V současné době se mnoho ekologicky uvažujících lidí začíná zajímat o alternativní zdroje energie. Proto vás chceme informovat o možnosti využití jednotlivých druhů alternativní energie, o jejich výhodách, nevýhodách a zkušenostech z praxe. Biomasa je organická hmota rostlinného nebo živočišného původu. Je získávána jako odpad ze zemědělské, či průmyslové činnosti nebo jako komunální odpad. Lze ji získávat také záměrným pěstováním energetických plodin nebo rychle rostoucích dřevin. Je nejstarším lidmi využívaným zdrojem, má obnovitelný charakter.
Způsob získávání energie je podmiňován chemickými a fyzikálními vlastnostmi biomasy. Největší vliv má množství vody a sušiny, podle nějž se zpracování dělí na mokré (nad 50% vody) a suché procesy. Obecně se dají rozdělit na záměrně pěstované a odpadní. Záměrně jsou pěstovány energetické rostliny - rychle rostoucí dřeviny (vrba, topol, olše, akát, platan, líska atd.), nebo rostliny bylinného charakteru (řepka, konopí, amarant, šťovík, u mokrých procesů cukrová řepa, obilí, brambory, a další).
Fytomasa je především surovinou pro chemický průmysl, teprve odpad by měl být využíván jako zdroj energie. Hlavní dvě složky fytomasy - celulóza a lignin zastoupené v různých poměrech v bylinách a dřevinách se zpracovávají termicky nebo hydrolýzou. Biopaliva musí být jen jedním z produktů zpracování fytomasy, jinak bude výroba biopaliv energeticky a finančně ztrátová.
Biopaliva 1. generace jsou taková, kde množství získané energie je stejné či nižší než energie vložená v pohonných hmotách a hnojivech při pěstování. U biopaliva 2. generace je lepší poměr získané a vložené energie.
Na příkladu pěstování jetele nebo ovsa je možné ukázat jejich význam i v době, kdy zemědělská soustava je utlumena. Výčet výrobků z těchto surovin je překvapivě dlouhý: z ovsa můžeme vyrobit betaglukany, mléko, smetanu nebo dokonce zmrzlinu, z jetele genistin, Na-Cu-chlorofylin, feofytiny, karoteny, cukerné roztoky a teprve na konci pelety.
Čtěte také: Odpadová firma Vyškov: hodnocení a recenze
Spalováním dřevní hmoty získáváme zpět sluneční energii, kterou v sobě rostliny nastřádaly během svého života. Mediálně nejznámější je v poslední době asi biomasa odpadní. Jsou to rostlinné zbytky ze zemědělství - především sláma a lesní, zahradní a parkové odpady: pařezy, kořeny, kůra, vršky stromů, větve, šišky. Dále sem patří odpady z průmyslové výroby - různé odřezky, piliny, hobliny.
První skupinu tvoří většinou dřevo vlhké, zpracované na dřevěné štěpky, druhou skupinu dřevo suché, vhodné na výrobu pelet. Biomasu lignocelulózových energetických plodin, pěstovaných za účelem vytápění, představují dřeviny (topoly), obiloviny a travní porosty a ostatní rostliny (konopí, šťovík).
Na rozdíl od jiných obnovitelných zdrojů majících svůj původ ve sluneční energii se biomasa dá skladovat a teplo lze produkovat v době, kdy je třeba. Dalším podstatným rozdílem je to, že jde o zdroj omezený, a proto je nutno jej využívat s maximální možnou účinností. Nejvhodnější vlhkost kusového dřeva pro jeho spalování je 20 %, se stoupající vlhkostí výhřevnost dřeva klesá, protože se spotřebuje část tepla na odpaření vody.
Z kotlů pro spalování biomasy lze jmenovat:
Například pyrolýzní kotel má v horní části tělesa násypku paliva, kde dřevo odhořívá a vznikají pyrolýzní plyny, v dolní části potom dohořívací komoru. Z principu vyplývá, že kotel nemůže být zkonstruován příliš malý, aby vše fungovalo. Výkon nejmenší řady kotlů bývá 18 - 20 kW, zatímco tepelná ztráta standardních rodinných domů se pohybuje kolem hodnoty 8 kW.
