Stav a možnosti využití rostlinné biomasy v energetice ČR

V současné době jsou již k dispozici dlouholeté výzkumné výsledky s jednotlivými zdroji biomasy ze zemědělské výroby i způsoby jejího energetického využití, včetně rámcového ekonomického hodnocení. Na základě toho je možno kvalifikovaně kvantifikovat současné možné objemy produkce rostlinné biomasy ze zemědělské výroby pro energetické využití.

Podle indikačního cíle v ČR by se měly zdroje energie z rostlinné biomasy podílet na spotřebě v národním hospodářství v roce 2010 ve výši 8 %. Evropská unie požaduje, aby v roce 2015 činil podíl na spotřebě energie z obnovitelných zdrojů až 15 %. Zákon 180/2005 Sb. o využívání obnovitelných zdrojů energie na období let 2006–2009 obsahuje řadu motivačních opatření, která by měla podpořit rychlejší nárůst podílu rostlinné biomasy, jež by měla představovat dvě třetiny energie z obnovitelných zdrojů.

V národním hospodářství, respektive v zainteresovaných resortech, ale není této problematice věnována náležitá pozornost (dotační tituly, stimulační programy aj.). Některé oblasti produkce rostlinné biomasy se bez cílené podpory dostatečně neuplatní (např. zakládání porostů, energetické vytrvalé rostliny, rychle rostoucí dřeviny na zemědělské půdě a další).

Potenciál rostlinné biomasy ze zemědělské výroby pro využití v energetice spočívá v podstatě v těchto zdrojích:

1. spalování rostlinné biomasy
2. využití rostlinné biomasy pro kapalné zdroje energie
3. využití rostlinné biomasy pro plynné zdroje energie

Spalování rostlinné biomasy

Do této skupiny lze zahrnout především tyto druhy rostlinné biomasy:

1. vedlejší produkty polních plodin (sláma obilnin, kukuřice na zrno, slunečnice aj.)
2. výkonné druhy trav pro spalování biomasy
3. celá nadzemní biomasa – především obilnin
4. jednoleté energetické rostliny
5. rychle rostoucí druhy dřevin (RRD) na zemědělské půdě

Vedlejší produkty plodin

V současné době již část zemědělských podniků, především v zemědělské výrobní oblasti kukuřičné a řepařské, hospodaří na půdě bez chovu skotu a některé i bez živočišné výroby (převážně zemědělci s pronajatou půdou). Při odhadu 20% zastoupení takto hospodařících zemědělských podniků v těchto oblastech to představuje zhruba 280 tis. ha orné půdy.

Při vyšších procentech zastoupení obilnin v plodinových strukturách obilnin (nad 65 % a více) i při nutné zaorávce slámy (přísun organické hmoty do půdy) činí produkce tzv. „nepoužité“, nadbytečné slámy minimálně 500 tis. tun, která je okamžité k dispozici jako fytopalivo.

Kromě slámy obilnin se vzrůstajícími plochami kukuřice na zrno (plochy od roku 2000 do roku 2005 vzrostly o 30 tis. ha) a podobně i slunečnice (nárůst zhruba o 10 % zejména v Čechách) je podle skromného odhadu k dispozici 300–400 tis. tun biomasy, které je možné rovněž využít jako fytopalivo. Sklizeň slámy je plně mechanizovaná, jsou k dispozici výkonné vysokotlaké lisy.

Přímé náklady na zpracování 1 t suché fytomasy činí kolem 590 Kč, celkové náklady asi 800 Kč. Produkci fytomasy a energetický obsah vybraných polních plodin a dalších druhů rostlinné biomasy uvádí tab. 1.

