Ekologická hlediska spalování biomasy

Antropogenní skleníkový efekt, globální oteplování a klimatická změna jsou v současné době skutečností, kterou potvrzují pozorování řady vědců, meteorologická měření, ale i exponenciální nárůst pojišťovacích škod v důsledku zvyšování účinku a frekvencí tajfunů, tornád a záplav následných přívalových dešťů. Táním arktických ledovců dochází ke zvyšování hladin moří s nebezpečím zaplavení částí přímořských a ostrovních států s očekávaným exodem desítek milionů lidí. Příčinou těchto nebezpečných jevů je zejména spalování fosilních paliv, při kterých se produkuje skleníkový plyn dioxid uhlíku (CO₂). Zvyšující se koncentrace dioxidu uhlíku a dalších skleníkových plynů (metanu, oxidu dusného, freonů) v atmosféře omezují vyzařování nahromaděného tepla na zeměkouli zpět do vesmíru, což má za následek globální oteplování. Intenzivní využívání fosilních paliv se stává pro trvale udržitelný rozvoj lidské společnosti neúnosné a řada států se snaží co největší podíl fosilních energií nahradit obnovitelnými energiemi, tj. energií solární, větrnou, geotermální, vodní, nejvyšší potenciál má energie z biomasy. Při spalování biomasy rovněž vzniká dioxid uhlíku, který však skleníkový efekt nenavyšuje a to z důvodu, že rostliny za svého růstu odebírají z ovzduší CO₂ a při spalování jej opět do ovzduší vracejí. Vzhledem k tomu, že průměrná délka růstu živé fytomasy je cca 10 let a podzemní části rostlin obvykle zadržují přeměněný CO₂ ještě déle (jako kořeny nebo jako půdní organická hmota), představuje pěstování energetické fytomasy významné vázání (sekvestraci) dioxidu uhlíku z atmosféry. Z ekologického hlediska je energetické využívání biomasy významnější než využívání ostatních obnovitelných energií.

Energetické využívání biomasy má ještě další výhody pro životní prostředí, pro agrární sektor, pro růst prosperity obcí a růst pracovních příležitostí. Palivo na bázi biomasy neobsahuje téměř žádnou síru a emise oxidu siřičitého je tudíž zanedbatelná. Ostatní škodliviny v emisích z fytopaliv jsou ve srovnání s emisemi z fosilních paliv příznivější. Podroštový popel z fytopaliv je možno z větší části použít jako hnojivo s dobrým obsahem vápníku, hořčíku, draslíku a fosforu.

Energetické rostliny pro přípravu fytopaliv je možné pěstovat na půdě nepotřebné pro výrobu potravin. Půdy v tzv. marginálních zemědělských oblastech se uvádějí do klidu zpravidla dotačním zatravňováním. Údržba krajiny prostřednictvím dotací stojí společnost značné finanční prostředky. Využití těchto půd k pěstování energetických rostlin může přinést tak společnosti užitek, zejména přirozenou údržbu krajiny, protierozní ochranu půdy a minimalizaci úniku dusičnanů z půdy do spodních a povrchových vod. Rozloha nepotřebné půdy k potravinářským nebo krmivářským účelům v České republice představuje v současnosti už 465 000 ha orné půdy a 523 000 ha luk a pastvin. Při pěstování energetických rostlin je možno využít i půdy nadlimitně kontaminované cizorodými látkami, na kterých je nežádoucí pěstovat potravinářské plodiny. Pěstování energetických rostlin na těchto půdách v dlouhodobém časovém horizontu umožňuje revitalizaci těchto půd.