Čtěte také: Použití flexibilní hadice
Z toho plyne, že i při nejnižších venkovních teplotách je nutno kotel provozovat v tlumeném režimu se všemi důsledky ohledně účinnosti spalování nebo životnosti kotle. Ostatně přímé napojení kotle na otopnou soustavu neumožňuje ani současná legislativa. Kotel totiž pracuje optimálně v teplotním režimu 90/70 °C, zatímco do otopné soustavy můžeme přivést vodu o maximální teplotě 75 °C. Akumulační nádrž zároveň plní i funkci termohydraulického rozdělovače.
Trochu jiná je situace u kotlů na pelety, které mohou mít nižší výkon a jsou tudíž vhodnější do nízkoenergetických domů. Pro automatickou dopravu ze skladu do kotle jsou nutné pelety ze dřeva, které jsou mechanicky odolné, nezanášejí hořák a produkují jen nepatrné množství popela. Pro větší výkony, například centrální výtopny, se používají kotle na dřevní štěpku, piliny a balíky slámy.
Různé druhy kamen a krbových vložek se uplatní spíše jako pomocné zdroje nebo jako rezerva. Často plní dekorativní účel nebo pomáhají navodit příjemnou atmosféru a tepelnou pohodu.
Zdroje tepla na biomasu se také často používají v kombinaci s ostatními zdroji, např. s plynovým kotlem. Nevýhodou ale je, že jejich provoz není bezobslužný, a to může vadit při delší nepřítomnosti obyvatel domu nebo při jejich časovém zaneprázdnění. Důvodem může být i snaha o úsporu nákladů na vytápění výběrem vhodnějšího a levnějšího paliva či energie.
Takto lze provozovat kombinované kotle na pelety s možností spalování kusového dřeva nebo kotle na dřevo a uhlí. Kotel na dřevo se dá použít jako hlavní zdroj, k tomu je ale nutná akumulační nádrž, která může být opatřena elektrickou topnou vložkou, jež se spouští v době nízkého tarifu. Naopak může být hlavním zdrojem elektrické přímotopné vytápění a jako doplňkový zdroj kamna na dřevo nebo na pelety.
Čtěte také: Odpadní kanalizační trubky: přehled
Místo elektrického přímotopu to může být tepelné čerpadlo, opět kombinované s kamny na dřevo nebo pelety.
Odpadní, zbytkové i cíleně pěstované suroviny na bázi rostlinné biomasy lze využívat jako zdroj surovin při výrobě biopaliv. Využívání pro energetické účely je pouze jedna z alternativ jak se surovinou naložit. Jiná alternativa použití surovin je například jako součást zakládky kompostu. Zásadní význam má zejména legislativa z oboru odpadového hospodářství, tzn. Využívání biopaliv z komunálních odpadů je vhodný způsob, jak využít zbytkové rostlinné suroviny a předejít tak vzniku odpadu. Využívání odpadních surovin jako biopaliv je nutné vnímat nejen z hlediska energetického a ekonomického, ale rovněž z hlediska environmentálního.
Pro ilustraci vlastností procesu produkce pevného biopaliva na bázi rostlinné biomasy byla sestavena modelová linka na výrobu štěpky ze zbytkových surovin vzniklých při údržbě dřevin. Na této lince byla ověřena funkčnost v provozních podmínkách. Dále byla měřením stanovena spotřeba energie, výkonnost a jednotkové náklady na jednotlivé operace i celou linku. V průběhu zpracování suroviny se mění její vlastnosti.
Měrná spotřebovaná energie a jednotkové náklady jsou přepočteny na výstupní vlhkost - 15 %. Z tabulky je patrné, že reálná cena dřevní štěpky při výstupní vlhkosti 15 % je pro danou modelovou situaci na úrovni nad 700 Kč/t.
Jedním z nejběžnějších způsobů zušlechťování biomasy je peletování dřeva. Peletovací linka vysušené dřevo rozemele a následně slisuje do pelet. Hmota pro výrobu pelet však musí mít vlhkost kolem 15 %, téměř vždy je tedy nutné umělé dosoušení. Samotná linka na výrobu pelet (drcení,lisování,…) má spotřebu až 150 kWh elektřiny na tunu pelet. Budeme-li získávat elektřinu z elektrárny na biomasu, potřebujeme navíc cca 170 - 190 kg biomasy (štěpky…)/tunu pelet. (1 tuna suché biomasy/1 MWhe).
