Tuhá biopaliva z místních zdrojů

Tuhá biopaliva z biomasy jako nosič energie jsou v současné době diskutovaným tématem. Na jedné straně je požadavek náhrady části fosilních paliv touto energií, na straně druhé obava, že podpora pěstování energetických rostlin vede ke zvyšování cen potravinářských komodit.

Kritika za nepřiměřené využití zemědělské komodity pro biopaliva se týká především řepky olejky, která se v ČR pěstuje asi na 370 000 ha. V porovnání s tím je význam energetických rostlin jako zdrojů fytomasy pro tuhá paliva prozatím menší.

Energetické plodiny

Energetický šťovík se pěstuje asi na 1000 ha, což je rozloha prakticky marginální. Jiné energetické rostliny, například chrastice rákosovitá, miscanthus, saflor či topinambur zaujímají plochy ještě menší. Pro pěstování nejvýnosnější známé energetické rostliny – křídlatky naproti tomu stojí legislativní překážky. Tato plodina je označována jako invazní plevel a podpora pro její pěstování je v současném společenském klimatu nereálná. Dalším perspektivním zdrojem biomasy mohou být plantáže rychlerostoucích dřevin. Zvyšování takto využívaných ploch má v praxi dva základní aspekty. Podpora pro jejich pěstování je možná ze strukturálních fondů EU, především z Programu rozvoje venkova. Tento program obsahuje podopatření I.1.1.3 umožňující založení porostů RRD ⁽²⁾. Druhým aspektem jsou ale problémy při sklizni: Náklady při manuální sklizni RRD jsou oproti mechanizované sklizni speciální řezačkou velmi vysoké. Při použití sklízecí mechanizace je však z ekonomického pohledu nutné její dostatečné časové využití, což při malých pěstebních plochách není možné.

Druhotná biomasa

Vedle uvedených potenciálních zdrojů biomasy je však v agrárních oblastech k dispozici množství fytomasy, která je nevyužita a kterou můžeme označit jako druhotnou agrární surovinu. Jedná se především o obilní slámu, řepkovou slámu, trvalé travní porosty aj. Obiloviny jsou naprosto převažujícími plodinami v zemědělství ČR. Z nich pšenice se pěstuje na více než 50 % takto osetých ploch. Přehledně jsou tyto údaje spolu s řepkou uvedeny v tabulce 1.

Tab. 1 – Bilanční hodnoty obilovin a řepky v ČR v roce 2007 (1, 3)

Plodina	Osevní plocha (ha)	Výnos (t/ha)	Poměr hmotnosti zrna a slámy
Pšenice	811 000	4,88	1 : 1,85
Ječmen	499 000	3,85	1 : 1,08
Žito	37 500	4,72	1 : 1,70
Oves	59 000	2,91	1 : 1,40
Tritikale	50 000	4,29	1 : 1,75
Řepka	337 500	3,10	1 : 1,20 až 1,80

Mimo potravinářského využití přinášejí tyto plodiny i významný energetický zdroj pro výrobu tuhých biopaliv ve formě slámy. Řepka olejka je v této souvislosti uváděna rovněž jako především potravinářská plodina, neboť podíl řepkového semene na výrobu biopaliv tvoří v ČR pouze 23,3 % ⁽³⁾. Vezmeme- li v úvahu, že část sklizené slámy zůstává na poli, a to ať již z důvodů techniky sklizně, či záměrně pro zvýšení podílu organické hmoty v půdě, je možno uvažovat energeticky využitelné množství asi 3 t/ha. Z toho pak vyplývá, že použitelné množství obilní slámy je v ČR asi 4,5 mil. tun, množství řepkové slámy asi 1 mil. tun.

Významným zdrojem fytomasy, kterou lze využít energeticky jsou sklizené trvalé travní porosty. V ČR je takto obhospodařováno asi 1 milion ha ploch. Fytomasa z těchto pozemků je jen z malé části využívána tradičním způsobem jako krmivo, převážná část je hospodářům na obtíž. Nechceme-li tento materiál označit přímo jako agrární odpad, lze jej využít pro kompostování, nebo jako energetický zdroj.

Mimo uvedené zdroje spalitelné fytomasy existuje v agrárním sektoru množství druhotných surovin vznikajících při pěstování a zpracování různých plodin. Jde např. o réví z prořezu vinic, makovinu, slunečnice, pazdeří lnu, konopí a mnohé jiné materiály. Vedle toho existuje značné množství fytomasy z nejrůznější údržby zeleně, zbytků při těžbě dřeva a při jeho zpracování.

