Biomasa – alternativní palivo z hlediska chemického složení

Úvod

Biomasa je základem obnovitelných zdrojů energie, o čemž v současné době již nikdo nepochybuje. Zaujímá až 75 % v rámci všech obnovitelných zdrojů, jako je voda, vítr, slunce apod. Proto je také podrobována stále většímu zkoumání z hlediska jejího využívání. Sleduje se nejen výhřevnost a efektivita spalování, ale rovněž zplodiny jejího hoření - emise. Energetická biomasa využívaná pro přímé spalování je veškerá rostlinná hmota, tedy fytomasa, včetně dřeva, slámy a nejrůznějších druhů rostlin. Vlastnosti fytomasy se proto mohou značně různit, podle jednotlivých rostlinných druhů. Hlavní rozdíly jsou mezi fytomasou dřevní a fytomasou nedřevní (z rostlin bylinného charakteru), z nichž lze za hlavního představitele považovat např. slámu. Základní vlastnosti si přitom tato fytomasa zachovává při různém způsobu jejího zpracování a využívání, jako jsou balíky slámy, řezanka, brikety či pelety.

Chemické složení biomasy

V poslední době se začala soustřeďovat pozornost též na chemické složení biomasy, zejména na chlor. Objevují se občas domněnky, že biomasa rostlinného původu – nedřevní, obsahuje chlor, který by mohl způsobovat poškození vnitřních prostor kotle při jejím spalování. Je všeobecně známo, že rostliny chlor obsahují, záleží ale na množství, hlavně v závislosti na jednotlivých druzích rostlin. Typické hodnoty obsahu jednotlivých chemických složek v rostlinách jsou uvedeny v tzv. „Předběžné české technické normě“ (ČSN P CEN/TS 14961) z r. 2005 s názvem : Tuhá biopaliva – Specifikace a třídy paliv. Jsou zde uvedeny hodnoty v biomase dřevní i nedřevní (stébelniny či byliny), viz níže. Podle těchto hodnot můžeme tedy porovnávat relace mezi kvalitou jednotlivých druhů biopaliv, vyrobených z různých druhů rostlin.

Tradičním a nejběžnějším představitelem fytomasy je dřevo. Není proto třeba jeho využívání blíže popisovat. Dřevní materiál je i důkladně prozkoumán a jeho kvalita jako paliva je i z hlediska chemického složení, resp. chloru všeobecně známá již delší dobu.

Fytomasa nedřevní – bylinného charakteru nemá v ČR dosud jednoznačně stanoveny limitní hodnoty jednotlivých prvků a dalších složek. Výše uvedená „Předběžná norma“ je proto významným vodítkem alespoň pro zásadní posouzení kvality potenciálních tuhých bioplaliv. Tyto vlastnosti lze tudíž posuzovat podle typických hodnot uvedených v této předběžné normě. Protože není dosud norma pro nedřevní biomasu a tato předběžná norma je zatím nedostatečně známá odborné veřejnosti, stává se často, že hodnoty nalezené ve fytomase bylinného charakteru jsou porovnávány s hodnotami typickými pro dřevo. Jednoduchým hodnocením se pak mnohdy konstatuje, že bylinná fytopaliva nesplňují normu. Toto hodnocení není ale objektivní, jde o jiný materiál.

Typickým představitelem nedřevní biomasy je sláma. Ta je využívaná v mnoha zahraničních i domácích kotelnách, mnohde již celou řadu let. Jsou tedy již praktické zkušenosti s tímto typem biomasy a není zjištěno, že by spalování slámy působilo nějaké problémy. I přes tyto známé skutečnosti se v poslední době soustřeďuje pozornost na obsah některých chemických složek v biomase, zejména na chlor. Často to bývá při hodnocení emisí, vznikajících při spalování různých nedřevních fytopaliv, nebo se vyskytují úvahy o případném poškození vnitřních prostor kotle při spalování biomasy. Obsah chloru v rostlinách a jeho změny v chemizmu v průběhu hoření jsou jistě důležité poznatky, ale konkrétní vyjádření jejich vlivů na odolnost vnitřních prostor kotle je velmi nesnadné. V současné době lze spolehlivě hodnotit obsah chloru i dalších prvků, zatím hlavně v rostlinném materiálu.