Automatické kotle na pelety mohou mít vlastní spotřebu elektrické energie až kolem 1 kWh denně (řídící elektronika, odtahový ventilátor, oběhová čerpadla). Dodatečná energie na využití pelet se pohybuje na úrovni 20 - 40 % plus 10 % na vlastní ztráty kotle. V roce 2015 bylo z České republiky vyvezeno přes 200 000 tun pelet do zahraničí. Z toho přes 100 000 tun do Itálie, tedy na vzdálenost cca 1000 km. Na přepravu 1 tuny pelet bylo tedy spotřebováno cca 15 litrů nafty.
Bude-li vstupní surovinou cíleně pěstovaná biomasa, mohou být dodatečné energetické vstupy mnohem vyšší. Agrotechnické práce na pěstování vyžadují 5 - 10 litrů nafty na tunu biomasy. Dřevní štěpka z rychle rostoucích dřevin má při sklizni relativní vlhkost kolem 50 %. I při takto vysoké vlhkosti lze štěpku spalovat, ovšem za cenu nižší výhřevnosti (8 MJ/tunu) a s omezenou možností skladování. Vlhká štěpka je výborným substrátem pro organismy rozkládající dřevo - bakterie, houby, hmyz, apod. Pro peletování je nutné umělé sušení na vlhkost kolem 15 % s odpovídající spotřebou energie.
Možnosti využití biomasy. Aplikace technologie v praxi:
Přehled možného využití začněme u přímého spalování. To a následné využívání nízkopotenciálového tepla pro vytápění a přípravu teplé užitkové vody, je nejefektivnější způsob využití energie biomasy vůbec. Zejména, pokud je zdroj paliva v nevelké vzdálenosti maximálně desítky km. Dřevo lze spalovat jako kusové s minimální úpravou - tj. nařezání, resp.
Biomasa rostlinného původu se nazývá fytomasa, biomasa živočišného původu zoomasa. Pro energetické využití s výjimky využívá fytomasa. Dále můžeme rozlišit biomasu cíleně pěstovanou, biomasu volně se nacházející v přírodě a biomasu odpadní. Pro účely využití dělíme biomasu dle přílohy č. 1 a vyhlášky č. 482/2005 Sb. Tvoří ji biomasa cíleně pěstovaná v agroekosystémech, jejíž hlavní produkt je primárně určen k energetickým účelům.
Patří sem trvalé travní porosty, rychle rostoucí dřeviny pěstované na zemědělské půdě, rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny. Patří sem i fytomasa ze zahrad, sadů, vinic, chmelnic atd. Plodiny k energetickému využití vymezuje vyhláška č. 482/2005 Sb., sk. U rychle rostoucích dřevin dochází k 1. obmýtí (sklizeň dřevin) zhruba za 3 roky. Plantáže mají životnost cca 25 let. Tyto rostliny jsou pěstovány pro energetické využití jejich nadzemní části. Cíleně pěstované tzv. energetické rostliny mají své klady, zápory. Využívají se k výrobě briket a pelet, bioplynu, popř. i zemědělskými odpady.
Lesní biomasu vymezuje vyhláška č. 482/2005 Sb. sk. 3. Je poměrně snadno dostupný, dobře skladovatelný, lehce a rychle využitelný. Palivové dřevo se prodává v různých měrných jednotkách. Důležitou vlastností palivového dřeva je jeho výhřevnost (množství uvolněné tepelné energie při hoření). Udává se v MJ/kg., popř. v MJ/pm. Dle měrných jednotek, úpravy polen a míry výhřevnosti dřeva, se určuje i jeho cena.
Lesní zbytky z mýtní těžby, tzv. těžební zbytky. Jedná se o zbytky ponechané na zemi po těžbě. Tvoří ji větve, asimilační orgány, stromové vršky. Tvoří více než pětinu suché biomasy stromu. Nejsou příliš využívány z důvodu vysokých nákladů při těžbě, manipulaci a přepravě. energeticky velmi vydatné. Lesní těžební zbytky jsou kromě skandinávských zemí a Kanady stále málo využívaným obnovitelným zdrojem energie. Jejich využívání je ovlivněno řadou faktorů (ochrana přírody, nedostupnost terénu, ochrana ovzduší, ekonomické a sociální faktory regionu).