Tabulka č. 1: Energetický obsah a energetická produkce jednotlivých druhů rostlinné biomasy
 

Druh rostl. biomasy	Výhřevnost biomasy při vlhkosti 5% (MJ/kg)	Spalné teplo sušiny biomasy (MJ/kg)	Průměrné výnosy suché biomasy (t/ha)	Energetická produkce 1ha (GJ)
Sláma obilnin	15,5	17,5	4,2	65,1
Sláma řepky olejky	15,3	17,5	3,0	45,9
Celé nadzemní rostliny žita ozimého	15,3	17,6	11,0	168,3
Celé nadzemní rostliny Tritikale	15,5	17,5	12,0	186,0
Čiroky (průměr)	15,3	17,7	8,1*	123,9
Konopí seté	15,5	18,1	7,9*	122,5
Psineček veliký 1)	15,6	17,8	7,7	120,1
Kostřava rákosovitá 1)	15,6	17,5	7,6	118,6
Lesknice rákosovitá 1)	15,5	17,5	6,4	99,4
Ozdobnice čínská 2)	16,8	18,1	14,0*	235,2
Křídlatka česká 2)	15,3	17,6	10,3*	157,6
Energetický šťovík 2)	15,3	18,0	9,0	132,2
Topoly obmytí (průměr)	17,1	19,0	7,1	121,4
Vrby (obmýtí)	17,0	19,7	6,9	117,3

Poznámky:
¹⁾ Výnosy biomasy ve 2. užitkovém roce, ²⁾Průměr výnosů až 9-letého porostu, *Průměrné výnosy při sklizni na jaře

Výkonné druhy trav

Kromě biomasy vedlejších produktů polních plodin lze jako tyto paliva využít biomasu některých druhů trav zejména na stanovištích s vyšší nadmořskou výškou (nad 400 m n.m.) a vyšší svažitostí terénu (erozní ohrožení).

Z výsledků výzkumu vyplývá (tab. 2), že za vhodné druhy trav pro energetické využití lze zejména považovat psineček velký a kostřavu rákosovitou, které bez hnojení N mohou poskytnout ve 2. užitkovém roce výnosy suché biomasy nad 6,8 t/ha, ve 2. užitkovém roce při hnojení N 50 kg/ha přes 10 t/ha suché biomasy.

Tabulka č. 2: Průměrné výnosy suché biomasy (t/ha) u jednotlivých výkonných trav z 1. seče v prvním a druhém užitkovém roce (FRYDRICH a kol.: Zemědělské informace ÚZTI, Praha 2001, č. 23)
 

Druhy trav	Bez hnojení		Hnojení N 50kg/ha
	Užitkový rok		Užitkový rok
	1	2	1	2
Kostřava rákosovitá	3,98	6,88	5,29	10,1
Ovsík vyvýšený	3,37	6,38	4,31	8,77
Psineček velký	4,47	8,21	8,06	10,17
Kostřavice bezbranná	5,09	4,33	6,94	6,58

V mnoha okresech činí zatravnění zemědělské půdy nad 40 % (okresy, Český Krumlov, Sokolov, Ústí n.L., Semily, Bruntál, Frýdek-Místek, Šumperk a Vsetín), což představuje výměna zatravněné plochy 160 850 ha. Na příkladu okresu Vsetín podle FRYDRYCHA a kol. (2001) je možné po bližší specifikaci vhodných ploch pro pěstování těchto trav dosáhnout produkci suché biomasy ve výši 10 tis. tun.

V dalších výše uvedených podhorských okresech se může na vhodných stanovištích během následujících let odhadem z této plochy při průměrném využití 1 % dosáhnout zhruba 103 tis. tun suché biomasy. Podle hrubé kalkulace se pohybují přímé náklady na 1 t suché biomasy při výnosu 8 t/ha psinečku velkého kolem 675 Kč/t.

