Kotelny na biomasu pro obce a města

Přebytek zemědělské půdy

Nárůst přebytku zemědělské půdy vlivem zvyšování intenzity zemědělské produkce je celoevropským problémem. V České republice zatím problém přebytku není tak markantní, neboť přechodný pokles intenzity zemědělské výroby byl provázen i prudkým poklesem poptávky. Tím je využití ploch zemědělské půdy stále relativně vysoké.

Výhled k roku 2010 však ukazuje, že při stávajícím poměru soběstačnosti bude nutné z tradičního využití uvolnit asi 400 - 700 tis. ha orné půdy.

Při větším tempu zvyšování intenzity zemědělské výroby lze předpokládat uvolnění až 1 milionu ha orné půdy. Zvýšení intenzity výroby proti současnému stavu je nezbytné z hlediska a zlepšení konkurenceschopnosti našeho zemědělství v rámci EU.

Současná zemědělská politika řeší postupné projevy tohoto problému vývozem zemědělských komodit, systémem údržby luk a pastvin, zatravněním a zalesněním. Tento přístup je z velké části jednosměrný. Nemůže ve své podstatě plně podpořit udržení potřebné ekonomické a sociální úrovně venkova. Má svá omezení ve vztahu k zajištění potravinové bezpečnosti, udržení osídlení a kvality života.

Rozsah současného a výhledového omezení využití zemědělské a orné půdy pro potravinářské účely je tak velký, že ho nevyřeší jen současně uplatňovaný přístup. Jednou z nejperspektivnějších možností řešení využití nadbytečné zemědělské půdy je orientace produkce na energetické plodiny, to znamená rychlerostoucí dřeviny (r.r.d.), řepku, obiloviny, různé traviny (např. Miscantus) a výrobu etanolu ze zemědělských produktů (obilí, brambory, cukrovka), na této půdě vypěstovaných.

Hodnocení a normalizace biopaliv

Jako biopaliva mohou být využity suroviny různého původu a chemického složení.

Podle jejich původu se člení na:

• zemědělské výrobky (energetické plodiny) a zbytky (např. sláma a další vedlejší produkty zemědělské a potravinářské výroby),
• lesnické výrobky (dřevo z probírek) a zbytky (větve a vršky stromů ponechané v lese a odpady ze zpracování dřeva, např. kůra, odřezky, piliny atd.),
• odpady vytvářené konzumní společností (vytříděné frakce spalitelných a biologicky odbouratelných komunálních a průmyslových odpadů, možnost dalšího zpracování na TAP – tuhá alternativní paliva, REF, PDB, RDF)

Nejčastěji využívaná biopaliva

• zbytky dřeva z lesnictví a dřevařského průmyslu (větve, kůra, odpady z výroby – odřezky, piliny, hobliny, třísky),
• zbytky ze zemědělské a potravinářské výroby (sláma, odpady z potravinářské výroby),
• záměrně pěstované plodiny na zemědělské půdě (rychlerostoucí dřeviny, lignocelulózní plodiny, obiloviny, olejniny).

Prakticky použitelné energetické rostliny z orné půdy

Je zřejmé, že je možné z hlediska energetického obsahu využít téměř všechny druhy kulturních rostlin. V praxi lze však zatím využít jen několik druhů rostlin. Důležitý je především výnos, pěstební náklady, náklady na úpravu produktu pro palivářské účely, logistika dopravy hotových biopaliv ke spotřebiteli atd. To je technická stránka pouhé výroby a distribuce jakési substance biologického původu, která byla vyrobena v dobré víře, „že bude hořet“. Ona také většinou hoří, ale ne tak, jak bychom chtěli a potřebovali (ale někdy skutečně nehoří vůbec). Většina „čistých“ biopaliv má např. nízký bod měknutí, tání a tečení popela (obilní sláma) nebo velkou produkci emisí CO (např. krmný šťovík Uteuša a většina travin), či velký obsah popelovin, kolem 5 % (skoro všechna). To jsou nepříznivé vlastnosti, které například dřevo nemá. Jedinou možností, jak zjednat jakousi nápravu, je vytvořit z energetických plodin a případných dalších komponentů směs o určitém poměru, která bude všechny nevýhody snižovat na minimum. Další možností je úprava spalovacího zařízení (jiný typ hořáku, tvar a velikost spalovacího prostoru, oklepávání nebo ofukování hořáku pro odstranění nadměrného podílu popela, úprava regulačního a řídicího systému atd.). Co se týče vývoje, sledují se všechny možnosti.

