Využití biomasy rychle rostoucích dřevin v energetice sídel

Úvod

V souvislosti s energetickým využíváním biomasy se rozumí rostlinnou biomasou především dřevo a různorodý dřevní odpad, resp. jiné energetické rostliny vhodné pro spalování v různých topeništích. Tuto rostlinnou biomasu převážně tvoří zemědělské a lesnické produkty a jejich zbytky nebo také cíleně pěstované energetické rostliny na plantážích. [Energetické využívání biomasy = pro ohřev vzduchu k vytvoření tepelné pohody člověka, pro ohřev teplé užitkové vody, pro výrobu jiných druhů energie – pro přeměny energií].

Plantáže energetických dřevin jsou výhodné z hlediska zpracování pro následné využití, protože je dříví soustředěno na jednom místě, čímž se usnadní jeho zpracování. Nejčastějším způsobem zpracování je štěpkování na štěpku určité délky. [Štěpkování = příčné dělení vlákna větví nebo kmenů dřevin. Produktem je štěpka různých fyzikálních vlastností. To závisí na použité mechanizaci a charakteru zpracovávaných dřevin], [Plantáž = výsadba vhodných druhů dřevin sloužících pro průmyslovou (agrotechnickou) výrobu speciálních sortimentů dřeva, zpravidla na stanovišti. Díky přirozenému produkčnímu potenciálu dřevin v krátké době, může plantáž poskytnout vyšší než obvyklý výnos dřevin (rychle rostoucí dřeviny), čímž může být realizováno krátké obmýtí].

Plantáže rychle rostoucích dřevin lze snadno ošetřovat, protože stromy rostou v řadách. Mezi řady lze snadno zajíždět a pohybovat se mechanizací. Sklizeň a zpracování stromů je také snadná, protože je to dřevní hmota homogenní a pravidelného vzrůstu. Nehrozí vznik škodlivých produktů při hoření vlivem chemicky znečištěného dřevního odpadu, protože dřevo z plantáží rychle rostoucích dřevin není kontaminováno.

Vzhled a tvar plantáží vychází z předpokladu snadné údržby a sklizně. V některých lokalitách mohou být plantáže součástí biokoridorů, proto by měl být projekt zakládání energetických plantáží vypracován tak, aby se plantáž stala součástí přirozené krajiny [Biokoridor = propojený úsek krajiny, který umožňuje pohyb organismů mezi jednotlivými biocentry].

Při zjišťování možností energetického využívání rychle rostoucích dřevin je nutné sledovat výnos dřevní hmoty ve vazbě na určitou lokalitu a její rozlohu. Základním podkladovým údajem je produkce čerstvé dřevní hmoty (při určitém obsahu vody), resp. produkce sušiny z hektaru zemědělské nebo lesnické půdy.

Palivové dříví z lesů, remízků, větrolamů, parků a různých odpadů je v současné době hlavním zdrojem biomasy jako obnovitelné energetické suroviny pro výrobu tepla. Je patrné, že produkce dřevin z plantáží rychle rostoucích dřevin může zčásti nahradit zmíněné palivové dříví.

Obecně platí, že čím je vyšší provozovaný výkon kotle, resp. součet výkonů jednotlivých kotlů, tím je vyšší požadavek na dodávku paliva při určitém režimu provozovaného výkonu (intenzita hoření). Například při režimu hoření na 30 % výkonu u kotle 300 kW je dodávka paliva 23,22 kg.h^-1 při jeho neměnné výhřevnosti (například 17 MJ.kg^-1). Při režimu hoření na 50 % je to 38,71 kg.h^-1, resp. při 75 % je to 58,06 kg.h^-1 a při 100 % výkonu je to 77,41 kg.h^-1. S uvedeným souvisí vyšší požadavky na objem paliva při jeho určité vlhkosti a objemové hmotnosti.

