Význam popelovin v travní biomase pro energetické účely

Perspektiva vyčerpání fosilních surovin a paliv a současná nadprodukce potravin v zemích západní Evropy urychlila hledání nových alternativních zdrojů surovin pro průmyslové a energetické využití. Podle návrhů z EU bude v roce 2020 pocházet 7–18 % produkce energie z obnovitelných zdrojů. Z těchto obnovitelných zdrojů by měla mít nezastupitelný podíl energie pocházející z biomasy. A kromě jiného i z biomasy travních porostů.

Výzkumem a využitím travní biomasy pro energetické účely se zabývá Vysoká škola báňská – Technická univerzita v Ostravě ve spolupráci s OSEVOU vývoj a výzkum, s. r. o., se sídlem v Zubří a Výzkumným ústavem zemědělské techniky v Praze.

Perspektivní surovina

Význam využívání travních porostů pro energetické účely nabývá na důležitosti zejména z hlediska využití ladem ležící půdy pro cílené pěstování energetických rostlin, a dále v souvislosti s biomasou produkovanou trvalými travními porosty v naši české krajině. Využití této travní biomasy pro energetické účely se jeví jako perspektivní řešení. Dosavadní výzkumné poznatky nabízejí dvě cesty využití vzniklé biomasy, a to suchou biomasu spalovat a vlhkou zpracovat anaerobní digescí na bioplyn a hnojivý substrát. Stále problematičtějším materiálem se stává travní biomasa z údržby travních porostů, která se v současné době využívá hlavně při kompostování. V oblastech, kde není kompostárna nebo se tam nevyskytuje vhodná surovina s vysokým obsahem uhlíku, nelze připravit výchozí surovinu pro kompostování s optimálním poměrem C/N.

Přímé spalování vysušených energetických travin pro lokální topeniště není zatím příliš provozováno. V roce 2011 byly publikovány výsledky ze spalování trav na základě společného výzkumu tří pracovišť: Vermont Sustainable Jobs Fund, University of Vermont Extension Service, and Biomass Energy Resource Center. V rámci výzkumu bylo sledováno spalování čisté trávy a dřevní biomasa s přídavkem trávy (25, 12 a 6 hm. %). V listopadu 2011 Pellet Fuels Institute Arlington, zahájil používání PFI standardů pro lokální topeniště a pro komerčně využívaná paliva. V současné době je zahájena certifikace navrženého standardu prostřednictvím US EPA.

Pro využití travních pelet je podle standardu PFI klíčovým faktorem obsah popelovin, který pro lokální topeniště nesmí přesáhnout dvě procenta. Proto je důležité sledování koncentrace popelovin v travní biomase a jejich změny během vegetačního období.

Materiál a metoda

Pro studium vlastností pelet byly použity vzorky travin pěstované ve výzkumné stanici travinářské OSEVA vývoj a výzkum, s. r. o (Zubří). Traviny byly pěstovány samostatně na jednotlivých osevních plochách. Pro studium chování popelovin byly odebrány vzorky z hnojených a nehnojených půd. Ve hnojené variantě se používalo hnojení v roční dávce 50 kg dusíku na hektar. Jednalo se o psineček velký Rožnovský (Agrostis gigantea Roth.), lesknice rákosovitá – Chrastava (Phalaroides arundinacea L.), kostřava rákosovitá – Kora (Festuca arundinacea Schreb.), ovsík vyvýšený Rožnovský (Arrhenatherum elatius L.), sveřep horský – Tacit (Bromus marginatus Nees ex Steud.) hybridy jílkovitého charakteru (Festulolium): hybrid Lofa (Lolium multiflorum Lam. x Festuca arundinacea Schreb.), hybrid Perun (Lolium multiflorum Lam. x Festuca pratensis Huds.), hybrid Bečva (Lolium multiflorum Lam. x Festuca arundinacea Schreb). Vzorky byly odebírány 1x měsíčně v období květen až září 2011. Pro srovnání obsahu popelovin se staršími odběry byly použity vzorky odebrané ve stejném území v období květen až září 2005, 2006.

Analýza obsahu alkálií a chloridů byla provedena podle ČSN EN 15105 Tuhá biopaliva - Stanovení obsahu chloridů, sodíku a draslíku rozpustných ve vodě. Obsah popelovin byl stanoven podle ČSN EN 14775 Tuhá biopaliva - Stanovení obsahu popela, a to při teplotě spalování 550 °C.