Náklady na biopaliva

Ekonomika je vždy závislá na podmínkách určitého období, tj. na konkrétní ceně vstupů, zejména pohonných hmot, nákladů na stroje a lidskou práci. Proto v následujícím odstavci uvádíme pouze stručnou metodiku výpočtu nákladů a některé výsledky platné pro konec roku 2005.

Metodika výpočtu nákladů

a) Náklady na pěstování a sklizeň plodin

Základem kalkulace nákladů pro plodiny pěstované k energetickým účelům jsou modelové technologické postupy, tj. doporučený sled operací (hnojení a příprava půdy, setí, popř. sázení, ošetřování v době vegetace, ochrana rostlin proti chorobám a škůdcům, sklizeň a odvoz produkce).

Technologické postupy

Při zpracování modelových technologických postupů se vychází z průměrných podmínek oblastí pěstování a průměrné intenzity výroby. Členění technologických postupů podle technologických operací dává možnost podrobně u nich zjišťovat náklady a snadněji analyzovat vliv jednotlivých faktorů na náklady a rovněž možnost propočítávat náklady ve vztahu k odlišným místním podmínkám. Modelové technologické postupy pro jednotlivé vybrané energetické plodiny obsahují:

• časový sled technologických operací (název, agrotechnická lhůta),
• opakovatelnost operace – vyjadřuje rozsah operace na 1 ha (může být i menší než 1, např. při pěstování energetických plodin deset let na pozemku u operací souvisejících se založením porostu je opakovatelnost 0,10),
• materiálové vstupy (hnojiva, osiva, sadba, chemické prostředky) a produkci – název, měrná jednotka a množství na 1 ha.

Celkové náklady na pěstování a sklizeň plodiny

Při výpočtech ekonomiky pěstování jednotlivých energetických plodin se vychází ze základního členění nákladů na variabilní a fixní. Ekonomické výpočty jsou zpracovány pro výrobní oblasti, ve kterých je pěstování dané energetické plodiny vhodné. Všechny kalkulace vycházejí z průměrných statistických údajů a cenových relací roku 2004. Dále je ve výpočtech uvažováno zajištění všech operací vlastními mechanizačními prostředky.

Výsledky jsou zpracovány do této struktury údajů:

• materiálové náklady (organická, průmyslová a vápenatá hnojiva, osivo a sadba, chemické přípravky) vycházejí z údajů modelových technologických postupů;
• náklady na mechanizované práce – vycházejí z doporučených strojových souprav a rozsahu využití souprav v modelových technologických postupech. Doplňkovými údaji je spotřeba paliva a potřeba práce obsluhy strojů,variabilní náklady celkem (součet materiálových nákladů a nákladů na mechanizované práce);
• variabilní náklady celkem;
• fixní náklady – obsahují nájemné půdy, daně, odpisy a opravy staveb, úroky z úvěrů, výrobní a správní režii. Fixní náklady byly stanoveny metodou odborného odhadu podle dostupných informací ze statistických sledování a ze sledování v zemědělských podnicích.

Tab. 1: Cena energetické štěpky (Kč.t^-1) při dopravě na vzdálenost do 30 km

sběr zbytků	přibližování	štěpkování	doprava 1	naskladnění, vyskladnění, manipulace	mezisoučet	doprava 2	nákladová cena	podniková režie 40 %	10% zisk	DPH 19%
Veřejně prospěšná organizace (školní závod)
92	188	365	74	161	880	60	940	1316	1448	1723
Malý dodavatel (komunální podnik)
104	0	601	74	174	953	74	1027	1438	1582	1882
Střední dodavatel (lesní závod)
92	182	318	74	166	832	60	892	1249	1374	1635
Velkododavatel (lesní závod)
64	124	283	60	131	662	60	722	1011	1112	1323

Tab. 2: Náklady na zpracování 1 t energetické slámy do obřích hranatých balíků

provedení lisu:	výkonnost:		pořizovací cena lisu:
na obří balíky	1,25 ha .h-1		2 923 100 Kč

Doba obnovy (r)	Roční nasazení (hodiny)	Fixní náklady (Kč. r-1)		Variabilní náklady (Kč . h-1)	Celkové provozní náklady		Náklady na 1 t slámy při výnosu 6,5 t . ha-1 (Kč . t-1)
		celkem	z toho amortizace		( Kč . h-1)	( Kč . ha-1)
6	100	418 253	253 176	238	4 420	3 536	544
	300			260	1 654	1 323	204
	500			275	1 112	889	137
8	100	327 497	219 113	238	3 962	3 170	488
	300			260	1 502	1 201	185
	500			275	1 020	816	126
10	100	337 444	192 829	238	3 612	2 890	445
	300			260	1 385	1 108	170
	500			275	950	760	117