Výběr kotle potřebného výkonu pro vytápění určitého objektu závisí na spotřebě tepla pro udržování tepelné pohody (resp. požadované hygienické teploty) v objektu. Různé objekty mají rozdílnou schopnost udržovat vnitřní teplotu. Je to dáno celkovou tepelnou ztrátou objektu (charakter stavební konstrukce a úroveň zateplení objektu) a jeho velikostí (z hlediska zastavěné plochy i výšky). K tepelným ztrátám dochází jednak prostupem tepla obvodovými i vnitřními konstrukcemi (stěnami, okny, dveřmi, stropem, podlahou) a také nutnou výměnou vzduchu v místnostech. Samozřejmě, že podstatnou roli zde hraje i vnější teplota. Čím je nižší teplota v okolí objektu, tím je vyšší tepelná ztráta a tím je vyšší požadavek na teplo pro její úhradu.

Z výše uvedeného vyplývá, že lze stanovit velikost energetické plantáže pro vytápění určitého objektu v topném období, pokud je známa jeho celková tepelná ztráta a pokud je znám údaj, jak veliký výnos je schopna konkrétní plantáž rychle rostoucích dřevin vyprodukovat.

V této souvislosti je potřeba říci, že tento výnosový potenciál sušiny rychle rostoucích dřevin nemůže být stanoven nikdy zcela přesně, ale vždy se bude jednat pouze o údaje teoretické. Je to proto, že v této oblasti existuje mnoho proměnných faktorů. Například klimatické a půdní podmínky, vodní režim, svažitost a expozice pozemku, způsob a rozsah ošetřování, výběr vhodných dřevin v závislosti na lokalitě, způsob přípravy půdy před výsadbou, obsah živin, výběr a dodržení správné technologie výsadby a také délka obmýtí.

Z výše uvedených příčin lze z různých zdrojů čerpat rozdílné údaje o výnosu dřevní hmoty rychle rostoucích dřevin. Tento aspekt je všem pěstitelům zemědělských plodin a hospodářům v lesnictví dobře znám, a proto se sami snaží svoji každoroční produkci optimalizovat s využitím znalostí konkrétních podmínek a na základě minulých zkušeností. Obdobně jako u zemědělské produkce lze i v oblasti pěstování rychle rostoucích dřevin plantážovým způsobem po určité době získat zkušenosti a odhad může být z hlediska přesnosti určení výnosu pro tvorbu zásoby paliva dostačující. Také průběh topné sezóny může být rozdílný. V mírné zimě bude potřeba paliva nižší nebo naopak. Každý rozumný majitel objektu si připraví palivo na topné období s určitou rezervou a plochu plantáže této rezervě přizpůsobí.

V dalším textu bude uveden obecný postup pro stanovení rozvahy potřeby paliva na topné období pro objekt s určitými tepelnými ztrátami. Na základě získaných poznatků z výzkumů rychle rostoucích dřevin bude také uveden obecný postup pro stanovení potřebné rozlohy plantáže rychle rostoucích topolů. Publikaci „Praktický rádce pro začínající pěstitele plantáží rychle rostoucích dřevin“ lze získat u autorů textu.

Materiál a metodika

Výpočet celkové tepelné ztráty objektu

Celková tepelná ztráta (W) se rovná součtu tepelné ztráty prostupem tepla konstrukcemi a tepelné ztráty větráním, snížená o trvalé tepelné zisky (ŠUBRT, 1999). (1.1)

1. Tepelná ztráta prostupem tepla

Základní tepelná ztráta prostupem tepla ve W, se rovná součtu tepelných toků prostupem tepla v ustáleném tepelném stavu jednotlivými konstrukcemi ohraničujícími vytápěnou místnost do venkovního prostředí nebo do sousedních místností (ŠUBRT, 1999). (1.2 a 1.3)

2. Tepelná ztráta prostoru (místnosti) větráním

Tepelná ztráta prostoru (místnosti) větráním stanovuje vztah (1.4)

Potřeba rostlinné biomasy pro energetické využívání

Potřebu rostlinné biomasy pro energetické využívání stanovuje vztah (1.5)

Energetický zisk

U všech forem energetické biomasy je sledován především energetický zisk (výnos, výtěžnost) E (1.6 a 1.7)

Nejkratší interval dodávky paliva tedy závisí na jmenovitém výkonu topidla, jeho účinnosti a výhřevnosti spalované dřevní hmoty Q.

