Energie biomasy

Pojem biomasa je v posledních dvou desítkách let velmi frekventovaným pojmem nejen ve sdělovacích prostředcích či podnikatelských záměrech, ale také mezi běžnou veřejností

Co je biomasa? Tímto pojmem označujeme biologicky odbouratelné části materiálů, výrobků, odpadů a zbytků ze zemědělství (včetně rostlinných a živočišných látek), lesnictví a souvisejících průmyslových odvětví. Dále také biologicky rozložitelnou část průmyslového či komunálního odpadu.

Biomasa vzniká především díky fotosyntéze, ale jedná se také o hmotu živočišného původu. Při fotosyntéze vznikají (syntetizují se) energeticky bohaté organické sloučeniny z jednoduchých anorganických látek (oxidu uhličitého, minerálních látek a vody). Zdrojem energie pro tyto chemické reakce je sluneční záření. Proto také tvrzení, že biomasa je „konzervovaná“ sluneční energie není nijak přehnané.

Pod pojmem biomasa si můžeme představit přírodní či zemědělské produkty (někdy označované jako agroenergetická produkce), ale také organické zemědělské, průmyslové i komunální odpady. Do poslední skupiny můžeme zařadit například dřevní odpady z různých úrovní zpracování a spotřeby dřevní suroviny, posklizňové zbytky (sláma apod.), ale i exkremety užitkových zvířat, které lze využít k produkci bioplynu.
V užším významu slova, který je často používán ve sdělovacích prostředcích, je pojmem biomasa označovaná rostlinná biomasa využitelná jako obnovitelný zdroj energie.

Možností zpracování biomasy pro energetické účely je celá řada. Od asi nejznámějšího spalování, přes zplynování, zkapalňování, esterifikaci, až po anaerobní digesci, alkoholové kvašení aj. Obecně můžeme přeměnou či zpracováním biomasy získat teplo, elektřinu či kapalná paliva (např. pro pohon vozidel).

V našem velmi krátkém seznámení si pojem biomasa také podstatně zúžíme a zaměřeníme se na její nejčastější podobu využívanou širokou veřejností k pokrývání energetických potřeb (vytápění, příprava teplé vody apod.). Tedy zúžíme to na využívání dřeva, případně fytomasy ke spalování. Mějme však na paměti, že pojem biomasa a možnosti jejího energetického využití jsou mnohem, mnohem širší.

Spalování biomasy

Spalování biomasy v podobě kusového dřeva je nejstarším známým způsobem získávání energie a ještě v polovině minulého století krylo 90 % potřeb primárních energetických zdrojů. I když se budeme dále věnovat téměř výhradně biomase v podobě dřeva v různých formách, je nutné uvést, že pojem biomasa je mnohem širší. Jak už jsme si uvedli, jako biomasu označujeme veškerou hmotu organického původu.

My se budeme zabývat jen nejčastěji využívaným procesem energetického využití biomasy, tedy spalováním. Jak vypadá proces přípravy biomasy ke spalování a samotné spalování? Nejprve je nutné spalovaný materiál sušit (na přijatelné procento vlhkosti). Tato etapa zčásti probíhá mimo prostor topeniště po celou dobu skladování paliva (při skladování je potřeba dodržet některé hlavní zásady). Zčásti však k dosušování dochází přímo v topeništi. Některá zařízení na biomasu jsou schopna spalovat i hmotu o vyšším obsahu vlhkosti, a tak většina vody je odpařena těsně před procesem vlastního spálení před vstupem na rošt.

Po usušení se palivo v topeništi dále postupně ohřívá, přičemž dochází k rozkladu organických látek na hořlavé plyny a zuhelnatělý zbytek – dochází k pyrolýze. Vzniklý plyn je spalován. Zuhelnatělý zbytek na roštu vytváří za přístupu vzduchu oxid uhelnatý, který se spaluje na oxid uhličitý (spalování pevných složek). Hoření je z chemického hlediska oxidace, to znamená, že pro tento proces je nutná přítomnost dostatečného množství kyslíku (ze vzduchu).