Při spalování biomasy se zpravidla dosahuje pozoruhodně nízkých hodnot škodlivých emisí. Spalování tuhých fytopaliv v rozmezí teploty plamene 900 až 1100°C při dostatečném přívodu spalných vzduchů s přebytkem kyslíku a s dostatečně velkým a neochlazovaným dohořívacím prostorem plamene se obsah CO často blíží k nule. Emise oxidu siřičitého jsou rovněž zanedbatelné. Stopy síry se u fytopaliv vyskytují výjimečně, např. v kůře dřevin. Emise oxidů dusíku (NOx) dosahují cca polovinu povolených limitů, ale mohou se zvýšit při překročení teploty plamene 1200°C. Rovněž fytopalivo obsahující vyšší obsah dusíku než 1,5% v sušině může překročit emisní limit NOx. K tomu může dojít při spalování sena z mladé trávy. Fytopalivo z energetických rostlin hnojených průmyslovými hnojivy s obsahem chloru se mohou ve spalinách objevovat emise chlorovodíku. Ekologický význam substituce sirnatého hnědého uhlí biomasou je především hodnocen minimalizací emisí včetně emisí toxických kovů. Nečekanou překážkou rozvoje energetického využívání biomasy se stala interpretace měření obsahu polychlorovaných dibenzodioxinů a dibenzofuranů (PCDD/F) ve spalinách biomasy (kotelna 2,7 MW Dešná, kotelna TAF 1000 Svratka, kotel Verner V 25 a krbová kamna Peletop 5,1). Zajištěné hodnoty (Koutský et al. 2001, 2002) v intervalu 3,7 - 7,1 ng TEQ/m², které jsou 40x a více vyšší než limit pro spalovny komunálních odpadů se staly překážkou při budování nových biotepláren v okrese Jeseník a dočasně zbrzdily zájem o instalaci kotlů na biomasu v rodinných domcích. Tato první měření emisí PCDD /F při spalování biomasy v České republice se značně odlišují od stovek obdobných měření provedených v zahraničí. Domnívám se, že odborná i laická veřejnost zajímající se o tuto problematiku by měla být informována i o obdobných měřeních, které se prováděly v dalších státech EU při spalování biomasy ve srovnání se spalováním fosilních paliv. Dále považuji za nutné seznámit zájemce o míře dysfunkce spalování biomasy s ohledem na zdraví lidí a kontaminaci životního prostředí.

Látky PCDD/F mají potencionálně hepatotoxický, karcinogenní a teratogenní účinek na zdraví lidí. Jejich nadlimitní přívod do organizmu člověka může působit inhibici epidermálního růstového faktoru, efekty na biochemické úrovni a srdeční a cévní choroby a celkové snížení imunity organizmu. Tolerovaný denní příjem látek PCDD/F na člověka je 1 - 4 pg TEQ/kg tělesné váhy (Dánsko 5, Švýcarsko 1, EPA 2, WHO 10). Přímý vstup PCDD/F do organizmu dýcháním představuje 1 - 5% expozice, zbytek je příjem potravinami. Znečištění ovzduší se stává jednou z příčin kontaminace potravního řetězce. Doporučený imisní limit pro venkovní ovzduší je 20 fg TEQ/m³ jako průměrná 24 hodinová koncentrace. Hodnota 0,3 pg TEQ/m³ indikuje lokální zdroje emisí, které je nutno identifikovat a omezovat. Legislativně jsou omezeny spalovny komunálních odpadů emisním limitem 0,1 ng/m³ TEQ.

V minulosti byla v České republice hlavním zdrojem kontaminace výroba a užívání pesticidů na bázi fenoxyoctové kyseliny a chlorfenolů (Spolana Neratovice). V současnosti jde o spalování odpadů, technologie s užitím chloru, energetika, výroba a zpracování kovů, mobilní zdroje, spalování užitých olejů a mazutu a je nutno počítat i s významným podílem emisí lokálních topenišť.

V problematice emisí PCDD/F při spalování biomasy nacházíme značné množství zahraničních prací, hodnotících množství těchto emisí vyjádřené TEQ v kouřových plynech a v popelu. U většiny těchto zjištění je cca 90% hodnoty TEQ jako plynná emise, 10% celkové hodnoty TEQ se nachází v popelu. Práce jsou zaměřeny na vliv technologie spalování a kvality paliva na vznik těchto emisí. Při hodnocení vlivu paliva je zjišťován i obsah chloru v palivu.

V Rakousku představuje lokální vytápění bytů třetinu všech emisí PCDD/F. Při průzkumech provedených na různých typech domovních kamen na uhlí v r. 1996 byly zjištěny hodnoty 13,8 - 87,2 ng TEQ/m³ (0% O2), přičemž tzv. kamna stáložárná docilovaly nejvyšších emisí. Při průzkumech v pozdějších letech (Thanner, Moche 2000) bylo provedeno 20 měření s různým palivem, přičemž nejnižší koncentrace PCDD/F byla zjištěna při spalování dřeva, jak vyplývá z níže uvedené tabulky 1.

Problematiku emisí PCDD/F na kotli 50 kW pro spalování biomasy se zabýval Verlieb et al. 1999. Při spalování různých biopaliv byly zjištěny nejnižší emise při spalování dřevní štěpky. Koncentrace emisí PCDD/F byla průkazně vyšší u biopaliv s vyšším obsahem chloru nad 1,5 g / kg suš. Interval koncentrace emisí byl 0,003 - 1,822 ng TEQ/m3 jak vyplývá z níže uvedené tab. 2

Schmoeckel a Streit 2001 zjistili emise PCDD/F na 9 bavorských teplárnách při spalování dřeva o výkonu 100 KW - 13,9 MW v intervalu 0,01 - 5,0 ng TEQ/m³ (11% O₂). Koncentrace emisí PCDD/F velmi těsně korelovala s emisí HCl a s obsahem Cl ve dřevu. Korelace emise PCDD/F s emisí CO byla neprůkazná. Při nižším obsahu HCl v kouřových plynech než 30 ng /m³ byla emise PCDD/F 0,01 - 1,2 ng TEQ/m³ při vyšším obsahu 0,8 - 5,0 ng TEQ/m³.