Celá nadzemní biomasa – především obilnin

Na méně produktivních stanovištích, především v zemědělské výrobní oblasti pícninářské, nebude možné v dalších letech zajistit konkurenceschopnost pěstovaných obilnin, a to nejen s ohledem na výši výnosu i jeho kvalitu. Podle našich odhadů se může jednat zhruba o plochu 400 tis. ha orné půdy, kterou je možné použít k pěstování celé nadzemní hmoty, u žita ozimého a tritikale jako fytopaliva. Podle uskutečněných výsledků pokusů na Českomoravské vysočině činily výnosy fytomasy před dozráním (obsah vody 18 %) u žita ozimého od 10–12 t/ha, tritikale 12,5–13,5 t/ha. Sklizeň probíhá posečením řádkovačem na řady s doschnutím biomasy. Produkce suché biomasy může činit na této ploše zhruba 4,1 mil. tun.

Přímé náklady na vypěstování a sklizeň do objemových balíků mohou být minimalizovány (zjednodušený způsob pěstování). Z výše uvedeného vyplývá, že by bylo možné okamžitě pro spalování fytomasy těchto plodin využít 900 tis. tun ročně.

Během 2–3 let je nutné, aby zemědělské podniky přistoupily důsledně k realizaci využití této fytomasy, tj. k založení porostů výkonných druhů trav a celkové nadzemní biomasy ozimých obilnin, čímž lze získat produkci fytomasy ve výši 5 mil. 213 tis. tun ročně. Pěstební technologie těchto plodin včetně sklizně je již nyní vyřešena. Pro tento objem biomasy je však třeba během této doby vybudovat zařízení pro spalování. Většinou se jedná o energetické využití v komunální sféře. Proto současným prvořadým úkolem pro zhodnocení uvedeného stavu produkce fytopaliva ze zemědělství je vybudovat potřebné spalovny. To znamená, že je třeba organizačně a finančně (vytipovat obce pro výstavbu spaloven, zainteresovat krajské úřady a příslušná ministerstva (MZe, MŽP aj.) zabezpečit tento projekt využívání energie z těchto obnovitelných zdrojů tj. přes 5 mil. tun fytopaliva.

Z hlediska možnosti využití rostlinné biomasy v energetice lze toto považovat za první etapu, která prokáže jaké je u nás zužitkování těchto zdrojů obnovitelné energie.

Energetické rostliny

Za energeticky vhodné rostliny se považují takové, jejichž produkce suché biomasy činí minimálně 12 t/ha, z hlediska ekonomického je však nutné, aby produkce suché biomasy těchto rostlin činila alespoň 15 tun z ha.

V našich půdně-klimatických podmínkách se v posledních 20 letech ověřuje produkce biomasy z řady jednoletých a víceletých rostlin. Za toto období jsou k dispozici výsledky exaktních polních pokusů na několika výzkumných stanovištích. U sledovaných energetických rostlin je již v současné době dostatečně propracována i pěstební technologie.

a) Jednoleté energetické rostliny

V polních pokusech VÚRV,v.v.i. Praha – Ruzyně se na několika stanovištích v ČR se sledovaly především tyto druhy rostlin: konopí seté, čirok zrnový, čirok Hyso a súdánská tráva.

Z výnosových výsledků (viz. tab. 3) jednoznačně vyplývá, že nejvyšší výnosy suché biomasy se dosáhly u čiroku zrnového, a to 13 t/ha. U čiroku Hysa a súdánské trávy se výnosy biomasy na jaře pohybovaly pod požadovanou minimální produkcí. Z výsledků je zřejmé, že uspokojivé výnosy rostlinné biomasy těchto jednoletých rostlin byly dosaženy jen v našich teplejších oblastech (Troubsko u Brna). Ostatní sledované energetické rostliny na dalších sledovaných stanovištích neprokázaly potřebnou produkci biomasy.