Formy biomasy k přímému spalování

Spalitelnou biomasu jsme schopni získat v různé podobě a s různým stupněm pracnosti a tedy nákladů na její pořízení. S ohledem na stále náročnější požadavky na ochranu ovzduší, tedy i na obsah školivin ve spalinách i z kotlů na biomasu, vydal se vývoj přirozenou cestou k určité "standardizaci" paliva. Dříve byly klasické kusové dřevo, větve apod, spalovány přímo (po nakrácení, případně naštípání), dnes máme metody, jak dřevní hmotu zpracovat tak (štěpkování, peletizace apod.), aby proces hoření v kotli byl lépe řiditelný a tím se podařilo snížit škodliviny ve spalinách na požadovanou úroveň.

1. těžba dřeva na palivo;
2. využití dřevního a organického odpadu ke spalování (komunální odpady, odpadní dřevěné hmoty, zemědělský odpad);
3. záměrné získávání, pěstování rychle rostoucích (energetických) rostlin:
   • dřeviny (tzv. rychle rostoucí): výmladkové plantáže topolů a vrb na zemědělské půdě;
   • nedřevnaté rostliny: čirok, šťovík uteuša, případně obilí, kukuřice a mnoho dalších;
   • palivové dříví (tzv. lignokultury).

Základním procesem každé transformace dřevní hmoty do podoby spalitelné formy je sušení. Přehled základních forem paliva na bázi dřevní (rostlinné) biomasy jsme zpracovali formou obrazové galerie.

Malý obrazový atlas paliva na bázi dřevní (rostlinné) biomasy

	KUSOVÉ DŘEVO je nejběžnější podobou dřevní biomasy určené ke spalování. Používá se v drtivé většině malých zdrojů na biomasu v podobě kotlů, krbů, krbových vložek, kachlových kamen apod. Aby co nejlépe splnilo svou úlohu je potřeba dřevo připravit na požadované délky a případně naštípat. To usnadní a zrychlí vysychání, ale také zkvalitní proces spalování v topeništi.
	BRIKETY způsob jak využít menší kusy odpadní biomasy. Dřevní odpady v podobě pilin, dřevní drti apod. se ve speciálních lisech spojuje do větších kusů, kterými lze lépe manipulovat a drží svůj tvar. Brikety se používají obdobně jako kusové dřevo především v lokálních topeništích v domech, chatách apod.
	BÍLÉ PELETY jsou vyrobeny z bílého čistého dřeva bez kůry a příměsí) a patří díky své nízké vlhkosti a velmi nízkému obsahu popele mezi nejkvalitější paliva na bázi biomasy. Pelety jsou spalovány obvykle v plně automatických kotlích na pelety, které z pohledu uživatele vykazují komfort srovnatelný s kotli na zemní plyn.
	PELETY Z ROSTLINNÝCH ZBYTKŮ jsou někdy označovany jako alternativní pelety či fytopelety. Jsou vyrobeny z nejrůznějších vhodných rostliných zbytků po sklizni či zpracování (například sláma, obilí plevy, posklizňové zbytky apod.). Oproti bílým peletám však mají nižší výhřevnost, podstatně vyšší obsah popela a někdy bývá problém s jejich dlouhodobou kvalitou. Na snímku jsou pelety ze šťovíku uteuša.
	DŘEVNÍ ŠTĚPKA se vyrábí především z odpadního dřeva z nejrůznějších prořezávek kolem cest, vodních toků, zahrad, parků apod. Štěpkováním jsou někdy zpracovávány zbytky po těžbě dřeva v lesích. Někdy jsou však štěpkovány i velké stromy a kmeny. Dřevní štěpka se obvykle používá do kotlů s větším výkonem. Kvalita štěpky může být velmi rozdílná a mimo jiné záleží i na kvalitě a povaze vstupního materiálu.
	OBILNÍ SLÁMA Trochu netradičním palivem může být i klasická obilní sláma, která je sklizena z polí a není pro ni využití například v živočišné výrobě. U velkých kotlů na slámu je možné spalovat celé balíky slámy. Na snímku je podávací zásobník jedné z kotelen, která slámu jako palivo využívá. Před vložením balíku do kotle se balík hydraulicky rozdělí na poloviny a teprve ty jsou do topeniště.
	OBILÍ Na první pohled to vypadá nelogicky, proč spalovat obilí, které je možné využít jako surovinu pro výrobu potravin. Existují však případy, kdy zemědělský podnik například pěstuje jen obilí na semeno. To však musí splňovat určité minimální parametry. Obilná zrnka, která se do parametrů nevejdou by nebyla nijak využita a pak mohou být využita jako palivo.

