Netradiční využití biomasy v praxi

Hledání alternativních zdrojů energie je aktuální téma na celosvětové úrovni. V popředí zájmu je využití obnovitelných zdrojů, které nahradí část energie fosilních paliv (ropa, uhlí, zemní plyn). Mezi obnovitelné zdroje energie (OZE) se řadí sluneční, větrná a geotermální energie, energie vody a biomasy, případně energie získaná z různých průmyslových odpadů. Významný podíl na energii, která je vyprodukována v České republice z OZE, v současnosti připadá na biomasu. Výroba elektřiny z biomasy vzrostla od roku 2006 o třetinu a bude se nadále zvyšovat (tab. 1).

Tab. 1: Výroba elektrické energie a tepla z obnovitelných zdrojů energie a z odpadů (zdroj ČSÚ)

	2000	2003	2004	2005	2006	2007
	Elektrická energie (GWh)
Vodní elektrárny	2313	1794	2563	3027	3257	2524
Větrné elektrárny	-	4	10	21	49	125
Pevná biomasa	382	360	565	560	732	970
Průmyslové odpady	201	195	0	0	0	0
Komunální odpady	5	10	10	11	11	12
Bioplyn	-	108	139	161	175	222
	Teplo (TJ)
Pevná biomasa	3219	31946	40230	40892	41760	44471
Průmyslové odpady	-	-	-	990	400	400
Komunální odpady	1664	2048	2052	1979	1910	1888
Bioplyn	384	781	968	1010	919	1002
Tepelná čerpadla	-	-	500	545	676	826
Solární termální kolektory	-	-	84	103	128	163

Využití biomasy

Biomasa je definována jako substance biologického původu. Je získávána jako výsledek výrobní činnosti (zejména pěstování rostlin a chov živočichů), nebo se jedná o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby, z komunálního hospodářství, z údržby krajiny a podobně. Fytomasa je charakterizována jako veškerá organická hmota rostlinného původu vznikající v přírodě v průběhu fotosyntézy. Ideální energetická plodina pro produkci fytomasy je rostlina vysoce výnosná, rostoucí za nízkých energetických vstupů s minimálními náklady na pěstování, s vhodným chemickým složením a nízkými nároky na živiny. Dále by měla být odolná vůči chorobám a škůdcům. Mnoho autorů vyzdvihuje plodiny vytrvalé a původní v oblasti pěstování.

Z hlediska energetického využití splňuje požadované vlastnosti celá řada druhů ze skupiny pícních plodin. V rámci činnosti Katedry pícninářství a trávníkářství je proto řešena nejen problematika tradičního uplatnění pícnin na orné půdě a trvalých travních porostů ke krmným účelům, ale i oblast spojená s alternativním využíváním biomasy s ohledem na ekologické, ekonomické a další aspekty.

Způsob využití je do značné míry dán fyzikálními a chemickými vlastnostmi biomasy. Důležitým parametrem je obsah sušiny v biomase. Hranice mezi tzv. suchými a mokrými procesy získávání energie je přibližně 50 % obsah sušiny ve hmotě. Mezi suché procesy patří termochemické způsoby přeměny biomasy (spalování, zplynování, pyrolýza), mokré procesy zahrnují biochemické metody (alkoholové a metanové kvašení) a do ostatních postupů patří např. získávání odpadního tepla z technologických procesů. V praxi převládá ze suchých procesů spalování biomasy a z mokrých procesů výroba bioplynu anaerobní fermentací.

Spalování fytomasy

Ke spalování je vhodná zejména fytomasa z různých druhů dřevin nebo dřevnatějších a slamnatých plodin, která má v suchém stavu příznivé chemické složení. Z důvodů výše uvedených lze za vhodné považovat některé druhy trav. V podmínkách ČR byly zkoušeny zejména tyto travní druhy: z jednoletých lesknice kanárská a proso seté, z víceletých až vytrvalých ovsík vyvýšený, psineček veliký, kostřava rákosovitá, sveřep bezbranný, sveřep horský, chrastice rákosovitá a ozdobnice (Miscanthus). Potenciálně vhodné by mohly být i další trávy: jílek mnohokvětý, bojínek luční, psárka luční, rákos obecný, třtina křovištní aj.

Spalování fytomasy je po technické stránce stále zdokonalováno. Výhodou tohoto způsobu získávání energie je, že biomasu lze spalovat v malých kotlích pro potřeby domácností i ve velkých zařízeních s výkonem 100 – 3000 MW. Ve větších zařízeních je účinnost spalování vyšší. Efektivnost spalování se zvyšuje především po vysušení na obsah vody pod 30 % u dřeva a pod 20 % u stébelnin.