William, Caroll 2001 hodnotí spalování dřeva a dřevních odpadů na kotelnách s řízeným procesem spalování. Nejvyšší emise PCDD/F zjišťují při spalování chemicky ošetřeného dřeva (tab. 3).

Poměrně málo údajů o emisích PCDD je u kotelen na slámu, energetické trávy o výkonu vyšším než 5 MW. V této oblasti jsou citovány výsledky měření koncentrace emisí na kotelně ve Schkölmu v intervalu 0,04 - 0,08 ng TEQ/m³ (vlh. 0 %, O₂ 11%) a měření v dánské kotelně na spalování slámy v obřích balících 0,016 ng TEQ/m³ (vlh. 0%, O2 11%).

Diskuse a závěr

Z literárních údajů vyplývá, že emise PCDD/F jsou závislé především na technologii spalování. Na kotelnách, kde je dávkování paliva a spalování řízeno automatickou regulací s kyslíkovou lambda sondou a kde dochází k dokonalému odloučení tuhých částic ze spalin byly imise PCDD zjištěny v intervalu 0,01 - 0,18 ng TEQ/m³. Na kotelnách s výkonem nižším než 100 kW, které nebyly vybaveny výše uvedeným standardem, nebo kde biopalivo obsahovalo více než 2000 mg/kg chloru byly zjištěny hodnoty 0,8 - 5,7 ng TEQ/m³. Z literárních údajů vyplývá, že statisticky průkazná závislost koncentrace emisí PCDD/F na obsahu chloru v palivu nastává až při koncentraci Cl vyšší než 2000 mg/kg.

Při spalování biopaliv v kotli cca 50 kW pro vytápění rodinných domků koncentrace plynných emisí PCDD/F při spalování dřevní štěpky představuje 0,003 - 0,063 ng TEQ/m³, při spalování pelet ze stébelnin 0,082 - 1,822 ng TEQ/m³.

Při lokálním vytápění bytů dřevem se plynné emise PCDD/F pohybovaly v intervalu 0,1 - 2,0 ng TEQ na m³ a při spalování uhlí 8,0 - 41,8 ng TEQ/m³.

Srovnáme-li s literárními údaji měření provedená v ČR (Koutský et al. 2002), je možno konstatovat, že koncentrace zjištěných emisí PCDD/F v TEQ na kotelně TAF 3,7 ng/m³, na kotelně Dešná 4,1 ng/m³, u kotle V 25 Verner 7,1 ng/m³ a u krbových kamen Peletop 4,5 ng/m³ je mimo příslušný interval hodnot uvedených zahraničních zjištění pro jednotlivé druhy fytopaliv a spalovacích zařízení.

Vzhledem k použití standardních metod měření a vzhledem k používání obdobných paliv jako v zahraničí je příčinou neobvykle vysokých hodnot PCDD/F méně dokonalý proces spalování.

Zjištěné hodnoty emisí PCDD/F 3,7 - 7,1 ng TEQ/m3 s ohledem na výkon těchto zařízení nepředstavují toxikologické nebezpečí. Z důvodů očekávaného rozvoje využívání energie z biomasy je třeba tyto emise monitorovat, navrhovat opatření k jejich snížení dokonalejší technologií spalování a snížením obsahu chloru u fytopaliv na bázi stébelnin, energetických trav a bylin.

Literatura

1. Koutský M., Machníková E., Henkel M., Dittrich M., Vošta J., Koutský B.: Polychlorované dibenzodioxiny a dibenzofurany při spalování biomasy. Výzkumná zpráva VŠCHT. Ústav energetiky Praha. 2002.
2. Koutský M., Adamová J., Machníková E., Dittrich M., Vošta J.: Emise při spalování biomasy. Energie a peníze, č. 4-5, 2002.
3. Schmoecker G., Streit A.: Emissionen organischer Stoffe bei Holzfeurung. Referat 1/3 Bayerisches Landesamt für Umweltschutz. 2001.
4. Thanner F., Moche W.: Emission von Dioxinenen, PCBs und PAHs aus Kleinfeurungsanlagen. Monographie Band 153, Wien 2001.
5. William F., Carroll J.: The relative contribution of wood and poly(vinyl chloride) to emissions of PCDD and PCDF from house fires. Chemosphere 45, pp. 1173 - 1180, 2001.

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