Ani v tomto případě není náš výčet zcela konečný, jelikož ještě existují i další speciální zařízení, která jsou schopna spalovat další druhy dřevní biomasy (například kotle na dřevní odpady, apod.). Ovšem i přes svou neúplnost se jedná o dostatečně reprezentativní přehled.

Technická zařízení ke spalování biomasy

Už jsme připomínali, že využívání biomasy v podobě dřeva k vytápění objektů má velmi dlouhou tradici. Tento stav je dán dvěma hlavními faktory. První z nich je faktor cenový, jelikož vytápění kusovým dřevem, které si navíc sami nachystáme, je zatím cenově nejvýhodnější. Druhý souvisí s tradicí, dostupností technologií spalování včetně moderních zařízení na zplyňování nebo automatických kotlů na pelety, a tedy velkou nabídkou na trhu.

Neustálý růst spotřeby dřevní hmoty, a to nejen v malých zdrojích v rodinných domcích, ale i zdrojích středních, vede v posledních letech na některých místech k lokálnímu nedostatku dřevní hmoty (a to vede k růstu jeho ceny). Na druhou stranu však v lesích, stráních, kolem cest apod. zůstává značný objem dřeva, které se zatím energeticky nevyužívá pro jeho problematickou dostupnost a ekonomickou nevýhodnost.

Kromě klasických kotlů na dřevo, jako zdroje tepelné soustavy, se v posledních 15-20 letech zvýšil a neustále zvyšuje počet instalací a aktivního využívání krbových vložek, krbových kamen či kamen různých druhů. Krbové vložky jsou koncipovány buď na vytápění teplým vzduchem (teplovzdušné) nebo jsou vybaveny výměníkem, který může sloužit jako hlavní nebo záložní zdroj pro otopnou soustavu i přípravu teplé vody. Ve většině případů slouží daný zdroj jako zdroj přechodný nebo lokální, ale roste i počet domů, kde se jedná o primární zdroj tepla.

• krbová kamna, krbové vložky apod.
• klasické kotle na kusové dřevo s roštovým topeništěm;
• kotle zplynovací;
• automatické kotle na pelety nebo štěpku;
• automatické kotle na jiné biopaliva (zrní, apod.).

O prvně jmenované skupině jsme se již zmínili. Druhá skupina patří stále k nejvíce rozšířeným typům. Jedná se o klasické kotle na spalování kusového dřeva, které mají větší nároky na obsluhu, především na doplňování paliva. Zajištění dostatečného množství paliva v dostatečné kvalitě (především přijatelné vlhkosti) vyžaduje skladovací prostory dané průměrnou roční spotřebou a možnostmi zásobování dřevem. Dřevo by mělo řádně proschnout než je spáleno.

Další skupinou jsou dřevozplynující kotle pro rodinné domky a menší budovy (výkon 20 – 100 kW) s charakteristickým provedením horního zásobníku – zplynovače paliva, středovou tryskou pro spalování hořlavých plynů s přívodem sekundárního vzduchu, prohořívací komorou a systémem teplosměnných ploch. Zplynovací komora je plněna kusovým palivem, jehož zásoba vydrží 4 - 8 hodin trvalého provozu v závislosti na venkovních podmínkách a režimu vytápění. Jako palivo slouží dřevěná polena o délce do 50-60 cm a průměrem do 15 cm nebo dřevní a slaměné brikety. Jednou z důležitých podmínek využívání této technologie je co nejlépe vysušené dřevo (kolem 20 % vlhkosti)

V poslední době si stále větší oblibu získávají automatické kotle na dřevní pelety nebo fytopelety (pelety z fytomasy, tedy rostlin). Jsou sice investičně náročnější, ale poskytují uživatelům několik podstatných výhod. První z nich je vysoký stupeň komfortu, tedy velmi nízká obslužnost (omezená na občasné vynesení popele a přisypání pelet do zásobníku). Proto mohu být zajímavou alternativou (například vůči zemnímu plynu) pro pracující rodiny, jelikož jsou schopny dům vytápět či temperovat zcela automaticky i v době nepřítomnosti obsluhy. Podstatnou výhodou je také velmi nízká produkce škodlivin a prachu při procesu spalování. Výkon kotlů je možné velmi dobře regulovat ve značném rozsahu, takže vyhoví i objektům s nižší tepelnou ztrátou a přispívají tak k úspoře paliv a tedy i nákladů.