Výsledky a diskuze

Důležitým faktorem pro určení optimální doby sklizně travin pro energetické využití je znalost chování klíčových parametrů ovlivňujících energetické vlastnosti biopaliva: výhřevnost, obsah popela, prchavé hořlaviny, fixního uhlíku, dusíku, obsah alkálií a teploty tavení popelovin (Reed T. B. and Gaur S., 2009).

U některých parametrů (dusík, alkálie, popeloviny) se mění jejich hodnota v závislosti na termínu sklizně. Prodloužení vegetační doby z hlediska sklizně způsobuje snížení koncentrace prvků (N, S, K, Na a Cl), které jsou nežádoucí pro spalovací procesy. Výjimkou je chování křemíku, kde se zvyšují obsahy během zimního období (Hadders G. and Olsson R. 1996).

Klíčovým faktorem pro použití travní biomasy jako paliva je bod tání popelovin. Vyloužení alkálií z trav během vegetačního období zvyšuje bod tavení popelovin z hodnoty 1070 °C na 1400 °C (Burvall J., 1997, Hadders G. and Olsson R., 1996, Miller S.F. and Miller B. G. 2007). Bod tavení popelovin je podle Paulrud S. et al. (2001) ovlivňován množstvím popelovin v biomase. Biomasa s nízkým obsahem popelovin (3–4 % v sušině) vykazuje nižší bod tavení < 1200 °C, zatímco biomasa s vyšším obsahem popelovin (5–10 %) vykazuje bod tavení popelovin > 1500 °C.

Koncentrace popelovin v travní biomase je ovlivněna celou řadou faktorů: půdní eroze, půdní typ, délkou vegetačního období, způsobem pěstování a sklizně (Cox M. 2008). Výskyt popelovin v travní biomase chrastice rákosovité (Phalaris arundicea) studovali Finell M. and Nilsson C. (2005), kteří uvádí, že koncentrace popelovin je ovlivněna lokalitou a půdním typem. Vliv půdního typu na koncentraci popelovin v sušině chrastice rákosovité uvádí i Landström S. et al. (1996), který zároveň publikoval, že nejnižší obsahy popelovin se vyskytovaly v jarních měsících.

Na grafu 1 jsou uvedeny průměrné koncentrace popelovin pro nehnojené travní druhy, které byly pěstovány v roce 2005, 2006 a v roce 2011 ve stejném území. Největší rozdíl v koncentraci popelovin se vyskytuje u sveřepu horského Tacit, u ostatních travin jsou průměrné koncentrace popelovin poměrně vyrovnané.

Na grafu 2 jsou uvedeny průměrné obsahy popelovin travin odebraných v období od května do září. Z grafu je zřejmé, že nejvyšší obsah popelovin vykazuje jetelotravní směs. U ostatních trav jsou obsahy popelovin poměrně vyrovnané (5,55–6,41 %) u nehnojené varianty. Hnojená varianta obsahuje nižší množství popelovin. Nejvyšší rozdíly mezi hnojenou a nehnojenou variantou se vyskytují u hybridů (19–23 %).

U obou variant (hnojené i nehnojené) se projevil vliv délky vegetačního období na koncentraci popelovin. Koncentrace popelovin klesá s prodlužující se délkou vegetačního období (graf 3). Pokles koncentrace popelovin souvisí především s poklesem koncentrace vodou vyloužitelných alkálií a chloru. Na grafu 4 je uveden rozdíl v koncentraci vodou vyloužitelných iontů na začátku a na konci vegetačního období. S výjimkou lesknice rákosovité Chrastava uvolňují hnojené traviny větší množství vodou vyloužitelných iontů. Na grafu 5 je uvedena statisticky významná závislost (r = 0,86) mezi rozdílem v koncentraci popelovin na začátku a konci vegetačního období a vodou vyloužitelných iontů pro hnojenou variantu trav.