Výsledky a diskuse

Podklady pro stanovení potřeby rostlinné biomasy

1. Průměrný výnos plantáže topolu kanadského (t.ha^-1)
2. Spalné teplo topolu (MJ.kg^-1)
3. Výhřevnost topolové štěpky (MJ.kg^-1)
4. Přehled fyzikálních parametrů rychle rostoucích topolů pro energetické využití
5. Formy produkce biomasy z rychle rostoucích topolů

1. Průměrný výnos plantáže topolu kanadského

Hodnoty byly získány na základě výzkumu, který byl realizován pokusné plantáži v katastru obce Lhenice (1999, populus maximowiczii x populus berolinensis Oxford, populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104), dále na plantáži v katastru obce Rankov u Trhových Svin (1999, populus maximowiczii x populus berolinensis Oxford)a na kombinovaně (ručně a mechanizované) založené plantáži v lokalitě Krejcárka u Týna nad Vltavou (1997, populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104, Jap-105 a na plantáži Čakov I. a II.).

Z následující tabulky 1 lze určit průměrný výnos dřevní hmoty v čerstvém stavu a dřevní hmoty určené pro spalování. K tomu je třeba znát způsob výsadby (vzdálenost řad stromů a vzdálenost stromů v řadách), protože se mění počet stromů P_ř na ploše:

P_ř = 10 000 . (b . l)^-1 (ks) (1.8)

kde: b je vzdálenost řad od sebe (m), l je vzdálenost stromů v řadách (m)

Tabulka 1: Průměrné hodnoty hmotnosti stromů v závislosti na době pěstování

Stáří stromů (rok)	Průměrná hmotnost stromu v čerstvém stavu (kg)
1.	0,017 ± 0,008
2.	0,220 ± 0,110
3.	3,210 ± 1,190
4.	12,670 ± 3,743
5.	18,622 ± 5,073
6.	28,630 ± 5,262
7.	36,890 ± 9,105
8.	44,320 ± 9,301

2. Spalné teplo topolu

Součástí výzkumu, který autoři tohoto příspěvku realizovali, bylo ověření spalného tepla klonů z kříženců černých a balzámových topolů, protože mohou mít poněkud rozdílnou výhřevnost, než je v odborné literatuře uváděno. V literatuře je totiž uváděno mnoho údajů o výhřevnosti topolů při určitém obsahu vody. Chybí přesná specifikace topolu. V žádných pramenech není udáváno spalné teplo, resp. výhřevnost kříženců rychle rostoucích topolů.

Spalné teplo bylo určeno podle ČSN 44 1352 spalným kalorimetrem PAAR 1356 ve VURV Praha. Hodnoty spalného tepla a hodnoty vypočítané výhřevnosti v závislosti na obsahu vody rozdílných klonů rychle rostoucích topolů jsou v následující tabulce 2.

Tabulka 2: Hodnoty spalného tepla rozdílných klonů rychle rostoucích topolů v závislosti na charakteru dřevní hmoty

Označení klonu podle Věstníku MZe	Spalné teplo čisté dřevní hmoty (MJ.kg-1)	Spalné teplo dřevní hmoty s přirozeným obsahem kůry (MJ.kg-1)
populus maximowiczii x populus berolinensis Oxford	19,589	20,144
populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104	19,501	20,389
populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-105	19,477	20,007

Z tabulky 2 vyplývá, že spalné teplo dřevní hmoty s kůrou je nepatrně vyšší, než spalné teplo čisté dřevní hmoty. Rozdíl je v průměru 0,658 MJ.kg^-1. Pokud se porovnají spalná tepla jednotlivých klonů, výraznější rozdíly zde nejsou. V případě čisté dřevní hmoty je to 0,112 MJ.kg^-1 a v případě dřevní hmoty s kůrou je to 0,382 MJ.kg^-1. Průměrné hodnoty spalných tepel bez ohledu na klony jsou 19,522 MJ.kg^-1, resp. 20,180 MJ.kg^-1.