Spalování dřeva pro zisk tepla a světla, je snad nejstarší způsob energetického využívání biomasy. Vyvinulo se po dnešní plně automatizované topné systémy, které kromě produkovaného tepla a světla dokáží vyrábět i elektřinu.
Odpadní biomasa je vymezena vyhláškou č.482/2005 Sb., sk. 4. Obsahuje vedlejší produkty a zbytky z papírenského, dřevozpracujícího, kožedělného, potravinářského, farmaceutického průmyslu, jatek, lihovarů, cukrovarů, moštáren. Jedná se o biomasu, která vzniká sekundárně při zpracování primárních zdrojů. V poslední době se ve velké mírou zařadily čistírenské kaly - odpadní složka z čističek odpadních vod. Dále sem patří odpady ze zemědělské výroby, které jinak tvoří nebezpečný toxický odpad. Ideální by bylo, kdyby jednotlivé zemědělské stanice a farmy byly vybaveny vlastním zařízením na její zpracování. Ušetří se tak náklady na přepravu, skladování, popř.
Řasy představují velkou a nesourodou skupinu jednoduchých vodních organizmů, které využívají energii slunečního záření. V symbióze s houbami tvoří lišejníky. Pro výrobu biopaliv jsou nejvhodnější řasy zelené, které obsahují chlorofyl. Z řas se dá snadno vyrobit bionafta. Růst řas není ovlivňován klimatickými podmínkami, naopak. Řasy se zatím využívají k produkci metanu, bioetanolu, bionafty.
Kusové dřevo je nejvíce využívanou formou biomasy, především v domácnostech. Většinou se jedná o kusy dlouhé 30-50 cm, o tloušťce 10-20 cm. Kvůli vlhkosti, musí se skladovat na suchém a větraném místě. Při spalování nedostatečně vyschlého dřeva se snižuje výhřevnost a zvyšuje se produkce emisí. Tyto emise také častěji zanášejí kouřovody a komíny.
Pod pojmem štěpka rozumíme malé kousky rozdrceného dřeva o velikosti cca 1-10 cm. Rozeznáváme několik druhů štěpky:
Piliny jsou podobný drobný odpad jako bílá štěpka. Pocházejí většinou z pil a stolařských dílen, na rozdíl od štěpky mívají ale nízký obsah vlhkosti.
Dřevěné brikety jsou dřevěné částice slisované do válečků či různých mnohostěnů o průměru cca 40-100 mm a délce do 300 mm. Mají minimální podíl vody, jsou velmi výhřevné. V domácích topeništích můžou nahradit polenové dřevo. Nevýhodou je poměrně vysoká cena.
Pelety jsou slisované kostky rostlinné biomasy do vysoce výhřevných granul. Vyrábí se z pilin (nejčastěji), slámy a jiné rostlinné zbytky). Granule mají v průměru 6-12 mm a délku do 50 mm.
Slámové balíky se spalují ve speciálních kotlích (např. v elektrárnách), pro domácí kotelny nejsou vhodné.
Slouží ke konečné úpravě biomasy. K úpravě vlhkosti se používají sušárny či sklady, přepravu zajišťují dopravníky vzduchové, šnekové, pásové, vlečkové.
Udržitelnost tohoto zdroje každopádně vyžaduje správné řešení řady dalších environmentálních aspektů, které se týkají např. Intenzivní výsadby sadů a vinic je nezbytné udržovat každoročním řezem. Výsledkem této operace je velké množství biomasy, která je potenciálně dostupná jako zdroj bioenergie. Zbytky vznikající při prořezávání sadů tvoří zpravidla větve menších průměrů u révy vinné se jedná o vyzrálé zdřevnatělé prýty v praxi běžně označované termínem réví (Scarlat et al., 2011). Vlhkost biomasy se bezprostředně po provedeném zimním řezu pohybuje mezi 35 % až 50 %, což závisí na druhu rostlin i meteorologických podmínkách, ve kterých se řez provádí.