Předmětem tohoto příspěvku je tedy především hodnocení výsledků analýz rostlinných pelet na obsah dvou nejdůležitějších prvků, chloru a síry. Analýzy zpracovala VŠCHT Praha (Ing. Kočica) na základě objednávky p. Petro, který začal vyrábět rostlinné pelety z různých rostlin. Jsou zde uvedeny i analýzy pelet z krmného šťovíku, který se u nás začíná uplatňovat jako jedna z nejlepších „energetických“ rostlin, který je ale velmi často podrobován nejrůznější, i když neoprávněné, kritice. Konkrétní výsledky analýz jsou uvedeny v následujícím přehledu :

Sledované hodnoty		řepková sláma	šťovík krmný	makovina	ječná sláma
chlor	% hm	0,14	0,17	0,12	0,81
síra	% hm	0,20	0,09	0,33	0,15

Jak je z výsledků zřejmé, nejvyšší obsah chloru byl zjištěn ve slámě obilnin (konkrétně v ječné slámě), tj. 0,81 % hm. Všechny ostatní druhy pelet mají obsah chloru až 6x nižší, od 0,12 do 0,17 % hm.

Výsledky těchto analýz lze porovnat s hodnotami typickými pro fytopaliva z různých druhů rostlin, dle výše zmíněné předběžné technické normy – viz následující přehled :

	Cl, chlor		S, Síra
	%	rozsah	%	rozsah
Dřevo, zbytky po těžbě	0,01	0,01 – 0,04	0,04	0,01 – 0,08
Topol – rychle rostoucí podrost	0,01	0,01 – 0,05	0,03	0,02 – 0,10
Sláma – pšenice, žito, ječmen	0,4	0,1 – 1,2	0,1	0,05 – 0,2
Sláma - řepka olejka	0,5	0,1 – 1,2	0,3	0,05 – 0,8
Chrastice rákosovitá (letní sklizeň)	0,6		0,2
Seno obecně	0,8		0,2
Miscanthus – slonní tráva	0,2		0,2
krmný šťovík – dle analýzy pelet	0,17		0,09

Oproti hodnotě obsahu chloru v dřevěných peletách, která je jen 0,01 %hm (rozsah od 0,01 do 0,04 %) je obsah chloru ve všech analyzovaných bylinných peletách vyšší, což plně odpovídá i typickým hodnotám obsahu chloru uváděné v ČSN P CEN/TS 14961. Z toho jednoznačně vyplývá, že nelze fytomasu z rostlin (nedřevní) posuzovat podle obsahu chloru ve fytomase dřevní. Z výsledků analýz pelet lze ale také doložit, že sláma je fytomasa, která by měla zatěžovat prostory kotle nejvíce. Přitom je běžné, že právě sláma je fytopalivo, které se v rámci bylinné fytomasy používá nejčastěji při vytápění obcí i měst. Svědčí o tom již řadu let úspěšně fungující kotelny, kde se používá jako palivo výhradně sláma. Takovéto kotelny fungují k plné spokojenosti např.v Rakousku, Dánsku i v ČR a jinde. Příkladem kotelen spalující slámu v ČR je např. obec Dešná u Jindřichova Hradce, nebo město Žlutice aj. Relativně vyšší obsah chloru ve slámě i v některých dalších druzích bylinné fytomasy oproti obsahu chloru ve dřevěných fytopalivech není tudíž zásadní závadou těchto biopaliv.

Při posuzování obsahu chloru (dle uvedených analýz) podle druhů fytomasy je zřejmé, že fytomasa šťovíku krmného patří mezi ty druhy, které obsahují chloru podstatně méně, než sláma. Jak bylo již uvedeno, sláma není zásadně nevhodné palivo, ale šťovík je rozhodně lepší. Svědčí o tom také nejnižší obsah síry. Výhodou šťovíkové fytomasy je dále její relativně vysoká výhřevnost. Podle výsledků jedné z posledních analýz šťovíkové řezanky byla zjištěna výhřevnost až 16,80 MG/kg, při vlhkosti 10,7 %. Podobné hodnoty jsou zjišťovány ve šťovíkové fytomase i z výsledků většiny dalších analýz.