3. Výhřevnost topolové štěpky

Nejdůležitějšími fyzikálními parametry jsou spalné teplo a výhřevnost, která je stanovena výpočtem na základě určeného spalného tepla a zjištěného obsahu vody. Spalné teplo se mezi druhy dřevin liší a pohybuje se v rozsahu 14,7 až 21,1 MJ.kg^-1. Rozdíl je dán zejména poměrem ligninu, jehož výhřevnost je 25,5 MJ.kg^-1, a celulózy, která má výhřevnost 18,8 MJ.kg^-1. Vliv na výhřevnost má také obsah pryskyřic.

Výhřevnost rostlinné biomasy Q je běžně uváděna v kJ.kg^-1 nebo MJ.kg^-1. Prosazuje se i jednotka kWh.kg^-1 paliva, protože se urychlí výpočet hodinové spotřeby paliva pro daný výkon kotle uvedeného v kW (MJ.kg^-1 se na kWh.kg^-1 přepočte tak, že se vydělí hodnotou 3,6). Se stoupajícím objemem vody v dřevní hmotě klesá její výhřevnost, protože stoupá množství tepla potřebného k odpaření obsažené vody. Z tohoto důvodu je nutné znát obsah vody dřevní hmoty, která je spalována. Rychle rostoucí dřeviny v době svého růstu obsahují 75 až 85 % vody. Čerstvě pokácené a nařezané dřevo obsahuje podle druhu, polohy a stáří stromu mezi 50 a 100 % vlhkosti.

Tabulka 3: Výhřevnost čisté dřevní hmoty rychlerostoucích topolů populus nigra L. x populus maximowiczii Jap-104 v závislosti na obsahu vody

Obsah vody (%)	Výhřevnost čisté dřevní hmoty (MJ.kg-1)
5	18,4
10	17,31
15	16,21
20	15,11
25	14,01
30	12,92
35	11,82
40	10,72
45	9,63
50	8,53
55	7,43
60	6,33

4. Přehled fyzikálních parametrů rychle rostoucích topolů pro energetické využití

V následující tabulce 4 jsou přehledně uvedeny vybrané údaje fyzikálních vlastností dřevin s vazbou pro energetické využití.

Tabulka 4: Přehled fyzikálních parametrů rychle rostoucích dřevin pro energetické využití

Fyzikální parametr	Hodnota	Jednotka
Obsah vody při těžbě RRD	51,16 – 67,2	%
Objemová hmotnost kmenové hmoty při těžbě	921,9 – 948,2	kg.m-3
Průměrná objemová hmotnost suché kmenové hmoty	335,7/20	kg.m-3/%
Objemová hmotnost štěpky čerstvé, sypané	133,16	kg.m-3
Spalné teplo dřevní hmoty	20,18	MJ.kg-1
Výhřevnost dřevní hmoty při 20 % obsahu vody	15,18	MJ.kg-1
Spalné teplo čisté dřevní hmoty	19,52	MJ.kg-1
Výhřevnost čisté dřevní hmoty při 30 % obsahu vody	12,98	MJ.kg-1

Na základě údajů v tabulce 4 lze provést výpočty potřebné pro stanovení potřebného objemu dřevní suroviny pro zabezpečení výroby tepla pro topnou sezónu.

