Definice a Energetika Tuhých Emisí

Obecně můžeme říci, že palivo je látka, která hoří a při tomto procesu se uvolňuje teplo, které využíváme pro naše potřeby (topení, vaření, koupání).

Palivo se skládá z hořlaviny (h) a balastu. Hořlavina je ta část, kterou v palivu chceme, protože je nositelem energie. Balastem nazýváme tu část paliva, která je v palivu obsažena, ale nepřináší žádný energetický zisk, hovoříme o vodě (W) a popelovině (A).

Se snižujícím se obsahem vody a popeloviny se zvyšuje kvalita paliva, snáze a účinněji se spaluje, obsahuje více energie.

Složení hořlaviny

Organická složka paliva (hořlavina) se skládá s pěti základních prvků: C - uhlík, H - vodík, O - kyslík, N - dusík a S - síra. První tři zásadním způsobem ovlivňují vlastní spalovací proces a poslední dva spíše ovlivňují produkci znečišťujících látek (tvorba oxidů dusíku - NOx a oxidu siřičitého - SO2).

Uhlík, vodík a síra představují aktivní prvky hořlaviny a jsou nositeli chemicky vázané energie, která se při jejich spalování uvolňuje. Kyslík a dusík představují pasivní složku hořlaviny, protože nepřináší žádnou energetickou hodnotu.

Čtěte také: Zdroje a dopady tuhých imisí

Složení hořlaviny jednotlivých paliv je proměnlivé, ale pro možnost porovnání jsou uvedeny průměrné hodnoty složení hořlaviny. „Mladá“ paliva (biomasa) jsou málo prouhelněna, takže obsahují nejméně uhlíku (cca 45 %), ale více vodíku (cca 5 %) a kyslíku (cca 40 %).

Výhřevnost a spalné teplo

Základním a zřejmě i nejdůležitějším parametrem, který charakterizuje palivo, je výhřevnost a spalné teplo. Zjednodušeně řečeno tyto veličiny vyjadřují množství chemicky vázaného tepla (např. v MJ nebo kWh), které se uvolní při dokonalém spálení jednotkové hmotnosti paliva (např. v kgpaliva nebo v tpaliva).

Čím větší výhřevnost, tím méně musíme přikládat, abychom vytopili stejný prostor. Hodnota výhřevnosti závisí pouze na obsahu aktivních prvků hořlaviny (C, H, S), čím větší část paliva bude tvořena těmito prvky, tím více energie bude obsahovat a tím větší výhřevnost bude mít.

Se zvyšujícím se obsahem vody a popeloviny se snižuje obsah aktivních prvků a tedy výhřevnost klesá. Obsah popeloviny můžeme ovlivnit jen minimálně, ale obsah vody např. u biomasy (dřeva apod.) jsme schopni výrazně snížit sušením.

Kdyby dřevo bylo naprosto suché, tak by jeho výhřevnost (hovoříme o výhřevnosti hořlaviny, popelovina je zanedbatelná, její obsah je většinou menší než 1 %) byla kolem 17 MJ/kghořlaviny.

Čtěte také: Tuhé znečišťující látky: analýza

Bohužel surové dřevo (čerstvě pokácené) obsahuje značné množství vody (je mokré, „živé“). Obsah vody je ovlivněn druhem stromu a také ročním obdobím, ve kterém byl strom pokácen. Obsah vody v surovém dřevu se pohybuje přibližně od 40 do 60 hmotnostních procent.

Zjednodušeně můžeme říci, že polovina surového dřeva je tvořena vodou a druhá polovina je tvořena hořlavinou, takže výhřevnost surového dřeva bude přibližně poloviční (8,5 MJ/kgdřeva - ve skutečnosti to bude ještě méně o výparné teplo vody 1,2 MJ/0,5kgvody, ale to bude vysvětleno později) ve srovnání s výhřevností samotné hořlaviny (17 MJ/kghořlaviny).