Tabulka č. 3: Průměrné výnosy suché biomasy (t/ha) některých jednoletých rostlin při různých termínech sklizně na odlišných stanovištích při dávce 60 kg/ha N

Energetická rostlina	Termín sklizně	Stanoviště
		Ruzyně	Lukavec	Chomutov	Troubsko
Konopí seté	Podzim	11,50	7,95	-	-
	Jaro	7,94	4,77	-	-
Čirok zrnový	Podzim	12,36	8,48	14,65	31,24
	Jaro	7,42	5,04	8,79	13,13
Čirok „Hyso“	Podzim	11,93	8,30	14,71	27,17
	Jaro	7,16	4,98	8,83	11,40
Súdánská tráva	Podzim	9,39	-	13,93	26,66
	Jaro	5,63	-	8,36	11,76

Celkové náklady na 1 tunu suché biomasy čiroku zrnového jsou relativně vysoké a pohybují se při výnosu kolem 11 t/ha kolem 1400 Kč. Čiroky navíc mají i v pozdějších termínech sklizně vysoký obsah vody proto se musí, pokud je máme skladovat nebo přímo spalovat v malých kotlích, dosoušet. Z hlediska vysokého obsahu vody v rostlinách během celé vegetace jsou čiroky vhodnější pro výrobu bioplynu. Uvedené výsledky prokázaly, že v našich teplejších oblastech především v zemědělské výrobní oblasti kukuřičné je možné pro energetické účely využít čiroku zrnového. Zatím však nemáme praktické poznatky s velkovýrobním pěstováním hlavně se sklizní a zpracováním biomasy čiroku na fytopalivo. Proto v současné době nelze s produkcí tohoto fytopaliva běžně počítat.

b) Vytrvalé energetické rostliny

V polních pokusech se současně s jednoletými rostlinami sledovaly výnosy vytrvalých rostlin. Do pokusů byly zařazeny tyto vytrvalé energetické rostliny: ozdobnice čínská, lesknice (chrastice) rákosovitá, křídlatka česká. Dosažené výnosy suché biomasy uvedených vytrvalých energetických rostlin uvádí tab. 4.

Tabulka č. 4: Průměrné výnosy suché biomasy některých vytrvalých energetických rostlin při sklizni na jaře (sledované období 1996–2002)
 

Energetická rostlina	Hnojení N (kg/ha)	Stanoviště
		Ruzyně	Lukavec	Troubsko
Lesknice rákosovitá	60	6,33	7,10	8,13
Ozdobnice čínská	50	14,64	10,12	16,10
Křídlatka česká	0	10,01	8,47	-

Nejvyšší výnosy suché biomasy na všech sledovaných stanovištích poskytuje ozdobnice čínská. Dobré výnosy suché biomasy na teplejších stanovištích dala i křídlatka česká a to i bez hnojení dusíkem. Z výsledků výzkumu poslední doby je velmi perspektivní vytrvalou rostlinou energetický šťovík, který poskytuje výnosy suché biomasy do průměru kolem 8 t/ha. Je nenáročný na půdu, má menší nároky na vodu, je velmi odolný vůči vymrzání, poskytuje rovnoměrné výnosy biomasy a při sklizni koncem července má jeho biomasa, jako málokteré rostliny uvažované na spalování, nízký obsah vody (pod 20 %).

Ekonomiku pěstování ozdobnice čínské i křídlatky české však výrazně ovlivňují náklady na založení porostu těchto rostlin. Zakládání porostů ozdobnice čínské sazenicemi vypěstovanými z tkáňových kultur se pohybuje kolem 11,5 Kč/kus. Levnější je založení z oddenku této rostliny. Podobně je tomu u křídlatky české, kde přímé náklady na založení porostů rovněž zvyšuje vysoká cena oddenku.

Při ekonomické kalkulaci, kdy se modelově uvažuje využívání porostu ozdobnice čínské v průměru deseti užitkových let, činí náklady při průměrném výnosu suché biomasy 14 t/ha kolem 1230 Kč/t. U křídlatky české při prodlouženém využívání na 20 let a průměrném výnosu suché biomasy 10 t/ha mohou činit náklady 1200 Kč/t. Tyto kalkulace jsou odvozeny ze zahraničních výsledků (zejména u ozdobnice čínské z SRN), neboť v ČR nemáme dosud žádné dlouhodobé výsledky.