Tab. 3: Cena energetické slámy (obří hranaté balíky při dopravě na vzdálenost do 10 km) - Kč.t^-1

hodn. slámy	nákl. lis	nákl. doprava	cena	naskladnění vyskladnění manipulace	doprava	nákladová cena	podniková režie 40 %	10% zisk	DPH 19%
250	117	30	397	166	30	593	830	913	1087
250	117	40	407	166	40	613	858	944	1123
270	117	30	417	166	30	613	858	944	1123
270	117	40	427	166	40	633	886	975	1160
450	117	30	597	166	30	793	1110	1221	1453
450	117	40	607	166	40	813	1138	1252	1490

Tab. 4: Náklady na dopravu, bez DPH

Tarifní pásmo (km)	Sazba v Kč .t-1 za tarifní pásmo dle tonáže, bez DPH
	do 4 t	do 9 t	do 12 t	do 24 t
1	6	4	3	2
2	13	8	7	4
3	19	12	10	6
5	32	21	16	9
10	64	41	33	19
15	96	62	49	28
20	128	83	65	37
25	160	103	82	47
30	192	124	98	56
40	257	166	131	74
50	321	207	164	93
60	385	248	197	112
70	449	290	229	130

b) náklady na zpracování produktu

Zpracování produktu do podoby řezanky nebo do velkobjemových balíků je zahrnuto v technologických postupech, a tedy i tyto náklady jsou již zahrnuty v nákladech na pěstování a sklizeň plodiny.

Příklad nákladů (a výsledné tržní ceny) na zpracování lesních těžebních zbytků do formy štěpky uvádíme v tab. 1.

Dalším příkladem je lisování slámy obilovin do podoby velkobjemových hranatých Balíků, tab. 2. Cena energetické slámy je uvedena v tabulce 3. Pro doplnění uvedených údajů slouží tab. 4 s rámcovými náklady na dopravu. K těmto tabulkám je nutno uvést základní komentář. Konečná cena se liší podle použité technologie, která souvisí s velikostí podniku a ročním, či sezónním využitím techniky. U tabulky zpracování lesních těžebních zbytků do formy štěpky je důležité říci, že komunální podnik zpracovávající biomasu stromů a keřů při údržbě veřejné zeleně nemá tak výkonnou techniku a zaměstnává podstatně více pracovníků na hmotnostní jednotku zpracované biomasy, nezapočítává však do nákladů odpisy. Velký lesní závod má naopak velmi výkonnou techniku, kterou musí operativně přesunovat na těžební místa aby byla co nejlépe využita, neboť je zatížena vysokými odpisy. Náklady na všechny operace byly převzaty od podniků z praxe a nebylo vždy možné jednotlivé složky nákladů přesně oddělit.

Velmi rozdílné mohou být nákladové ceny u podobných výrobců, kteří mají přibližně stejnou velikost a téměř stejné strojní vybavení. Je to dáno momentální odpisovou zátěží, různým čerpáním úvěrů a leasingovými splátkami. To, ale i jiné položky se pak promítají do výše režie, v tabulkách jsme volili režii 40 %. Jako přiměřený zisk jsme uvažovali 10 % a pro orientaci konečného spotřebitele uvádíme pro štěpku a balíky slámy cenu včetně DPH. V našich modelových tabulkách ne zcela přesně odpovídají náklady na dopravu, při porovnání s tabulkou 4. Ta slouží především k orientaci, jak rostou náklady na biopaliva s přepravní vzdáleností, což se pak samozřejmě promítne do jejich konečné ceny. Údaje z tabulky platí pro plné využití tonáže dopravního prostředku. Hustota suchého hranatého velkoobjemového balíku slámy obilovin se pohybuje kolem 150 kg.m^-1. Sypná hmotnost štěpky z běžných druhů dřeva je cca 200 kg.m^-1 pro suchou a cca 300 kg.m^-1 pro vlhkou štěpku. Pro dobré využití dopravních prostředků se proto využívají velkoobjemové nástavby (štěpka), nebo plošinové návěsy, či přívěsy (balíky slámy). Přesto nemusí být vždy zaručeno plné využití přepravní kapacity, což se pak opět nepříznivě projevuje v nákladech. Jiná situace je u pelet a briket, jejichž hustota se pohybuje od 600 do 1000 kg.m^-1a sypná hmotnost od 450 do 750 kg.m^-1. Při přepravě těchto materiálů je vždy zaručeno plné vytížení dopravního prostředku. Cenové údaje pro energetickou štěpku a slámu jsou pouze modelové, orientační a udávají možné rozmezí cen za určitých předpokladů. Pokud budou některé položky nižší, nebo vypadnou ze schematu (například naskladnění, vyskladnění a manipulace, v případě přímého odvozu balíků slámy, nebo při nižší režii) může být cena samozřejmě i nižší. Stejný případ nastává i u štěpky při přímém odvozu z místa zpracování těžebních zbytků.