Důležité parametry

Při porovnání zdrojů fytomasy je významným parametrem její dostupnost v dostatečném množství a obsah vody v čase a místě dodávky. Pokud je obsah vody vyšší než asi 20 %, vznikají tím požadavky na sušení, tzn. další náklady.

Z uvedených zdrojů fytomasy těmto požadavkům přednostně vyhovuje sláma obilovin a řepková sláma. Tyto suroviny jsou k dispozici ve značném množství, vysoké kvalitě, tzn. s nízkým obsahem vody, který nepřekračuje 15 %. Vhodnost těchto surovin pro energetické využití umocňuje i rozvinutá technika sklizně a manipulace s materiálem.

Sláma v balících

Sláma se z pole expeduje nejčastěji ve formě balíků, a to válcových nebo hranolových. V tab. 2 jsou uvedeny typické parametry balíků slámy zjištěné při sklizni lisy Case ⁽⁴⁾. Stupeň slisování, tj. dosažená hustota závisí na konstrukci lisovacího zařízení a na zkrácení materiálu. Takto upravenou slámu lze již označit jako tuhé biopalivo dle ČSN P CEN/TS 14961 (5).

Tab. 2 – Průměrné rozměry a hmotnosti balíků

Ukazatel		Jednotka	Válcový balík		Hranolový balík
			bez řezání	s řezáním	bez řezání	s řezáním
Počet nožů		kus	-	15	-	33
Hmotnost balíku		kg	328	375	303	313
Rozměr	průměr/délka	mm	1780		2300
	šířka	mm	1200		1200
	výška	mm	-		700
Objem balíku		m3	2,99		1,93
Objemová hmotnost slisované slámy		kg/ m3	110	126	157	162

Standardní forma paliva ve formě balíků má výhodu ve snadné manipulaci, v použití i v obchodování. Toto palivo je vhodné pro centrální kotelny, kde jsou použity kotle nad 1 MW. Většina těchto kotelen ovšem preferuje palivo ve formě balíků hranolových. Pro spalování balíků slámy byly vyvinuty i kotle pro menší výkony.

Např. firma STEP Trutnov a.s. dodává kotle pro spalování celých balíků slámy s výkonem 175 až 600 kW. Výhodou oproti kotlům s rozdružováním slámy je jednodušší technické provedení celého zařízení a z toho vyplývající nižší cena. Rovněž odpadá požadavek na energii pro rozdružení balíků, což představuje elektrický příkon v desítkách kW.

Linky na pelety

Slámu ve formě balíků lze ovšem zpracovat do hodnotnějších forem tuhých biopaliv, do briket nebo pelet. Ze struktury slámy se jeví jako vhodnější výroba topných pelet. Pro tuto produkci jsou dodávány výrobní linky s nejrůznějším výkonem.

Například linka LSP 1800 m, výrobce Atea Praha, s. r. o., (obr. 1ab), umožňuje výrobu pelet s obchodním označením Granofyt o průměru od 6 do 30 mm. Výkonnost linky je 1500 až 1800 kg/h a ročně zpracovává asi 10 000 t slámy. Jde o finančně náročnou investici v řádech miliónů Kč. Proto je nutno v podnikatelském záměru uvážit všechny souvislosti, tzn. nejen zajištění zdroje suroviny a odbyt produkce, ale i skladování slámy v období od sklizně do zpracování. Je nutné, aby sláma v hranolových balících byla nařezána a především aby v průběhu skladování nenavlhla. Z důvodů požární bezpečnosti je třeba materiál skladovat v menších stozích, které musí být zakryty a zajištěny. Produkované pelety odpovídají normě ČSN ⁽⁵⁾ a splňují i požadavky ochranné známky pro ekologicky šetrný výrobek ⁽⁶⁾. Palivoenergetické parametry topných pelet z obilní slámy a ze slámy řepky, jak byly zjištěny v laboratoři Výzkumného ústavu zemědělské techniky, v.v.i., jsou v tab. 3.

Tab. 3 – Palivoenergetické parametry topných pelet Granofyt

Parametr	Jednotka	Pelety z obilní slámy	Pelety z řepkové slámy
Voda	%	6,40	7,85
Prchavá hořlavina	%	69,81	70,11
Neprchavá hořlavina	%	17,46	16,40
Popel	%	6,33	5,64
C	%	43,04	43,64
H	%	6,51	6,11
N	%	0,72	0,84
S	%	0,05	0,14
O	%	36,89	35,64
Cl	%	0,09	0,14
Spalné teplo	MJ/kg	16,93	16,75
Výhřevnost	MJ/kg	15,45	15,23
Popel (bod t):	°C	780	1050
Měknutí (bod t)	°C	800	> 1300
Tání (bod t)	°C	1020	> 1300
Tečení (bod t)	°C	1050	> 1300
Hustota (bod t)	kg/dm3	1,34	1,23
Otěr dle ÖNORM M 7135	%	0,98	2,28

Linka LSP 1800 zpracovává surovinu ze zhruba 3000 ha a produkce pelet směřuje především do velkoobchodu či k velkým odběratelům.