Četné studie dokládají možnost přirozeného dosoušení získané dřevní biomasy bez nároků na energii. Např. Velázqez-Martí et al. (2011) uvádí, že u réví dochází při dosoušení v délce 25 dnů ke snížení vlhkosti až o 20%. Výhřevnost se u odpadního réví a větví běžně pohybuje mezi 15-18 MJ/kg. Podrobným hodnocením produkčního potenciálu a výhřevnosti se u hlavních skupin ovocných dřevin zabýval např. Bilandzija (2012). U jádrovin lze při řezu získat cca 5 t/ha dřevní hmoty, u červených peckovin 1,7-1,9 t/ha, u žlutých peckovin 1,4-2,5 t/ha a u slivoní 1,9 t/ha. U skořápkatého ovoce jsou pak získaná množství dřevní hmoty nižší a pohybují se na úrovni 0,4-1,6 t/ha. Stanovené hodnoty výhřevnosti jsou pak u jednotlivých skupin ovocných druhů poměrně vyrovnané a představuji u jádrovin 17,06 MJ/kg, u červených peckovin je to 16,8-17,1 MJ/kg, u žlutých peckovin17,1-17,7 MJ/kg a u slivoní 17,1 MJ/kg.
Také dřevní hmota získaná z pravidelného zimního řezu révy vinné představuje zajímavý energetický zdroj. Réva vinná se v celosvětovém měřítku pěstuje na ploše přesahující osm milionů hektarů. V samotné Evropě se pak réva vinná pěstuje na ploše více než 3,6 milionu hektarů (FAO, 2011). Réví z vinic proto představuje v celosvětovém měřítku stabilní zdroj dřevní hmoty, potenciálně dostupné pro průmyslové a energetické využití. Réví, které vzniká při každoročním zimním řezu vinic, může částečně nahradit tradiční sortiment dřevní hmoty (Ntalos a Grigoriou, 2002). Hlavní energetické využití se předpokládá zejména ve venkovských oblastech a v oblastech s nedostatkem palivového dřeva získaného z lesní těžby.
Dřevní charakter těchto odpadů umožňuje jejich relativně snadné drcení nebo lisování. Rozvoj technologií jeho zpracování pro energetické účely je v tradičních vinařských zemích patrný a odráží se zejména ve vývoji moderních strojních systémů a návazně také ve vývoji a výrobě vhodných spalovacích zařízení. Spalovací zařízení jsou pak specifická právě řešením dávkovacích systémů s ohledem na charakter dávkovaného a spalovaného materiálu - sypká štěpka, pelety, brikety, balíky.
V souvislosti se spalováním odpadních větví a réví vznikají obavy z emisní zátěže ovzduší v návaznosti na používání přípravků na chemickou ochranu rostlin. Anorganické sloučeniny vázané v těchto přípravcích, zejména těžké kovy, mohou ulpívat na povrchu dřevní hmoty a při spalování uvolňovat vyšší podíl škodlivin do spalin nebo popele [16]. Podle Kavargiris et al. (2009) zbytky dřevní hmoty získané z ekologicky obhospodařovaných trvalých porostů představují výhodnější zdroj biomasy ve srovnání s konvenčně obhospodařovanými porosty. Tento výsledek většinou obecně souvisí s omezeným používáním agrochemikálií v rámci uplatňovaných technologických postupů, což vede k vytvoření předpokladů nižší potenciální škodlivosti dřevní hmoty.
Otázka spalování odpadních větví a réví je současně často spojen s logistikou. Otázku efektivního využití těchto odpadních produktů komplikují možnosti jejich dopravy z místa vzniku o místa uskladnění či spálování. Přepravní vzdálenost přitom činí mezi jednotlivými místy jednotky a desítky kilometrů. Pokud je surovina přepravována v nezpracované podobě má velmi malou objemovou hmotnost a dopravní prostředky přepraví jen malé množství suroviny.
Ve vinařských technologiích je při zpracování hroznů a výrobě vína vytvářeno velké množství biologických odpadů, jako jsou matoliny, třapiny a hroznové kaly, které lze využít pro jiné účely (Rugani et al., 2013 ). Z hlediska energetického využití mají největší význam právě matoliny. Celosvětová produkce tohoto odpadu je odhadována na přibližně 10-13 Mt za rok (Baumgartel et al., 2007). Tepelnou přeměnu lze uvažovat pro přímé použití matolin uvnitř spalovací pece (nejčastěji ve formě pelet, briket) nebo pro výrobu energetického materiálu, jako je dřevěné uhlí (pyrolýzou) nebo biokapaliny (zplyňováním). Matolina může být z hlediska energetiky využita samostatně nebo jako příměs do surovin využívaných při výrobě tvarovaných biopaliv (pelety a brikety).
