Energie biomasy

Biomasa vzniká díky dopadající sluneční energii. Jde o hmotu organického původu. Pro energetické účely se využívá buď cíleně pěstovaných rostlin nebo odpadů ze zemědělské, potravinářské či lesní produkce.

Druhy biomasy

Biomasu můžeme rozlišit podle obsahu vody:

Suchá biomasa

- zejména dřevo a dřevní odpady, ale také sláma a další odpady. Lze ji spalovat přímo, případně po mírném vysušení.

Mokrá biomasa

- zejména tekuté odpady - kejda a další odpady. Nelze ji spalovat přímo, využívá se zejména v bioplynových technologiích.

Speciální biomasa

- olejniny, škrobové a cukernaté plodiny. Využívají se ve speciálních technologiích k získávání energetických látek - zejména bionafty nebo lihu.

Přírodní podmínky

V přírodních podmínkách České republiky lze využívat biomasu v následujících kategoriích:

1. Biomasa odpadní:

  • Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny - řepková a kukuřičná sláma, obilná sláma, seno, zbytky po likvidaci křovin a náletových dřevin, odpady ze sadů a vinic, odpady z údržby zeleně a travnatých ploch;
  • Lesní odpady (dendromasa) - po těžbě dříví zůstává v lese určitá část stromové hmoty nevyužita (pařezy, kořeny, kůra, vršky stromů, větve, šišky a dendromasa z prvních probírek a prořezávek);
  • Organické odpady z průmyslových výrob - spalitelné odpady z dřevařských provozoven (odřezky, piliny, hobliny, kůra), odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce (cukrovary), odpady z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren;
  • Odpady ze živočišné výroby - hnůj, kejda, zbytky krmiv, atd.;
  • Komunální organické odpady - kaly, organický tuhý komunální odpad (TKO).


2. Biomasa záměrně produkovaná k energetickým účelům, energetické plodiny:

  • Lignocelulózové Dřeviny (vrby, topoly, olše, akáty);
  • Obiloviny (celé rostliny);
  • Travní porosty (sloní tráva, chrastice, trvalé travní porosty);
  • Ostatní rostliny (konopí seté, čirok, křídlatka, šťovík krmný, sléz topolovka);
  • Olejnaté rostliny (řepka olejná, slunečnice, len, dýně na semeno);
  • Škrobno-cukernaté rostliny (brambory, cukrová řepa, obilí - zrno, topinambur, cukrová třtina, kukuřice);
  • Energetické plodiny.


Z energetického hlediska lze energii z biomasy získávat téměř výhradně termochemickou přeměnou, tedy spalováním. Výhřevnost je dána množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs hořlavých uhlovodíků - celulózy, hemicelulózy a ligninu). Biomasa je podle druhu spalována přímo, nebo jsou spalovány kapalné či plynné produkty jejího zpracování. Od toho se odvíjejí základní technologie zpracování a přípravy ke spalování:

  • termo-chemická přeměna pyrolýza (produkce plynu, oleje)
  • zplyňování (produkce plynu)
  • bio-chemická bio-chemická fermentace, alkoholové kvašení (produkce etanolu)
  • anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu)
  • mechanicko-chemická přeměna lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje)
  • esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv)
  • štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv)

Přímé spalování a zplyňování

Spalování

Suchá biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí zplyňovaných při spalování je velmi vysoký. Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva, zejména při pálení dřeva v kotlích na uhlí.

Dřevoplyn

Ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise, vyšší účinnost.

Vliv vlhkosti na výhřevnost biomasy

Výhřevnost dřeva je srovnatelná s hnědým uhlím. U rostlinných paliv však kolísá podle druhu a vlhkosti, na kterou jsou tato paliva citlivá. Čerstvě vytěžené dřevo má relativní vlhkost až 60 %, dobře proschlé dřevo na vzduchu má relativní vlhkost cca 20 %; pod střechou sníží svůj obsah vody na 20 % za šest až dvanáct měsíců. Dřevěné brikety mohou mít relativní vlhkost od 3 do 10 %, podle kvality lisování.
Pro spalování štěpek je optimální vlhkost 30 - 35 %. Při vlhkosti nižší má hoření explozivní charakter a mnoho energie uniká s kouřovými plyny. Při vyšší vlhkosti se mnoho energie spotřebuje na její vypaření a spalování je nedokonalé. Pro spalování dřeva lze doporučit vlhkost cca 20 %.

NÁZEV PŘEPOČET VÝZNAM
plm plnometr = m3
krychle o hraně 1 m vyplněná dřevem bez mezer, 1 m3 skutečné dřevní hmoty ("bez děr")
prm prostorový metr = m3 p.o. (tedy "prostorového objemu") 1 prm = 0,6 až 0,7 plm krychle o hraně 1 m vyplněná částečně dřevem s mezerami, čili 1 m3 složeného dřeva štípaného nebo neštípaného ("s dírami"), např. dřevo v lese složené do "metrů"
prms prostorový metr sypaný 1 prms = cca 0,4 plm 1 m3 volně loženého sypaného (nezhutňovaného) drobného nebo drceného dřeva

 

Jednotky a termíny pro objemové značení dřevní hmoty. V praxi používaný výraz "kubík" většinou znamená plm.


Bio-chemická přeměna

Bioetanol

Fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat etanol (ethylalkohol). Vhodnými materiály jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však energetická výtěžnost 90 až 95 %. Fermentace cukrů může probíhat pouze v mokrém (na vodu bohatém) prostředí. Vzniklý alkohol je nakonec oddělen destilací a je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem etanolu jako paliva je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků.