Z uvedených výsledků a jejich hodnocení je tedy zřejmé, že jsou vedle slámy další druhy rostlin, které jsou z hlediska „nebezpečného“ chloru přijatelnější. Jde především o šťovík krmný, ale i další druhy. Z tohoto hlediska je proto třeba preferovat tyto rostliny před slámou. Proto také není žádoucí, aby se „fytoenergetika“ začala masově rozvíjet výhradně na bázi pěstování obilnin, zejména tritikale, což v poslední době někteří podnikatelé u nás prosazují. Vede je k tomu mimo jiné především to, že zemědělci obiloviny důvěrně znají a bez problému je umí úspěšně pěstovat. Je pravda, že mnohé „energetické“ rostliny nejsou tradiční a zemědělci se je musí učit pěstovat. Mají ale vedle uvedených příznivých hodnot i řadu dalších výhod. Vytrvalé či víceleté energetické rostliny navíc působí jako protierozní opatření, neboť zajistí celoroční vegetační kryt, působící účinně proti smyvu ornice. To jednoleté plodiny zajistit nemohou. Příkladem je krmný šťovík, který vydrží na stanovišti až 10 let a půda je tak ušetřena pravidelné orbě a další kultivaci, což jsou z hlediska eroze vždy rizikové zásahy. Jednoznačný rozdíl je zejména oproti kukuřici: v době, kdy kukuřice vzchází, nebo se dokonce teprve seje, může se již krmný šťovík sklízet na zeleno. Názorně o tom svědčí připojené fotografie.

Vytrvalé plodiny pěstované pro energetické účely tak plně nahradí dosud nejčastěji používané protierozní opatření, jako je zatravňování.

Naopak, u nás běžně pěstovaná kukuřice je plodina, při jejíž pěstování se velmi často vyskytuje půdní eroze. V době jarních přívalových dešťů není ještě dostatečně zakořeněna a tak nemůže zabránit smyvům půdy. Dokonce i letní prudké srážky mohou výrazně poškodit porost kukuřice, jak je zřejmé z foto 2.

Vedle nesporné výhody pěstování více druhů rostlin (mimo obilovin) se zajistí i širší druhová biodiversita, což je z ekologického hlediska vždy vítané, neboť přispívá ke stabilitě ekosystémů. Bez pěstování obilovin se sice neobejdeme, není ale možné je preferovat jednostranně, ale naopak cíleně pěstované energetické rostliny doplňovat dalšími druhy, což má řadu výhod, jak je výše uvedeno.

Jako námitka proti energetickému spalování biomasy bývá často uváděno nebezpečí zvýšeného obsahu dioxinů (PCDD/F) ve spalinách, které je odůvodněno vyšším obsahem chloru v tomto palivu. Diskuse o tom, jak výrazně ovlivňuje obsah Cl v palivu emise PCDD/F není jednoduchá, byly publikovány práce popírající tuto korelaci (H.G. Rigo, A.J. Chandler, Is there a strong dioxin: chlorine link in commercial scale systems? Chemosphere 37 (1998) 2031), stejně jako některé názory opačné. Většina autorů se však shoduje na tom, že daleko důležitějším faktorem pro velikost emisí PCDD/F je kvalita spalovacího procesu a způsob úpravy paliva. Kvalitou spalovacího procesu se rozumí dodržování dostatečně vysoké teploty (T > 800°C), dostatečné doby prodlení paliva v ohništi a dobré promíchávání paliva během hoření. Co se týče úpravy paliva, jedná se především o snížení vlhkosti. Vyšší obsah H₂O vede ke snížení výhřevnosti i kvality spalovacího procesu. Byl však experimentálně potvrzen přímý vztah mezi vysokým obsahem vody a vzrůstem koncentrace PCDD/F, nezávisle na kvalitě spalování (M. Punčochář, V. Veselý, R. Grabic, V. Tydlitát and V. Pekárek, The Combustion Conditions and PCDD/F Emissions, VI Int. Conf. on Technologies and Combustion for a Clean Environment, Porto, July 2001, 757). Známým faktem rovněž je, že hodnoty PCDD/F se snižují přítomností síry v palivu (V. Pekárek ,M. Punčochář, M. Bureš, R. Grabic, E. Fišerová, Effects of sulfur dioxide, hydrogen peroxide and sulfuric acid on the de novo synthesis of PCDD/F and PCB under model laboratory conditions, Chemosphere 66 (2007) 1947). Znamená to tedy, že určitý obsah síry ve spalované biomase není vůbec na závadu – emise SO_x nejsou v energetickém spalování problémem a lze je řešit např. přídavkem vápencového aditiva. Tento fakt lze rovněž s úspěchem využít při spoluspalování biomasy s uhlím.