5. Formy produkce biomasy z rychle rostoucích topolů

Při sklizni biomasy s cílem jejího využití jako energetického paliva lze použít následující úpravy produktu:

• štěpka
• polena
• kusové dříví
• energetické otepi

V následující tabulce x jsou uvedeny základní fyzikální vlastnosti energetických produktů z rychle rostoucích dřevin:

Tabulka 5: Fyzikální vlastnosti a charakter různých forem dřevní hmoty z rychle rostoucích topolů (při zpracování v rámci těžby)

Forma suroviny	Objemová hmotnost ρ   kg.m-3	Střední hmotnost kusu kg	Poznámka
Štěpka zelená sypaná	133,16	x	(zpracovávanou surovinou jsou větve bez listí)
Štěpka hnědá sypaná	243,500	x	(zpracovávanou surovinou jsou kmeny)
Energetická otep do malých topenišť	x	1, 8	(obsahuje výřezy větví a kmenů průměrů do 6 cm, délka je do 40 cm)
Polena	944,20 při 56,35 % vody / 390,027 při 18 % vody	1,2 - 2,55	(výřezy délky 35 - 40 cm a průměru 9 – 12 cm)
Kusové sekané dříví (systém Rojek)	292,09 při 0 % obsahu vody (sušina)	0,035 – 0,055	(zpracovávanou surovinou jsou větve a kmeny do průměru 8 cm) / délka štípaných kusů se pohybuje v rozsahu 5 – 8 cm

Závěr

Energetická soběstačnost obce je založena na myšlence využití veškeré biomasy v katastru obce pro výrobu energie. K tomu je třeba vytvořit systém pěstování biomasy pro energetické účely na dostupné vhodné půdě. Ostatní biomasa (odpady) by měla být pouze doplňkem biomasy cíleně pěstované. Je potřebné vyrábět z cíleně pěstovaných dřevin i jiné formy paliva než pouze štěpku, protože výrobci topidel dodávají na trh mnoho variant topidel, která spalují různé formy paliva.

Výnosy dřevní hmoty na reálných plantážích nemusí být tak vysoké, jak je publikováno v literatuře, protože mohl být výnos odvozován z maloparcelních pokusů. Výnos závisí na mnoha faktorech. Jedním z hlavních je způsob přípravy půdy před výsadbou řízků a způsob a četnost ochrany porostu v prvních dvou letech po výsadbě. Do výnosů mohou negativně zasáhnout i půdní podmínky (BPEJ) a klimatické podmínky (teplotní a srážkové charakteristiky). Výše uvedené faktory, které budou v nepříznivých hodnotách, mohou přinést pěstitelům velké zklamání. Mohou se přidat i méně závažné faktory, které sníží předpokládaný výnos. Například poškození zvěří nebo trvalé zastínění okolním porostem. Rychle rostoucí topoly potřebují ke svému růstu optimální podmínky jako každá jiná dřevina. Nelze tedy očekávat, že na bývalé skládce komunálního odpadu nebo na složišti stavební suti bude výnos takový, který je uváděn v literatuře. Vždy je třeba počítat s výnosem poněkud nižším.

Příspěvek byl napsán na základě poznatků při řešení výzkumného záměru MSM 6007665806 Trvale udržitelné způsoby zemědělského hospodaření v podhorských a horských oblastech a Projektu MŠMT 2B06131 „Nepotravinářské využití biomasy“.

Použitá literatura

Celjak, I.: Analýza energetických parametrů rychle rostoucích topolů, Sborník Mezinárodní vědecké konference „Technika v zemědělství a potravinářství ve třetím tisíciletí, 23. – 25. května 2007, MZLU Brno, s. 64 – 70

Celjak, I.: Analýza produkčního potenciálu rychle rostoucích topolů, Sborník Mezinárodní vědecké konference Český Krumlov, Aktuální problémy využívání zemědělské techniky, 1.-2.6.2006

Celjak, I.: Návrh velikosti energetické plantáže pro vytápění rodinného domu, Sborník z konference „Trendy vo výskume a vývoji polnohospodárskych strojov a technologií v ekosystéme kultúrnej krajiny“, Dudince, Slovenská republika, 2.-3. 6. 2005, s.11

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