Ekonomická a energetická efektivnost výroby biopaliv

Úvod

Evropská směrnice 2009/28/ES o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů (OZE) ukládá ČR do roku 2020 zvýšit podíl těchto zdrojů na celkové energetické spotřebě na 13 %, čili přibližně na dvojnásobek současného stavu. Nejvýznamnější podíl má mít podle současných prognóz biomasa pro přímé spalování, počítá se s ní však i pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla. Menší podíl pak připadá na kapalná biopaliva a bioplyn z cíleně pěstované biomasy. Odhad energetického potenciálu biomasy je ovlivněn celou řadou faktorů, proto se jednotlivé studie poměrně výrazně liší. Příklad několika odhadů potenciálu biomasy pro rok 2020 je uveden v následující tabulce. Hlavní výhodou biomasy v porovnání s ostatními druhy OZE je snadná akumulace a regulovatelnost výkonu podle skutečné potřeby. Rovněž technologie pěstování a sklizně energetických plodin jsou dobře zvládnuty. Nevýhodou biomasy pro energetické účely jsou naopak v současnosti často vyšší náklady než na fosilní paliva. Nabízí se tedy otázka, nakolik je biomasa výhodná z energetického hlediska – tedy z poměru vložené a získané energie a jak si stojí jednotlivé typy biopaliv ve vzájemném porovnání.

Materiál a metody

V této práci jsme se zaměřili právě na ekonomiku biopaliv a energetickou efektivnost tří nejobvyklejších způsobů výroby biopaliv z biomasy. Jedná se o produkci pevných tvarovaných biopaliv (pelet, briket), bioplynu a kapalných biopaliv (MEŘO, bioetanol). U vybraných druhů cíleně pěstované biomasy byly stanoveny výrobní náklady na měrnou jednotku paliva a energetická efektivnost těchto paliv – tedy poměr získané energie (obsažené v palivu) ku vložené energii, tj. energii spotřebované při výrobě paliva.

Energie spotřebovaná

Do spotřebované energie je zahrnuta jen přímo spotřebovaná energie na jednotlivé části technologického procesu (tj. není uvažována energie „minulá“, spotřebovaná např. na materiálové vstupy, na výrobu mechanizačních prostředků, na pracovní sílu apod.). Spotřebovaná energie se dělí na 3 hlavní části:

• energie na pěstování a sklizeň
• energie na skladování a manipulace
• energie na výrobu biopaliv

1. Energie na pěstování a sklizeň

Zahrnuje spotřebu energie na všechny pracovní operace od přípravy půdy, přes založení porostu, jeho ošetřování během vegetace, sklizeň a odvoz produktu z pole do střediska zemědělského podniku. Vychází z normativů technologických postupů pěstování plodin a technického zajištění operací. Technologie, spotřeba energie a ekonomika pěstování a sklizně produkce se zpracovává s využitím modelovacího databázového programu AGROTEKIS.

2. Energie na skladování a manipulace

Zahrnuje spotřebu energie na soubor operací související s posklizňovým zpracováním, uložením, skladováním a vyskladňováním produkce. Jedná se o odborný odhad na základě měření posklizňových a skladovacích linek. Vychází z normativů získaných při řešení výzkumných projektů z této oblasti. Energie na dopravu vstupních surovin z místa uskladnění do místa zpracování je výrazně ovlivněna kapacitou zpracovatelské linky. Se zvyšující se kapacitou narůstají dopravní vzdálenosti a tedy energie spotřebovaná na dopravu a klesá energetická efektivnost biopaliva. U malých linek instalovaných přímo u producentů energetických plodin (např. malá zemědělská BPS) nejsou žádné další energetické vstupy do dopravy vstupních surovin nad rámec energie na skladování a manipulaci. Vzhledem k nestálosti této hodnoty nebyla energie na dopravu surovin zahrnuta do kalkulace.

3. Energie na výrobu biopaliv

Zahrnuje spotřebu energie na transformaci biomasy na konkrétní druh biopaliva. Údaje jsou získány z podkladů firem zabývajících se výrobou těchto paliv a rovněž jsou zahrnuty výsledky vlastních měření při výrobě biopaliv v rámci výzkumných projektů.