Jinou variantou výroby pelet je zařízení s malou produkcí hlavně pro místní použití. Linka MGL 200, výrobce Kovo Novák Cítonice, má výkonnost 100 kg pelet za hodinu, je finančně dostupná a zpracovává surovinu z malých hospodářství. Granulační lis má plochou matrici o průměru 198 mm.

Technologie výroby topných pelet ze slámy je odlišná od výroby pelet ze dřeva. Je třeba použít jiný typ lisovací matrice, specifikum je v dopravních cestách a odlišná je i skladba strojního vybavení celé linky. V současné době jsou však již tyto technologie zvládnuty a kvalita vyráběných produktů je na vysoké úrovni.

Spalování pelet

Pro spalování pelet ze slámy jsou na trhu vhodná spalovací zařízení. Pelety z jiných než dřevěných materiálů se vyznačují výrazně vyšším obsahem popela, s čímž je nutno počítat při konstrukci kotlů i při jejich provozu.

Vhodným typem pro použití v rodinných domcích je například typ A25, výrobce Verner, a. s. (obr. 2). Tento kotel má konstrukčně upraveno automatické odpopelnění a umožňuje spalovat pelety z různých typů biomasy.

Při použití pelet z řepkové slámy v praxi není problém při spalování, neboť teplota tavení, resp. spékání popela, je obdobná jako u pelet ze dřeva. Oproti tomu pelety z obilní slámy mají teplotu spékání popela nižší a spalovací zařízení musí být pro toto palivo ověřeno. Zlepšení tohoto parametru je možno docílit přidáním aditiv. Dobrých výsledků bylo dosaženo přidáním drceného hnědého uhlí v množství 8 % hm. Teplota stavování popele byla zvýšena na 850 °C.

Byly rovněž zkoušeny pelety z pšeničné slámy, v nichž byly jako aditivum proti struskování použity slupky z kakaových bobů v množství 5 % hm (obr. 3). V tomto případě se teplota stavování zvýšila na 900 °C.

Pokud chceme výrazně zvýšit teplotu spékání popela, nabízí se možnost míchání s vysokým podílem uhlí. Jinou možností je přidávání uhelných jílů. Závislost spékání popela na množství inhibitoru ⁽⁷⁾ je na grafu 1. Uhelné jíly (černouhelné kaly) mají na zvýšení teploty spékání ještě výraznější vliv než hnědé uhlí a již malé množství tohoto aditiva výrazně zlepšuje užitné vlastnosti vytvořených topných pelet.

Brikety z travní biomasy

Dalším významným zdrojem fytomasy jsou trvalé travní porosty. Tyto plochy je třeba sklízet a usušenou travní hmotu je možno výhodně zpracovávat do formy tuhých paliv. Pro vytápění rodinných domů nebo malých farem je vhodnější použití topných briket, pro jejichž výrobu jsou na trhu kompaktní briketovací lisy s vhodným výkonem. Například lisy řady BrikStar, výrobce Briklis, s. r. o., jsou určeny pro lokální výrobu briket z místních zdrojů (na obr. 4 je typ BrikStar 50 s výkonem asi 40 až 60 kg/h).

Brikety s lepšími užitnými vlastnostmi získáme při použití travní fytomasy v kombinaci s jinými rostlinnými materiály. K tomu je možno použít např. štěpku z plantáží energetických dřevin, nebo jiné energetické rostliny. Na obr. 5 jsou topné brikety vytvořené z travní fytomasy kombinované s jinou fytomasou. V tabulce 4 jsou uvedeny některé mechanické a palivoenergetické vlastnosti těchto briket.