Sušení dřeva

Na levé straně obrázku je znázorněn kus surového (mokrého) dřeva (polínko) o hmotnosti jeden kilogram, který obsahuje cca 0,5 kg, tedy 50 % vody. Po jednom roce sušení (venku pod přístřeškem) se obsah vody zmenší cca na 30 % (v prvním roce se odpaří cca 0,286 kgvody) a po dvou letech bude menší než 20 % (v druhém roce se odpaří cca 0,089 kgvody).

To znamená, že celková hmotnost původního polínka se zmenší z jednoho kilogramu cca na 0,625 kg (za dva roky se odpařilo cca 0,375 kgvody). Množství aktivní hořlaviny zůstalo v daném kusu paliva nezměněno (cca 0,25 kg uhlíku - C a cca 0,025 kg vodíku - H), ale protože se snížila celková hmotnost polínka, je koncentrace aktivní hořlaviny vyšší, nyní tvoří cca 44 % z původních 27,5 %.

Proto se zvýšilo i množství měrné energie - výhřevnost paliva, která se vyjadřuje jako množství energie v MJ na kg paliva (výhřevnost vzrostla z původních 7,3 MJ/kg na 13,1 MJ/kg, což je navýšení cca o 80 %). Není to dáno tím, že by se zvýšilo množství hořlaviny, ale tím, že se zmenší hmotnost polínka cca o 0,375 kg vody, která se během dvou let odpaří.

Čtěte také: Ekologická stopa tuhých mýdel

Aby se vypařil (voda přejde do plynného stavu a opustí strukturu dřeva - dřevo se vysuší) jeden kilogram vody, je nutné spotřebovat (dodat) tzv. výparné (skupenské) teplo vody, které má hodnotu cca 2,45 MJ/kgvody. Pro výše uvedených 0,375 kg vody se tedy jedná cca o 0,92 MJ.

O toto teplo se nám také zvýšila výhřevnost kousku dřeva, protože voda nehoří a při spalování dřeva dochází v ohništi k jeho sušení, následně pak hoří aktivní prvky hořlaviny. Nejlépe se dřevo suší v dobře větraném dřevníku nebo stačí přístřešek na zahradě. Ve sklepě může surové dřevo plesnivět a hnít, což snižuje jejich energetickou hodnotu (záleží na vlhkosti a provětrání sklepa).

Potřeba sušení dřeva klade zvýšené náklady na venkovní prostory k jeho uskladnění a sušení. Průměrný dům vytápěný kusovým dřevem spálí ročně kolem deseti metrů krychlových dřeva. V ideálním případě byste měli mít ve venkovních prostorech skladovány minimálně dvě roční spotřeby dřeva (ty jsou ve fázi sušení) plus již vysušené palivo v skladovacích prostorách u kotelny nebo ve venkovních prostorách.

Je nutné mít přehled o tom, které palivo je již dva roky sušeno a které se bude v nadcházející topné sezóně spalovat (nejlépe označit).

Tvrdé vs. měkké dřevo

Lidé se často mylně domnívají, že tvrdé dřevo (např. dub, ořešák, javor, třešeň, jabloň, jasan, buk, hrušeň, švestka, akát, habr) má větší výhřevnost než dřevo měkké (např. smrk, borovice, jedle, topol, vrba, lípa, modřín, bříza). Je to mylný názor, ale na druhou stranu je nutné říci, že spálením kousku tvrdého dřeva se uvolní více tepla, než když spálíme objemově stejný kousek měkkého dřeva.

Čím to tedy je? Je to tím, že tvrdé dřevo je těžší, má větší hustotu (kgdřeva/m3dřeva) a výhřevnost vyjadřuje množství tepla obsaženého v kilogramu paliva. Při stejném obsahu vlhkosti bude jeden koš měkkého dřeva lehčí než stejný koš tvrdého dřeva, takže při jeho spálení se víc ohřejeme.