Kromě úbytku koncentrace popelovin, která souvisí s vyloužením vodorozpustných iontů, musí být obsah popelovin ovlivněn i půdní erozí, která bude ovlivněna hustotou travního porostu a délkou vegetačního období. Vliv prachové depozice anorganických částic na koncentraci popelovin je uveden na grafu 6. Depozice anorganických částic byla určena z rozdílu koncentrace popelovin v odebraném vzorku a ve vzorku, který byl upraven (omyt lihem). Porovnány byly koncentrace popelovin pro vzorky odebrané v září.

Vyšší rozdíly mezi obsahem anorganických částic zachycených v travách byly zjištěny většinou u nehnojené varianty, hnojené trávy vykazují obvykle vyšší hustotu porostu, množství zachycených částic je proto nižší. Množství zachycených částic u hnojené varianty trav se pohybuje v rozmezí 0,62 až 1,02 %, nejvyšší množství částic vykazuje jetelotravní směs.

Závěr

Obsah popelovin v travách je z energetického hlediska velmi významný, neboť může být limitujícím faktorem využitelnosti travní biomasy. Bylo prokázáno, že koncentrace popelovin v travní biomase klesá s prodloužením vegetačního období. Hnojená varianta trav vykazuje nižší obsahy popelovin než nehnojená varianta. U hnojené varianty se koncentrace popelovin průměrně snížila o 1,4 %, u nehnojené varianty se snížili o 1,17 %.

Nejvyšší snížení koncentrace popelovin bylo zjištěno u jetelotravní směsi. Byla prokázána statisticky významná závislost mezi snížením koncentrace popelovin a koncentrací vodorozpustných iontů. Dále byl prokázán vliv půdní eroze na koncentraci popelovin. U hnojené varianty se množství zachycených částic pohybuje v rozmezí od 0,62 do 1,02 %. Z uvedených výsledků je zřejmé, že travní biomasa určená ke spalování by měla být sklízena až v závěru vegetačního období. Při dodržení požadavků na obsah popelovin v travní biomase < 2 % by mohly být využity směsi hnojené trávy (33 %) a dřevní biomasy s obsahem popelovin pod 0,3 %, a pro nehnojenou variantu směsi s 28 % trávy a 62 % dřevní biomasy.

Poděkování

Publikace byla podpořena projektem NAZV „QI101C264 - Využití fytomasy z trvalých travních porostů a z údržby krajiny a projektem OpVaVpi ENET CZ. 1.05/2.1.00/03.0069.)  

Literatura

1. Burvall J. (1997): Influence of harvest time and soil type on fuel quality in reed canary grass (Phalaris arundinacea L.). Biomass and Bioenergy, V. 12, 149-154.
2. Cox M., Nugteren H., Janssen-Jurkovičová M. (2008): Combustion residue – Current, Novel and Renewable Applications. John Wiley & Sons Ltd, Chichester.
3. Finell M., Nilsson C. (2005): Variations in ash content, pupl yield and fibre properties of reed canary-grass. Industrial Crops and Products. V. 22, 157-167.
4. Landström S., Lomakka L., Andersson S. (1996): Harvest in spring improves yield and quality of reed canary grass as a bioenergy crop. Biomass and Bioenergy, V. 11, 333-341.
5. Miller F. S., Miller B. G. (2007): The occurrence of inorganic elements in various biofuels and its effect on ash chemistry and behavior and use in combustion products. Fuel Processing Technology, V. 88, 1155-1164.
6. Paulrud S., Nilsson C., Öhman M. (2001): Reed canary-grass ash composition and its melting behaviour during combustion.V. 80, 1391-1398.
7. Reed T. B., Gaur S. (2009): An atlas of the thermal data for biomass and other fuels. The Biomass Energy Foundation Press, Fraktown,USA. 2nd Edition, 1-259.
8. Technical Assessment of Grass Pellets as Boiler Fuel in Vermont (2011): A Report by theVermont Grass Energy Partnership. Vermont Sustainable Jobs Fund, University of Vermont Extension Service, and Biomass Energy Resource Center.

Celý seznam autorů

Raclavská H.¹, Frydrych J.², Juchelková D.¹, Zajonc O.¹, Andert, D.³, Gerndtová I^.3,
¹Vysoká škola báňská – Technická univerzita, Ostrava, ²OSEVA vývoj a výzkum, s. r. o. Zubří, ³Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i, Praha

Tweet

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

Biometan se vyplatí a má budoucnost