Anaerobní fermentace

Z literárních údajů vyplývá, že jakákoliv fytomasa může být po vhodné mechanické úpravě, optimalizaci chemických jakostních znaků a při vhodné volbě technologie anaerobní digesce efektivně využita pro výrobu bioplynu. Z těchto informací je zřejmé, že sortiment rostlin vhodných pro anaerobní fermentaci je ve srovnání s výběrem rostlin pro přímé spalování širší. Celoroční provoz bioplynových stanic vyžaduje kontinuální zásobování fermentoru organickou hmotou. Z tohoto důvodu je nutné vstupní rostlinnou surovinu konzervovat (silážovat). Pro tyto účely jsou vhodné zejména rostliny ze skupiny pícních plodin, ať již běžně pěstované (kukuřice, jeteloviny, jetelovinotravní směsi, trvalé travní porosty) nebo méně tradiční (topinambur, čirok, sléz, krmný šťovík - šavnat aj.).

Silážní kukuřice se vyznačuje mnoha přednostmi, pro které je v současnosti k výrobě bioplynu nejvíce využívána. Jedná se zejména o vysoký výnos biomasy z jednotky plochy, velmi dobrý výtěžek bioplynu z 1 kg sušiny, propracovanou pěstební a konzervační technologii a výbornou silážovatelnost. Z dalších výhod lze mj. jmenovat rozsáhlý výběr hybridů s odstupňovanou zralostí a specifickou vhodností do konkrétních klimatických podmínek a technologické možnosti spojené s dlouhodobou tradicí pěstování silážní kukuřice v našich podmínkách. Ve prospěch této plodiny hovoří i dosahované výsledky výtěžku metanu, které se dle různých autorů pohybují v rozmezí 171 – 555 l/kg čerstvé hmoty, příp. siláže. Tyto hodnoty jsou srovnatelné, případně mírně vyšší ve srovnání s ostatními vstupními surovinami (např. travní senáž 235 – 480 l/kg, obilní sláma 111 – 310 l/kg, zeleninový odpad 400 l/kg, hovězí kejda 107 – 322 l/kg). Vysoká výtěžnost z kukuřičné fytomasy je zřejmá při srovnání produkce bioplynu získaného z různých zemědělských plodin po zohlednění výnosů a přepočtu na jednotku plochy. Z kukuřice lze získat cca 9300 m³/ha bioplynu, což je srovnatelná hodnota s produkcí bioplynu z řepy, avšak výrazně více oproti bramborám (4000 m³/ha) či pšenici (5300 m³/ha).

Kromě kukuřice má významný potenciál pro výrobu bioplynu také fytomasa z trvalých travních porostů. Využít lze biomasu jak lučních porostů, tak přebytečnou hmotu z pastevních areálů (posečené nedopasky, sklizená nadbytečná hmota z nerovnoměrného nárůstu píce v jarním období). V procesu biozplynování je možné zužitkovat i fytomasu získanou při ošetřování městské zeleně (parkové, okrasné, sportovní trávníky apod.). Množství získaného bioplynu z travních porostů je závislé především na výnosu hmoty, který je ovlivněn zejména intenzitou hnojení a podmínkami stanoviště.

Trvalé travní porosty představují ve středoevropských podmínkách významný krajinný prvek i prvek soustavy hospodaření na zemědělské půdě. Toto je důležité si uvědomit zejména v souvislosti se značným poklesem stavu skotu a nutností trvalé travní porosty pravidelně využívat a obhospodařovat. Bez správného managementu luk a pastvin dochází k negativním změnám v botanickém složení a jsou ohroženy jejich významné mimoprodukční funkce (protierozní, vodohospodářská, půdotvorná, krajinotvorná, estetická ad.). Cílené obhospodařování travních porostů je proto nutné k zachování celkové diverzity a k udržení jejich nezastupitelných funkcí v krajině. Využití biomasy pro účely produkce bioplynu tak může pozitivně přispět k udržení kvalitního stavu trvalých travních porostů v naší krajině.

Výhody energetický plodin Energie z biomasy se ze všech méně tradičních zdrojů energie nejsnadněji získává i skladuje a její potenciál je ze všech OZE v podmínkách České republiky nejvyšší. Energetické využívání biomasy je alternativou pro oblasti, kde je současná forma zemědělství nepříliš perspektivní z důvodu nízké efektivity. Energetické rostliny je možné pěstovat i na méně úrodných půdách nebo na pozemcích postižených důlní a podobnou činností, tj. na důlních výsypkách a složištích popele, případně i na půdách kontaminovaných těžkými kovy, které nelze použít k potravinářské produkci. Při využití rostlin k výrobě bioplynu lze uplatnit stávající technologie pěstování a skladování (konzervace silážováním). Fytopaliva je možné standardizovat co do tvaru, objemové hmotnosti, výhřevnosti a přizpůsobovat je potřebám trhu. Příznivou vlastností fytopaliv je jejich dobrá biologická odbouratelnost (problém manipulačních ztrát a havárií u fosilních paliv) a nízký obsah síry ve spalinách. Popel z fytopaliv, podobně jako digestát z bioplynových stanic, je možné použít jako hnojivo.