Kvalitní pelety či brikety mají hustotu o něco větší než voda, takže jednoduchým testem můžete zjistit, jak na tom jsou ty vaše.

Výhřevnost vs. spalné teplo - detailněji

Množství energie v palivu vyjadřujeme buď jako výhřevnost nebo jako spalné teplo. Výhřevnost se nedá změřit a počítá se ze spalného tepla, které se stanoví v kalorimetru a z obsahu vodíku (prvkový rozbor paliva).

Spalné teplo se měří v kalorimetru, který si můžeme představit jako nádobu (patrona - podobná nerezové termosce), do které vložíme misku s přibližně jedním gramem (jedna polovina kávové lžičky) najemno pomletého paliva. Nádobu naplníme kyslíkem (aby palivo dobře hořelo), uzavřeme a pak jej zapálíme. Palivo hoří, což je reakce při, které se uvolňuje teplo (exotermní). Celá nádoba je ponořena ve vodě (cca teplota laboratoře = 20 °C), která se díky uvolněnému teplu zahřívá, celá nádoba s vodou je tepelně izolovaná od okolí.

Můžeme říci, že srdce kalorimetru představuje přesné měření absolutní hodnoty teplotního rozdílu (diference) teploty vody před zapálením paliva až po jeho úplné shoření (teplota po zapálení prudce roste a postupně se ustálí na hodnotě cca do 25 °C). Známé množství zahřáté vody, hodnota tepelné kapacity vody a teplotní diference je přímo úměrná teplu např. v kJ, které se uvolnilo při spalování známého množství paliva např. v g. Tento poměr představuje spalné teplo paliva, které se vyjadřuje např. v kJ/g, MJ/kg, GJ/t, kWh/kg apod.

Spalné teplo je definováno jako teplo, které se uvolnilo při spálení jednotkového množství paliva s tím, že produkty spalování (spaliny) jsou ochlazeny na původní teplotu paliva, takže veškerá voda obsažená ve spalinách zkondenzuje a na konci experimentu je v kapalném stavu.

U výhřevnosti je tomu tak, že voda ve spalinách nezkondenzuje (přestože by byly ochlazeny na původní teplotu), ale zůstane v plynném stavu, takže se neuvolní skupenské teplo vody. Jedná se pouze o teoretický stav, který nelze v praxi experimentálně změřit, proto se výhřevnost vypočítává ze spalného tepla.

Jedním z aktivních prvků hořlaviny je vodík, který je ve struktuře tuhých paliv vázán v různých podobách, u plynných a kapalných paliv se jedná o směs mnoha uhlovodíků (např. zemní plyn obsahuje převážně metan, dále často používáme tyto uhlovodíky: propan, butan, benzín, nafta a např. slivovice je mimo jiné směs mnoha uhlovodíků).

Když vodík v jakékoliv podobě hoří, tvoří se vodní pára, která je součástí spalin (v mrazivých dnech můžeme pozorovat bílý kouř nad komíny, to je vodní pára). Z jednoho kilogramu vodíku se vytvoří cca devět kg vodní páry, což je přibližně 11,2 m3 vodní páry. Spaliny tedy obsahuji vodní páru z vlhkosti paliva, ze spalování vodíku a ze spalovacího vzduchu.

Pokud spaliny ochladíme pod teplotu rosného bodu, vodní pára zkondenzuje (stejně tak se v zimě orosí brýle, když vejdeme do teplé místnosti, protože brýle mají nižší teplotu než teplota rosného bodu vody obsažené ve vzduchu), mění skupenství z plynného na kapalné a tím se uvolní skupenské teplo vody (2,45 MJ/kgvody), které je stejně velké jako teplo, které se spotřebuje na to, abychom vodu vypařili.

Zde je ten zásadní rozdíl mezi spalným teplem a výhřevností. U spalného tepla vodní pára zkondenzovala, ale u výhřevnosti uvažujeme s tím, že voda obsažená ve spalinách zůstane v plynném stavu, tedy jako vodní pára, takže se neuvolní skupenské teplo vody z kondenzace.