V USA probíhají výzkumy výroby etanolu z celulózy pomocí speciálně vyšlechtěných mikroorganismů. Etanol lze pak získat i ze dřeva, slámy nebo sena. Výroba je však energeticky náročná.
V ČR existuje program, kdy se etanol z obilí a brambor bude přimíchávat do běžných automobilových benzínů. Tím se sníží závislost na fosilních palivech.

Skládkové plyny

Na skládkách TKO dochází ke složitým biologickým pochodům, důsledkem je tvorba skládkového plynu. Složení plynu se mění v průběhu let. Průměrné množství TKO na jednoho obyvatele na rok je asi 310 kg. Z toho množství je přibližně 35 % organického původu, z něhož lze odhadovat přibližnou produkci 0,3 m3/kg.

Bioplyn

Při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Tento proces, kdy se organická hmota štěpí na anorganické látky a plyn, vzniká díky bakteriím pracujícím bez přístupu kyslíku (anaerobně). Rozkládání víceméně odpovídá procesům probíhajícím v přírodě s tím rozdílem, že v přírodě probíhají i za přítomnosti kyslíku (aerobní procesy). Proto jsou meziprodukty těchto procesů odlišné a také chemické složení konečných produktů se liší. Zbytky vyhnívacího procesu jsou vysoce hodnotným hnojivem nebo kompostem. Bioplyn obsahuje cca 55 - 70 objemových procent metanu, výhřevnost se proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m3. V zemědělství se v největší míře využívá kejda (tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou), případně slamnatý hnůj, v menší míře sláma, zbytky travin, stonky kukuřice, bramborová nať (obtížnější zpracování). Bioplynový potenciál v hnoji závisí na obsahu sušiny a na složení a strávení potravy.

 

Mechanicko-chemická přeměna

Bionafta

Z řepkového semene se lisuje olej, který se působením katalyzátoru a vysoké teploty mění na metylester řepkového oleje, jenž je použitelný jako bionafta. Nazývá se "bionafta první generace". Protože výroba metylesteru je dražší než běžná motorová nafta, mísí se s některými lehkými ropnými produkty, nebo s lineárními alfa-olefiny, aby jeho cena mohla konkurovat běžné motorové naftě. Tyto produkty se nazývají "bionafty druhé generace", musí obsahovat alespoň 30 % metylesteru řepkového oleje, zachovávají si svou biologickou odbouratelnost a svými vlastnostmi, jako je např. výhřevností, se více přibližují běžné motorové naftě. Jejich výroba se řídí ČSN 656507, která pojednává o výrobě biopaliv. Motory musí být pro spalování bionafty přizpůsobeny (např. pryžové prvky).

 

Pěstování biomasy pro energetické účely

Druh energetické plodiny je určován mnoha faktory: druhem půd, způsobem využití a účelem, možností sklizně a dopravy, druhovou skladbou v okolí. Předem se musí porovnat náklady na pěstování a na výrobu (spotřebu energie) a výnosu (zisku) energie.

Z bylin jsou zajímavé rostliny produkující cukr, škrob nebo olej. Například brambory, cukrová řepa, slunečnice a zejména řepka (řepkový olej se zpracovává na naftu a mazadla, řepková sláma se použije ke spálení). Řepková sláma má vyšší výhřevnost 15 - 17,5 GJ/t oproti obilné slámě, u které počítáme s výhřevností 14,0 - 14,4 GJ/t.

Z víceletých rostlin je známá křídlatka sachalinská (Reynoutria sachalinensis Nakai), která dosahuje vysokých výnosů 30 - 40 t sušiny z ha. Velmi diskutovanou energetickou rostlinou je sloní tráva (Miscanthus sinensis). Výhodné je pěstování konopí setého (Cannabis sativa L.), neboť nevyžaduje žádné ošetření v průběhu vegetace. V Evropě dosahuje výšky až 4 m a výnosu hmoty 6 - 15 t suché hmoty z ha. Konopí je jednoletá rostlina, ale na stanovišti vydrží, pokud se vysemení, mnoho let (odtud např. Konopiště).

PLODINA/TERMÍN VÝHŘEVNOST [MJ/kg] VLHKOST VÝNOS [t/ha]
min. prům. opt.   
Sláma obilovin (VII-X) 14 15 3 4 5
Sláma řepka (VII) 13,5 17-18 4 5 6
Energetická fytomasa - orná půda (X-XI) 14,5 18 15 20 25
Rychlerostoucí dřeviny - zem. půda (XII-II) 12 25-30 8 10 12
Energetické seno - zem. půda (VI;IX) 12 15 2 5 8
Energetické seno - horské louky (VI;IX) 12 15 2 3 4
Rychlerostoucí dřeviny - antropogenní půda (XII-II) 12 25-30 8 10 12
Jednoleté rostliny - antropogenní půda (X-XI) 14,5 18 15 17,5 20
Energetické rostliny - antropogenní půda (X-XII) 15 18 15 20 25


Orientační klíčová čísla pro výhřevnost, výnosy, dobu sklizně a sklizňovou vlhkost energetické fytomasy. (Zdroj: VÚRV).


Nejvhodnější rychle rostoucí dřeviny (RRD) jsou platany, topoly (černý, balzamový), pajasany (žláznatý), akáty, olše a zejména vrby, které jsou vhodné hlavně pro hydromorfní půdy podél vodotečí, kde lze uplatnit i domácí topol černý. Obmýtní doba je 2 až 8 vegetačních období, životnost plantáže je 15 - 20 let. Speciální vyšlechtěné klony mají výtěžnost až 15 -18 t sušiny na ha, v našich podmínkách se dosahuje roční výtěžnosti 10 t/ha. Je třeba respektovat zákon č. 114/1992 Sb. o ochraně přírody a krajiny (cizí rostliny a dřeviny).