Energie získaná

Výpočet energie obsažené v palivu se liší u jednotlivých druhů biopaliv. Pro pevná tvarovaná biopaliva je stanovena na základě průměrného výnosu (uvažuje se výnos suché hmoty o vlhkosti 15 %) a výhřevnosti biomasy. Výhřevnost jednotlivých druhů biomasy je stanovena na základě dostupnýchinformačních zdrojů a korigována podle výsledků vlastních měření. U vybraných plodin se pohybuje od 14,4 do 16,5 GJ.t^-1. U bioplynu je výpočet získané energie opět odvislý od průměrného výnosu sledovaných plodin a měrné produkce bioplynu z nich. Obsah sušiny je u kukuřice počítán 30 % a u čiroku 25 %. Údaje o měrné produkci bioplynu byly získány na základě vlastních laboratorních pokusů a z dostupných zdrojů v odborné literatuře. Obsah metanu v bioplynu je pro výpočty stanoven na 60 %. Velikost bioplynové stanice odpovídá instalovanému elektrickému výkonu kogenerační jednotky 500 kWel. Energie obsažená v kapalných biopalivech je rovněž kalkulována s ohledem na hektarové výnosy, bilanci měrné spotřeby sledovaných plodin na jednotku vyrobených biopaliv a jejich energetickou hodnotu. U kapalných biopaliv je do celkového obsahu energie zahrnuta i energie obsažená v pšeničné, resp. řepné slámě. Bilance vychází z dlouhodobých výsledků řešení výzkumných projektů a záměrů VÚZT, v.v.i. a je v souladu s platnými technickými normami a normativy pro kapalná i tuhá biopaliva, především s ohledem na hustoty biopaliv a výhřevnosti biopaliv a vedlejších produktů konverze.

Výsledky a diskuze

Ekonomika výroby a energetická efektivnost biopaliv byla spočítána pro 9 vybraných druhů biomasy. Pro výrobu pevných tvarovaných biopaliv bylo posouzeno 5 druhů energetických plodin, pro produkci bioplynu 2 a pro produkci kapalných biopaliv rovněž 2 plodiny. Výsledky jsou souhrnně uvedeny v tabulce 2. Jak je patrné z tabulky 2, nejvyšší energetickou efektivnost vykazují podle očekávání pevná tvarovaná biopaliva. Nejlepšího výsledku bylo dosaženo u ozdobnice čínské díky vysokému výnosu suché hmoty z hektaru a nižším energetickým nárokům plodiny na pěstování a sklizeň. Velmi dobrých výsledků však bylo dosaženo u všech posuzovaných plodin. Horších výsledků bylo dosaženo u ušlechtilejších plynných a kapalných biopaliv. Obě sledované plodiny pro produkci bioplynu – čirok i kukuřice – dosáhly téměř stejných hodnot. Nepatrně lepšího výsledku bylo dosaženo u čiroku, u kterého však vychází horší ekonomika v porovnání s kukuřicí. Velké rozdíly pak vykazuje bionafta (MEŘO) a bioetanol, a to zejména kvůli řádově vyšším energetickým vstupům na výrobu biopaliva. MEŘO tak dosahuje výsledku srovnatelného s energeticky méně efektivními pevnými biopalivy, kdežto bioetanol dosáhl vůbec nejhoršího výsledku. Ekonomické ukazatele i energetickou efektivnost biopaliv může výrazně ovlivnit kapacita zpracovatelské linky. Vyšší zpracovatelská kapacita producenta biopaliv je může být prospěšná pro ekonomiku podniku, ale energetické efektivnost biopaliv se snižuje. Se zvyšující se kapacitou narůstají totiž dopravní vzdálenosti a tedy energie spotřebovaná na dopravu vstupních surovin. V této studii není energie na dopravu vstupních surovin zahrnuta, protože je právě závislá na kapacitě zpracovatele. Např. u bioplynových stanic jsme odhadnuli, že energetická efektivnost BPS s kapacitou 100 kWel je o třetinu vyšší než u BPS o instalovaném elektrickém výkonu 2000 kWel, nicméně nejlepších ekonomických výsledků dosahují BPS s výkonem kolem 1000 kWel. Obdobné výsledky lze očekávat i u kapalných biopaliv, kde je třeba ještě počítat s energií na distribuci paliva ke konečným uživatelům.