Z výše uvedeného vyplývá, že pokud palivo obsahuje vodu nebo vodík, bude spalné teplo větší než výhřevnost.

Dva kilogramy suchého nebo čtyři kilogramy mokrého dřeva mají přibližně stejnou výhřevnost jako jeden metr krychlový zemního plynu. V současné době se pohybuje cena jednoho metru krychlového zemního plynu pro domácnosti, které jej používají pro vytápění kolem 15 Kč včetně DPH.

Selský rozum by velel k tomu, abychom při spalování využívali spalné teplo a ne „jenom“ výhřevnost.

Kondenzační kotle

Kondenzace se využívá v kondenzačních kotlích a u kotlů spalujících plynná paliva se jedná o velmi rozšířenou technologii. Plynné palivo je „čisté“ a „suché“, takže komplikace s kondenzátem jsou minimální. Teoreticky se spálením jednoho metru krychlového vytvoří cca 1,5 kg (litru) vody. V reálném provozu je to o něco méně a z plynového kondenzačního kotle do kanalizace vyteče cca jeden kilogram (litr) kondenzátu, což představuje cca 66% využití zisku z kondenzace vody ze spalin.

Využití kondenzace při spalování tuhých paliv je v začátcích a zatím existují jen aplikace, pro spalování dřevních peletek, kde však zisk kondenzací není nijak značný.

Účinnost kotle se počítá jako poměr tepla vyrobeného (výkon) k teplu dodanému (příkon). V Evropě se při výpočtu účinnosti teplo dodané vyjadřuje z výhřevnosti paliva, proto se v případě kondenzačních kotlů můžete setkat s výslednou účinností, která je vyšší než 100 %.

Samozřejmě, že se nejedná o perpetuum mobile, ale jde o to, zda se teplo dodané do kotle vyjadřuje z výhřevnosti či spalného tepla. Správně by se mělo vyjadřovat ze spalného tepla, jenže potom by takto vyjádřená účinnost nebyla porovnatelná s účinností „klasických“ nekondenzačních kotlů.

Spalovací proces

Podstatou spalovacího procesu je hoření paliva, jedná se o jev, při kterém hoří palivo za vývinu tepla a světla (plamen, žhavé uhlíky). Aktivní hořlavina paliva (C, H, S) reaguje se vzdušným kyslíkem (O2). Protože je tato reakce doprovázena uvolňováním tepla, nazýváme jí exotermní, spaliny (produkty spalování) mají vysokou teplotu a my využíváme jejich teplo pro potřeby vytápění, ohřev vody nebo vaření.

Ke spalovacím reakcím dochází při všech teplotách, přičemž její hodnota určuje její rychlost (čím větší teplota, tím větší rychlost reakce), o hoření hovoříme tehdy, pokud je spalovací reakce doprovázena světelným efektem např. plamenem (teplota spalin dosáhne spektra viditelného pro lidské oko). Pokud je rychlost reakce vyšší než rychlost zvuku, hovoříme o výbuchu, ale jedná se také o hoření.

Snižování závislosti na zemním plynu

V dnešní době čelíme neustále narůstajícím výzvám spojeným s klimatickými změnami a udržitelností. Právě problematika energetiky nabývá v tomto kontextu stále většího významu. Jedním z klíčových aspektů je otázka celosvětové závislosti na tradičních fosilních palivech. Spotřeba zemního plynu činila v roce 2022 celosvětově 27 % z celkové spotřeby fosilních paliv. Jeho využívání s sebou přináší rizika a především negativní dopady na životní prostředí, jako je globální oteplování a klimatické změny.

Podle Mezivládního panelu pro změnu klimatu (IPCC) se celosvětové emise skleníkových plynů zvýšily od roku 1990 o 47 %. Vrtání, těžba plynu z vrtů a jeho přeprava potrubím má za následek únik metanu, který se řadí mezi významné skleníkové plyny, které zvyšují teplotu zemské atmosféry. Je zhruba 34krát silnější než oxid uhličitý.