Z pohledu obce je možné při energetickém využívání biomasy vytvářet místní systémy vytápění z místních zdrojů a peníze za palivo neodcházejí z obce, jako v případě uhlí nebo zemního plynu, ale posilují prosperitu místních zemědělců, lesníků, zpracovatelů a podnikatelů s biopalivy v místě. Dále je možné jmenovat i některé nepřímé efekty pěstování biomasy, jako např. zvýšení ekonomické stability zemědělských regionů, vytváření nových pracovních příležitostí apod.

Nevýhody energetický plodin

Mezi nevýhody využívání biomasy pro energetické účely patří, že produkce konkuruje dalším způsobům využití biomasy. Zvyšování produkce vyžaduje rozšiřování pěstebních ploch a růst intenzity výroby, což přináší zvyšování investic. Fytomasa má zpravidla nízkou objemovou hmotnost, z čehož vyplývají velké požadavky na skladovací prostory. Zejména u větších fytoenergetických zařízení se nízká energetická hustota fytopaliv ve srovnání s fosilními palivy nepříznivě projevuje v logistice. Specifické vlastnosti hmoty si žádají speciální konstrukce kotlů, zejména co se týká velikosti, uspořádání a prostorového dimenzování topenišť, přívodů vzduchu apod. Energetické byliny mají často horší kvalitu pro spalování než dřevní hmota. Ve srovnání se dřevem bývá u bylin většinou vyšší obsah popela s horšími chemickými vlastnostmi. Problematické může být složení emisí ze spalování biomasy, které je ovlivněno mnoha faktory.

Podpora pěstování

Na pěstování energetických plodin byla i letos poskytována platba, o kterou bylo možné žádat společně s dalšími dotacemi v rámci jednotné žádosti (SAPS, LFA, Natura 2000, Top-Up, AEO aj.). Žádost o poskytnutí platby bylo možné podat na jakoukoliv plodinu primárně určenou k produkci energetických produktů s výjimkou plodin, které jsou jmenovitě uvedeny. Jedná se o rostliny, jež narušují funkci ekosystému a mohly by způsobovat hospodářské škody. Energetické plodiny jsou pěstovány za účelem výroby elektrické a tepelné energie nebo k získání produktů, jako jsou bioetanol, bionafta, bioplyn a některých dalších látek (čistý rostlinný olej, biovodík, biometanol, biodimetyléter, bio-ETBE, bio-MTBE atd.) vyrobených z biomasy. Žadatel musel dodat prvnímu zpracovateli resp. nákupčímu minimálně množství plodiny odpovídající reprezentativnímu výnosu stanoveného Ministerstvem zemědělství nebo bylo možné vypěstované plodiny v rámci specifických pravidel použít přímo ve svém vlastním hospodářství. Základní sazba na 1 ha energetických plodin činila 45 EUR. Tato částka byla platná, pokud nebyla překročena rozloha 2 mil. ha (v celé EU), jinak docházelo ke krácení sazby.

Ekonomika pěstování

Energetické plodiny by především měly vykazovat dostatečné výnosy biomasy při relativně nízkých souhrnných nákladech na jejich pěstování, sklizeň, úpravu, skladování a zpracování. Rentabilita energetických pícních plodin je dána faktory, jež pěstitel může svým přístupem ovlivnit a okolnostmi jejichž průběh řídit nelze.

Mezi ovlivnitelné faktory můžeme zařadit:

• znalost technologie pěstovaného druhu
• výběr vhodného pozemku
• materiální podmínky (technika, hnojiva, pesticidy, posklizňová úprava aj.)
• konzultace problémů s odběrateli, poradenskými organizacemi apod.
• vzdělávání (odborná literatura, školení, sledování výsledků vývoje a výzkumu)

Faktory neovlivnitelné představují zejména:

• tržní podmínky, cena a dostupnost finančních nástrojů (cenové rozpětí výkupu produkce, výše úrokových sazeb, kritéria úvěrových poskytovatelů)
• politika jednotlivých států, existence příslušných zákonů a nařízení
• úroveň cen fosilních paliv
• způsob využití daného druhu fytopaliva
• efektivnost zpracovatelských technologií
• variabilita klimatických podmínek

Cenová úroveň biopaliv odráží do značné míry situaci na trhu fosilních paliv. V současnosti je výkupní cena věcí dohody mezi producentem a odběratelem a dosud neexistuje dostatečně likvidní a cenotvorný trh.

Problematika je řešena za podpory Výzkumného záměru MSM 6046070901.

Tweet

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

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?