Potřeba topných zdrojů na venkově - instalované výkony

Ve většině rodinných domků se vystačí s instalovaným topným výkonem 20 - 50 kW. Různé drobné provozy, pohostinství, motoresty, malé hotely, obchody a živnostenské provozovny vystačí s instalovaným výkonem 50 - 100 kW. Větší zemědělské podniky s dílnami, nebo provozy živočišné výroby mohou používat tepelné zdroje o instalovaných výkonech 100 - 500 kW. Obecní infrastruktura, školy, školky, obecní úřady lze zásobovat ze zdrojů o tepelném výkonu 100 - 300 kW. Pro centrální vytápění obcí, kde se k obecní infrastruktuře přidají bytové jednotky s případnými objekty služeb a malých podniků, lze podle velikostí obce uvažovat instalované výkony 500 - 2000 kW. Pro větší obce a města je sice možné uvažovat výkony větší, ale to je spíše výjimka než pravidlo. Totéž lze říci o zemědělských podnicích. Pro sušárny píce by bylo vhodné uvažovat výkon 500 - 1000 kW, maximálně pak 2000 kW, ale opět jako výjimku. V tabulce 5 uvádíme spotřebu vybraných druhů biopaliv z hlediska maximální hodinové spotřeby a případné týdenní zásoby paliva. Výpočty jsou provedeny pro 100 % účinnost zařízení. Při účinnosti systému topného zdroje například 80% bude spotřeba paliva i jeho týdenní zásoba o 20% vyšší. Nevýhodou pevných biopaliv je obecně nutnost většího skladovacího prostoru proti fosilním palivům. Přibližné propočty potřebného skladovacího prostoru v m3 na uskladnění paliva o energetickém obsahu 1 MWh a 1 GJ uvádí tabulka 6. Například u polen musíme počítat ve srovnání s černým uhlím se 4x větším prostorem, při porovnání s hnědým uhlím s asi 2x větším prostorem. Ještě více vynikne potřeba prostoru pro skladování ve srovnání štěpky a černého uhlí. U štěpky je potřeba skladovacího prostoru téměř 8x větší.

To znamená, že u větších tepelných zdrojů je vhodné z hlediska investičních nákladů budovat provozní sklad relativně malý (na 3 - 7 dní). Při obvyklých dnech volna v zimním období mezi Vánočními svátky a Novým rokem se doporučuje dimenzování skladu na zásobu paliva pro zdroj tepla na 7 dní. Pokud je tepelný zdroj mimo centrum obce a je zde dostatek místa může být provozní sklad i větší. Větší sklad ovšem vyžaduje vyšší náklady na investici při stavbě zdroje. Proto je třeba postupovat podle stavebně dispozičních i finančních možností investora.

Tab. 5: Spotřeba vybraných druhů biopaliv z hlediska maximální hodinové spotřeby a požadovaná týdenní zásoba paliva.