I z tohoto důvodu má Holcim ve své Strategii 2027 formulovaný cíl, který se zabývá snížením závislosti na zemním plynu. Namísto toho je z více jak 95 % tvořen podíl energetického palivového mixu z alternativních paliv.

V samotné cementářské peci jsou při vypalování slínku používaná alternativní paliva z odpadů. Stavební a cementářský průmysl představují významný podíl v produkci emisí CO₂ na světě. Důležitost rozvoje alternativních paliv v těchto odvětvích neustále roste. Jejich význam vůči zemnímu plynu se zvyšuje v souvislosti s rostoucími obavami z klimatických změn.

Zemní plyn je jedním z nejčistších fosilních paliv, ale stále produkuje skleníkové plyny, s čímž mohou pomoci právě alternativní paliva. Alternativní paliva jsou taková paliva, která nejsou založena na fosilních palivech, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn. Bioplyn, který vzniká anaerobním rozkladem organického materiálu, jako jsou organické odpady a rostlinné zbytky. Biopaliva jsou vyráběna z biomasy, jako jsou rostliny, řasy nebo dřevo.

Výhody alternativních paliv

• Alternativní paliva jsou obnovitelná, zatímco zemní plyn je fosilní palivo omezené množstvím zdrojů, které jsou k dispozici.
• Alternativní paliva mají nižší emisní profil než zemní plyn.

Alternativní paliva vs. zemní plyn - dopad na životní prostředí

Skupina Holcim již dlouhodobě využívá alternativní paliva a ztenčuje zásoby fosilních. V roce 2021 se Holcim stal první společností v oboru, která si nechala své nulové cíle pro roky 2030 a 2050 ověřit iniciativou Science Based Targets (SBTi).

Za posledních třicet let učinil cementářský průmysl obrovský pokrok ve snížení závislosti na zemním plynu. Spaluje se stále více tuhého alternativního paliva, především předzpracovaného výmětu ze žlutých popelnic.

Principy cirkulární ekonomiky umožňují využívat materiály, které lze opakovaně používat, dokud se jejich životní cyklus neuzavře. Kromě maximalizace využití alternativní paliv se mezi prvních kroky pro docílení závazku řadí také „zelený” cement, při jehož výrobě vzniká o 30 % méně emisí oxidu uhličitého než u běžného portlandského. Společnost Holcim si je vědoma toho, že výroba stavebních materiálů s využitím zemního plynu má velký dopad na životní prostředí. Těžba zemního plynu je prováděna ze zemských vrstev pomocí vrtů. Spalování zemního plynu uvolňuje skleníkové plyny jako je oxid uhličitý a metan. Tyto plyny přispívají ke změně klimatu. Při těžbě může také dojít k úniku plynu a znečištění vody.

Tabulka: Alternativní paliva vs. zemní plyn - dopad na životní prostředí

Zemní plyn je obecně považován za bezpečné palivo. Zásoby zemního plynu se odhadují na 494 000 mld. Na prvním místě je území Ruska a země Středního Východu. Zemní plyn je v současnosti jedním z nejdůležitějších zdrojů energie, je však pravděpodobné, že jeho význam bude v budoucnu klesat.

Tento článek vznikl za podpory MPO v rámci řešení projektu FR-TI1/178 Krbová kamna se sníženou produkcí prachu a MŠMT v rámci řešení projektu CZ.1.05/2.1.00/01.0036 Inovace pro efektivitu a životní prostředí.

tags: #tuhe #emise #energetika #definice

Oblíbené příspěvky:

• Fáze Klimatického Cyklu
• Odpadkový koš do kuchyně: Průvodce
• Použití sójového vosku EcoSoya
• Vliv imisí na ovzduší
• Princip a implementace smlouvy o zpětném odběru a recyklaci odpadu z obalu v ČR