Závěr

Výsledky zahrnují pouze efektivnost energie přímo vložené do technologického systému. Pro podrobnější sledování energetické efektivnosti obnovitelných zdrojů by bylo vhodné uvažovat i tzv. energii minulou (tj. vloženou do výroby hnojiv, chemických ochranných prostředků, strojů atd.) a energii spotřebovanou na dopravu u větších výrobců. Kromě sledování energetické efektivnosti je třeba se zabývat i ekonomikou využití obnovitelných zdrojů energie. Ukazuje se, že využití biomasy je energeticky efektivní právě v těch případech, kdy biomasa se energeticky využívá tam, kde vzniká (nejlépe když producent i uživatel biomasy je jedna podnikatelská osoba). Při uvádění biomasy na trh s pevnými palivy se již objevují další dodatečné náklady, které v současné době způsobují to, že paliva z biomasy jsou dražší než konkurenční fosilní paliva. Prvořadým úkolem zemědělské výroby by mělo být zabezpečení produkce pro potravinářské a krmivářské účely. Energetické využívání biomasy by mělo být orientováno především na využití odpadní a zbytkové biomasy, energetický potenciál této biomasy je značný. Významným zdrojem se stává dnes i biomasa z údržby krajiny a veřejné zeleně. Některé druhy záměrně pěstovaných energetických plodin vykazují sice velice dobré výnosy i vlastnosti z hlediska energetického využití, ale vždy by se mělo pečlivě zvažovat jejich zařazení do výroby a to na pozemky, které nejsou dobře technologicky a ekonomicky využitelné pro potravinářskou a krmnou produkci. Rovněž se ukazuje, že výhodné je využívání energetických plodin, které nevyžadují výraznější změny v technickém vybavení zemědělského podniku a umožňují v případě potřeby rychlý návrat pozemku do sféry potravinářské produkce.

Poznámka

Tyto výsledky byly získány v rámci řešení výzkumného projektu TAČR č. TA01020275 Vývoj nové technologie a strojního vybavení pro velkoformátové topné brikety ze zemědělské fytomasy.

Literatura

• ABRHAM, Z., KOVÁŘOVÁ, M.: Tuhá biopaliva - ekonomika a konkurenceschopnost. Economy and competitive level of solid biofuels. In Zemědělská technika a biomasa 2006 : Sborník anotací z mezinárodního odborného semináře VÚZT s podporou MZe 21.11.2006, Praha. Praha : VÚZT 2006, s. 7, ISBN 80-86884-16-3
• ABRHAM, Z. Technologie a ekonomika tuhých biopaliv z energetických plodin. In JAKOBE P. a kol. Příručka pro zemědělce. Praha : Verlag Dashöfer, 2009, část 12, díl 7, kap. 2.6, s. 1-8. ISSN 1803-2826
• JEVIČ, P., HUTLA, P., KŘÍŽEK, J. Peletizovaná alternativní paliva ze spalitelných zbytků a biomasy. In Energetika a biomasa 2010 :sborník přednášek z konference 10.-11.2.2010. Praha : ČVUT v Praze, 2010, s. 1-11. ISBN 978-80-01-04523-7
• JEVIČ, P. Energetická bilance a životní cykly biogenních pohonných hmot – 1. Biom.cz [online]. 2010-11-08 [cit. 2010-12-09]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/energetickabilance- a-zivotni-cykly-biogennich-pohonnychhmot- 1>. ISSN: 1801-2655.
• KÁRA, J., ABRHAM, Z., 2008: Studie o energetické efektivnosti běžných obnovitelných zdrojů energie. MF ČR.
• KÁRA, J., PASTOREK, Z., MAZANCOVÁ, J.: Trendy ve výrobě a využití bioplynu v podmínkách českého zemědělství. In. Proceedings of the International Scientific Conference. Polnohospodárska biomasa - alternatívny zdroj energie. Banská Bystrica, 2009. Institute of Agricultural Engineering Bratislava, p. 45-55.
• MUŽÍK, O., ABRHAM, Z.: Economic modelling of Biogas production. Nitra, SPU. In: Management of Production Systems with support of Information Technologies and Control Engineering. Sborník přednášek z mezinárodní vědecké konference, Nitra 2006, s. 196-201. ISBN 80-8069-743-4 VLK, V.: Obnovitelné zdroje energie. Biom.cz [online]. 2009-03-25 [cit. 2011-12-30]. Dostupné z WWW: <https://biom.cz/cz/odborne-clanky/obnovitelnezdroje- energie>. ISSN: 1801-2655

Tento článek byl převzat v rámci spolupráce s magazínem Agritech Science.

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