Vliv dalších okolnosti

Současný stav využití rostlinné biomasy pro spalování na zemědělském půdním fondu ČR úzce souvisí s řadou okolností:

1. Stále probíhající restrukturalizace soustavy hospodaření na půdě (hospodaření bez živočišné výroby, konkurenceschopnost jednotlivých komodit na trhu a další okolnosti).
2. Rozsah pěstitelských ploch energetických rostlin pro využití jako fytopaliva je dnes rovněž ovlivňován využitím (odběrem) produkce pro spalování v kotelnách komunální sféry, případně s propojením na větší zemědělské podniky (kotle o výkonu 500 až 2000 kW).
3. Cílené pěstování energetických rostlin v okolí tepláren a elektráren jako společné spalování rostlinného fytopaliva s uhlím. Limitujícím faktorem jsou relativně vysoké náklady na pěstování energetických rostlin (nutná subvence pro udržení produkce). Při řešení této problematiky zahrnující také pěstování energetických plodin je tedy nutné, pokud je to možné, zajistit si státní podporu (případné čerpání finanční podpory z EU). Je rovněž nezbytné považovat fytopaliva za zemědělskou komoditu.
4. Do budoucna bude třeba zaměřit pozornost také na šlechtění nových odrůd energetických rostlin. Při výběru energetických plodin by se mělo přihlížet k několika základním faktorům.
5. Ideotyp energetické plodiny

Ideální energetická plodina (ideotyp) by měla splňovat následující kritéria:

• rychlý růst
• biomasu nad zemí (tzn. běžně ne plodiny s hlízami): Sklizeň nadzemní části snižuje cenu a chrání půdu
• nízký obsah prvků, zvláště dusíku (N), a to zejména v sklízených částech
• mít charakter vytrvalé rostliny, vyrůstající z rhizomů a pařezů: Nemusí se financovat každoroční setí a další potřebné pěstební technologie. Měly by dobře přežívat zimní období
• rašení časně na jaře a ukončení vegetace pozdě na podzim s návratem části živin do přežívajících částí rostliny. Plodina by měla růst relativně rychle též při nízkých teplotách - recyklace živin umožňuje nízké inputy živin
• vysokou odolnost proti chorobám: Dokonce je možná i přítomnost jedovatých alkaloidů, které napomáhají rezistenci plodin – plodiny nejsou určeny pro potravu, ale pro energetické využití
• vysokou konkurenceschopnost proti plevelům. Jestliže porostou rychle brzy na jaře bude menší problém s plevely
• nízkou spotřebu vody a odolnost proti suchu
• nízké ekonomické vstupy do pěstování rostlin, zejména do zakládání porostů apod.

Rychle rostoucí dřeviny na zemědělské půdě

Od 70. let minulého století se v západní Evropě pokusně ověřovalo více než 25 druhů dřevin pro produkci dřevní biomasy. Pro naše podmínky se jeví jako nejvýhodnější vrby a topoly. V zemích EU bylo zatím zaregistrováno asi 10 odrůd vrb a asi 10 klonů topolů, které je možno pěstovat i u nás. Kromě toho byl na MŽP vytvořen tzv. seznam doporučených klonů, který obsahuje bohatý sortiment cca 45 klonů vrb a topolů.

V ČR na základě 6–10ti letých hodnocení širšího sortimentu rychle rostoucích dřevin (RRD) v 30-ti maloplošných pokusech a plantážích (VÚKOZ,v.v.i. - Průhonice u Prahy), byla hodnocena vhodnost stanovištních podmínek pro pěstování RRD a výnosový potenciál sledovaných klonů některých druhů dřevin především topolů a vrb.