V poslední době se začíná poukazovat na obsah chloru v souvislosti s problematikou koroze kotlů při spalování biomasy. Problém je rozebírán např. v práci Nielsena a kol. (H.P. Nielsen, F.J. Frandsen,, K. Dam-Johansen, L.L. Baxter, The implications of chlorine-associated corrosion on the operation of biomass-fired boilers, Progress in Energy and Combustion Science 26 (2000)283), kde se konstatuje, že parciální tlak HCl ve spalinách z biomasy není dostatečně vysoký na to, aby způsobil vážnou korozní škodu v plynné fázi, avšak lze očekávat problémy v depozicích bohatých na Cl na stěnách výměníků tepla. Tyto problémy – týkající se samozřejmě především biomasy s vyšším obsahem Cl - lze technicky řešit různými cestami. Jednou možností je, poněkud paradoxně, přídavek určitého množství síry k biomase (Baxter L., Biomass-coal co-combustion: oportunity for affordable renewable energy, Fuel 84 (2005) 1295). Základním poznatkem je, že alkalické chloridy kondensující na povrchu výměníkových ploch reagují s oxidem siřičitým na alkalické sírany, jež mají podstatně nižší korozívní účinky. Tento děj probíhá za oxidačních podmínek a dostatečné teploty. Existuje však i řada dalších možností, jak chránit spalovací zařízení před korozí (H. Spliethoff, H. Unterberger, K. Hain, Status of Co-combustion of Coal and Biomass in Europe, VI Int. Conf. on Technologies and Combustion for a Clean Environment, Porto, July 2001, 575). Je to zplyňování biomasy a následné energetické využití plynu, úprava paliva spočívající ve vymývání paliva vedoucí k částečnému vylouhování nežádoucích složek, příměsi aditiva (např. vápenec) vážících chlor, atd. Souhrnně lze říci, že v této problematice bylo za posledních několik let dosaženo značného pokroku. Přehled opatření vedoucích k prevenci koroze je podán v práci Miltner a kol. (A. Miltner, G. Beckmann and A. Riedl, Preventing the chlorine-induced high temperature corrosion in power boilers without loss of electrical efficiency in steam cycles, Applied Thermal Engineering 26 (2006, 2005). Rovněž zkušenosti s menšími zařízeními, které v západní Evropě řadu let spalují biomasu, aniž by byly výrazně poškozovány korozí, vedou k určitému optimismu v této otázce.

Souhrn a závěr

Biomasa je stěžejním zdrojem obnovitelných zdrojů energie a proto je třeba využívat všechny její dostupné možnosti. Pro docílení žádoucího objemu biomasy je nezbytné získávat ji také cíleným pěstováním „energetických“ rostlin. V zájmu příznivějšího chemického složení není rozhodně vhodné tento program zajišťovat výhradně slámou, či pouze k tomu pěstovanými obilninami. Pěstování obilovin (zejména tritikale) je běžné, ale je výhodné je doplňovat v širší míře dalšími druhy cíleně pěstovaných energetických rostlin (též s nižším obsahem chloru). Je to důležité i z ekologického hlediska, pro rozšíření druhové biodiversity. Sláma má zpravidla nejvyšší obsah chloru, který je v poslední době kritizován z hlediska možné koroze kotlů při spalování. Podstatou zabránění korosivních účinků je ale nejdůležitější správný způsob spalování a zejména nízká vlhkost paliva. „Nebezpečí“ chloru pro spalovací zařízení vyvrací též skutečnost, že se sláma využívá již řadu let v úspěšně fungujících kotelnách u nás i v zahraničí, aniž by prostory kotle zkorodovaly.

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