salix)	15	16	240
Trstina	15 - 20	17	240 - 340

6. Energetické využitie Amaranthus caudatus

Z hľadiska energetického využitia fytomasy existuje viacero metód, z ktorých sú v súčasnosti v praxi presadzované tieto procesy [4]:

1. priame spaľovanie
2. termochemické spracovanie – pyrolýza; splyňovanie
3. biologické procesy - anerobické hnitie; fermentácia

Brikety lisované z Amaranthus je možné využiť na priame spaľovanie. Spaľovacie zariadenia sa dodávajú v rôznych prevedeniach a výkonoch, pričom sú schopné spaľovať brikety lisované z rôznych plodín. Na obr. 7 je znázornené zariadenie, ktoré je vhodné pre priame spaľovanie brikiet z energetických rastlín.

Tab. 6: Základné technické údaje kotla

Základné technické údaje kotla	P 25	G 75
Menovitý výkon	25 kW	75 kW
Účinnosť	85% / 11 kW	84% / 31 kW
Priemerná spotreba paliva za rok	15 m3	45 m3
Max. elektrický príkon	50 W	90 W

7. Záver

Pestovanie rastlín na energetické účely môže byť perspektívny a zaujímavý výrobný program pre poľnohospodárov, zabezpečujúci pracovné príležitosti pre miestnych obyvateľov. Využitie biomasy ako zdroja energie si samozrejme vyžaduje aktívnu a pružnú spoluprácu rezortov pôdohospodárstva, financií a životného prostredia a tiež aj legislatívy. Určité obmedzenia, ktoré bránia vo využívaní biopalív súvisia s prípravou, výstavbou a prevádzkovaním týchto jednotiek, z dôvodu absencie technologických zariadení. Taktiež nie je docenený environmentálny a regionálny prínos týchto energetických plodín. V dôvodu sprísnenia emisných kvót a neustáleho zvyšovania cien fosílnych palív možno predpokladať v budúcnosti väčší rozmach využívania biopaliv.

Literatúra:

1. Bédi, E. (2001): Obnoviteľné zdroje energie. Fond pre alternatívne energie – SZOPK, Bratislava, 2001.
2. PAĽUCH T. (2004): Energetický potenciál odpadovej biomasy z poľnohospodárskej produkcie, International Slovak biomass forum, Bratislava 2004.
3. STRAKA, Ľ. (2007): Využitie energetických rastlín pre kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie kogeneráciou. In: Energetické a průmyslové plodiny 2007. 14. červen, 2007 VÚRV Chomutov, v.v.i.
4. STRAKA Ľ. (2006): Využitie nízkoteplotného média s aplikáciou tepelného čerpadla na vykurovanie. In: Stavebníctvo a bývanie - Energetické alternatívy., roč. 8, 2006, č. 4 – 5.
5. ŠOLTÉS J., RANDA M. (2005): Výroba elektriny z biomasy, Slovenská energetická agentúra, Bratislava, 2005.
6. Židek, L. (2003): Biomasa, vyd. Ekoenergia, Žilina, 2003
7. Legislatíva Slovenskej republiky v oblasti energetiky (2007)

Tweet

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