Kromě toho, že jde o palivo „druhé generace“ získané z odpadu z biomasy, lze jej přeměnit přímo na energii, bez jakýchkoli environmentálních a společenských problémů nebo ekonomických dopadů souvisejících např. se specializovanou sklizní energetických plodin. Využití matolin tak napomáhá rozvoji venkovských oblastí, které investují do biomasy, což přispívá k jejich energetické nezávislosti.
Kritickým problémem v proveditelnosti procesu spalování je vysoký obsah vlhkosti, který se u matolin pohybuje mezi 50 až 60 %. Obsah vody je velmi variabilní v závislosti na odrůdě, způsobu lisování a může podstatně ovlivnit fázi sušení. Vliv obsahu vlhkosti na produkci energie je odhadován (Cholewinski et al., 2017) jako čtyřnásobek, což snižuje obsah vody z přibližně 70 % na 10 %. I přes tuto skutečnost jsou matoliny mezi jinými zemědělskými odpady identifikovány jako jeden z nejslibnějších surovin (po slámě a kukuřičných stéblech) využitelných pro přeměnu na biopalivo. Tento způsob využití je zejména v tradičních vinařských zemích, kde se hrozny ve velkém množství zpracovávají. Při peletizaci navíc pelety z matolin splňují požadavky třídy B podle ISO 17225-6:2021 (2021), což umožňuje jejich přijetí jako paliva pro středně velké aplikace. Kromě toho několik studií (Miranda et al., 2015; Benetto et al., 2015) prokázalo možnost využití matolin k výrobě pelet pro energetické účely díky jejich vhodným hodnotám vlastností, jako např.
Za perspektivní druh biomasy využitelný k přímému spalování patří také pecky celé řady pěstovaných ovocných druhů, které lze získávat ze zpracovatelského průmyslu (konzervárenství, lihovarnictví). Na základě zkoumání vlastností biomasy (Demirbas et al., 2004) jsou ovocné pecky a skořápky definovány jako energeticky hodnotná surovina s vlhkostí 8-11 %. Klíčovou výhodou využití tohoto typu agroprůmyslového tuhého odpadu je, že jeho spalování nevyžaduje předzpracování, což znamená, že jej lze využít v původní podobě (Devic et al., 2008).
Zajímavý energetický potenciál nabízí také skořápky vlašských a lískových ořechů. Skořápky ořechů jsou tvrdé díky vysokému obsahu ligninu v buněčných stěnách vnitřní části oplodí (endokarpu). To je navíc ještě obaleno měkčími slupkami (mezokarpem a ektokarpem). Lignin vyztužuje také dřevo, podle kterého dostal své jméno z latinského lignum. Je to druhá nejčastější látka na světě co do celkové hmoty (až 30 % globální biomasy). Produkcí a výhřevností se u skořápkatého ovoce zabýval např. Cerovic (2010) a Matin (2012). U vlašských ořechů činí výnos skořápek 0,202 t/ha u lískových ořechů 0,292 t/ha, výhřevnost pak činí 18,97 a 19,40 MJ/ha.
Dobrá praxe zahrnuje v nakládání se zbytky biomasy ze zemědělské výroby možnosti využití jejich přidané hodnoty. Z výsledků četných studií vyplývá, že tato biomasa představuje cenný zdroj energie. V celém systému využití zemědělské biomasy pro výrobu tepla a elektřiny spalovacím procesem jsou důležitým faktorem spalovací vlastnosti . Při plánování energetického využití biomasy je nesmírně důležité přistupovat k analýze spalovacích vlastností na místní úrovni, protože je ovlivňována celou řadou agroekologických a agrotechnických faktorů zemědělské výroby. Analýzou konkrétního parametru lze biomasu zhodnotit v energetických a environmentálních aspektech (např.
Energeticky efektivnímu nakládání s biomasou by mělo předcházet vypracování aktuální společné strategie zemědělského a energetického sektoru, která by mimo jiné vedla k vytvoření burzy zemědělské biomasy a zřízení sběrného a předzpracovacího centra.
tags: #odpadova #alternativni #biomasa #vyuziti