Biomasa	měrná jednotka	smrk/jedle štěpka suchá	smrk/jedle štěpka vlhká	buk/dub štěpka suchá	buk/dub štěpka vlhká	energetické obilí - celá rostlina - pelety	směs štěpka	r.r.d.	obilní sláma balíky
vlhkost	%	10	40	10	40	15	15	15	14
Spotřeba paliva pro kotel při teotetické účinnosti 100 %
o výkonu 20 kW	kg.h-1	4,5	7,3	4,3	6,9	4,8	5,2	4,7	4,8
o výkonu 50 kW	kg.h-1	11,3	18,3	10,7	17,3	12,1	13,0	11,7	11,9
o výkonu 100 kW	kg.h-1	23	37	21	35	24	26	23	24
o výkonu 200 kW	kg.h-2	45	73	43	69	48	52	47	48
o výkonu 500 kW	kg.h-2	113	183	107	173	121	130	117	119
o výkonu 1 000 kW	kg.h-3	226	367	214	345	241	261	234	238
o výkonu 1 500 kW	kg.h-3	338	550	320	518	362	391	352	357
o výkonu 2 000 kW	kg.h-3	451	733	427	691	482	522	469	476
Týdenní zásoba paliva pro kotel s teoretickou účinností 100 %									počet balíků
o výkonu 20 kW	m3	4,5	5,1	2,5	3,1	1,6	4,4	3,2	1,6
o výkonu 50 kW	m3	11,3	12,8	6,2	7,8	4,1	11,0	7,9	4,0
o výkonu 100 kW	m3	23	26	12	16	8	22	16	8
o výkonu 200 kW	m3	45	51	25	31	16	44	32	16
o výkonu 500 kW	m3	113	128	62	78	41	110	79	40
o výkonu 1 000 kW	m3	226	257	124	157	81	219	158	80
o výkonu 1 500 kW	m3	338	385	186	235	122	329	236	120
o výkonu 2 000 kW	m3	451	513	247	314	162	438	315	160
vlastnosti paliv									hmotnost balíku kg
sypná hmotnost	kg.m-3	168	240	290	370	500	200	250	500
obsah energie	kWh.kg-1	4,43	2,73	4,68	2,89	4,15	3,83	4,27	4,21
obsah energie v m3	kWh.m-3	745	655	1 358	1 071	2 074	767	1 067	2 103
obsah energie v m3	GJ.m-3	2,68	2,36	4,89	3,86	7,47	2,76	3,84	7,57
výhřevnost	MJ.kg-1	15,96	9,82	16,86	10,42	14,93	13,80	15,36	15,14
obsah popela	%	1	1	1	1	4	2	1	5

Tab. 6: Přibližná potřeba skladovacího prostoru v m3 na uskladnění paliva o energetickém obsahu 1 MWh a 1 GJ

Palivo	Měrná hmotnost (kg.m-3)	Skladovací prostor (m3.MWh-1)	Skladovací prostor (m3.GJ-1)
Palivové dřevo-polena	320-450	0,7	0,19
Palivové dřevo-odřezky	210-300	1,05	0,29
Štěpka	180-410	1,3	0,36
Rašelina	350-400	0,8	0,22
Sláma ze samosběracího vozu	40-60	3	0,83
Sláma balíky	80-150	0,60	0,17
Dřevěné brikety, pelety	600-1100	0,275	0,08
Hnědé uhlí	650-780	0,41	0,11
Černé uhlí	770-880	0,17	0,05

Závěr

V současné době se začínají vytvářet podmínky pro účelné využívání biomasy, proto je potřeba začínat s biomasou postupně. Zatím spíše využívat individuální, nebo bodové zdroje na štěpku, menší kotle na polena a brikety. Centrální výtopny v obcích budovat především na slámu o výkonech přes 1 000 kW, ale maximálně do 2 000 kW, aby byl zachován regionální ráz zdroje a účelně vynakládány prostředky na investice a zároveň byly zachovány nízké provozní náklady (pokud budeme vozit slámu daleko prodraží se podobně jako štěpka). Proto jsme uvažovali údaje konkrétních výrobců a provozovatelů spalovacích zařízení. Jsou zde již určité zkušenosti s výstavbou a provozem podobných zdrojů tepla a je dobré je využít. Na druhé straně je nutno konstatovat, že jen hledisko zisku při provozování výtopny nebude tím pravým hnacím motorem, protože investiční náklady na výstavbu celého technologického zařízení výtopny, zejména při změně palivové základny z uhlí na dřevní odpad jsou značné a ne příliš rentabilní (jen za předpokladu, že sjednaná cena paliva bude výrazně nižší než u uhlí, tj. v rozsahu 300-600 Kč.t^-1 , což se ve většině případů nezdá reálné). Závěrem lze konstatovat, že důsledné využívání biomasy pro potřeby místní energetiky neznamená nebezpečí devastace stávajících přírodních zdrojů, ale naopak vytváří předpoklady pro jejich lepší využívání.
 

Zpracováno s podporou MZe v rámci řešení projektu „QF4079 Logistika bioenergetických surovin“

Článek byl uveřejněn v rámci přípravy spolupráce na přípravě výstavy ECO CITY.

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