Volba stanoviště a klonu

Z dosažených výsledků VÚKOZ u perspektivních klonů topolů a vrb v 1. a 2. obmýtí vyplývá, že hlavní vliv na výnos má volba stanoviště a potom volba vhodného klonu. Nejlepší klony dosahovaly v prvním obmýtí průměrného ročního výnosu sušiny ze všech lokalit a opakování 3,5 tuny a v druhém 8–10 t. Nejvýnosnější klony v druhém obmýtí (vrby: S-smith-218, S-rubLip-195, S-vimKun-337, S-albBrn-117 a topoly: P-trikor-468 a P-NE44B-466) dosáhly na příznivých stanovištích dobře zásobených vodou výnosy 15 až 22 t(suš.)/ha/rok (Weger a kol. 2006).

V současné době se v naší praxi nejvíce pěstují topolové klony tzv. japanů - jsou populární názvy pro skupinu 5 topolových klonů získaných ze záměrných křížení topolu černého a topolu maximowiczova (Populus nigra x Populus maximowiczii) prováděných v Japonsku v 80. letech minulého století. V Evropě jsou pěstovány pod různými klonovými označeními. Z uvedených 5 klonů se u nás i v okolních zemích nejvíce pěstuje klon Jap-105 (=J-105, Max-4, Maxvier) a v menší míře také Jap-104 (J-104, Max-5, Maxfunf). Vyznačují srovnatelnou produkcí s nejlepšími testovanými klony na VÚKOZ, ale s výbornou výmladností srovnatelnou s vrbami, která je důležitá pro celkovou životnost výmladkové plantáže. Je ale třeba vzít v úvahu, že jde o výnosové výsledky, kdy plantáže ještě nejsou v plné produkční schopnosti (nejvyšší výnosy dřevní biomasy jsou ve 3. až 5. obmýtí).

Sklizeň dřevní hmoty probíhá během zimního období, obsah vody ve sklizené štěpce se pohybuje mezi 48-59 % a proto je nutné její dosoušení. Pro sklizeň je již vhodná mechanizace, větší problémy při velkých objemech sklizené štěpky je její dosoušení.

Ekonomické hodnocení produkce RRD

Pro zakládání plantáží RRD lze využít ekonomicky nerentabilní půdy pro zemědělské plodiny. Rovněž nelze opomenout i důležitou funkci plantáží RRD pro zkvalitnění prostředí (problémové lokality) rekultivaci apod. Také přispívají k ochraně přírody (větší biodiversita) úkryt a potrava pro drobnou zvěř, hnízdiště ptactva aj. a plantáže rychle rostoucích dřevin přispívají k utváření krajiny (revitalizace).

Ekonomické hodnocení produkce biomasy RRD je u nás ale nesnadné, neboť v současné době nejsou k dispozici dlouhodobě pěstované plantáže potřebné jak nákladové, tak i výnosové údaje. Podle ekonomických kalkulací VÚKOZ,v.v.i. bylo při využití dotací HRDP (jen do roku 2006!) možné očekávat rentabilní pěstovaní při průměrných výnosech nad 7,5 t (suš.)/ha/rok za existenci porostu. Kalkulovaná minimální cena produkované biomasy – tzn. s přiměřeným ziskem – by se pohybovala v rozmezí 90–150 Kč/GJ v závislosti na dosažených výnosech, použité technologii pěstování (nákladech) a reálném diskontu 9 % (Weger a kol. 2007). Dotace však nejsou k dispozici od roku 2007.

V dalším období při státních dotacích (zejména z MŽP) na založení porostu lze očekávat na vhodných stanovištích, nebo při revitalizaci krajiny vyšší využití.

Zde je třeba zdůraznit, že stejně jako pro využití perspektivních víceletých energetických rostlin (zejména šťovíku, ozdobnice čínské apod.), také pro využití RRD je nutno urychleně vyřešit finanční podporu (dotace) na založení porostu. Každá prodleva totiž způsobuje odklad jejich maximálních využití - u ozdobnice čínské podle stanoviště po 4 letech, u RRD 2. obmýtí po 6 až 9 letech.

Tento příspěvek byl realizován za finanční podpory MZe ČR (projekt reg. č. 000270061). Uvedené citace autorů v příspěvku jsou k dispozici u autorů.

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