Tab. 4 – Mechanické a palivoenergetické vlastnosti topných briket na bázi fytomasy z trvalých travních porostů (TTP)

Složení	Hustota kg/m3	Destrukční síla N.mm-1	Popel %	Výhřevnost MJ/kg	Obsah S %	Obsah Cl %
TTP	720	10	5,21	15,81	0,09	0,23
TTP + topolová štěpka (1:1)	790	34	4,62	16,33	0,06	0,13
TTP + topolová štěpka (1:3)	790	25	4,33	16,58	0,04	0,08
TTP + energetický šťovík (1:1)	600	7	5,35	15,56	0,07	0,15
TTP + energetický šťovík (1:3)	820	21	5,42	15,43	0,06	0,11
TTP + smrková kůra (1:1)	890	21	4,27	16,00	0,06	0,12
TTP + smrková kůra (1:3)	890	22	3,80	16,09	0,05	0,07

Z údajů je zřejmý pozitivní vliv přídavných materiálů: topolová štěpka zvyšuje hustotu briket a jejich pevnost, přičemž postačuje její množství ve směsi 50 %. Je též možno snižovat obsah síry a chloru, což je důležité v případech, kdy se výrobce bude snažit dosáhnout parametrů výrobku dle EN ⁽⁵⁾ či jiného předpisu.

Pro spalování topných briket z TTP i v kombinacích s jinými rostlinnými materiály se používají běžné kotle na kusové dřevo. Všechna uvedená paliva byla zkoušena například v kotli KTP 49, výrobce Rojek, a. s.

Částečným problémem při spalování briket z TTP je spékání popele. Na obr. 6 je zřejmá struktura popele po spékání. Tento jev se dá odstranit již uvedeným mícháním materiálu TTP s jinými fotomateriály. V tabulce 5 jsou uvedeny hodnoty tavitelnosti popele z takto vytvořených briket.

Tab. 5 – Tavitelnost popele topných briket

Složení	Teplota spékání °C	Bod měknutí °C	Bod tání °C	Bod tečení °C
TTP	850	990	1000	1190
TTP + topolová štěpka (1 : 1)	> 950	1210	1230	1240
TTP + topolová štěpka (1 : 3)	900	1260	1270	1280
TTP + energetický šťovík (1 : 1)	780	1150	1180	1200
TTP + energetický šťovík (1 : 3)	900	1140	1180	1200
TTP + smrková kůra (1 : 1)	870	1200	1200	1200
TTP + smrková kůra (1 : 3)	900	1010	1050	1080

Přidáním topolové štěpky se hodnoty tavitelnosti popela významně zvýšily. Pro výrobu topných briket je tedy vždy vhodné uvážit kombinaci surovin, jednak těch, které jsou v dané lokalitě k dispozici, dále možnosti získání doplňkové suroviny. Pěstování rychlerostoucích energetických dřevin se tak ukazuje jako vhodná aktivita pro získání takovýchto materiálů.

Závěr

Obě uvedené technologie zhodnocení biopaliv, tj. peletování i briketování slámy a TTP, umožňují využití těchto zdrojů v lokálních topeništích na biomasu. To je významný aspekt při uvážení těchto paliv jako alternativy k používání uhlí, zvláště při předpokládaném výrazném zvýšení cen veškerého uhlí v nejbližší budoucnosti.

Dá se tedy předpokládat, že tato paliva si najdou místo na trhu s palivy. Je však třeba, aby veškeré znalosti a technologie výroby i užití těchto paliv byly budovány a využívány na úrovni odpovídající získaným poznatkům.

Tento článek byl vytvořen na základě výsledků projektu Národního programu výzkumu II č. 2B06131 ,,Nepotravinářské využití biomasy v energetice“.

Literatura

1. Situační a výhledová zpráva Obiloviny. Praha, MZe ČR 2007. 98 s. ISBN 978-80-7084-599-8, ISSN 1211-7692
2. Trnka, J.: Financování energetiky sídel ze strukturálních fondů v období 2007-2013. In: Obnovitelné zdroje v energetice sídel. Praha, 2007, ISBN 978-80-254-0841-4
3. Jevič, P.: Nepotravinářské využití olejnin. Studie MZe ČR. Praha, 2008
4. Jílek, L., Pražan, R., Gerndtová, I.: Porovnání lisů na válcové a hranolové balíky. Mechanizace zemědělství, 57 (2007), č. 4, s. 44-50, ISSN 0373-6776
5. ČSN P CEN/TS 14961. Tuhá biopaliva – Specifikace a třídy paliv. Praha, ČNI 2005, 46 s.
6. Topné pelety z bylinné fytomasy. Technická směrnice č. 55 – 2008 s požadavky pro propůjčení ochranné známky ,,Ekologicky šetrný výrobek“. Praha, MŽP 2008. 4 s.
7. Hutla, P.: Energetické využití odpadů z agrárního sektoru ve formě standardizovaných paliv. [Výzkumná zpráva]. Praha, VÚZT 2006. 77 s.

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