Kotle na biomasu se však používají i ve větších výkonech jako zdroje tepla pro větší objekty nebo skupiny objektů. Zde se uplatňují především automatické kotle na spalování dřevní štěpky případně pelet s obvyklým tepelným výkonem 100 – 600 (1 000 kW). Tato zařízení jsou sestavena z mechanizované násypky paliva, šnekového vkladače, topeniště s vynášecím šnekovým dopravníkem popele, dohořívací komory a soustavy teplosměnných ploch (trubek). Topeniště, dohořívací komora a teplosměnná část jsou umístěny nad sebou a v některých případech jsou snadno od sebe z důvodů oprav oddělitelné.

Malá galerie typů zařízení na spalování tuhé biomasy

Dále uvádíme několik ukázek zařízení různého druhu pro spalování dřevní biomasy použitelných převážně v domácnostech či malých provozovnách. Nejedná se v žádném případě o vyčerpávající výčet, ale spíše jen o ilustraci dostupných možností.

 

Tvary a velikosti krbů jsou velmi rozmanité. Na snímku velmi mohutný krb z pískovce.

Moderní typy krbů jsou schopny spalovat například i dřevní pelety.

Výběr krbových vložek je opravdu rozmanitý.

Také výběr kamen je velmi bohatý.

Pohled na moderní plně automatický kotel na pelety instalovaný v kontejnerové kotelně.

Celkový pohled na mobilní kotelnu umístěnou v kontejneru.

Automatický kotel na pelety instalovaný v suterénu rodinného domu.

Pelety mohou být baleny v sáčcích po 15 kg nebo se mohou skladovat ve velkých zásobnících a na místo je dopravuje speciální cisterna.

Kotle spalující obilí se od těch spalujících pelety příliš neliší.

 

Výhody a nevýhody biomasy

Z výše uvedených velmi stručných informací o energetickým využívání biomasy vyplývá velká oblíbenost tohoto obnovitelného zdroje energie mezi občany. Biomasa je formou sluneční energie uloženou v podobě složitějších organických látek ve hmotě dřeva (biomasy). Obvykle se tato energie uvolňuje procesem lavinovité oxidace - hořením.

1. dnes je k dispozici velmi slušný výběr výrobců a výkonových řad kotlů;
2. výhodnou je možnost spalovat odpadní dřevo jehož pořizovací cena je obvykle nižší;
3. možnost připravit si palivo sami - snížení nákladů na vytápění (náhrada nákladů vlastní prací);
4. relativní cenová dostupnost paliva - bohužel díky mnoha vlivům jde i cena běžného palivového dřeva nahoru;
5. u moderních kotlů provozovaných v optimálních podmínkách jsou dosahovány nižší emise škodlivin;
6. možnost bezproblémové náhrady za stávající kotle na fosilní paliva; je však vhodné zároveň s výměnou zdroje realizovat na objektu energeticky úsporná opatření v podobě zateplení;
7. existují výrobky - plně automatické kotle na pelety, které se komfortem své obsluhy blíží k téměř bezobslužným kotlům na zemní plyn;
8. některé dotační programy poskytují podporu na pořízení nízkoemisních kotlů na biomasu jako náhradu za stávající kotle na tuhá fosilní paliva.

1. určitou nevýhodu pro mladé pracující rodiny může být nižší uživatelský komfort, tedy vyšší míra obslužnosti; díky moderním kotlům si však můžeme vybrat jakou míru obslužnosti požadujeme (čím vyšší míra obslužnosti, tím je zařízení i palivo do něj levnější);
2. díky zvyšující se poptávce a v některých oblastech už hůře dostupnému potenciálů spalitelné biomasy (dřeva) roste jeho cena a výhledově hrozí možnost nedostatku tohoto paliva (v některých oblastech ho již pociťují);
3. velkým problém je skutečnosti, že při nesprávné obsluze kotle dochází k razantímu zvýšení produkce škodlivých emisí (neplatí pro automaticky řízené kotle);
4. pro uložení a proschnutí dřeva je nutné mít také dostatečné skladovací prostory a plochy.

Energetické využití biomasy zůstane trvalou součástí energetického mixu České republiky jak na globální úrovni, tak především na úrovni regionální. Využití místních zdrojů biomasy ke krytí energetických potřeb regionu má i ekonomické výhody. Finanční zdroje vynakládané na pěstování, zpracování a energetické využití biomasy přímo v regionu zůstávají právě v tomto regionu a zlepšují ekonomickou situaci a mohou pozitivně ovlivňovat i zaměstnanost.